Bloco 1 - Aula 2: Estrutura e replicação do DNA (Analua)

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Aula 2 - Estrutura e replicação do DNA 
 
O m​aterial genético precisa ter 4 propriedades principais: 
 
1. Tem de ser capaz de armazenar numerosas informações: 
Já que é necessária a codificação das proteínas expressas por um organismo o material 
genético ​obrigatoriamente ​tem conteúdo informativo. 
 
2. Precisa se replicar de forma confiável 
Como todas as células do corpo de um organismo tem a mesma constituição, a 
replicação fiel do material genético nos processos de divisão celular é essencial. 
 
3. Obrigatoriamente codificar o fenótipo: 
O material genético precisa ter a capacidade de ser expresso para codificar os traços. 
O produto de um gene é uma proteína ou uma molécula de RNA, então é crucial que 
exista um mecanismo para que as instruções genéticas no DNA sejam copiadas em 
RNAs e proteínas. 
 
4. Precisa ser capaz de variar (em raras ocasiões): 
Mesmo que a estrutura do DNa precise ser estável para que a informação codificada 
seja confiável, o material genético tem que ser capaz de mudar ​raramente​, pois as 
mutações fornecem a matéria prima para a seleção evolutivas ​. 
Estrutura primária do DNA 
O DNA é uma macromolécula e em cada cromossomo humano há uma única molécula de 
DNA, que, se alongada, teria centímetros de comprimento, milhares de vezes mais longa que 
a célula. Apesar do seu tamanho, o DNA tem uma estrutura muito simples: é uma cadeia feita 
com muitas unidades repetidas unidas e esses ​elementos estrutur​ais do DNA são dadas por 3 
tipos de componentes químicos: ​Fosfato,​ ​desoxirribose​ (açúcar) e ​bases nitrogenadas 
(adenina, citosina, guanina e timina). Esses componentes químicos do Dna estão dispostos 
em grupos denominados ​nucleotídeos. 
 
 
 
1. Açúcares (Pentose) 
 
Os açúcares do DNA e do RNA apresentam estrutura um pouco diferente. O açúcar do DNa é 
chamado de ​desoxirribose porque ele tem apenas um átomo de hidrogênio no carbono 2´, ao 
contrário da ​ribose ​(componente do RNa) que tem uma hidroxila (OH) nessa posição. Essa 
diferença de um átomo de oxigênio a menos no DNA originou os nomes ácido ribonucleico 
(RNA) e ácido desoxirribonucleico (DNA). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O átomo de oxigênio adicional no nucleotídeo do RNA o torna ​mais reativo e menos estável do 
ponto de vista químico, em comparação com o DNA. Por esse motivo, o DNA se encaixa melhor 
como repositório a longo prazo de informação genética. 
 
2. Base nitrogenada 
Podem ser classificadas como pirimidinas e purinas. Cada purina tem um anel de seis 
membros preso a um anel de cinco membros, enquanto cada pirimidina tem apenas um anel 
de seis membros. 
Desta forma, a adenina e guanina (A e G) são purinas e a citosina (C), timina (T) e uracila (U) 
são pirimidinas que comuns nos ácidos nucleicos, porém a timina está restrita ao DNA, e a 
uracila é encontrada apenas no RNA. 
Um açúcar desoxirribose ou ribose e uma base juntos são chamados de ​nucleosídeo​. 
 
 
 
3. Fosfato 
 
Com esse grupo adicionado a base nitrogenada ligada a uma pentose, forma o nucleotídeo. 
 
Com isso, constata-se que as diferenças entre o DNA e RNA são: 
● O açúcar do RNA tem um grupo hidroxila, formando o açúcar ​ribose, ​enquanto no 
açúcar do DNA, o açúcar encontrado encontrado não possui o oxigenio no carbono 
2´, formando a ​desoxirribose. 
● O RNA tem uracila, o DNA tem timina. 
 
 
O DNA é constituído por muitos nucleotídeos conectados por ligações covalentes 
denominadas ligações fosfodiéster, que unem ao grupo 5′-fosfato de um nucleotídeo com a 
3′-hidroxila do próximo nucleotídeo, formando a cadeia de polinucleotídeo. Cada cadeia de 
polinucleotídeos tem polaridade, com uma extremidade 5′ e uma outra 3′. 
Estrutura secundária do DNA 
Uma característica fundamental da estrutura secundária do DNA é que ele tem duas cadeias 
de polinucleotídeos enroladas uma sobre a outra em formato de dupla-hélice. As ligações 
açúcar-fosfato estão no lado externo da hélice, e as bases estão empilhadas no interior da 
molécula. 
As duas cadeias de polinucleotídeos seguem em direções opostas, ou seja, são 
antiparalelas; isso significa que a extremidade 5′ de uma cadeia está oposta à extremidade 3′ 
da outra. 
As bases nitrogenadas são ligadas por pontes de hidrogênio nas cadeias opostas e essas 
ligações são relativamente fracas se comparadas com as ligações covalentes fosfodiéster que 
conectam o açúcar e os grupos de fosfato dos nucleotídeos vizinhos na mesma cadeia. 
 
A adenina pareia ​apenas com a timina com duas pontes de hidrogênio (A=T), e a citosina 
pareia ​apenas​ com a guanina com três pontes de hidrogênio (G≡C). 
Assim, essa especificidade do pareamento das bases significa que, onde quer que exista uma 
A em uma cadeia, deve existir uma T na posição correspondente na outra cadeia, e onde quer 
que exista uma G em uma cadeia, deve existir uma C no outro. 
As duas fitas de polinucleotídeos de uma molécula de DNA, portanto, não são idênticas, mas 
sim fitas complementares do DNA. A natureza complementar das duas cadeias de 
nucleotídeos possibilita uma replicação eficiente e precisa do DNA. 
 
Por fim, o Dna possui a seguinte estrutura: 
● Fitas no sentido 5´→ 3´ antiparalelas 
● Pareamento de bases complementares ligadas por pontes de hidrogênio, sendo A com 
e G com C. 
● Ligações fosfodiéster: ocorrem entre uma 3’OH de uma desoxirribose e uma 5’ de 
outra desoxirribose de uma mesma fita. Portanto, cada ligação açúcar fosfato tem uma 
polaridade 5´ 3´ 
● Ligações N-glicosídicas:​ ocorrem entre o açúcar (pentose) e a base nitrogenada 
 
Regra de Chargaff 
Um dado importante sobre a estrutura do DNA se dá pelas regras de Chargaff da composição 
de bases, onde foi estabelecido algumas regras empíricas sobre as quantidades de cada tipo de 
nucleotídeo encontrado no DNA: 
1. A quantidade total de nucleotídeo pirimídicos (T e C) é sempre igual a de nucleotídeo 
purímicos 
2. A quantidade de T é sempre igual a de A e ​a de C é sempre igual a de G, mas a 
quantidade de A+T não é necessariamente igual a de C+G. Essa proporção varia em 
organismos diferentes. 
 
Replicação do DNA 
Ação que uma entidade original da origem a copias com propriedades semelhantes. 
 
Fluxo de informação genética 
 
DNA​→​ mRNA ​(transcrição)​ ​→​ Polipeptideo ​(tradução) 
 ​ ↳​DNA ​(replicação) 
 
d​ ​Perpetua a informação genética de geraçao a geraçao 
 
d​ ​Controle do fenótipo (expressão gênica) 
 
A natureza complementar das duas fitas de nucleotídios em uma molécula de DNA sugere 
que, durante a replicação, cada fita serve como molde para a síntese de uma nova fita. A 
especificidade do pareamento de bases (adenina com timina, guanina com citosina) indica 
que apenas uma sequência de bases pode ser especificada para cada molde, e então as duas 
moléculas de DNA construídas a partir do par de moldes serão idênticas à molécula original. 
Esse processo é chamado de ​replicação semiconservativa​, porque cada fita original de 
nucleotídios permanece intacta (conservada), apesar de não se combinar mais com a mesma 
molécula; a molécula original de DNA tem sua metade (semi) conservada durante a 
replicação. 
 
Para que a replicação aconteça é preciso ter: 
● Um molde de DNA unifilamentar; 
● Matéria prima para a síntese do novo filamento de DNA;● Enzimas e outras proteínas que leem (ou ajudam no processo de leitura) o molde e 
sintetizam a nova fita a partir da informação contida no molde. 
 
Como a replicação do DNA é semiconservativa, uma molécula de DNA de fita dupla precisa 
se desenvolver para expor as bases que atuam como molde para a montagem de novas fitas de 
polinucleotídios, que serão complementares e antiparalelas às fitas molde. 
Na síntese de DNA, os nucleotídios são acondicionados ao grupo 3′-OH da fita de 
nucleotídios crescente. O grupo 3′-OH do último nucleotídio na fita fixa-se ao grupo 
5′-fosfato do dNTP (desoxirribonucleosídio) de chegada. Os dois grupos fosfato são 
rompidos a partir do dNTP de chegada, e uma ligação fosfodiéster é criada entre os dois 
nucleotídios. 
A síntese de DNA não acontece espontaneamente, ela requer um grupo de enzimas e 
proteínas que atuam de maneira coordenada. Examinaremos esse complexo arranjo de 
proteínas e enzimas à medida que analisarmos o processo de replicação com mais detalhes. 
 
As unidades de replicação são chamadas de ​replicons ​, cada uma com uma origem de 
replicação e a replicação se inicia na origem e continua até o replicon inteiro ser replicado. Os 
cromossomos bacterianos têm uma única origem de replicação, enquanto os cromossomos 
eucarióticos têm várias origens 
 
 
Quanto ao sentido da replicação, novos nucleotídeos são unidos um de cada vez a ponta 3’ do 
filamento recém sintetizado, assim o ​sentido de replicação é 5’ → 3’. 
Então novas fitas de DNA sempre alongam no mesmo sentido 5′ → 3′. Como os dois moldes 
de DNA de fita única são antiparalelos e o prolongamento de fita é sempre 5′ → 3′, se a 
síntese em um molde segue, por exemplo, da direita para a esquerda, então a síntese do outro 
molde deve seguir no sentido oposto, da esquerda para a direita. À medida que o DNA se 
desenrola durante a replicação, a natureza antiparalela das duas fitas de DNA significa que o 
filamento recém sintetizado contínuo (leading) usa o molde 3’ → 5’ e o filamento recém 
sintetizado descontínuo (lagging) usa o molde 5’ → 3’ 
 
Em eucariotos e procariotos, o DNA se desenrola em um lugar particular, a origem, e uma 
bolha de replicação é formada. Se a bolha tem duas forquilhas, uma em cada extremidade, a 
síntese ocorre simultaneamente em ambas as forquilhas (replicação bidirecional). Em cada 
forquilha, a síntese em uma das fitas molde prossegue no mesmo sentido que a fita 
desenrolada; essa fita recém-replicada é a fita líder com replicação contínua. 
Na outra fita molde, a síntese segue no sentido oposto que o da fita desenrolada; essa fita 
recém-sintetizada é a fita tardia com replicação descontínua. Essa diferença surge porque a 
síntese do DNA está sempre no mesmo sentido (5′ → 3′), mas as duas forquilhas se movem 
em sentidos opostos 
 
1. Replicação em Procariotos 
 
Possui uma origem de replicação por molécula de DNA, ocorre no citoplasma e tem duas 
forquilhas de replicação 
Um tipo comum de replicação que ocorre no DNA circular, como o encontrado na E. coli e 
em outras bactérias, é chamado de ​replicação teta (θ). Na replicação teta, o DNA de fita 
dupla começa a se desenrolar na origem da replicação, produzindo fitas de nucleotídeos de 
fita única que servem como moldes nos quais o novo DNA pode ser sintetizado. O 
desenrolamento da dupla-hélice gera uma alça, chamada bolha de replicação e esse 
desenrolamento pode ser em uma ou em ambas as extremidades da bolha, tornando-a 
progressivamente maior. A replicação do DNA em ambas as fitas molde é simultânea com o 
desenrolamento. 
O ponto de desenrolamento, onde as duas fitas únicas de nucleotídeos se separam da hélice de 
fita dupla do DNA, é chamado de ​forquilha de replicação​. 
 
 
1) Iniciação​: A Dna A (proteína de iniciação) se liga a OriC (sequência de 245pb) e faz um 
segmento curto do DNA se desenrolar. Esse desenrolamento permite que a helicase e outras 
proteínas sejam recrutadas. 
 
2) Deselicoidização:​ separação do DNA bifilamentar. Requer as enzimas Helicase, as 
proteínas de ligação unifilamentares e as topoisomerases (girase). 
 
1. DNA helicase: A proteína de iniciação separa primeiro as fitas de DNA na origem, 
fornecendo um curto segmento de DNA de fita dupla onde essa enzima se liga e 
rompe as pontes de hidrogênio entre as bases de duas fitas de nucleotídios de uma 
molécula de DNA. 
2. Proteínas ligadoras de DNA de fita única: Essas proteínas (SSBs) prendem-se 
firmemente ao DNA de fita única exposto. Essas proteínas protegem as cadeias de 
nucleotídios de fita única e evitam a formação de estruturas secundárias que 
interferem na replicação. 
3. DNA girase: É uma topoisomerase (controlam o superenrolamento do DNA). Ela 
reduz a tensão de torção (torque) que surge à frente da forquilha de replicação como 
resultado do desenrolamento. 
 
3) Alongamento: Na fase de alongamento da replicação, o DNA de fita única é usado como 
um molde para a síntese de DNA. Para isso, é necessario ter as enzimas RNa primase e DNa 
polimerase I e III. 
 
● Síntese dos primers: ​Todas as DNA polimerases precisam de um nucleotídio com um 
grupo 3′-OH ao qual um novo nucleotídio pode ser adicionado. Por causa dessa 
exigência, as ​DNA polimerases não podem iniciar a síntese de DNA em um molde 
vazio; elas precisam de um primer (um grupo 3′-OH) para iniciar. Uma enzima 
chamada ​RNA primase sintetiza segmentos curtos de nucleotídios de RNA, ou 
primers, que fornecem um grupo 3′-OH. 
Todas as moléculas de DNA inicialmente têm primers de RNA curtos incrustados 
dentro delas; esses primers são removidos e substituídos por nucleotídios de DNA. Na 
fita líder, onde a síntese de DNA é contínua, um primer é necessário apenas na 
extremidade 5′ da fita recém-sintetizada. Na fita tardia, onde a replicação é 
descontínua, um novo primer deve ser gerado no início de cada fragmento de Okazaki 
 
● Síntese de DNA pelas DNA polimerases: Após o DNA ser desenrolado e um primer 
ser adicionado, as DNA polimerases prolongam a fita nova de polinucleotídios ao 
catalisar a polimerização do DNA. Ela sintetiza fitas de nucleotídios ao adicionar 
novos nucleotídios à extremidade 3′ da molécula de DNA crescente. Sua atividade 
polimerase 5′ → 3′ possibilita que ela adicione novos nucleotídios no sentido 5′ → 3′. 
Sua atividade exonuclease 3′ → 5′ possibilita que ela remova nucleotídios na direção 
3′ → 5′, tornando possível a correção de erros. A DNA polimerase III adiciona 
nucleotídios de DNA ao primer, sintetizando o DNA das fitas líder e tardia. 
Após a DNA polimerase III iniciar a síntese no primer e mover-se na direção 3′ 
(downstream), a DNA polimerase I remove os nucleotídios de RNA do primer, 
substituindo-os por nucleotídios de DNA. 
 
 
● DNA ligase: Após a polimerase I ter substituído o último nucleotídio do primer de 
RNA por um nucleotídio DNA, permanece uma ruptura na estrutura açúcar-fosfato da 
nova fita de DNA. Essa ruptura é fechada pela enzima DNA ligase, que catalisa a 
formação de uma ligação fosfodiéster sem adicionar outro nucleotídio à fita. 
 
3) Término: Em algumas moléculas de DNA, a replicação é terminadasempre que duas 
forquilhas de replicação se encontram. Em outras, as sequências de término específicas 
(chamadas sítios Ter) bloqueiam a replicação. Uma proteína de término, chamada Tus na 
E. coli, liga-se a essas sequências, criando um complexo Tus-Ter que bloqueia o 
movimento da helicase, paralisando a forquilha de replicação e evitando a replicação de 
DNA. Cada complexo Tus-Ter bloqueia a forquilha de replicação de se deslocar em um 
sentido, mas não para o outro. 
 
Fidelidade da replicação do DNA 
Taxa de erro na replicação é < um erro por bilhão de nucleotídios. m​as co​mo é alcançada 
essa fidelidade? 
● Eficiência de pareamento das DNA polimerases (erros: uma vez a cada 100.000 
nucleotídios). 
● Correção da maioria dos erros que surgem na seleção dos nucleotídios no processo de 
revisão (atividade exonuclease 3′ → 5′ da DNA polimerase remove o nucleotídio 
incorretamente pareado e atividade 5′ → 3′ insere o nucleotídeo correto. Juntos: 
resultando em uma taxa de erro de apenas um em 10 milhões de nucleotídios. 
● Reparo de pareamento errado de DNA : corrige os erros após o término da replicação. 
Nucleotídio incorretamente pareado produz uma deformação na estrutura secundária 
do DNA; a deformidade é identificada por enzimas que removem o nucleotídio 
incorreto e usam a fita original de nucleotídios como molde para substituir esse 
nucleotídio. 
 
 
2. Replicação em Eucariotos 
 
É uma replicação do tipo linear com várias origens de replicação por molécula de DNA, 
ocorre no núcleo e possui várias forquilhas de replicação. 
Em cada origem de replicação, o DNA se desenrola e produz uma bolha de replicação. A 
replicação ocorre em ambas as fitas em cada extremidade da bolha, com as duas forquilhas de 
replicação se espalhando para fora. Por fim, as forquilhas de replicação dos replicons 
adjacentes correm na direção uma da outra, e os replicons se unem para formar longos 
trechos de DNA recém-sintetizado. 
A replicação e a fusão de todos os replicons geram duas moléculas idênticas de DNA. 
 
 
A replicação é bastante similar a procariotos, mas apresenta alguns desafios: 
 
● Cromossomo eucarioto é maior requerendo várias origens de replicação 
● Cromossomo eucarioto é linear gerando desafios de replicação das pontas 
 
● Os moldes de DNA estão associados a proteínas 
histona (formando os nucleossomos) 
1) Iniciação: montagem do replissomo:​ A origem do 
complexo de reconhecimento (ORC) se liga a 
sequências de Origem e depois recrutam outras 
proteínas (Cdc6 e Cdt1), que juntas recrutam a 
helicase (complexo MCM – manutenção de 
minicromossomo) e depois a DNA polimerase. A 
síntese ocorre somente na fase S do ciclo celular. 
 
2) ​Deselicoidização, ligação de iniciadores e 
alongamento:​ É bastante similar a replicação de 
procariotos. Entretanto existe a necessidade de 
reorganizar os nucleossomos para que a fita de DNA 
seja liberada. Isso é realizado em três etapas: ​(1) ​o 
rompimento dos nucleossomos originais na molécula 
de DNA parental à frente da forquilha de replicação; 
(2) ​a redistribuição das histonas preexistentes sobre 
novas moléculas de DNA 
(3)​ a adição de histonas recém-sintetizadas para 
completar a formação de novos nucleossomos. 
 
OBS:​ O DNA eucariótico é complexado a proteínas 
histonas em estruturas chamadas ​nucleossomos,​ que 
contribuem para a estabilidade e o empacotamento da 
molécula de DNA. Na replicação, a estrutura da cromatina 
é rompida pela forquilha de replicação, mas os 
nucleossomos são rapidamente remontados em duas novas 
moléculas de DNA. 
São necessárias três etapas para a criação de novos 
nucleossomos: 
(1) O rompimento dos nucleossomos originais na molécula 
de DNA parental à frente da forquilha de replicação; 
(2) A redistribuição das histonas preexistentes sobre novas 
moléculas de DNA; 
(3) A adição de histonas recém-sintetizadas para completar a formação de novos 
nucleossomos. Antes da replicação, uma molécula de DNA única está associada a proteínas 
histonas. Após a replicação e a montagem do nucleossomo, duas moléculas de DNA estão 
associadas às histonas. 
 
3) Alongamento:​ a função da DNA pol I é exercida pela DNA pol alfa (α) e da DNA pol 
III é exercida pela DNA pol delta (δ) no filamento lagging e DNA pol épsilon (ε) no 
filamento leading. Então: 
● DNA polimerase α:​ ​Tem atividade primase e inicia a síntese de DNA nuclear ao 
sintetizar um primer de RNA, seguida por uma sequência curta de nucleotídios de 
DNA. 
● DNA polimerase δ:​ Após a DNA polimerase α ter se estabelecido entre 30 e 40 
nucleotídios, a DNA polimerase δ completa a replicação na fita tardia. 
 
● DNA polimerase ε:​ Semelhante em estrutura e função à DNA polimerase δ, ela 
replica a fita líder. Outras DNA polimerases participam da replicação e recombinação 
ou catalisam a replicação do DNA de organela. 
 
4) Término (problema de replicação das pontas)​: Uma diferença fundamental entre as 
replicações eucariótica e bacteriana é que os cromossomos eucarióticos são lineares e 
têm extremidades. Como já foi afirmado, o grupo 3′-OH necessário para a replicação 
pelas DNA polimerases é fornecido no início da replicação por primers de RNA que são 
sintetizados pela primase. Essa solução é temporária porque, inevitavelmente, os primers 
têm de ser removidos e substituídos pelos nucleotídios de DNA. 
Em uma molécula de DNA circular, o alongamento do círculo fornece um grupo 3′-OH 
imediatamente à frente do primer. Após a remoção do primer, a substituição dos 
nucleotídios de DNA pode ser feita para esse grupo 3′-OH. 
Nos cromossomos lineares com múltiplas origens, o alongamento do DNA nos replicons 
adjacentes também fornece um grupo 3′-OH anterior a cada primer, entretanto, a 
extremidade de um cromossomo linear não existe trecho adjacente do DNA replicado 
para fornecer esse grupo 3′-OH importante. Então, quando o primer na extremidade do 
cromossomo for removido, ele não pode ser substituído pelos nucleotídios do DNA, 
criando uma lacuna na extremidade do cromossomo, sugerindo que o cromossomo deve 
ficar progressivamente menor em cada ciclo de replicação. 
O encurtamento do cromossomo significaria que, q​uando um organismo se reproduz, 
ele transmitiria os cromossomos mais curtos do que os que herdou. ​Os cromossomos 
ficariam mais curtos a cada nova geração e, consequentemente, perderiam a estabilidade. 
 
 
OUVE ESSE TOÇO PLS:​ ​https://www.youtube.com/watch?v=SXXbzuVif-U 
 
isso aqui é do slide, pega como base e completa com o que vc sabe do video e do livro 
(pag. 530): A enzima telomerase (componente protéico com atividade de polimerase e 
componente de RNA) faz o alongamento das pontas (filamento rico em G). Após a 
replicação das pontas, um revestimento é adicionado: As enzimas TRF1 e TRF2 ligam-se 
às repetições teloméricas e outras proteínas como WRN se ligam a TRF1 e TRF2 
 
formando o revestimento. 
 
Telômeros, doenças e envelhecimento 
Embora a maioria das células germinativas tenham bastante telomerase, as células 
somáticas produzem pouca ou nenhuma telomerase, por isso os cromossomos das células 
somáticas proliferativas ficam progressivamente mais curtos a cada divisão celular até que 
a célula pára de se dividir e entra em senescência. O encurtamento dos telômeros 
contribui para o processo de envelhecimento. 
 
● Existem doenças ligadas a defeitos nas enzimas telomerases ou de revestimento das 
pontas. 
● As células neoplásicas mantém a telomerase ativa continuamente favorecendo a 
multiplicação celular 
 
 
● Mutações no gene: Algumas doenças estão associadas a anormalidadesda replicação 
do telômero. 
Pessoas portadoras da síndrome de Werner, uma doença autossômica recessiva, mostram 
sinais de envelhecimento prematuro que começam na adolescência ou no início da vida 
adulta, incluindo pele enrugada, cabelo grisalho, calvície, catarata e atrofia muscular. Elas 
desenvolvem câncer, osteoporose, cardiopatia e doença arterial e outras condições 
tipicamente associadas ao envelhecimento. O gene responsável, WRN, foi mapeado no 
cromossomo 8 humano e normalmente codifica uma enzima RecQ helicase. Essa enzima é 
necessária para a replicação eficiente dos telômeros. Nas pessoas com a síndrome de Werner, 
essa helicase é defeituosa e, consequentemente, os telômeros encurtam prematuramente 
WRN: produz uma proteína com atividade de helicase, exonuclease e manutenção das 
pontas do DNA. 
 
Progéria: teoria da helicase, teoria dos telômeros e teoria dos genes mutantes 
(principalmente de genes responsáveis pela desmontagem e remontagem da carioteca >80% 
casos)