Estrutura e função da cromatina, genes e cromossomos

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Organização, estrutura e função da cromatina, cromossomos e genes
Prof. Dr. Anderson Garcia
Roteiro da aula
Organização da cromatina
Estrutura e função dos cromossomos
Definição de gene e função
Estrutura do gene
O núcleo celular eucariótico
DNA
RNA
PROTEÍNAS
+
+
Organização da cromatina
Organização da cromatina
Organização da molécula de DNA no núcleo celular
A molécula de DNA total do núcleo possui aproximadamente 2 metros quando estivada horizontalmente
Como pode caber uma molécula de tão grande extensão dentro de um núcleo celular?
Através da associação com proteínas que ajudam a molécula de DNA a se organizar e compactar
Organização da cromatina
Níveis de compactação da molécula de DNA
CRONÔMERO
CROMOSSOMO
O núcleo celular eucariótico
DNA
RNA
PROTEÍNAS
+
+
Organização da cromatina
=
CROMATINA
Organização da cromatina
Cromatina é o complexo formado entre a molécula de DNA e proteínas histônicas e não histônicas e RNA.
Composição da cromatina humana em cromossomos 
interfásicos e metafásicos
Sofre alterações em sua morfologia, composição e função durante os diferentes eventos do ciclo celular
Núcleo interfásico
Núcleo metafásico
Organização da cromatina
CROMÔMEROS 
(CROMATINA DESCONDENSADA)
NA INTÉRFASE
CROMOSSOMOS 
(CROMATINA CONDENSADA)
NA METÁFASE
DIFERENÇA ENTRE CROMATINA INTERFÁSICA (CROMÔMEROS) E CROMOSSOMO
	CARACTERÍSTICAS	CROMATINA INTERFÁSICA	CROMOSSOMO
	Composição química	DNA, RNA e proteínas	DNA, proteínas, pouco RNA
	Fisiologia	Maior atividade de transcrição e síntese	Ausente ou pouca atividade de transcrição e síntese
	Estrutura	Fibrilas não empacotadas (cromômeros)
Conjunto de cromossosmos descondensados
Expressão interfásica dos cromossomos	Fibrilas empacotadas
Condensação dos cromossomos (facilita o processo de separação durante a divisão)
A maneira exata em que a região do genoma é enrolada em uma célula em particular determina a atividade de genes naquela região.
Organização da cromatina
Organização da cromatina
Núcleo interfásico
Material genético relativamente descompactado ou descondensado (Eucromatina e Heterocromatina).
	
Organização do material genético na forma de cromômeros
Atividade de replicação e transcrição
Organização da cromatina
Heterocromatina
Região altamente condensada independente do estágio do ciclo celular e sua principal característica é a ausência de atividade gênica.
Eucromatina
Permanece descondensada durante a interfase e condensada na fase M. Sua característica é a presença da atividade gênica.
Representação da cromátide de um cromossomo
Organização da cromatina
Núcleo Metafásico
Cromatina duplicada e organizada em cromossomos
Material genético altamente compactado
Ausência ou pouca atividade gênica
Estrutura e função dos cromossomos
Cromossomo é uma massa de cromatina altamente compactada ou condensada e organizada no núcleo metafásico.
Estrutura
O cromossomo é formado por diversas partes com funções distintas.
Estrutura e função dos cromossomos
Função
Os cromossomos possuem dois papéis fundamentais:
A transmissão fiel da informação às células filhas (mitose) e auxiliar no processo de recombinação (meiose)
Expressão apropriada da informação genética (na interfase, onde estão totalmente ou parcialmente descondensados).
Estrutura e função dos cromossomos
Centrômeros: Também conhecidos como constrições primárias, são regiões cromossômicas que tem a habilidade de mediar a ligação dos microtúbulos ao DNA, através de uma estrutura proteica conhecida como cinetócoro.
 
Contém DNA cromossômico específico e DNA altamente repetitivo, o DNA α-satélite (repetições em tandem de um monômero de 171pb.)
O DNA α-satélite contém uma região de reconhecimento de 17pb pela proteína de ligação ao centrômero CENP-B.
Ocorre geralmente na forma de heterocromatina
Estrutura e função dos cromossomos
De acordo com a posição do centrômero, os cromossomos podem ser classificados em: 
Estrutura e função dos cromossomos
Os organismos vivos, podem possuir diferentes tipos de ploidia (número de cromossomos)
Nos seres humanos, a maioria das células são diploides (células somáticas), ou seja, contém pares de cromossomos homólogos, onde cada par é constituído por um cromossomo de origem paterna e outro de origem materna.
Cromossomos homólogos
As células germinativas são haploides, ou seja contém somente 22 cromossomos e um par sexual. Total = 23 cromossomos
Haplóides = n
Dipólides = 2n
As células somáticas humanas, são diploides, contém 22 pares de cromossomos homólogos e um par sexual. Total = 46 cromossomos
Estrutura e função dos cromossomos
Cariótipo humano das células somáticas
Constrição secundária: Esse tipo de constrição é geralmente observada em ao menos um dos cromossomos do conjunto haploide de cada espécie.
A constrição secundária pode também ser chamada de RON (região organizadora do nucléolo). 
Estrutura e função dos cromossomos
Essa associação deve-se ao fato de que nas constrições secundárias se situam os genes que produzem determinados tipos de RNA ribossomal (rRNA) ao qual constituirão grande parte do nucléolo.
Telômeros: Ao contrário das duas outras regiões, os telômeros não se distinguem morfologicamente do resto do braço cromossômico, não sendo possível determinar seu limite proximal ou extensão. São constituídos por DNA de repetição em tandem, nos vertebrados a sequencia repetitiva é TTAGGG.
Estrutura e função dos cromossomos
Os telômeros são responsáveis por proteger o DNA do ataque de enzimas nucleases, contém enzimas telomerases, são responsáveis pelo processo de envelhecimento, através de seu encurtamento.
Genes, estrutura e função
Um gene é determinante, ou codeterminante, de uma característica que é herdada de acordo com as leis de Mendel.1
Um gene é uma unidade funcional do DNA. 1
As unidades fundamentais da informação biológica. 2
Sequencia específica de nucleotídeos contidos na fita de DNA que codifica uma proteína ou um RNA funcional.
1 . (Tom)Tom, STRACHAN,, READ, Andrew. Genética Molecular Humana, 4th Edition. ArtMed, 01/2013. VitalBook file.
2. GRIFFITHS, A. J. F.; WESSLER, S.R.; CARROLL, S. B.; DOEBLEY, J. Introdução à genética. 10. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2015. 710 p. 
Os genes podem ser definidos como:
Características e fenótipos
Regular o metabolismo
Os genes são responsáveis principalmente por:
Genes, estrutura e função
Genes, estrutura e função
Estrutura
O gene é composto por uma sequência específica e variável de nucleotídeos.
Além da região gênica, ou codificadora, existem regiões acessórias que são cruciais para expressão deste gene.
(região codificadora)
Representação da estrutura gênica de sequencia única
Região À montante ou upstream da região codificadora
Região À jusante ou downstream da região codificadora
Genes, estrutura e função
Ao longo da molécula do DNA existem diversos genes e regiões promotoras. O gene é transcrito a partir da fita molde de DNA, mas também pode ser transcrito pela fita complementar.
Representação da estrutura gênica de sequencia única
Genes alelos
Genes, estrutura e função
Genes, estrutura e função
a) DNA de sequência ou cópia única: apresenta uma única cópia do gene por genoma, são as regiões codificadoras de proteínas.
Correspondem à cerca de 3 a 10% do genoma humano.
Geralmente são transcritos da região 3’ – 5’ de uma das fitas chamada molde. Mas orientação da fita molde pode variar e podem ser transcritos genes de ambas as fitas. A orientação da fita molde é determinada pelo promotor
b) Genes multicópias funcionais: possuem várias cópias de uma gene cujo produto é necessário em grande quantidade na célula. Podem ser encontrados em arranjos repetidos em tandem.
Codificam proteínas:
proteínas histonas (100 a 1000 cópias do gene em eucariotos), 
actina (5 a 30 cópias do gene)
proteínas tubulínicas (3 a 15 cópias do gene).
Transcrevem RNAs como:
tRNA (cerca de 50 localizações cromossômicas com 10 a 100 cópias de cada gene), 
rRNA(250 cópias de cada gene) 
e outros RNAs.
Genes, estrutura e função
Genes, estrutura e função
c) Pseudogenes: Alguns genes desta classe são genes duplicados que acumulam ou acumularam mutações que os tornaram não funcionais, uma vez que a seleção não atua efetivamente contra essas mutações na cópia extra de um gene. Alguns podem ter surgido por meio de retrotransposons como SINEs e LINEs (esses elementos transponíveis se retrotrancrevem ou retrotranspõe de RNA a DNA e se inserem em um cromossomo.
Se o promotor do pseudogene estiver intacto, é possível que alguns possam ser transcritos e exercer função na regulação e expressão gênica.
Genes, estrutura e função
Genes, estrutura e função
d) Sequencias repetitivas com função indeterminada: Algumas destas sequencias repetitivas podem afetar a função biológica da célula, mas o mecanismo pelo qual atuam ainda é desconhecido. 
Constituem cerca de 3 a 4% do genoma. 
Estão situadas em regiões centroméricas heterocromatinizadas, à exemplo do DNA α-satélite humano composto por regiões repetidas em tandem (monômeros) com cerca de 171pb. 
A sequencia de repetições centroméricas parece divergir entre as espécies e variam de um indivíduo para o outro devido ao crossing-over desigual durante a meiose.
Genes, estrutura e função
e) Minissatélites: São repetições em tandem de numero variável (VNTRs), podem ter localização variável ou variar de um indivíduo para o outro.
Possuem cerca de 1 a 5 kb com unidades repetidas de 12 a 100 nucleotídeos.
Podem ser utilizados para avaliara alterações cromossômicas, como aquelas entre populações geograficamente separadas.
Possuem aplicações forenses como fingerprinting genético na elucidação de casos de crimes.
f) Microssatélites: São repetições em tandem, diferem-se dos minissatélites no tamanho da unidade repetida. Os microssatélites são longas repetições de 2 a 6 nucleotídeos (geralmente repetições de di, tri e tetranucleotídeos).
Alterações no número de cópias dos microssatélites podem ter sérias consequências médicas.
Genes, estrutura e função
Genes, estrutura e função
e) Elementos transponíveis (ETs): Também chamados genes saltadores, são genes que podem se mover ao longo do cromossomo.
Ao transportar-se de uma região para outra eles podem inserir-se em regiões de um gene causando mutação ou doenças, incluindo cânceres. 
A maioria das inserções, no entanto, são em regiões não codificantes e não afetam o desenvolvimento. 
Os elementos transponíveis correspondem a cerca de 44% do genoma humano total, mas apenas cerca de 0,05% dos 4 milhões de ETs anotados no genoma humano tem a capacidade de transposição.
Existem casos de doenças humanas com o envolvimento de ETs, como hemofilia A e neurofibromatose tipo 1 
Genes, estrutura e função