O genoma vegetal aspectos estruturais e regulação da expressão gênica

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O genoma vegetal
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE - ICS
DEPARTAMENTO DE BIOFUNÇÃO
Disciplina: Bioquímica e Fisiologia Molecular Vegetal
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Profa. Marta Bruno Loureiro
Me. Paulo de C. Teixeira Vasconcelos
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“Conjunto de sequências de nucleotídeos, expressas ou não, que constituem o material genético de uma espécie, vírus ou organela”.
O que é o Genoma?
2
Conceito
Íntrons
Seções de DNA de um gene que não codificam qualquer parte da proteína produzida pelo gene e que separa a sequência constituída pelos éxons.
Éxons
DNA - Segmento de DNA de um gene eucarioto cujo transcrito sobrevive ao processo de excisão (splicing). 
RNA - Em uma molécula de mRNA, um éxon pode codificar aminoácidos de uma proteína, em outras moléculas de RNA maduro como tRNAs e rRNAs, o éxon constitui parte estrutural. 
O que constitui o Genoma?
3
A PESQUISA GENÔMICA
A PESQUISA GENÔMICA
As RNAs POLIMERASES 
RNA POLIMERASE I – síntese de rRNA
RNA POLIMERASE II – síntese de mRNA (transcrição)
RNA POLIMERASE III – síntese de tRNA
ONDE ESTÁ O GENOMA VEGETAL?
DNA presente nos cromossomos – nuclear
DNA presente nas organelas celulares (mitocôndrias - mitocondrial, cloroplastos - cloroplastidial)
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GENOMA DOS CLOROPLASTOS
 Cloroplastos são as organelas responsáveis pelo processo da fotossíntese;
 Os cloroplastos possuem um genoma próprio, independente do DNA nuclear da planta;
 Sua origem na célula vegetal ocorreu há bilhões de anos;
GENOMA DOS CLOROPLASTOS
Possui quatro regiões distintas:
 Duas regiões invertidas e repetidas (IR)
 Uma região longa de cópia única (LSC)
 Uma região curta de cópia única (SSC)
Codifica principalmente enzimas ligadas à fotossíntese (aproximadamente 50 proteínas, incluindo uma RNA-polimerase e algumas proteínas ribossômicas);
Codifica todas as espécies de rRNA e tRNA; 
Ocorrem deleções e pequenas mutações.
GENOMA DOS CLOROPLASTOS
GENOMA DAS MITOCÔNDRIAS
Varia muito em tamanho
Várias moléculas circulares
Tem muitas cópias numa mesma célula
Todos os genes de um organismo são transcritos numa mesma célula?
As células especializam-se em função do repertório de proteínas associadas a cada tipo de metabolismo;
Do quantidade de cada uma dessas proteinas.
A regulação da transcrição dos genes (quais os que são transcritos e quanto das respectivas proteínas é produzido por cada tipo de célula) é uma chave fundamental da diferenciação celular.
Metabolismo energético
Citosqueleto
Polipéptidos ribossomais
 Histonas
PROTEÍNAS COM FUNÇÕES GERAIS
Codificadas nos genes housekeeping (são transcritos em todos os tipos de células)
Genes constitutivos que são necessários para a manutenção da função celular básica, e são expressos em todas as células de um organismo, em condições normais e fisiopatológicas
GENES ESTRUTURAIS E GENES REGULADORES
 Genes estruturais – codificam proteínas que integram a estrutura celular ou intervêm no metabolismo e transporte das diversas classes de biomoléculas que compõem as células.
Genes reguladores – codificam produtos menos abundantes nas células. Regulam direta ou indiretamente, a expressão de outros genes (que poderão ser estruturais ou reguladores de outros genes, neste caso indo regular outro conjunto de genes-alvo, segundo "modelos em cascata reguladora”)
PROJETOS GENOMA
Bacteriófago fX174 (1977): 1º Genoma Sequenciado
Haemophilus influenzae: 1º organismo vivo
1989: Genoma Saccharomyces cerevisae
1997: Drosofila, C. elegans, E. coli
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Número de Genes
COMPARAÇÕES
GENOMAS VEGETAIS
Primeiro genoma completo: Arabidopsis thaliana.
Por quê?
Menor genoma vegetal conhecido 125 milhões de pares de bases (MPB)
Facilidade para obter mutantes;
Facilidade para estudos de genética clássica.
Os genes de Arabidopsis não podem ser patenteados (o que aumenta a transparência e o acesso aos conhecimentos obtidos).
Genoma da Arabidopsis
Contém cerca de 125 milhões de pb (pequeno);
Codifica aproximadamente 25500 genes;
35% dos genes são genes únicos;
37,5% existem na forma de famílias gênicas com 5 ou mais membros;
A maioria dos processos que ocorrem nas espécies de importância econômica comercial ocorre também em Arabidopsis.
Famílias gênicas
São conjuntos de dois ou mais loci com seqüências similares de DNA. Originárias do mesmo DNA ancestral.
Loci
Plural de Locus
Local fixo onde está determinado gene ou marcador genético
Base de dados em Arabdopsis
Salk Institute for Biological Research, San Diego, Califórnia, EUA.
http://signal.salk.edu/egi-bin/tdnaexpress
Se a busca for positiva:
Basta solicitar as sementes da planta mutante em um banco de sementes mantido pelo Arabidopsis Biological Resource Center (Ohio State University, EUA)
GENOMAS VEGETAIS COMPLETOS
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/PLANTS/PlantList.html#C_SEQ
Arabidopsis thaliana
Triticum aestivum
Zea mays
Medicago truncatula
PROJETO 1000 GENOMAS
Pretende sequenciar o genoma de 1000 espécies (importância econômica).
Exemplos:
http://ldl.genomics.cn/page/pa-plant.jsp?showPage=1
COMO ESTÁ ORGANIZADO O GENOMA NUCLEAR VEGETAL?
Variação de tamanho: 63 a 149 Mb
No de cromossomos: 2 até 600
Regiões repetitivas:
Sequências repetitivas
Região do centrômero e telômero
Transposons e Retrotransposons
Atuam por um mecanismo de copy-paste.
O DNA é transcrito em RNA e este novamente em DNA por ação da transcriptase reversa 
Atuam por copy-paste e cut-paste.
São sequências de DNA capazes de se movimentar de uma região para outra no genoma de uma célula, se ligando a outras regiões (sítios) do genoma aleatoriamente
COMO ESTÁ ORGANIZADO O GENOMA NUCLEAR VEGETAL?
Telômero
Estrutura constituída por fileiras repetitivas de proteínas e DNA não codificante que formam as extremidades dos cromossomos. A função é manter a estabilidade estrutural do cromossomo.  
Centrômero - É a região mais condensada do cromossomo, normalmente se localiza no meio deste, onde as cromátides-irmãs entram em contato. No centrômero os genes não têm atividade e não se expressam. 
TRANSPOSONS EM ESPÉCIES VEGETAIS 
ou Elementos de Transposição
2 MECANISMOS:
Corta e cola (a)
Copia e cola (b)
(a)
(b)
 São sequências de DNA capazes de se movimentar de uma região para outra no genoma de uma célula, se ligando a outras regiões (sítios) do genoma aleatoriamente
ANEUPLOIDIA E POLIPLOIDIA
Muito comum em plantas.
Aneuploidia: número ímpar de cromossomos
Motivos: 
Perda de um cromossomo;
Trissomia ao invés de duplicação.
Poliploidia: mais de 70% das espécies vegetais conhecidas são poliplóides.
POLIPLOIDIA
Característica comum as plantas.
Existência de mais de dois genomas no mesmo núcleo.
Plantas tendem a carregar múltiplas cópias de extensas porções de seu DNA, ou de todo o genoma.
Aumenta as chances de que determinada espécie possua uma determinada variante de um gene, que pode proporcionar a diferença entre suportar uma estação seca ou sucumbir a esta condição.
DESEMPENHOU UM IMPORTANTE PAPEL NA ORIGEM E EVOLUÇÃO DE PLANTAS SILVESTRES E CULTIVADAS.
INSIGTHS SOBRE O GENOMA VEGETAL
O genoma vegetal é dinâmico.
Esses eventos facilitam a adaptação e a especiação (formação de novas espécies).
Transposons e retrotransposons são a principal causa de mutação e variação gênica.
REFLEXÕES FINAIS
As plantas cultivadas representam menos de 0,1% das espécies vegetais conhecidas.
Apenas 30 espécies vegetais fornecem 97% de todo alimento consumido no mundo.
Explorar os genomas vegetais para saber como é o seu funcionamento é ponto chave para o desenvolvimento da produção agrícola, para a conservação de espécies silvestres e entendimento dos processos evolutivos e adaptativos.
Projeto de Doutorado
Fenotipagem integrada e expressão de genes marcadores para estresses abióticos em sementes e plântulas de mamona (Ricinus communis L.).
OBEJETIVO GERAL
Estudar o transcriptomae obter os níveis de expressão de genes em sementes e plântulas de mamona (Ricinus communis L.) dentre genótipos com níveis diferenciais em tolerância a estresses abióticos comuns no semiárido
Por quer estudar a mamona?
 Oleaginosa  Indústria Ricinoquímica 
 Nordeste  Potencial econômico
 Estresses bióticos e abióticos 
		 
32
33
Resultados Fisiológicos
Resultados Fisiológicos
Resultados Fisiológicos
Resultados Fisiológicos
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Extração e determinação de carboidratos solúveis - HPLC
39
Extração e determinação de metabolitos primários – GC-TOF-MS
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Expressão Gênica 
 2x Heat Shock Proteins  HSP1 e HSP2 
 2x Glutamato descarboxilase  GAD2.3 e GAD2.4
 1x Malato Sintase  MLS
 3x Fosfoenolpiruvato carboxicinase  PEPCK1, PEPCK2 e PEPCK3
 3x Frutose 1,6-bifosfatase  FBP1, FBP2 e FBP3
		 
41
Seca
0.0 
-0.2 
-1.0 
0.0 
-0.2 
-1.0 
0.0 
-0.2 
-1.0 
20°C 
25°C 
35°C 
MPA34
Paraguaçu
HSP1 
Seca
0.0 
-0.2 
-1.0 
0.0 
-0.2 
-1.0 
0.0 
-0.2 
-1.0 
20°C 
25°C 
35°C 
MPA34
Paraguaçu
HSP2 
Seca
0.0 
-0.2 
-1.0 
0.0 
-0.2 
-1.0 
0.0 
-0.2 
-1.0 
20°C 
25°C 
35°C 
MPA34
Paraguaçu
GAD2.3 
Muito obrigado pela atenção!!! 
Gráf1
	517
	4288
	6340
	13600
	19000
	30000
	45000
	50000
Número de Genes
Plan1
	
	
	
	
	
			Mycoplama	517
			E. coli	4288
			Levedura	6340
			Drosofila	13600
			Ascaris	19000
			Humano	30000
			Arroz	45000
			Milho	50000
Plan1
	
Número de Genes
Plan2
	
Plan3