Genoma procarioto e eucarioto

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Organização Gênica dos Seres Vivos
Genes e Genomas de Procariotos e Eucariotos
Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc.
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OS SERES VIVOS
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OS SERES VIVOS
Todo genoma (eucarioto ou procarioto) possui a função de servir como repositório replicativo da informação codificada pelo DNA que o constitui.
Genomas procarióticos, contudo, são relativamente mais simples que genomas eucarióticos.
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PROCARIOTO X EUCARIOTO
Tamanho do genoma.
Estrutura molecular.
Distribuição de genes.
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Cromossomo único → dsDNA circular
Replicon
Exceções Lineares
Streptomyces lividans
Rhodococcus fasciens
Espiroquetas (Borrelia)
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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Tamanho do Genoma
Mycoplasma genitalium
Myxococcus xanthus
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Cromossomo de E. coli
Molécula de DNA fita dupla circular de 4,2 X 10³ pb.
Por ser capaz de se auto-duplicar, o cromossomo bacteriano é considerado um replicon.
Sua estrutura compacta dedica-se quase que exclusivamente à codificação de proteínas (genes estruturais).
PROCARIOTO
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◙ Superposição de genes
Organização gênica que permite que uma mesma seqüência codifique duas proteínas diferentes.
Fenômeno freqüente em vírus, bactérias e organelas celulares (mitocôndrias).
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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Códon de Iniciação → (Start Codon) Alternativo.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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Alteração do Quadro de Leitura.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Colinearidade
Equivalência entre a seqüência nucleotídica do gene e a seqüência de aminoácidos da proteína.
Eucariotos possuem interrupções em suas seqüências nucleotídicas.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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Colinearidade: Gene  Proteína
3n nucleotídeos → n aminoácidos
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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GENES → EUCARIOTO X PROCARIOTO
5’
3’
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GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO
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 Ausência de complemento diplóide.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
 Quase todo genoma → codificação e regulação.
Genoma
 E. coli
 Praticamente sem seqüências redundantes.
 Seqüências codificantes em ambas as fitas.
 Colinearidade entre genes e produtos protéicos.
 Unidades genéticas acessórias.
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◙ Organização dos genes em operons
Genes que codificam produtos com funções relacionadas (componentes de uma mesma rota metabólica).
Responsáveis pelo controle da expressão gênica.
Mostram-se presentes apenas em procariotos.
Seus produtos são regulados pela presença de substrato.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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 Unidades transcricionais policistrônicas (Operons).
 Regiões intercistrônicas → 1 a 30 pb (até 40 pb)
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Coorientação da transcrição e da replicação de genes
A fim de evitar colisões entre a RNA-polimerase e o aparato protéico da replicação, as unidades transcricionais mais ativas estão orientadas em relação à origem de replicação.
Replicação bidirecional → avançam em direções opostas ao longo do cromossomo (encontrando-se num sítio de terminação).
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Posicionamento de genes evolutivamente relacionados em sítios opostos do mapa genético
Padrão de organização explicado (supostamente) por uma prévia duplicação do genoma.
Genes que codificam proteínas envolvidas numa mesma rota metabólica.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Localização preferencial dos genes em sítios próximos à origem de replicação
Maior concentração de genes próxima ao ponto no qual a replicação do DNA inicia do que próxima ao término da mesma.
Aumento do nível de expressão gênica.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Elementos genéticos móveis
Todo genoma de procarioto está contido num único cromossomo.
Exceção → elementos genéticos móveis.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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Bacteriófagos.
Plasmídeos.
Transposons.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Plasmídeos
Elementos extra-cromossomais com capacidade de replicação autônoma constituídos por uma molécula de DNA fita dupla circular.
Sua seqüência nucleotídica tem pouca ou nenhuma homologia com o cromossomo da célula hospedeira (elemento estranho a bactéria).
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
 Conferem vantagens adaptativas às bactérias que os possuem.
→ produção de toxinas
→ produção de pilinas
→ produção de adesinas
■ Conferem resistência a múltiplos antibióticos (tornam problemático o tratamento quimioterápico de determinadas infecções.)
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◙ Plasmídeos
Elementos extra-cromossomais com capacidade de replicação autônoma constituídos por uma molécula de DNA fita dupla circular.
Sua seqüência nucleotídica tem pouca ou nenhuma homologia com o cromossomo da célula hospedeira (elemento estranho a bactéria).
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
 Conferem vantagens adaptativas às bactérias que os possuem.
→ produção de toxinas
→ produção de pilinas
→ produção de adesinas
■ Conferem resistência a múltiplos antibióticos (tornam problemático o tratamento quimioterápico de determinadas infecções.)
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◙ Bacteriófagos
Não possuem uma maquinaria própria (incapazes de se multiplicarem na ausência de um hospedeiro).
Elementos extra-cromossomais que ganharam a capacidade de sintetizar um capsídeo protéico.
 Podem apresentar genomas de RNA, ssDNA circular ou dsDNA linear (colifagos).
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
Virulentos → multiplicam-se dentro da célula hospedeira dando origem a outros que são liberados após a lise celular (ciclo lítico). 
Temperados → podem se integrar no genoma bacteriano (linhagem lisogênica), ou entrar em ciclo lítico.
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◙ Bacteriófagos → replicons potencialmente letais.
◙ Plasmídeos → replicons não letais (dentro de suas células hospedeiras).
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
Etapas da infecção → colisão, adsorção e injeção do ácido nucléico.
Ciclo lítico → O genoma do fago é expressado. Proteínas estruturais são sintetizadas e o genoma viral é encapsidado (produção de novas partículas virais).
Ciclo lisogênico → O genoma do fago se integra, por recombinação, no genoma bacteriano. O genoma do fago pode eventualmente ser liberado (sendo capaz de iniciar um ciclo lítico). 
# Lisógena → Bactéria que carrega uma cópia do genoma viral integrada ao seu cromossomo.
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◙ Transposons
→ seqüências de DNA inseridas em novos sítios genômicos (catalisadas a partir de enzimas específicas - transponsases).
→ envolvem processos de recombinação e replicação gerando 2 novas cópias do elemento genético transponível original.
# uma que permanece no sítio parental.
# outra que aparece num determinado sítio alvo.
Alteração da integridade de seus sítios-alvo.
ativação de genes inativos
deleções, inversões e fusões cromossômicas
* Conferem significativa plasticidade genética nos genomas que as possuem.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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◙ Classificação
Transposons simples (IS)→ carregam apenas a informação genética essencial para a transposição.
Transposons complexos → carregam, também, informações não relacionadas a transposição .
# resistência a antibióticos
# capacidade de movimentação entre bactérias
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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Cromossomo único → dsDNA circular
Replicon
Exceções Lineares
Streptomyces lividans
Rhodococcus fasciens
Espiroquetas (Borrelia)
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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Tamanho do Genoma
Mycoplasma genitalium
Myxococcus xanthus
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
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PROCARIOTO X EUCARIOTO
→ cópia única (0 – 30 pb)
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GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO
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PROCARIOTO X EUCARIOTO
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Número de Genes
COMPARAÇÕES → EUCARIOTO
Gráf1
		517
		4288
		6340
		13600
		19000
		30000
		45000
		50000
Número de Genes
Plan1Mycoplama		517
						E. coli		4288
						Levedura		6340
						Drosofila		13600
						Ascaris		19000
						Humano		30000
						Arroz		45000
						Milho		50000
Plan1
		
Número de Genes
Plan2
		
Plan3
		
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Genes não interrompidos X interrompidos
COMPARAÇÕES → EUCARIOTO
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COMPARAÇÕES → EUCARIOTO
Tamanho dos genes em kb
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PARADOXO DO VALOR DE “C”
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Presença de complemento diplóide.
Quase todo genoma: não codificação e regulação.
Abundância de seqüências redundantes.
Seqüências codificantes em apenas uma das fitas.
Existência de múltiplas cópias de algumas seqüências.
Raramente apresenta unidades genéticas acessórias.
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
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Não há Colinearidade: Gene  Proteína
3n nucleotídeos  n aminoácidos
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
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 Não há Operons.
Exceção
Caenorhabditis elegans
Nematódeo: 25% dos genes
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
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CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
DNA de cópia única (45%).
DNA Moderadamente Repetitivo (30%).
DNA Altamente Repetitivo (25%).
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GENOMA NUCLEAR HUMANO
dsDNA.
Genoma Linear.
23 cópias (46 Cromossomos).
Características
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GENOMA DE ORGANELAS
dsDNA.
Genoma Circular.
Várias cópias por organela.
Características
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GENOMA HUMANO
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Relacionados mas não idênticos → Globina 
Famílias Funcionalmente Similares
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
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Famílias gênicas codificadoras de RNA
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
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Famílias Funcionalmente Idênticas → Histonas
Replicação dependente → restrito a fase S.
Replicação independente → nível basal em todo CC.
Replicação tecido-específico.
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
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Existem diferenças significativas entre genomas procariotos e eucariotos.
Procariotos → genomas pequenos, circulares, poucos genes, operons e unidades genéticas acessórias.
Eucariotos → genomas grandes, lineares, muitos genes, sem operons e sem unidades genéticas acessórias.
Eucariotos apresentam genomas mais complexos que os procariotos.
CONCLUSÃO