Genes e Genomas de Procariotos e Eucariotos - Organização Gênica dos Seres Vivos

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Organização Gênica dos Seres Vivos
Genes e Genomas de Procariotos e Eucariotos
OS SERES VIVOS
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.
PROCARIOTO X EUCARIOTO
	Tamanho do genoma.
	Estrutura molecular.
	Distribuição de genes.
COMO SE ORGANIZA A INFORMAÇÃO GENÉTICA?
O que é genoma? O que é gene?
Genoma é a informação genética total, armazenada no DNA de uma célula.
Gene é um segmento de DNA que inclui todas as sequências nucleotídicas necessárias e suficientes para a síntese de pelo menos um produto correspondente.
Região codificadora é constituída pela sequência nucleotídica que codifica o seu produto.
GENOMA E GENE
Sequências reguladoras -
flanqueiam a região codificadora controlando a expressão de um gene.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
 Todos os procariotos são unicelulares, não possuem núcleo organizado nem organelas celulares envoltas por membranas. 
Eubactérias (bactérias "verdadeiras") 
Tipos comuns encontrados na água, no solo; 
Incluem todas as bactérias que infectam o homem. 
Archaebacteria ou Archaea
Segundo grupo de procariotos. 
Freqüentemente encontrados em ambientes extremos, como pântano, fontes termais, fundo de oceanos, salinas, vulcões e fontes ácidas. 
Morfologicamente, os membros desses dois reinos de organismos são similares, especialmente pela ausência de um núcleo. 
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
Na maioria das espécies bacterianas:
 
Parede celular: proteção da célula - camada extremamente resistente.
Membrana citoplasmática: delimita um único compartimento contendo DNA de fita dupla, RNA, proteínas e pequenas moléculas, como os ribossomos. 
Algumas espécies podem apresentar uma terceira camada protetora, esta formada por polissacarídeos. 
Essas cápsulas estão presentes em bactérias patogênicas, como na E. coli e na Streptococcus pneumoniae. 
Outras bactérias apresentam também cílios e flagelos. 
Plasmídios: DNA adicional de forma circular.
Nas bactérias que contêm plasmídios - genoma será composto pelo DNA cromossômico + pelo DNA plasmidial. 
ORGANIZAÇÃO GÊNICA EM PROCARIOTO
A organização gênica dos procariotos é dinâmica e composta por diferentes modalidades de moléculas de DNA: 
Cromossomo, plasmídios, transposons e bacteriófagos. 
Cromossomo bacteriano contém todos os genes requeridos para o metabolismo e ciclo vital da bactéria. 
Cromossomo único, formado por uma molécula de DNA de fita dupla circular covalentemente fechada.
Plasmídios, transposons e bacteriófagos são entidades moleculares independentes que ocorrem indistintamente em diferentes grupos bacterianos e que funcionam como elementos genéticos móveis.
	Organização do cromossomo como unidade de replicação (replicons). Podem diferir entre bactérias e arqueas e são bastantes distintas dos eucariotos.
	Conceito que se confunde com o de cromossomo- pois cada cromossomo bacteriano possui somente uma origem de replicação
	Sua estrutura compacta dedica-se quase que exclusivamente à codificação de proteínas (genes estruturais) ou regulação (elevada densidade gênica). Poucos pares de bases separando essas sequências funcionais
PROCARIOTO
Cromossomo único → dsDNA circular
Replicon
Exceções Lineares
Streptomyces lividans
Rhodococcus fasciens
Espiroquetas (Borrelia)
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
Tamanho do Genoma
Mycoplasma genitalium
Myxococcus xanthus
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
Normalmente muito menor do que o de qualquer organismo eucarioto
~9,5x106pb
~0,6x106pb
Saccharomyces cerevisiae
~13x106pb
◙ 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
Códon de Iniciação → (Start Codon) Alternativo.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
Códon de iniciação ou terminação alternativo.
Códon: sequência de 3 nucleotídios que codificarão 1 aa
Alteração do Quadro de Leitura.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
◙ Colinearidade
	Exata equivalência entre a seqüência nucleotídica do gene e a seqüência de aminoácidos da proteína.
	Eucariotos possuem interrupções em suas seqüências nucleotídicas (íntrons).
◙ Redundância
	Grande maioria dos genes está presente em apenas uma cópia.
	Genes que codificam o RNA ribossômico são exemplos de genes redundantes em procariotos.
	Sequências repetidas: representam menos de 2 % do genoma bacteriano. Contraste: mais de 50 % desse tipo de sequência em genomas de eucarioto.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
Colinearidade: Gene  Proteína
3n nucleotídeos → n aminoácidos
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
GENES → EUCARIOTO X PROCARIOTO
5’
3’
GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO
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.
	 Superposição gênica
◙ Organização dos genes em operons
	Genes que codificam produtos com funções relacionadas (componentes de uma mesma rota metabólica), ocupam posições adjacentes e estão sob o controle de uma única região reguladora. 
	Responsáveis pelo controle da expressão gênica.
	Mostram-se presentes apenas em procariotos.
	Seus produtos são regulados pela presença de substrato.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
◙ Organização dos genes em operons
	Co-transcrição de mais de um gene a partir de uma única região controladora, representa uma otimização da maquinaria reguladora da célula. 
	Assegura a expressão coordenada (mesmo tempo e nível) desses genes.
	Representa um economia de espaço no genoma.
Regiões intercistrônicas: nucleotídeos que separam uma região codificadora da outra.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
	 Unidades transcricionais policistrônicas (Operons).
	 Regiões intercistrônicas → 1 a 30 pb (até 40 pb)
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
GENOMA DE Escherichia coli K12
	Tamanho: 4.639.221 pb
	Número de genes: 4.300
	ORF mais longa: 7.149 pb (2.383 aa)
	87% corresponde a genes ou ORFs
	11,4% corresponde a regiões intergênicas ou seqüências reguladoras
	Elementos transponíveis: 10 tipos diferentes de IS
GENES X ORFs
	Gene: seqüência que codifica para uma proteína ou RNA conhecidos.
	ORF = open reading frame (fase de leitura aberta): seqüência de nucleotídeos que potencialmente pode codificar para uma proteína
GENOMA DE Methanococcus jannaschi
	Arqueobactéria isolada de solo da base de um vulcão submarino a 2.600 m de profundidade.
	Cresce a 85 graus centígrados em pressão de mais de 200 atmosferas e na ausência de oxigênio.
	Assim como outras arqueobactérias, apresenta sistema de processamento de informação similar ao de eucariotos 
◙ Elementos genéticos móveis
	Todo genoma de procarioto está contido num único cromossomo.
	Exceção → elementos genéticos móveis.
	São capazes de mediar a sua própria transferência para outras bactérias, ou pelo menos para diferentes sítios dentro do genoma da mesma.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
ELEMENTOS GENÉTICOS MÓVEIS
Transposons – Genes móveis
Plasmídios – Molécula de DNA circular, extracromossomal, autorreplicativa encontrada em bactérias
Bacteriófagos – Vírus de bactérias
BACTERIOFAGO
PLASMÍDIO
TRANSPOSONS
	Bacteriófagos.
	Plasmídeos.
	Transposons.
CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO
◙ Plasmídeos
	São encontrados principalmente em procariotos, mas também em alguns eucoriotos, como as leveduras.
	Elementos genéticos extra-cromossomais com capacidade de replicação autônoma constituídos por uma molécula de DNA fita dupla circular. Para replicação, precisam de enzimas que replicam o genoma da célula hospedeira.
	São replicons , multiplicando-se independentementedo cromossomo bacteriano.
	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.)
	Número de cópias – determinada pela região ori (similar a oriC bacteriana)
	Plasmídios multicópia (geram centenas de cópias por células)
- Plasmídios cópia única (baixo número de cópias)
Número de cópias;
Sua segregação durante a divisão celular – sistema de partição
Destinam quantidades iguais de plasmídeos para ambas células filhas
REGULAÇÃO
◙ Plasmídeos
◙ Plasmídeos
	Classificação
	Repertório de hospedeiros – capacidade de se replicar 
Transmissível: capazes de se manterem num determinado grupo taxionômico de bactérias, mas sem exclusividade.
Repertório de hospedeiro restrito: Capacidade de se replicar em poucas espécies bacterianas relacionadas. 
Repertório de hospedeiro amplo: Podem ser encontrados em uma enorme variedade de bactérias sem parentesco próximo.
	Grupo de incompatibilidade – similaridade dos mecanismos de regulação de números de cópias ou segregação
Mesmo grupo leva a uma situação instável e resultando em descendentes que perderam um ou outro plasmídeo. 
Grupo diferente: são compatíveis seus sistemas de replicação não interferem um no outro.
	Fenótipo conferido pelo plasmídio – depende genes (codificam toxinas as bactérias ou resistência a antibiótico)
	Toxinas (Ex. Shigella)
	Adesinas (Ex. E. coli)
	Bacteriocinas –
	Bacteriocinogênicos
	Resistência a antibióticos
	Plasmídios R - muito importantes – responsáveis pela emergência de bactérias patogênicas resistentes à agentes terapeuticos 
Funções codificadas por plasmídios
◙ Plasmídeos
Capacidade de direcionar a sua transferência de uma célula para outra.
Conjugação bacteriana: processo de transferência
Estrutura em forma de tubo para passagem do material genético
PLASMÍDIOS - CONJUGAÇÃO
Mobilização de outras moléculas de DNA
Epissomo (molécula de DNA circular livre dentro de uma bactéria): plasmídeo que pode tanto replicar automaticamente como ser mantidos como parte de cromossomo bacteriano
REPLICATIVO
INTEGRATIVO
Fago  (lambda)
Vírus que infectam bactérias
◙ Bacteriófagos
◙ 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.
◙ 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 expresso. Proteínas estruturais são sintetizadas, o genoma viral é encapsidado (produção de novas partículas virais), formam-se partículas virais maduras e a lise da célula bacteriana.
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). Não provoca a morte do hospedeiro.
# Lisógena → Bactéria que carrega uma cópia do genoma viral integrada ao seu cromossomo.
Profago Genoma do fago que mantém a capacidade de lise da célula hospedeira
◙ Bacteriófagos – ciclo lítico e lisogênico
◙ Bacteriófagos - Transdução
	Mecanismo de transferência de pequenos segmentos do DNA do cromossomo bacteriano de uma célula bacteriana para outra mediada por um bacteriófago.
	Transdução generalizada – mobilização de qualquer região do cromossomo - CICLO LÍTICO. Replicação do fago, uma pequena quantidade do DNA cromossomico é empacotado.
	Transdução especializada – envolve uma região definida do cromossomo – CICLO LISOGÊNICO. Fago se integra ao genoma em uma região específica, excisão seu genoma é substituído por uma parte do cromossomo da bactéria
◙ Bacteriófagos – 
Transdução
TRANSDUÇÃO GENERALIZADA
TRANSDUÇÃO
ESPECIALIZADA
São segmentos lineares de DNA capazes de mudar de posição dentro do genoma. Mudar de um ponto ao outro no cromossomo, mudar de cromossomo, “saltar” do genoma de uma espécie para outra.
Barbara McClintock - 1948
TRANSPOSONS
Elementos genéticos que mudavam de posição no genoma, alterando genes que resultavam em diferentes cores e composição dos grãos
Alteram a organização estrutural do genoma e codificam produtos gênicos que interagem com processos celulares.
Inserção no gene: pode modificar a estrutura e a expressão do gene (transposons com promotores), anular sua função e, assim criar uma mutação.
Remoção correta pode anular a mutação.
A excisão e a inserção podem geram rearranjos estruturais como: deleções, duplicações, inversões e fusões cromossômicas.
	Elementos transponíveis presentes em quase todos os genomas já estudados, tanto de procarioto como de eucarioto.
	Possuem sequências similares em ambas as extremidades (repetições terminais, geralmente invertidas);
	Carregam genes que codificam enzimas capazes de transportá-los;
	Geram duplicação do sítio de inserção no DNA alvo (repetições diretas do DNA-alvo); 
	Existem em cópias múltiplas no genoma.
CARACTERÍSTICAS DOS TRANSPOSONS
Sítios para ligação da enzima que catalisa a transposição
TRANSPOSONS EM PROCARIOTOS
Seqüência de Inserção (IS): Transposon simples que codifica apenas para a transposase
Transposon (Tn): Contém outros genes além dos genes responsáveis pela transposição
TIPOS DE ELEMENTOS DE TRANSPOSIÇÃO BACTERIANOS
≠ tamanho e informação contida
RETRONS
Deslocam-se via RNA
Exclusivos de bactérias
Tamanho variável de 768 a 2.500 pb
Repetições terminais invertidas de 15 a 25 pb
Repetições diretas do DNA-alvo de 5 a 9 pb
Nomenclatura: IS10, IS1, IS50, etc. 
SEQUENCIAS DE INSERÇÃO - IS
Repetição terminal invertida
Repetição terminal invertida
Transposase
amp
Resolvase
Seqüência de inserção
transposição
Enterotoxina
Gene de resistência a antibióticos ou produção de toxinas
Seqüência de inserção
transposição
Envolvida durante a replicação dos transposons
TRANSPOSONS COMPOSTOS – Tn1681
TRANSPOSONS COMPLEXOS – Tn3
TRANSPOSONS EM EUCARIOTOS
RETROTRANSPOSONS: Sequências de DNA de aprox. 500pb com sequências repetidas nas extremidades (LTR – Long Terminal Repeats); similares a retrovírus.
PSEUDOGENES PROCESSADOS: encontrados em sítios genômicos longe de seus sítios de origem; RNAs transcritos reversamente em DNAs e inseridos no genoma. 
Via RNA – Transcriptase reversa
CLASSE I
TRANSPOSONS: Todos contém repetições terminais invertidas. Reinserem-se em outra posição do genoma pela ação da transposase.
Pode manter o elemento em seu sítio original e transpor uma cópia dele para um novo sítio.
Via DNA
CLASSE II
Um transposon é removido de um dado local e inserido em outro.
TRANSPOSIÇÃO CONSERVATIVA
Um transposon é duplicado antes de ser transportado para um novo local
TRANSPOSIÇÃO REPLICATIVA
PROCARIOTO X EUCARIOTO
Domínio Eukarya
Reinos
 Protistas (protozoários)
 Fungi (fungos)
 Plantae (vegetais)
 Animalia (animais)
EUCARIOTO
Número de Genes
COMPARAÇÕES → EUCARIOTO
Gráf1
		Mycoplama
		E. coli
		Levedura
		Drosofila
		Ascaris
		Humano
		Arroz
		Milho
Número de Genes
517
4288
6340
13600
19000
30000
45000
50000
Plan1
		
						Mycoplama		517
						E. coli		4288
						Levedura6340
						Drosofila		13600
						Ascaris		19000
						Humano		30000
						Arroz		45000
						Milho		50000
Plan1
		
Número de Genes
Plan2
		
Plan3
		
COMPARAÇÕES → EUCARIOTO
Tamanho dos genes em kb
Apresentam DNA extranuclear.
 Esses DNAs são encontrados na mitocôndria (em todas as células) e no cloroplasto (células vegetais). 
O genoma dos eucariotos consiste no DNA encontrado no núcleo mais o DNA das organelas. 
Da mesma forma que o DNA plasmidial, essas moléculas são independentes do DNA nuclear. 
DNA nuclear dividido em dois ou mais cromossomos
Organismos são diplóides: possuem dois conjuntos completos de cromossomos em cada célula somática
Exceções - leveduras e fungos: apresentam fases haplóides em seus ciclos vitais.
Vegetais: poliplóides
EUCARIOTO
PARADOXO DO VALOR DE “C”
Paradoxo do valor C
Impossibilidade de correlacionar o tamanho do genoma diretamente com a complexidade das características morfológicas, fisiológicas e comportamentais do organismo.
Genomas maiores de organismos relativamente mais simples têm mais sequências repetidas e não necessariamente um número maior de genes
EUCARIOTO
Presença de complemento diplóide.
Quase todo genoma: não codificação e regulação (presença de introns).
Abundância de seqüências redundantes.
Seqüências codificantes em apenas uma das fitas.
Regiões codificadoras e reguladoras bem mais complexas.
Elementos reguladores muito maiores
Raramente apresenta unidades genéticas acessórias.
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
Não há Colinearidade: Gene  Proteína
3n nucleotídeos  n aminoácidos
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
	 Não há Operons.
Exceção
Caenorhabditis elegans
Nematódeo: 25% dos genes
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
GENOMA NUCLEAR HUMANO
	dsDNA.
	Genoma Linear.
	23 cópias (46 Cromossomos).
Características
Famílias Funcionalmente Idênticas → Histonas
	Replicação dependente → restrito a fase S.
	Replicação independente → nível basal em todo CC.
	Replicação tecido-específico.
CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO
H1
H1
GENOMA DE ORGANELAS
	dsDNA.
	Genoma Circular.
	Várias cópias por organela.
Características
DNA	Mitocondrial
	Maioria mtDNAs são circulares
	Mitocondrias mostram tamanhos e composição gênica variados no genoma
	o número de genes codificadores de proteínas é pequeno
	a maior parte é codificadora de componentes das subunidades dos complexos da respiração I-IV
	genes codificadores de RNA
	Genoma mitocondrial apresenta introns, 
exceto nos mamíferos
	não há introns e alguns genes se sobrepõem
	as proteínas estão envolvidas na respiração
	mtDNA de levedura é 5x maior do que o humano devido à presença de longos introns
	ocorre maior dispersão de loci
Organização do DNA mitocondrial é variável
	 DNA mitocondrial de células humanas é compacto e codifica 12 proteínas, 2 rRNAs e 14 tRNAs
O Genoma do cloroplasto codifica várias proteínas e RNAs
	São maiores e possuem um númeroo maior de genes que o genoma da mitocondria.
	Codifica todos os rRNAs e tRNAs necessários para a síntese protéica, e aproximadamente 50 proteínas.
	Genes da organela podem ser transcritos e traduzidos pelo aparato da mesma
Muitos genes dos cloroplastos codificam proteínas que compõem complexos localizados nas membranas dos tilacóides
Cloroplasto
	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
517
4288
6340
13600
19000
30000
45000
50000
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
MycoplamaE. coliLeveduraDrosofilaAscarisHumanoArrozMilho
Número de Genes