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Engenharia Genética F2 1 I - CLONAGEM MOLECULAR A clonagem molecular é uma técnica de extrema importância a nível da Engenharia Genética que permite selecionar uma cópia de uma região específica do genoma e produzi-la em quantidades ilimitadas. As bactérias contêm plasmídeos, os quais podem ser usados como vetores de clonagem. Chamamos então vetor plasmídico a pequenas moléculas circulares de DNA derivadas de plasmídeos naturais de bactérias. Para proceder à clonagem: 1) Identificar DNA que nos interessa para o processo e extraí-lo do organismo dador. 2) Fragmentar o DNA que queremos clonar, e cortar os plasmídeos a usar como vetor, utilizando as mesmas enzimas de restrição, o que vai permitir compatibilidade de extremidades. As enzimas de restrição são endonucleases que tornam o DNA em cadeia simples, cujas extremidades têm cadeias específicas complementares com outras extremidades que tenham sido formadas pela mesma enzima. 3) Devido à especificidade do corte é possível o emparelhamento por complementaridade de bases entre o fragmento de DNA e o plasmídeo. 4) A ligação dos quatro extremos é feita por annealing e pela enzima DNA ligase, obtendo- se assim um novo plasmídeo recombinante. Annealing – as extremidades dos fragmentos de DNAs em cadeia simples unem- se numa ligação fraca por pontes de hidrogénio. A ligase – enzima que forma ligações fosfodiéster fortes entre os nucleótidos dos vários fragmentos. 5) O plasmídeo recombinante é introduzido numa bactéria hospedeira por transformação (ou conjugação ou transdução) que o vai encarar como DNA plasmídico normal e replica- o de igual forma como o resto do seu material genético, sendo assim possível criar milhões de cópias desse plasmídeo (por hereditariedade, ou seja, as células-filhas também o vão ter). 6) Selecionar os transformantes das células- filha que não ficaram com o plasmídeo por erros na replicação, e preservação e posterior utilização dos mesmos. Este processo não ocorre com 100% de sucesso, sendo isso, na verdade, bastante raro. É então necessário selecionar os plasmídeos que ficaram recombinados corretamente. Geralmente com o fragmento de DNA a clonar é colocado ainda no plasmídeo um gene que confira resistência a um antibiótico (por exemplo, a informação genética adicionada pode codificar uma proteína que degrada o antibiótico). Para selecionar os plasmídeos recombinantes basta submeter as bactérias ao dito antibiótico e selecionar aquelas que sobrevivem – significa que possuem o plasmídeo recombinante. Podemos então dizer que em clonagem molecular, a matéria-prima é composta por DNA insert, vetor e hospedeiro. Engenharia Genética F2 2 ENZIMAS DE RESTRIÇÃO Não são, como se possa pensar, um produto de laboratório, embora sejam de extrema importância em Engenharia Genética! As enzimas de restrição são endonucleases que existem nas bactérias como mecanismo de defesa que as protege de agressões de outros DNAs externos, impedindo que estes a transformem, sendo que cada bactéria tem a sua própria enzima de restrição. Estas atuam restringindo/ cortando os ácidos nucleicos infeciosos. Elas existem nas células sempre associadas a sistemas de modificação: enzimas de modificação – metilases – as quais colocam resíduos de metilo nos locais que são reconhecidos pelas enzimas de restrição no DNA celular para que este não seja afetado pelas enzimas de restrição erradamente, ou seja, protegem o DNA próprio da célula para que não seja destruído juntamente com o viral. G | AATTC As enzimas de restrição cortam sempre num local específico de uma sequência específica, que são próprios de cada enzima. Numa sequência de nucleótidos (sempre escrita na direção 5’3’) pode-se representar o local do corte feito pela enzima de restrição de várias maneiras. Vamos usar o exemplo da sequência utilizada acima, sendo que a enzima atua entre o nucleótido G e os dois As – sequência e locais SEMPRE reconhecidos pela enzima Eco RI. 5′𝐺↓𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶3′ 𝐺:𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶 𝐺|𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶 𝐺𝑉𝐴𝐴𝑇𝑇𝐶 NOTA: As enzimas de restrição cortam sempre as duas cadeias da molécula de DNA, fazendo com que as extremidades fiquem em cadeias simples. NOMENCLATURA DAS ENZIMAS DE RESTRIÇÃO As enzimas de restrição são tipicamente identificadas por 3 letras que representam, respetivamente, o género, a espécie e a estirpe, e ainda 1 número que simboliza a ordem da descoberta. São exemplos: Hpa I / Hpa II: Haemophilus parainfluenza Eco RI / Eco RII: Escherichia coli R Local de atuação da enzima de restrição. Caso um dos outros ácidos nucleicos estivesse metilado, a enzima de restrição já não reconhecia o seu local e não atuava. Engenharia Genética F2 3 TIPOS DE ENDONUCLEASES DE RESTRIÇÃO Tipo I São complexas, multiméricas e combinam sistema de restrição e modificação, sendo que os mesmos complexos enzimáticos reconhecem uma sequência de DNA e modificam-na e cortam- na. Como não queremos as células modificadas não nos interessam nesta área. Cortam o DNA de forma random a partir da sequência de reconhecimento. Tipo II Estão são as enzimas de restrição utilizadas em laboratório, sendo as únicas tecnologicamente interessantes porque são pequenas, diversificadas e fáceis de manipular. Reconhecem sequências palindrómicas: sequências em que a complementar é igual à original, mas em sentido contrário, ou seja, como as cadeias são antiparalelas, lidas na mesma direção são iguais. Estas podem ser: Contíguas (GAATTC): ganham uma estrutura particular – estrutura cruciforme – a qual é reconhecida pelas enzimas de restrição. Não contínuas (GCCNNNNNNGGC): também adquirem a estrutura cruciforme mas não são úteis para a Engenharia Genética. Cortam em posições bem definidas, frequentemente dentro ou na periferia (muito próximo) da sequência de reconhecimento. Têm apenas atividade de endonuclease e não de modificação das células. Tipo III São grandes e combinam também restrição e modificação. Cortam fora da sequência de reconhecimento e raramente têm digestões completas. Não são interessantes para a Engenharia Genética. Tipo IV São grandes e combinam também restrição e modificação. Cortam fora das sequências de reconhecimento e estas são contíguas ou descontínuas. Não são interessantes para a Engenharia Genética. Engenharia Genética F2 4 TIPOS DE EXTREMIDADES OBTIDAS PELAS ENZIMAS As enzimas de restrição hidrolisam as ligações nucleotídica fosfodiéster entre o grupo fosfato e grupo hidroxilo, gerando uma extremidade 3’-OH e uma extremidade 5’-P. Se o local de clivagem não é no centro, a enzima gera extremos coesivos (“sticky ends”), que podem emparelhar com outros fragmentos digeridos pela mesma enzima. Estes extremos são mais fáceis de ligar pois a clivagem é assimétrica e ficam bases desemparelhadas – formam-se extremidades de cadeia simples. Se o local de clivagem é no centro, a enzima gera extremos cegos (“blunt ends”) pois a clivagem é simétrica. Não são interessantes na área da Engenharia Genética e Recombinação. Engenharia Genética F2 5 Enzimas correlacionadas Isosquizómeros: são enzimas que reconhecem a mesma sequência palindrómica mas uma gera extremos cegos e outra gera extremos coesivos que, por isso, não são compatíveis. Xma I (C|CCGGG) / Sma I (CCC|GGG) Hpa II (C|CGG) / Msp I (C|CGG ; C|C*GG) Isocaudómeros: são enzimas que reconhecem sequências palindrómicas diferentes mas geram extremos coesivos compatíveis que se ligam. Bam HI (G|GATCC) / Sal 3 AI (|GATC) O extremo compatível é GATC. ENZIMAS DE RESTRIÇÃO “MAIS ÚTEIS” As enzimas de restrição “mais úteis” são aquelas que… Reconhecem sequências palindrómicas. Reconhecem um nº de bases par – há enzimas que reconhecem nº de bases ímpar, mas não são interessantes na área da Engenharia Genética. As mais úteis são aquelas que reconhecem 4 ou 6 bases (é mais fácil encontrar sequências mais pequenas), pois as que reconhecem mais bases são muito específicas e só são aplicadas em processos em que conhecemos exatamente a sequência de nucleótidos. 4 bases: gera fragmentos estatísticos de 256 nucleótidos (nts). 6 bases: gera fragmentos estatísticos de 4096 nts. Geram extremos coesivos Reconhecem sempre a mesma sequência particular Têm uma grande capacidade de digerir o DNA Têm elevada pureza enzimática e elevada atividade específica. MAPAS DE RESTRIÇÃO Os mapas de restrição são uma compilação do número, ordem e distância entre os locais de corte de uma enzima de restrição ao longo de um segmento de DNA clonado. As unidades do mapa são expressas em pares de bases (ou para distâncias mais longas em pares de kilobases). Geralmente o mapeamento é a primeira etapa para caracterizar um DNA desconhecido. * Digestões simples: DNA digerido por apenas uma enzima de restrição. Faz-se uma determinação relativa das orientações dos fragmentos no DNA linear. Digestões múltiplas: DNA digerido por mais de uma enzima de restrição. Determinam-se as posições dos fragmentos de DNA produzidos pelas enzimas por eletroforese. Engenharia Genética F2 6 Quando se faz uma digestão simples apenas se sabe em quantos fragmentos de DNA surgem da digestão com um determinado enzima, o que corresponde com o nº de locais de atuação das enzimas de restrição. Contudo, há diversas hipóteses dos locais de corte. Se for um DNA circular e tiver apenas um local de corte, vai resultar num fragmento que é o plasmídeo original. Para saber os locais de corte exatos tem-se de fazer uma múltipla digestão (neste caso dupla). Com esta informação somos capazes de construir um mapa de restrição. Engenharia Genética F2 7 LIGAÇÃO DOS FRAGMENTOS Annealing: as extremidades dos fragmentos de DNAs em cadeia simples unem-se numa ligação fraca por pontes de hidrogénio. Ligase: enzima que forma ligações fosfodiéster fortes entre os nucleótidos dos vários fragmentos. OUTRAS ATIVIDADES ENZIMÁTICAS Fosfatase alcalina: enzima remove grupo fosfato da extremidade 5´ das moléculas de DNA. DNase I: enzima que degrada DNA em dupla cadeia por hidrolisação interna das ligações fosfodiéster. E. coli exonuclease III: enzima que remove nucleótidos dos extremos 3’-OH de moléculas de DNA. DNA INSERT O genoma de um organismo é demasiado extenso comparativamente com os genes isolados e, por isso, é necessário primeiramente saber o local de síntese da proteína de interesse (que pretendemos produzir), para que possamos obter o DNA do gene que a codifica. Vejamos então o exemplo da albumina humana (HSA). A albumina humana é sintetizada no fígado e depois é secretada. Vamos ter então de recolher células hepáticas e extrair-lhes ou o DNA; ou o mRNA (que representa menos de 1% do RNA total da célula) por identificação de caudas poli-A. Dentre este mRNA estará o mRNA percursor da albumina. A percentagem de DNA codificante é cerca de 1%, daí o mRNA ser 1%. Apenas o mRNA codificante das histonas é que não tem cadeias poli-A O mRNA extraído usando-se a técnica de cromatografia com oligo(dT). Os oligo(dT) têm uma sequência de Ts que reconhecem as caudas poli-A, emparelhando e capturando o mRNA, o qual é depois lavado e desnaturado para retirar da coluna (voltando depois a renaturar). Por fim, aplica-se a transcriptase reversa e dNTPs para obter o respetivo cDNA, usando como primer o oligo(dT) ou poli-U. Este cDNA é espontaneamente de cadeia simples, mas forma uma 2ª cadeia porque o RNA dobra-se sobre si mesmo. O cDNA já está processado (não possui intrões nem sequências de controlo da expressão) e por isso pode-se usar para clonar genes eucariotas em hospedeiros procariotas, pois a região codificante é contígua. No entanto, caso se use hospedeiros eucariotas, é melhor usar o gene nuclear em vez do cDNA. O cDNA não tem controlo de transcrição. Contudo, para ser clonado, o cDNA tem de ser linearizado primeiro. Em seguida junta-se linkers, ATP e a enzima ligase para que o cDNA fique com caudas de linkers, os quais são adaptadores sintetizados quimicamente, compostos por sequências palindrómicas reconhecidas por enzimas de restrição à nossa escolha. Após o tratamento com a enzima de restrição geram-se extremos coesivos e ficamos com o fragmento de DNA prontos a clonar. Engenharia Genética F2 8 Faz-se depois um screening dos clones de cDNA para pesquisar a sequência que nos interessa, o que se faz a partir de eletroforese, comparação das dimensões dos fragmentos, avaliação da atividade de enzima eventualmente expressa, hibridação molecular, etc.. Para isolar um gene de interesse, não se conhecendo o mapa de restrição começa-se por fazer uma digestão parcial do DNA com enzimas de restrição, de modo a obter as sequências de interesse. Esta digestão gera muito mais fragmentos do que a digestão completa, e além disso assegura que, caso haja local de corte no fragmento de interesse (como é o caso da albumina), conseguimos obter fragmentos inteiros, o que não seria possível com uma digestão completa (e por isso nunca se faz). No caso da albumina, o gene em que se insere tem 3 locais de corte por enzimas de restrição, incluindo um a meio do fragmento correspondente à albumina humana. Numa digestão completa, formaria 4 fragmentos distintos, cortando ainda o fragmento de interesse. Com digestão parcial consegue- se obter 7 possibilidades diferentes de corte, duas das quais não têm o fragmento da albumina cortado, sendo esses que se vão aproveitar. Para fazer uma digestão parcial tem-se: 1) Fazer dois tubos: um com uma certa quantidade de DNA e com enzima de restrição (10µg de DNA + 10 unidades de enzima de restrição); outro com a mesma quantidade de DNA e sem enzima de restrição (10µg de DNA + 0 unidades de enzima de restrição). a. Usa-se enzima de restrição de 6 bases que corta a cada ~4000 nucleótidos. b. O primeiro corresponde a 100% de digestão e o outro a 0% de digestão. 2) Fazer vários tubos com diferentes volumes dos tubos de (1), ficando assim com um gradiente de corte. Num destes tubos vamos conseguir obter o nosso fragmento de interesse inteiro. a. Poderia colocar-se o mesmo volume e incubar durante tempos diferentes, mas é um método mais trabalhoso e por isso geralmente não se faz. 3) Fazer eletroforese. Sabendo previamente o tamanho da sequência de interesse, através das bandas e dos marcadores de peso molecular conseguimos obter o nosso fragmento. a. Quanto mais tempo e maior for a concentração da enzima de restrição, mais fragmentos surgem e maior a sua separação no gel. A B C 100% 0% 1 2 3 3 2 1 Engenharia Genética F2 9 VETORES Os vetores são veículos possíveis de serem usados em clonagem, existindo imensas possibilidades de escolha. Para escolher o vetor mais apropriado deve-se ter em conta: O tipo de hospedeiro. O tamanho do DNA insert, uma vez que há vetores que suportam uma larga gama de tamanhos do mesmo, mas há uns têm uma capacidade mais reduzida e apenas suportam fragmentos mais pequenos. No quadro abaixo pode-se ver a comparação entre vários vetores e a sua capacidade (em kb) de receber o DNA insert. O número de clones (N) necessário obter, tendo em conta a dimensão do DNA insert, a dimensão total do genoma e a representatividade pretendida (f será a relação entre as dimensões), havendo fórmulas matemáticas que fazem esta estimativa entre a relaçãoe a probabilidade da existência de uma sequência (P), que é 1 em 1 milhão. 𝑁 = ln(1 − 𝑃) ln(1 − 𝑓) Engenharia Genética F2 10 TIPOS DE VETORES DE CLONAGEM Plasmídeos de referência Os plasmídeos são moléculas de DNA de cadeia dupla, circulares que existem em bactérias e no núcleo de alguns eucariotas. Replicam-se independentemente da célula. São os vetores mais importantes Têm dimensão variável entre alguns kb e 100kb (ou mais); e pode transportar até 10kb de DNA. O primeiro plasmídeo a surgir foi o pBR322, fabricado por dois mexicanos. Este possui origem de replicação de E. coli, dois genes de resistência a antibióticos (ampR para resistência à ampicilina e tetR para resistência à tetraciclina) e locais para reconhecimento específico por enzimas de restrição (EcoR I, BamH I e Pst l, Hind III e Sal I). O DNA insert é colocado no plasmídeo por substituição de um dos genes de resistência. Após a transformação da bactéria e reprodução, os hospedeiros são selecionados por resistência ao antibiótico, sendo as não resistentes aquelas que não têm o plasmídeo clonado. Das resistentes, apenas as que sobrevivem num meio com apenas um dos antibióticos e morrem em meios com o outro estão clonadas porque têm um gene de resistência substituído, uma vez que as que não morrem em nenhum têm o plasmídeo inteiro sem estar clonado. Atualmente já não se usa este plasmídeo porque não é viável para fragmentos maiores. Entretanto surgiu o pUC19 também com uma origem de replicação, mas com apenas um gene de resistência a antibióticos (o ampR) e com um gene de expressão da enzima β-galactosidase (lacZ), dentro do qual existe um MCS (com vários locais de corte reconhecidos por cerca de 20 enzimas, nomeadamente os que também haviam em pBR322). A seleção das bactérias neste caso é feita por resistência à ampicilina tal como no pBR322, mas das sobreviventes vai-se conseguir distinguir entre as que têm o gene de interesse e as outras consoante a coloração das suas colónias aquando do crescimento em meio com IPTG e x-gal. As colónias são então brancas se as bactérias tiverem o gene e azul caso contrário, sendo o azul a hidrólise do x-gal pela enzima β-galactosidase, com colaboração do IPTG. No caso de bactérias com DNA insert no MCS, vai haver uma inativação do gene produtor desta enzima, e assim não há hidrólise do meio e as colónias tornam-se brancas. Este é o plasmídeo mais usado. * Para ser um vetor de clonagem, o plasmídeo tem então de ter algumas características gerais: Uma região reconhecida como origem de replicação (ORI) pelo hospedeiro para que se possa multiplicar independentemente dos cromossomas bacterianos. Plasmídeos mais pequenos aproveitam as enzimas de replicação de DNA do hospedeiro, enquanto plasmídeos maiores podem transportar genes codificantes das suas próprias enzimas. Um gene que permita a seleção do hospedeiro (ex.: gene de resistência a antibiótico). Uma região polylinker ou local de clonagem múltipla (MCS – Multiple cloning site) reconhecida por enzimas de restrição à escolha, tendo de ser as mesmas usada para cortar o DNA insert, para que os extremos sejam compatíveis. Engenharia Genética F2 11 O MCS é um pequena fragmento de DNA que contém vários locais de restrição. Em vez de haver vários locais de restrição espalhados ao longo do plasmídeo, juntam-se todos num mesmo local. Os locais de corte correspondem a nucleótidos com sequências palindrómicas (que se lê de igual maneira de trás para a frente, e de frente para trás). Bacteriófago λ – Fagos São vírus que infetam especificamente as bactérias. É o mais usado depois do plasmídeo, e o mais usado pelos bancos celulares/genómicos (que trabalham geralmente com 20kb). O genoma tem dimensão de 49kb e pode aceitar até 25kb de DNA insert. O bacteriófago tem uma região do seu DNA codificante de uma proteína não utilizável que por isso pode ser substituída pelo DNA insert, o que é feito por recombinação de ambos os DNAs e reconstrução do vírus, com o apoio de enzimas de restrição e ligases. A sequência de DNA recombinado vai então ser repartida para integrar o bacteriófago – a sequência tem de ser cortada pelos locais COS (extremos coesivos) – e no final forma uma molécula de DNA circular. A parte substituída corresponde a qualquer uma que não seja necessária para sua replicação no laboratório. A substituição desta parte permite integrar DNA insert maior. Os locais COS permitem colocar uma grande molécula de DNA dentro da cabeça do fago, que de outra maneira não seria possível. O fago depois liga-se à membrana das bactérias e injeta o DNA recombinante no interior, sendo este replicado de forma independente ao genoma do hospedeiro, e recorrendo normalmente a enzimas codificadas pelo próprio DNA recombinante – ciclo lítico. O uso de vírus líticos (inativando a sequência de DNA que promove o ciclo lisogénico por integração no cromossoma da célula) são mais vantajosos porque permitem a libertação dos vírus da célula e sua propagação para as células vizinhas, tendo uma taxa de produção da nosso produto de interesse muito elevada; ao passo que um vírus lisogénico fica na fase latente em poucas células, e não se propaga. Cosmídeos São híbridos entre plasmídeo e bacteriófago – combinação de vetor plasmídico com local COS que permite a inserção de DNA na cabeça de fago . Têm uma elevada eficiência de transformação devido ao seu lado virião. Possibilita a inserção se fragmentos maiores, relativamente aos plasmídeos e aos bacteriófagos, podendo transportar até 45kb. Engenharia Genética F2 12 Primeiro este vetor vai comportar-se como plasmídeo: corta-se o DNA na zona do polylinker, dando origem ao genoma do fago, com local COS. O genoma fágico vai juntar-se aos fragmentos de DNA a clonar, formando cadeias concatenadas. Estas cadeias vão depois ser cortadas na zona COS para poderem ser integradas no bacteriófago. A sua principal vantagem é serem menos suscetíveis à degradação por nucleases do que o DNA de cadeia simples dos vírus. A inserção da extremidade COS vai permitir o circular do DNA. Os COS, embora se possam encontrar naturalmente em genomas de vírus e também aí circularizem o DNA, contudo os cosmídeos podem ser trabalhados em laboratório sem exigir manipulação de vírus. YACs – Yeast Artificial Chromosome São os menos usados A grande vantagem destes vetores é permitirem clonar sequências de DNA muito grandes, até 2000kb. As leveduras são organismos eucariotas que possuem cromossomas circulares, os quais se podem reproduzir em laboratório de modo a possuírem DNA que nos interesse produzir, sendo posteriormente multiplicados em leveduras (ou algumas bactérias). Os YACs são circulares e vão ter um local reconhecido por enzimas de restrição, formando assim dois braços (esquerdo e direito) em cujas extremidades se encontram telómeros para proteção do DNA linear da degradação por nucleases, e entre os quais é inserido o nosso DNA de interesse. No braço esquerdo vai ainda constar, além do telómero, o centrómero – local de ligação das fibras do fuso acromático que garante distribuição correta do cromossoma pelas células-filha durante a divisão celular –, 1 gene de resistência à ampicilina (ampR), uma origem de replicação de E.coli (porque é onde são construídos, manipulados e amplificados), uma ARS (sequência para replicação autónoma) e 1 marcador genético de auxotrofia para o triptofano (marcador de seleção metabólico). No braço direito vai ainda constar, além do telómero, 1 marcador genético de auxotrofia para o uracilo (marcador de seleção metabólico) Enquanto nos procariotas se acrescentam genes de resistência a antibióticos, nos eucariotas utilizam-se marcadores metabólicos de auxotrofia, permitindoa seleção de hospedeiros por crescimento em meios pobres na substância para a qual os marcadores são específicos (triptofano e uracilo). As leveduras que conseguirem crescer nestes meios são as transformadas com os YACs. Tem os elementos necessários para um cromossoma funcional Engenharia Genética F2 13 NOTA: Além destas características é ainda essencial que o vetor possua um local de terminação da transcrição. O gene de seleção por auxotrofia é essencial pois aquando da replicação o fuso acromático só se liga a uma certa quantidade de cromossomas. Ao adicionar o YAC, o numero de cromossomas torna-se superior à quantidade de fusos acromáticos e o nosso recombinante vai assim competir com os cromossomas da própria levedura. Desta forma vamos ficar com leveduras recombinadas e outras não, tendo-se de selecionar as de interesse com estratégias que permitam aumentar a estabilidade do nosso gene, tornando-o mais vantajoso, como é o caso da seleção por auxotrofia. LIGAÇÃO DO DNA INSERT AO VETOR Começa-se por usar a mesma enzima de restrição (ou isocaudómeros ou exonuclease para extremidades cegas) para preparar o DNA insert (obtido a partir do mRNA da proteína ou do gene nuclear) e o vetor de clonagem, como foi visto anteriormente, recorrendo-se a digestões parciais (não é necessário em DNA insert obtido por cDNA). Se em vez de extremos coesivos se gerarem extremos cegos, é necessário compatibilizar as extremidades usando linkers. O plasmídeo pode ter vários locais reconhecidos pelas enzimas de restrição, mas não queremos o DNA insert em todos eles, por isso não nos interessa uma digestão completa. Para obter um plasmídeo inteiro e linearizado é necessário uma digestão parcial, escolhendo-se depois o fragmento cortado no local onde interessa colocar o DNA insert. Após isto é preciso ter cuidado na ligação das extremidades, porque tanto os vetores como os DNAs podem voltar a fechar-se, devido à proximidade das suas extremidades, ou então unir-se de forma incorreta – há uma série de diferentes combinações possíveis mas apenas uma é do nosso interesse. Isto acontece porque se usa a enzima ligase para unir os extremos 3’-OH aos extremos 5’-P, num processo dependente de ATP. Contudo, ela não sabe quais os extremos do plasmídeo e quais os do DNA insert. Para impedir que o vetor feche recorre-se à enzima fosfatase que desfosforila os extremos 5’ do plasmídeo (a ligase não vai unir dois extremos OH), permitindo assim que este ligue apenas a DNA insert, embora uma das cadeias, como não tem P, não vai ficar ligada – nicks. Este método não impede no entanto a ligação entre inserts e sobre eles próprios, embora essa situação não seja tão grave porque não se conseguem replicar. As ligações corretas entre vetor e DNA insert vão depois ser colocadas no hospedeiro, e este deteta os nicks e repara-os. Engenharia Genética F2 14 TRANSFORMAÇÃO DOS HOSPEDEIROS EXPERIÊNCIA DE GRIFFITH’S (1928) Nesta experiência estudou-se a bactéria Streptococus pneumoniae que provoca pneumonia no ser humano e é, geralmente, letal nos ratos. Para tal foram usadas duas estirpes, com diferentes graus de virulência. A estirpe S, de virulência normal, é coberta por uma cápsula polissacarídea, o que confere uma aparência lisa às células. Se forem injetadas nos ratos, estes contraem pneumonia e acabam por morrer. A estirpe R, um tipo mutante não virulento, que não é coberta por cápsula, o que torna o seu aspeto rugoso. Se forem injetadas nos ratos, estes sobrevivem e permanecem saudáveis As células não são letaisr para os ratos. Fervendo as células S elimina-se o seu DNA (“morrem”) e resta apenas a cápsula da bactéria. Se esta for injetada nos ratos, eles sobrevivem e permanecem saudáveis, concluindo assim que não é a cápsula que é patogénica. Contudo, adicionando-lhe novamente DNA, a bactéria volta a ser patogénica. Injetou-se então uma mistura de células S (mortas pelo calor) e células R (vivas) nos ratos, os quais contraíram a doença e morreram. Foram ainda encontradas células vivas do tipo S no sangue dos ratos mortos. Isto é explicado pelo facto de células R adquirirem a cápsula das células S, apesar destas estarem mortas – Houve transformação das células mortas S pelo conteúdo das células R, o que vai alterar o fenótipo da bactéria, uma vez que esta ganha genes codificantes da cápsula, o que a torna patogénica. O Princípio da Transformação Genética diz que bactérias com fenótipo alterado terão o seu genótipo também alterado. MECANISMOS DE TRANSFORMAÇÃO NATURAL O DNA é físico-quimicamente estável e por isso dificilmente se quebra em fragmentos pequenos, o que representa uma dificuldade acrescida na sua incorporação pelas células uma vez que a parede bacteriana não permite a passagem do DNA inteiro. Desta forma, o material genético vai ter de entrar na célula por transporte ativo como se fosse para alimentação, ou seja, através de orifícios perto dos flagelos ou cílios. O DNA é então assim incorporado e, sendo estes locais de grande ocorrência de exonucleases, degradado. Contudo, pelas exonucleases 3’ e 5’ terem diferentes velocidades de atuação e Engenharia Genética F2 15 dependendo da disponibilidade de cada uma das extremidades, vai haver uma das cadeias que é mais rapidamente degradada do que outra. A cadeia simples mais lentamente degradada tem assim possibilidade de chegar perto do DNA celular e incorporar o genoma da bactéria. Este é um procedimento extremamente raro, que em termos estatísticos é nulo, mas que na prática ocorre. Transformação com DNA livre: quando uma bactéria morre e liberta o seu DNA, este pode ser incorporado por outras bactérias envolventes, caso o recombinante lhe permita adquirir características vantajosas em termos de sobrevivência (é o que acontece com as bactérias hospitalares). Transformação com plasmídeo: o plasmídeo é captado pela bactéria, havendo transformação da mesma. É um processo que ocorre pouco mas quando ocorre, o DNA não é degradado pelas exonucleases, uma vez que estas não conseguem atuar em DNA circular. Isto garante uma maior estabilidade ao material genético, embora dificulte de certa forma a sua transmissão. É esta que se usa em laboratório. Transdução – utilização de vírus: transferência de DNA de uma célula para outra através de um vetor viral (vírus bacteriófago). Os vírus são compostos de proteínas (que constituem a sua cápsula) e ácidos nucleicos, mas não têm organelos celulares que lhes permitam a sua reprodução, pelo que para realizar esse processo, é necessário a sua entrada em bactérias e o uso do teu seu ATP e organelos. Existem 3 métodos de entrada do DNA (ou RNA) viral nas bactérias: 1) Injeção do material genético (modo direto) Apenas o material genético do vírus é fundido na membrana celular, permanecendo a parte proteica no lado externo. 2) Fusão do envelope viral Funde-se com a membrana celular e o genoma do parasita invade a célula. 3) Endocitose O vírus consegue “enganar” os recetores químicos da membrana celular, que vão promover a fixação do vírus, que é englobado por invaginações da membrana. Engenharia Genética F2 16 Uma vez dentro da bactéria, o DNA viral pode prosseguir duas vias: Ciclo lítico: as funções normais da bactéria são interrompidas na presença do material genético viral, que prossegue imediatamente para replicação. Durante a replicação ocorre simultaneamente a síntese de proteínas suas que constituirão a cápsula que vai envolver os ácidos nucleicos, formando novos vírus. Isto acaba por provocar lise celular e libertação de inúmeros vírus funcionais, que vão, por sua vez, atacar outras células. Ciclo lisogénico: combina-se com o DNA da célula hospedeira e vai ser replicado juntamente com o genoma celular– fase dormente (não produz viriões). Nesta fase a sequência de DNA viral está reprimida e é como se nem lá estivesse. Se a bactéria for exposta a um fator que diminua a ação do repressor, o DNA viral deixa de estar “adormecido” e o DNA da células hospedeira começa a tentar reparar-se, expulsando o DNA viral. O vírus fica então ativo e prossegue para o ciclo lítico. A transdução pode então basear-se em ambos os ciclos, classificando-se em transdução generalizada e transdução específica: A generalizada baseia-se no ciclo lítico, durante o qual pode haver incorporação de DNA bacteriano aleatório nos novos vírus formados, o qual vai depois infetar outra bactéria. Aqui, o DNA da bactéria “doadora” incorpora o DNA da bactéria “recetora” (transduzida), sendo replicado juntamente com ele. A específica baseia-se no ciclo lisogénico, no final do qual a bactéria segue o caminho lítico. Quando isso acontece o DNA bacteriano (no qual está incorporado o viral) é cortado para formar novos vírus. Caso este corte seja defeituoso, juntamente com o fragmento viral poderá vir um pequeno fragmento de DNA bacteriano, que vai ser incorporado no vírus e libertado, podendo infetar outras bactérias, que ficam transduzidas, tal como na generalizada. Todavia, neste caso, os genes transferidos só podem ser aqueles imediatamente adjacentes ao fragmento de DNA viral. Engenharia Genética F2 17 Geralmente o DNA viral é injetado na bactéria (método direto), e o que se pretende é que o vírus seja não lítico e que integre o seu DNA no genoma da célula, ou seja, que siga o ciclo lisogénico e não destrua as células. O vírus lisogénico não é muito rentável em laboratório. A desvantagem deste método geral da transdução é a possibilidade de os vírus serem patogénicos. Conjugação (F+ e Hfr): transferência de material genético entre duas células, organismos ou bactérias, envolvendo o contacto entre elas mas continuando ambos os organismos a existir separadamente – ocorre com muita frequência. Este fenômeno foi descoberto através de duas variedades geneticamente diferentes da bactéria E. coli, que foram cultivadas juntas. Uma das bactérias doa o DNA e a outra recebe-o. A capacidade de doar DNA está ligada à presença do plasmídeo F (de fertilidade): as bactérias F+ são doadoras e as F- são recetoras. 1) Forma-se o pilus, que une as células e se vai retraindo até surgir um “canal de interligação” entre elas O par de células fica estabilizado. 2) O plasmídeo F é separado em dois, e uma das partes migra para a célula F-. A parte que fica na célula F+ é automaticamente replicada. 3) Ocorre replicação da parte que fica na célula F-. 4) Completa-se a transferência de DNA e as células separam-se. A doação de DNA faz-se então por troca de plasmídeos. Contudo, a incorporação do fator F pelo genoma da bactéria não é controlada tecnologicamente, acabando por não ser muito útil. Por vezes, uma pequena parte do DNA cromossómico une-se ao plasmídeo e é também transferido, podendo sofrer recombinação com o cromossoma da bactéria recetora. Isto aumenta a variabilidade genética da população bacteriana e também permite adaptação ao meio. As bactérias que possuem os plasmídeos recombinados chamam-se Hfr (High Frequency of Recombination). Não é adequada para uso tecnológico. NOTA: Juntamente com o gene F, passa-se o gene R que é o de interesse tecnológico, o qual confere uma característica vantajosa em termos evolutivos, como por exemplo resistência a antibiótico Engenharia Genética F2 18 Transposão: transferência de genes de uns cromossomas para outros, resultando na inibição ou ativação de outros genes – movimentação de partes móveis de DNA de uma região do genoma para outra. Do ponto de vista tecnológico são usados, mas têm a dificuldade de nunca se saber onde vão ser incorporados, acabando por não interessar muito (não se usam). Podem resultar em doença ou variabilidade genética. Permite que o ambiente de expressão mude. Inicialmente temos um plasmídeo que contém o transposão (Tn), que corresponde ao gene “amovível”, e o cromossoma-alvo, ambos com estrutura circular. Estes vão sofrer um corte por enzima de restrição e tornar-se lineares, e simultaneamente vai haver duplicação do Tn, e o gene fica com um transposão em cada extremidade. Após isto haverá cointegração do gene-dador no cromossoma-alvo, adquirindo o recombinante no final estrutura circular. Durante este processo há disrupção dum gene no cromossoma-alvo no meio do qual é colocado o gene com os transposões. Os transposões vão depois emparelhar e recombinar, o que leva à libertação de ambos os plasmídeos, ficando um transposão em cada. No final vamos então ter o transposão inicial e cromossoma-alvo com o transposão inserido. MECANISMOS DE TRANSFORMAÇÃO ARTIFICIAL Em células bacterianas (como a E. coli) geralmente recorre-se a transformação artificial, para preparar bactérias competentes. Contudo, este processo é bastante improvável de acontecer devido à ação das enzimas de restrição que impedem a transformação das bactérias. Para aumentar a probabilidade podem ser feitos dois tratamentos: Tratamentos químicos com cálcio, manganésio, etc., nos quais se exausta energeticamente as bactérias, tornando-as competentes para receber o DNA (as bactérias são modificadas), após a inserção do qual se fornecem condições às bactérias para elas recuperarem. O Ca e o Mn constituem pequenas moléculas que entram passivamente nas células, tendo estas de os excretar por transporte ativo usando mecanismos de iões bivalentes. Se administrarmos grandes concentrações destas moléculas, a bactéria fica esgotada energeticamente. A administração de Ca aumenta a eficiência de recombinação em 106 (ou seja, por cada µg de DNA tem-se 106 recombinantes), e se este for associado ao Mn, a eficiência sobe para os 108. Engenharia Genética F2 19 Tratamentos físicos como a eletroporação, processo no qual se submete as bactérias a uma corrente elétrica que altera a estrutura celular sem destruir o organismo, abrindo orifícios que permitem a passagem do material genético. Para tal é necessário uma corrente rápida e potente, tendo de se controlar bem estes parâmetros (se o tempo for demasiado pequeno, os orifícios fecham demasiado rápido). Este é o tratamento de eleição, embora seja dispendioso. Aumenta a eficiência de transformação para 1010. Transdução: não sendo propriamente um tratamento para aumentar a eficiência de transformação, pode constituir um método de transformação artificial. Em células eucariotas também se usam mecanismos de transformação artificial, tais como: Gene gun: dispositivo que dispara DNA a alta velocidade e induz a entrada física deste na célula. Já não se usa. Microinjeção; Eletroporação; Infeção viral * Os elementos genéticos passíveis de ser usados na transformação artificial são os plasmídeos (replicação independente), os episomas (livres ou integrados) e os transposões (integrados inespecificamente) e vírus (com ciclo parcialmente extracelular). Em todo o caso, o DNA que queremos transformar tem de apresentar uma vantagem seletiva que no caso das bactérias consiste na resistência a um antibiótico, enquanto nas células eucariotas trata-se de uma vantagem metabólica (como foi visto nos YACs). SELEÇÃO DOS HOSPEDEIROS RECOMBINANTES Já vimos atrás como funciona a seleção dos hospedeiros recombinantes para o caso dos plasmídeos pBR322 e pUC19. Também já vimos que, juntamente com o plasmídeo recombinado (com insert) que nos interessa, podem surgir outras moléculas como: 1) Plasmídeo com insert invertido (insert colocado ao contrário no plasmídeo que, mesmo sendo recombinante, não vai exprimir o produtodesejado), com fragmento do insert. com múltiplos inserts ou com fragmentos contaminantes. No caso de pUC19, nenhuma destas moléculas vai exprimir a β-galactosidade, mas também não têm interesse. 2) Plasmídeo fechado sobre si mesmo, direto ou invertido. No caso de pUC19, estes vão exprimir a β-galactosidade, sendo descartados. 3) Plasmídeo recircularizado que consiste num plasmídeo mutado No caso do pUC19 não exprime a β-galactosidade. 4) Fragmentos diversos recombinados ou não sem plasmídeo – são irrelevantes. A eficiência de transformação é calculada pelo nº de recombinantes a dividir pelas µg de DNA. Engenharia Genética F2 20 Em pUC19, o caso 4) é eliminado pelo antibiótico e o caso 2) é eliminado aquando do teste com o meio IPTG+x-gal (substrato cromogénico) porque forma colónias azuis, sendo automaticamente descartados. O problema serão todos os plasmídeos recombinados que não exprimem a β-galactosidade, tendo de selecionar-se entre eles, o do nosso interesse (com o insert direto). Para tal recorre-se uma seleção específica. Resumindo, temos portanto uma seleção em duas fases: 1) Uso de marcadores genéticos com possibilidades transformantes, tais como: substratos cromogénicos (IPTG/x-gal), inativação por inserção (β-galactosidase) e complementação de mutações definidas. 2) Seleção específica por hibridação com sondas moleculares de ácidos nucleicos ou por seleção imunológica (baseada na expressão das proteínas) Como teste de confirmação, no final, podem ser usadas várias tecnologias de análise dos genes clonados como: tradução in vitro de mRNAs, mapas de restrição, técnicas de blotting (Southern, Northern, Western, Dot-blot) e sequenciação. A última corresponde à forma mais fidedigna de conhecer o recombinante. HIBRIDAÇÃO MOLECULAR: uso de sondas nucleotídicas com o seu DNA marcado radioactivamente (caiu em desuso por ser prejudicial à saúde) ou por luminescência, o qual hibrida com as bactérias transformadas e liga-se por complementaridade ao insert, sendo este o processo mais usado. As sondas usadas consistem: No próprio DNA do insert, o qual é marcado e desnaturado, ficando em cadeia simples, e assim consegue hibridar com a bactéria. Num plasmídeo pré-existente específico que pode ser um fragmento conhecido ou uma sequência correspondente a regiões conservadas entre proteínas de várias espécies. No DNA total do dador do insert, o que só é possível se o DNA não for do próprio organismo. cDNA do dador do insert, que tem um tamanho menor do que o DNA total e vai fazer um screening apenas dos RNAs em expressão. Oligonucleótidos artificiais ou fragmentos de PCR, mas só podem ser usados conhecendo a sequência do insert. Os oligonucleótidos são difíceis de desenhar por se basearem no código genético que é degenerado, sendo feitas com base na sequência de aminoácidos da proteína codificada pelo gene-alvo: se não soubermos ao certo o tripleto (a sequência de DNA complementar ao gene-alvo) temos de pôr todas as combinações de aminoácidos possíveis (pois um aminoácido pode ser codificado por vários tripletos) – vamos ficar com muitas (demasiadas) sequências para combinar com o insert. A marcação das sondas, por sua vez, pode ser feita de três maneiras: Random printing: é a técnica mais usada e consiste em desnaturar por calor o DNA da sonda. Em seguida são adicionados oligonucleótidos que hibridam em ambas as cadeias e funcionam como primers. Por ultimo junta-se DNA polimerase I (Klenow, ou seja, sem atividade de exonuclease), 3 dNTPs normais e 1 marcado. Vão então formar-se cadeias em que um nucleótido está marcado e pode ser detetado por Southern blotting. Engenharia Genética F2 21 Nick-translation: é semelhante ao random printing, mas aos poucos está a ser substituída pelo mesmo. Nesta técnica submete-se o DNA da sonda à ação da DNase que promove a formação de uma abertura em cada uma das cadeias (em extremos opostos). O DNA é depois incubado com DNA polimerase I (que além de polimerase 5’3’, tem também ação de exonuclease) e dNTPs radioativos. Assim a polimerase liga-se à extremidade 3’-OH proporcionada pelo primer e vai remover a restante cadeia de DNA original, e sintetizar uma nova cadeia (complementar à adjacente) com os nucleótidos radioativos disponíveis. Marcação terminal: é uma técnica que já não se usa, mas que consiste na marcação num dos extremos (3’ ou 5’) com 32P radioativo que permite a deteção da sonda. SELEÇÃO IMUNOLÓGICA Deteção da proteína recombinante: faz-se um screening da proteína por imunodeteção (western blotting). Deteção da atividade proteica: verifica-se se a proteína está a desempenhar as duas funções, ou seja, se há reação enzimática. Identificação de fenótipo: consiste em observar as características fenotípicas (metabólicas) resultantes da expressão da proteína codificada pelo insert por complementação funcional. MAPAS DE RESTRIÇÃO: conhecendo o mapa de restrição do DNA insert para determinada enzima, podemos fazer uma digestão parcial e assim descobrir se na amostra usada existem fragmentos com tamanho idênticos ao insert. Pode assim, ser útil na seleção específica de recombinantes. BLOTTING Southern blotting Após uma eletroforese em gel de agarose para separar os fragmentos de DNA, para que se consiga ligar uma sonda ao DNA-alvo, este deve estar em cadeia simples, o que é conseguido por desnaturação. Contudo, o gel da eletroforese derrete com o aumento da temperatura, e por isso é necessário primeiro transferir o DNA para uma membrana, para que se possa aplicar a sonda. Isto é feito da seguinte forma: Contudo, a proteína pode apresentar mutações ou folding errado, e por isso estes métodos não são muito usados, embora nem todos os clones sejam iguais e possa haver proteínas com folding adequado entre as outras. A baixa frequência de clones selecionáveis torna o método pouco vantajoso. Engenharia Genética F2 22 1) Põe-se uma folha de nylon ou microcelulose por cima do gel de eletroforese. 2) A folha de nylon é coberta por muito papel absorvente e um peso no topo (0,5kg). 3) Estas camadas são todas colocadas em cima de papel absorvente em forma de ponte, cujas pontas são mergulhadas numa solução alcalina. Este procedimento vai permitir a migração do gel para a folha de nylon (de nitrocelulose) por capilaridade – o papel absorvente “puxa” o líquido e arrasta os fragmentos de DNA, que ficam na folha de nylon – Transferência por Southern (por isso se dá o nome de Hibridação de Southern). Para que os fragmentos de DNA fiquem bem fixos à membrana de nylon, submete-se a mesma a uma temperatura de 120oC durante 30min ou a luz UV. Em seguida: A temperatura elevada vai permitir a ligação química entre a sonda e o gene-alvo. Para depois estudar o gene em causa é necessário realizar nova eletroforese para isola-lo. * Hibridação em colónias: pode-se usar uma técnica semelhante ao Southern blotting em colónias, mas no qual não é necessário recorrer à eletroforese, pois a técnica é aplicada in situ. Assim, as células são transferidas para uma membrana (equivalente à folha de nylon) e depois provoca-se a lise celular e a desnaturação do DNA, bem como a sua ligação à membrana. O DNA é depois hibridado in situ com a sonda, que se liga apenas ao DNA de interesse, identificando-o. Northern blotting Processo muito semelhante ao Southern blotting, mas no qual se usa RNA em vez de DNA. Contudo, é preciso ter muito cuidado quando o RNA é tratado. 1) Eletroforese de RNA (o RNA também tem carga negativa). 2) Fragmentos de RNA tratados com formaldeído para desnaturar. 3) Transferência para membrana – Northern. 4) Hibridação com sonda. Exemplo de aplicação: quando queremos saber onde está o mRNA e uma extração total de RNA. Coloca-sea folha de nylon num saco com solução de hibridação e a sonda, fechamo-lo e colocamo-lo em banho de água a 60oC. Enrolamos a folha de nylon num fraco cilíndrico com a solução de hibridação e a sonda, que vai a um forno que roda. OU Engenharia Genética F2 23 Western blotting ou immunoblotting Para detetar uma proteína particular numa mistura utilizam-se anticorpos como sondas. Começa- se por desnaturar as proteínas com SDS e depois aplica-las a um gel de eletroforese de poliacrilamida. Para poder aplicar os anticorpos tem-se de transferir as proteínas para uma membrana, mas como a poliacrilamida torna o gel mais compacto do que a agarose, esta transferência tem de ser feita por transferência elétrica, aplicando uma corrente elétrica. Após isto os anticorpos são administrados (podem ser radioativos) que se vão ligar especificamente aos antigénios, revelando qual nossa proteína de interesse. * Seleção por expressão: pode-se usar uma técnica semelhante ao Western blotting em colónicas, mas no qual não é necessário recorrer eletroforese, pois a técnica é aplica in situ. Assim, as células são transferidas para uma membrana (equivalente à folha de nylon) e depois provoca-se a lise celular e a ligação das proteínas à membrana. A membrana é em seguida tratada com os primeiros anticorpos, depois lava-se (para remover aqueles que não ficaram ligados) e é tratada com segundos anticorpos, lavando-se novamente no final (para remover os 2os anticorpos que não ficaram ligados). Com a ligação dos anticorpos é possível fazer uma seleção in situ dos recombinantes. Engenharia Genética F2 24 Engenharia Genética F2 25 II - MANIPULAÇÃO DE ORGANISMOS MANIPULAÇÃO DE PROCARIOTAS Para a expressão de um gene clonado num procariota é necessário um conjunto de elementos: Elementos para transcrição (TATA box, promotor e terminador da transcrição) Sequências para a tradução (RBS (sequência de Shine-Dalgarno), AUG e codão STOP) Elementos para processamento (péptido de sinal para secreção da proteína final se for necessário) Não hidrólise do produto – o normal é o organismo degradar a nossa proteína de interesse porque ela é-lhe estranha. Para garantir uma maior estabilidade da proteína final e diminuir a sua degradação usa-se por exemplo uma proteína de fusão, ou seja, à nossa proteína de interesse é acoplada de uma proteína própria do organismo hospedeiro. Função biológica do produto pode não ser compatível com o organismo hospedeiro e por isso é necessário regular a sua expressão (por exemplo: clonar enzimas de restrição de outra bactéria em E. coli pode resultar na degradação do DNA desta). Nos procariotas produz-se um mRNA mais simples (relativamente aos eucariotas) e não ocorre a sua maturação, ou seja, quando ele é transcrito pode ser logo traduzido. A transcrição e a tradução ocorrem no mesmo compartimento, pelo que os processos acabam por ocorrer em simultâneo, isto é, a tradução pode começar antes da transcrição estar completa (isto não acontece nos eucariotas, pois os processos são separados fisicamente. Excecionalmente ocorrerá se existirem no núcleo ribossomas que controlem a qualidade do RNA). Assim, o único ponto possível de regulação é, quase exclusivamente, a nível da transcrição. TRANSCRIÇÃO DIFERENCIAL Relaciona-se com a taxa de transcrição que ocorre. Se for transcrito muito RNA temos muita proteína, enquanto se for transcrito pouco RNA temos pouca ou mesmo nenhuma proteína. OPERÕES – PROMOTORES PROCARIÓTICOS Contrariamente aos eucariotas, nos procariotas o promotor é reconhecido pelo fator sigma, da RNA polimerase, que se liga a ele e desnatura a dupla hélice de DNA. A polimerase depois liga-se à cadeia simples e inicia a síntese de RNA, após libertação do fator sigma. Fazendo o alinhamento de várias sequências de genes da E. coli, podemos confirmar que as zonas em que há maior nº de nucleótidos em comum são as regiões -35 (TTGACAT) e -10 (TATAAT). Essas regiões são então chamadas de regiões de consenso. NOTA: Podemos ver na imagem que a sequência codificante do gene é a parte a azul (que só começará com o codão ATG), mas a transcrição inicia-se antes (em +1), numa região que permite a ligação ao mRNA (região 5’-UTR), que embora depois não seja traduzida, é bastante importante para a ligação aos ribossomas. Sequência de consenso: sequência ideal no gene para interação com proteínas de regulação (sejam elas fatores de transcrição ou fatores sigma). Engenharia Genética F2 26 Os genes dos procariotas são maioritariamente policistrónicos (podem atuar vários ribossomas simultaneamente e do mesmo gene podem surgir diferentes proteínas) e a sua regulação é feita de forma conjugada por operões, sendo um processo mais simples e apenas a nível da transcrição e da tradução. Operões (cluster): controlam a expressão de vários genes (que não façam sentido ser expressos uns sem os outros) – genes policistrónicos – de modo a que esta seja apenas “ativada” quando o produto do gene é necessário à célula. São constituídos por um gene promotor, um gene operador e os genes estruturais. A estes liga-se um 4º gene, o gene regulador, que não faz parte da constituição do operão, mas funciona em parceria com. O gene promotor ou promotor próximal é a região (a curta distância do extremo 5’) onde a enzima RNA polimerase, responsável pela transcrição dos genes estruturais e fatores de transcrição, se liga. O gene operador é o que controla o acesso da RNA polimerase aos genes estruturais, regulando a sua transcrição, sendo o local onde se liga a proteína reguladora. Os genes estruturais são onde se encontra codificada a informação genética necessária para a formação de certas proteínas. O gene regulador vai ser constantemente transcrito e traduzido, produzindo continuamente pequenas quantidades de uma enzima proteica, o repressor. Esta enzima pode ser codificada na forma ativa (na qual se vai ligar ao gene operador, impedindo a passagem da RNA polimerase proveniente do gene promotor e, consequentemente, impedindo a transcrição dos genes estruturais) ou na fase inativa (na qual não se liga ao gene promotor, permitindo, assim, a passagem da RNA polimerase e a transcrição dos genes estruturais). A cada operão está associado um gene regulador que só produz repressores numa das formas, ativa ou inativa, nunca alternando entre elas. Engenharia Genética F2 27 Promotor lac (lactose) É dos promotores mais usados porque é facilmente regulado. A lactose é um açúcar usado pelas bactérias para obter energia. A E. coli necessita de sintetizar três enzimas (proteínas) que ajudem no processamento da lactose, para que esta possa atravessar a membrana citoplasmática. Na ausência de lactose, o gene regulador produz um repressor na forma ativa, que se liga ao gene operador, impedindo a passagem da RNA polimerase e consequentemente a transcrição dos genes estruturais. Na presença de lactose, esta liga-se ao repressor originando uma alteração conformacional que o torna inativo, o que vai levar à sua desconexão do gene operador, permitindo deste modo a passagem da RNA polimerase e a transcrição dos genes estruturais, após a tradução dos quais serão produzidas as enzimas necessárias ao metabolismo da lactose, ou seja, para a sua degradação em glucose. Quando é adicionada ao meio, a lactose ativa a expressão dos genes – regulação positiva. A ligação da RNA polimerase ao promotor lac é fraca e requer frequentemente ativação pela CAP (Catabolite Activator Protein). Quando a concentração de lactose começa a baixar drasticamente, devido à ação catalítica das enzimas (que a metabolizam em glucose e ATP), a lactose desliga-se do repressor, que, ao voltar à forma ativa,liga-se novamente ao operador, bloqueando a transcrição do operão, garantindo uma poupança de recursos que não são necessários na ausência de lactose. Como alternativa pode-se usar IPTG que funciona, analogamente à lactose, como inibidor da proteína reguladora. Contudo, este composto não é metabolizável e por isso não gera energia, e a expressão dos genes nunca cessa. É uma via catabólica em que há produção de energia, e os genes catabólicos são sempre regulados pelos níveis energéticos, ou seja, pelos níveis de concentração de ATP e AMP cíclico (que são inversamente proporcionais). Assim, como o aumento da glucose leva ao aumento de ATP (e diminuição de cAMP), na presença de muita glucose a expressão dos genes é inibida porque há demasiada energia. NOTA: A célula precisa de um nível de energia elevado para expressar o recombinante, mas se for muito elevado não o vai expressar porque não precisa. Por outro lado, se os níveis forem muito baixos a célula definha. É por isto preciso encontrar um nível intermediário adequado às condições experimentais em que trabalhamos. A lactose funciona como um indutor, pois a sua presença ativa o operão. É também por isso que se dá o nome de operão/promotor indutível. Engenharia Genética F2 28 Se houver tanto lactose como glucose no meio a bactéria não precisa degradar a lactose e por isso a expressão dos genes não é ativada – há portanto um duplo controlo do operão lac: Quando não há nem glucose nem lactose no meio, a CAP liga-se mas também o repressor se liga, pelo que continua sem haver expressão dos genes estruturais. Quando há glucose e não há lactose no meio, o operão está inativo porque há ligação do repressor ao gene operador e ainda porque a CAP não se liga. Quando há glucose e lactose no meio, a CAP não se liga e por isso não há expressão. Quando não há glucose mas há lactose, há ligação da CAP e da RNA polimerase porque o repressor é inativado pela lactose. Concluindo: este promotor é induzido por lactose e IPTG e amplificado pelo cAMP (e depleção de glucose). Promotor trp (triptofano) Os genes estruturais deste operão, quando transcritos e traduzidos, originam enzimas necessárias à produção do aminoácido triptofano, sendo que o gene regulador deste operão, contrariamente ao que acontecia no operão lac, codifica um repressor na forma inativa. Engenharia Genética F2 29 Desta forma, quando as concentrações intracelulares deste aminoácido são baixas, o repressor inativo, não podendo ligar-se ao gene operador, vai deixar o operão ativo, permitindo a passagem da RNA polimerase até aos genes estruturais e a produção das enzimas, levando, assim, ao aumento da concentração de triptofano. Quando a concentração deste aminoácido é elevada, algumas moléculas deste aminoácido ligam-se ao repressor, modificando a sua conformação e tornando- o ativo, pelo que ele se liga ao operador, bloqueando a transcrição dos genes estruturais do operão. Se houver cerca de 50% de triptofano no meio intracelular há uma atenuação da expressão dos genes, sendo que vai haver alguns fragmentos de RNA muito pequenos e algumas proteínas que não são expressas. Ou seja, em alguns casos a transcrição termina antes de atingir a sequência em hairpin. Como quando está no meio, o triptofano inibe a expressão dos genes estruturais deste operão diz-se que faz uma regulação negativa. Concluindo: este promotor é induzido por depleção de triptofano e presença de ácido 3- indolacrílico, e reprimido pela presença de triptofano. Promotores tac e trc Enquanto os promotores lac e trp eram promotores naturais nativos que existem na E. coli, os promotores tac e trc são híbridos artificiais feitos em laboratório que não existem na bactéria selvagem. Estes vão permitir uma produção 3x superior ao operão trp e 10x superior ao lac. Estes vão ter uma região TATAbox (-10) igual à do operão da lactose e uma região CGbox (-35) igual à do operão triptofano. Isto vai permitir-lhes ter uma regulação fácil e produzir em grandes quantidades como o operão lac e, por outro lado, a capacidade “babosa” do operão trp que é constitutivo, ou seja, está constantemente a produzir (a menos que seja reprimido). OPERÕES – PROMOTORES PROCARIÓTICOS FÁGICOS Os vírus são parasitas obrigatórios de outras células, sendo os específicos das bactérias chamados de bacteriófagos. Os promotores destes bacteriófagos acabam por ser mais fortes que os das próprias bactérias, e por isso é que estas são infetadas. A via anabólica consome energia, sendo uma via que está sempre ativa em contínua síntese, e que só para quando não é necessária devido à presença excessiva do seu próprio produto. A expressão destes genes é constitutiva, ou seja, contante, sendo que o triptofano atua como co-repressor. Este operão/promotor diz-se então reprimível. Engenharia Genética F2 30 Promotor pL: promotor de bacteriófago λ é regulado pela proteína codificada pelo gene CI, a qual é termosensível: a 30oC está ativa e liga-se ao promotor impedindo a transcrição dos genes, enquanto a 42oC desnatura e fica inativa, havendo expressão do promotor. A expressão dos genes estruturais deste promotor leva à formação de viriões. O que se faz é clonar em laboratório esta proteína juntamente com o promotor pL no qual está inserida a nossa proteína de interesse, em E. coli. Assim, quando se cultiva a bactéria a 30oC nada acontece e a bactéria cresce e a biomassa aumenta. A determinada altura, quando queremos que a bactéria comece a sintetizar o nosso produto, aumentamos a temperatura para 42oC. Promotor pT7: o promotor de bacteriófago T7 é apenas reconhecido pela polimerase fágica T7 RNA polimerase, e portanto nenhuma polimerase bacteriana o consegue reconhecer. Neste sentido, usando este promotor numa bactéria (por ser mais forte) tem-se de clonar também nela um gene codificante da polimerase fágica, o qual não precisa de ser muito tempo expresso porque a polimerase é extremamente ativa por apenas reconhecer um promotor. Desta forma, usa-se o gene lacI que vai codificar uma proteína que ao ligar-se ao promotor do gene codificante na polimerase fágica permite a sua expressão, e esta polimerase, por sua vez, vai induzir o promotor pT7 e permitir a expressão do nosso gene de interesse. Além da proteína lac também se pode usar IPTG para induzir a expressão da polimerase fágica. Este promotor pT7 é extremamente potente e permite desencadear um processo catastrófico de expressão, aumentando a quantidade de produto de interesse obtido. INDUÇÃO DA EXPRESSÃO/ AUMENTO DA PRODUÇÃO Repressores e promotores: quando a molécula repressora é muito forte é muito complicado induzir a expressão dos genes. Para solucionar o problema existem várias estratégias que podem ser aplicadas como reduzir o nº de cópias do gene codificante da molécula repressora no plasmídeo (ou cromossoma) ou aumentar o nº de cópias do gene de interesse. Em repressores pouco eficazes, o promotor é leaky, ou seja, está constantemente a exprimir os genes estruturais – é constitutivo. Se se quiser reverter a situação pode-se aplicar estratégias contrárias às indicadas para o repressor forte. Temperatura: se aumentarmos a temperatura as proteínas desnaturam e o promotor fica livre para poder produzir mais. Para aumentar a temperatura contudo precisa-se de uma fonte de calor com temperatura extremamente elevada, caso contrário o processo demora muito tempo. Além disso, o consumo energético é muito elevado e são necessários fermentadores especiais. É por isso necessário avaliar bem se o processo é economicamente rentável antes de o aplicar. Detergentes e promotores fágicos: a lactose é um indutor da expressão barato que, no entanto, não pode ser utilizada porque é metabolizada e satura o AMP cíclico. A alternativaé usar IPTG para exprimir os promotores da lactose que, no entanto, são “fracos” e acaba-se por micae Realce micae Realce Engenharia Genética F2 31 gastar muito dinheiro para exprimir pouco. Por este motivo é que se recorrem a promotores fágicos para controlar a expressão dos genes: um exemplo é a regulação em cadeia (trp+pL). (trp+pL): coloca-se o gene codificante da proteína CI acoplado a um promotor do triptofano e o nosso gene de interesse acoplado a um promotor pL, apenas ativado na ausência da proteína CI. À medida que a bactéria cresce vão surgindo cada vez mais promotores pL e por isso são necessárias mais proteínas CI para os inibir, basta então fazer crescer a bactéria num meio pobre em triptofano e assim o promotor trp ativo vai exprimir a proteína CI que por sua vez inibe o promotor pL e consequentemente a transcrição do nosso gene de interesse. Para induzir a expressão basta colocar a bactéria num meio rico em triptofano, o qual vai inibir o promotor trp e não se expressão a proteína CI. Desta forma, o promotor pL fica livre e o nosso gene de interesse é expresso, sem ser preciso um processo dispendioso de aumento de temperatura. Usando esta estratégia consegue-se 20% mais conteúdo proteico de interesse, o que é muito significativo. Múltiplas cópias do gene: quanto maior quantidade de genes, maior quantidade de RNA e maior quantidade de proteína sintetizada. Isto pode conseguir-se com múltiplas cópias do gene em tandem no plasmídeo e/ou com múltiplos plasmídeo em cada célula. Contudo, a relação nem sempre é de proporcionalidade direta e os resultados podem não ser os esperados, isto porque uma maior quantidade de DNA a expressar pode saturar energeticamente a célula e acabar mesmo por ser tóxico. Outra desvantagem é ainda a grande quantidade de cópias favorecer processos de recombinação genética entre elas e o aparecimento de mutações, o que diminui a estabilidade da proteína final, podendo mesmo obter-se um produto diferente do desejado. Aumentar a eficiência na tradução: existem duas maneiras fundamentais de aumentar a eficiência do processo de tradução para aumentar a produção da nossa proteína de interesse: A distância entre as regiões RBS (Shine-Dalgarno) e AUG (codão de iniciação) determina a ocorrência ou ausência de tradução, nomeadamente se estiverem muito afastadas o ribossoma desliga-se da cadeia de mRNA, e se estiverem muito próximas ele é capaz de não reconhecer o codão de iniciação, não ocorrendo portanto tradução. Outro aspeto que influencia é a estrutura secundária do mRNA, a qual determina a afinidade para com o ribossoma. Os codões do mRNA devem ser adaptados ao hospedeiro em causa, substituindo-os por aqueles que surgem em maior frequência no mesmo, ou seja, aqueles para os quais o hospedeiro sintetiza tRNAs complementares. Também se pode induzir a célula a sintetizar t-RNAs em falta em vez de alterar-se os codões. As adaptações nos codões são feitas por mutagénese dirigida ou por PCR. Na primeira muda-se apenas um nucleótido fazendo-se um primer de oligonucleótidos abrangente à cadeia de mRNA na região onde se quer inserir a mutação, mas o local central onde se encontra o nucleótido mutado não emparelha. A nova cadeia é depois sintetizada por complementaridade com a restante cadeia de mRNA. Desta forma vamos ficar com uma linhagem de plasmídeos mutada e outra não. A primeira permite obter uma grande quantidade de plasmídeos mutantes. Engenharia Genética F2 32 Minimizar precipitação: é muito complicado recuperar uma proteína depois desta precipitar. Para minimizar a precipitação podem usar-se proteínas integrais da membrana (como é o caso da tioredoxina). Folding e secreção apropriados: o folding da proteína pode não ser adequado ao hospedeiro, o que dificulta a sua secreção. Para melhorar o folding pode recorrer-se a proteínas DsbC (dissulfide bond-forming protein), que estabelecem pontes dissulfídricas entre cisteínas, garantindo que a proteína adquire uma estrutura correta. Consumos de oxigénio: clonando um gene, por exemplo o da hemoglobina bacteriana, juntamente com o nosso recombinante, consegue-se aumentar a capacidade do hospedeiro em captar oxigénio necessário às suas funções metabólicas, de modo a fazer face à expressão do nosso recombinante (processo que requer funções metabólicas mais exigentes). AUMENTO DA ESTABILIDADE DO NOSSO PRODUTO A proteína que recombinamos é um produto extremamente instável por ser estranho ao organismo hospedeiro em que é clonada, fazendo este de tudo para a degradar e eliminar. Existem, contudo, algumas estratégias para aumentar a estabilidade do nosso produto e, consequentemente, a sua durabilidade. Proteína de fusão: fundir com a nossa proteína uma proteína própria do hospedeiro (por exemplo, a β-galactosidase), colocando entre os seus genes uma região (7 aminoácidos) – linker de fusão – que funciona, após a expressão, como péptido-sinal reconhecido pelas protéases, separando assim no final o produto de interesse da proteína do hospedeiro. Esta proteína “extra” vai impedir a formação de corpos de inclusão destinados à destruição da proteína de interesse estranha ao organismo. Coloca-se primeiro a proteína recombinante ou primeiro a do hospedeiro? Depende da situação, tendo de se testar qual o melhor método, pois ambas as proteínas têm de estar na mesma grelha de leitura. Este passo pode mesmo afetar a estabilidade final do produto. Linker de purificação: além dos linkers de fusão explicados anteriormente, existem também os linkers de purificação que permitem recolher a nossa proteína de interesse de entre os restantes constituintes da fermentação por cromatografia de afinidade, ficando o nosso produto ligado à coluna da fase estacionária. Um exemplo é a expressão de Il2, uma citoquina (proteína) humana do sistema imunitário que nunca havia sido possível produzir em bactérias até ser fundida com uma proteína bactéria por meio de um linker de fusão. Este linker vai ainda ser útil para remover a proteína de interesse do meio de cultura, sendo depois cortado por uma peptidase. Outra forma alternativa de conseguir produzir e purificar a nossa proteína de interesse numa bactéria é hibridá-la com uma proteína integral de membrana que prende a nossa proteína do lado exterior da membrana, não havendo assim uma secreção total dela. Isto leva a que a proteína fique relativamente concentrada no fermentador, não sendo necessário processar todo o meio de cultura, apenas a biomassa. Contudo, não é um método muito rentável. Engenharia Genética F2 33 Marcadores seletivos (antibióticos): o uso de antibióticos para manter o gene de interesse à escala industrial não é rentável pois além de constituir lixo que depois tem de ser processado, tendo um custo relativamente elevado associado, e de promover a ocorrência de bactérias resistentes a antibióticos, são reagentes que só por si são muito caros. Existem algumas soluções alternativas ao seu uso que são mais vantajosas: Limitar o número de gerações por ciclo de produção evitando assim a perda do plasmídeo potenciada por mutações decorrentes dos processos de replicação. Para isto é preciso estimar a taxa de perda do plasmídeo de interesse e determinar o ritmo de trabalho adequado para eu não haja perda do mesmo. É ainda extremamente importante manter uma vigilância da sequência codificante do gene ou proteína durante o processo para assegurar que ainda se tem. Integrar o plasmídeo no cromossoma do hospedeiro por recombinação homóloga. Contudo, a recombinação tem de ser feita com regiões que não sejam críticas ao crescimento do organismo em causa. Bancos de células: devido às mutações vistas atrás que ocorrem em todos os ciclos de replicação dos hospedeiros e que potenciam a perda do nosso gene de interesse, é aconselhávelrecorrer a bancos de células. Nestes bancos começa-se por obter uma célula com as características ideais e o nosso recombinante, tendo esta de ser exaustivamente bem caracterizada, a qual é depois clonada (faz-se uma cultura em massa) e no final congela-se o lote de células, todas com características iguais. Faz-se a cultura, congelam-se 1000 ampolas e usa-se uma para fazer outra cultura em massa. Desta 2ª congelam-se mais 1000 ampolas e usa-se uma para produção industrial. Desta forma, estes bancos vão assegurar 106 ciclos de produção controlados e idênticos, com conservação da estabilidade genética do recombinante. Isto assegura disponibilidade contínua de células em caso de acidentes ou situações indesejáveis durante o processo de produção industrial do nosso recombinante. Embora ocorra variabilidade genética que nunca se consegue erradicar, é sempre constante (o número de mutações não aumenta, é sempre constante). Aminoácido N-terminal: é o aminoácido N-terminal da proteína de interesse que é reconhecido e sinalizado com ubiquitina para futura destruição da proteína, podendo-se substitui-lo por um com maior tempo de semi-vida, o que aumenta a estabilidade da proteína e o seu tempo de vida. Célula hospedeira sem proteases: as protéases são o principal motivo de degradação da nossa proteína de interesse, e a sua ausência seria um fator impulsionador da estabilidade do produto. Engenharia Genética F2 34 PLASMÍDEO DE EXPRESSÃO PROCARIÓTICO Concluindo, um plasmídeo de expressão procariótico deve ter: Origem de replicação ou local de recombinação com cromossoma (para poder ser integrado no genoma do hospedeiro) para que se consiga manter o plasmídeo dentro do hospedeiro e se consiga passa-lo à descendência durante a replicação – no primeiro caso replica-se independentemente do hospedeiro e no 2º caso, dependentemente. MCS (Multi Cloning Site) nas três grelhas de leitura para que se consiga inserir o gene de interesse, bem como 3 codões de terminação para a transcrição. Promotor forte e regulável para conseguir controlar temporal e quantitativamente a expressão do nosso gene recombinante, uma vez que se trata de um objeto estranho ao hospedeiro. Quanto maior forte o promotor, maior a quantidade de produto formada, mas se for demasiado forte pode saturar energeticamente a célula, daí ser preciso regulação. Marcador de seleção que garantem vantagem evolutiva na presença do recombinante, para que este seja preservado pelo hospedeiro. Podem usar-se antibióticos (que como já vimos apenas são viáveis de usar a escala laboratorial devido aos elevados custos de compra e tratamento de efluentes) ou aminoácidos (recorrendo a técnicas de auxotrofia, como o triptofano). Sequência de péptido-sinal para secreção do produto. Sequência de péptido (tag) removível que tanto pode servir para aumentar a estabilidade do gene como para melhorar a purificação do produto por cromatografia de afinidade. Outros elementos relevantes de usar consoante o tipo de proteína recombinante que se deseja obter. MANIPULAÇÃO DE EUCARIOTAS Embora a transcrição seja um ponto importante na manipulação de organismos eucariotas, existem muitos mais pontos passiveis de ser regulados. A mais significativa nos eucariotas até é mesmo a nível do processamento pós-traducional que, contrariamente aos procariotas, nestes organismos é exaustivo devido à necessidade que a proteína produzida tem em migrar desde o local de síntese ao local de atuação. Folding: tal como nos procariotas, o folding da proteína pode não ser adequado ao hospedeiro, o que dificulta a sua secreção. Para melhorar o folding pode recorrer-se a proteínas DsbC (dissulfide bond-forming protein), que estabelecem pontes dissulfídricas entre cisteínas, garantindo que a proteína adquire uma estrutura correta. No entanto, estas pontes são mais consistentes nos eucariotas, originando estruturas moleculares diferentes. Processamento proteolítico: remoção de fragmentos internos da proteína – splicing. Glicosilação: nos procariotas não ocorre glicosilação, mas nos eucariotas sim, embora nem todas as proteínas sejam glicosiladas da mesma forma (depende do organismo em causa, o processo é diferente caso se trate de leveduras, insetos ou mamíferos). Apenas Engenharia Genética F2 35 as proteínas de membrana ou secreção que são sintetizadas no retículo endoplasmático sofrem glicosilação, pois são as únicas que passam pelo complexo de Golgi (local onde ocorre o processamento), dependendo o grau de glicosilação do tempo que a proteína demore a passar esse organelo, ou seja, o tempo que demore a ser secretada até à membrana ou para fora dela (embora a glicosilação seja maior nas leveduras). A glicosilação pode ser feita na extremidade O- (por trionina ou serina) ou na extremidade N- (por aspargina). Modificação de aminoácidos: por fosforilação, acetilação, etc.. A transformação consiste na introdução de DNA estranho em bactérias ou leveduras por alteração das propriedades de crescimento em células animais. Este ultimo caso pode, contudo, levar ao desenvolvimento de tumores, o que limita o seu uso em humanos. À transformação está também associada uma alteração do genótipo do hospedeiro com consequente alteração no fenótipo. Transfeção: introdução de DNA em células animais. Além do DNA de interesse pode haver alteração de outros genes do hospedeiro (alteradas por vírus). PLASMÍDEO DE EXPRESSÃO EUCARIÓTICO Um plasmídeo de expressão procariótico deve ter: Origem de replicação (2) para E. coli (porque toda a manipulação do DNA tem de ser feita em E. coli) e para as células eucariotas em questão. Gene de resistência a antibiótico (não se usa em células eucariotas, mas pode ser relevante aquando da manipulação em E. coli) ou que permita seleção metabólica para os eucariotas (ESM – marcador de auxotrofia). A este último tem ainda de estar associado o seu promotor e terminador para poder ser expresso. MCS ladeado pelo promotor eucariótico e um terminador (essencial porque se a transcrição não terminar pode tornar-se tóxica para o organismo). Existem 3 hospedeiros eucariotas mais significativos na recombinação genética (por ordem de relevância, usando-se uma apenas quando a anterior não satisfaz os requisitos): saccharomyces cerevisiae (levedura alimentar), baculovírus (vírus de insetos) e células de mamíferos. Vamos então ver como podemos manipular cada um deles. SACCHAROMYCES CEREVISIAE Levedura (sistema) unicelular alimentar, genética e fisiologicamente bem conhecido. É um microrganismo GRAS (General Recognized As Safe). Tem um crescimento rápido (embora não tão bom como E. coli) e é pouco exigente quanto ao meio. Tem promotores fortes e regulados disponíveis e um processamento pós-tradução eucariótico. É uma célula pouco secretora, o que constitui uma desvantagem porque geralmente quer-se secretar o nosso produto. Mutantes auxotróficos. Engenharia Genética F2 36 Existem vários promotores para S. cerevisiae disponíveis, tanto constitutivos como indutáveis, para utilizar, sendo regulados por diversas maneiras consoante as suas condições de expressão. Atualmente já se fazem vários recombinantes nestas leveduras: para vacinas (hepatite B), diagnóstico clínico (hepatite C e HIV) e terapia humana (fatores de crescimento e insulina). Existem ainda vários tipos de plasmídeos e cromossomas que podem ser usados neste organismo. YEp (episomal): é um episoma que usa uma estratégia idêntica à expressão de plasmídeos em procariotas, mas em procariotas. Podem existir na forma livres ou integrados no genoma celular. Divide-se independentemente e não é preciso preocupar com os centrómeros. Têm grande instabilidade principalmente a longo prazo porque não têm estrutura
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