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03 Aulas 5 e 6 - Organização gênica de procariotos Referência: Zaha,Arnaldo;Ferreira,HenriqueBunselmeyer;Passaglia,LucianeMariaPereira.BiologiaMolecularBásica.Porto Alegre:Artmed, 2014.ISBN9788582710579. Os domínios dos seres vivos Evolução da árvore da vida Divisão dos seres vivos celulares em 3 domínios (por Woese): Archaea, Bacteria e Eukarya Archaea e Bacteria incluem todos os procariotos (organismos unicelulares que possuem um núcleo individualizado - material genético livre no nucleóide); Eukarya inclui todos os eucariotos (fungos, vegetais, protozoários e animais - núcleo bem definido, células mais complexas); Há boatos de que os eucariotos surgiram dentro de Archaea, o que indicaria dois domínios da árvore da vida; a -> os 3 domínios da árvore da vida; Números totais catalogados e números preditos de espécies na terra e nos oceanos Características comuns das células Cromossomos: moléculas de DNA compactadas Genoma: conjunto completo de DNA de um organismo, incluindo todos os seus genes (nos humanos, o genoma inteiro tem em torno de 3 bilhões de pares de b -> quando se acreditava que somente os filos Euryarchaeota e Crenarchaeota faziam parte de Archaea, vários tipos de evidências moleculares suportavam a estreita relação dos eucariotos com Crenarchaeota; c -> no início de 2010, mostrou-se que os eucariotos ramificavam-se ou seriam irmãs de Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota e Korarchaeota (superfilo TACK); d -> análises filogenômicas que incluem membros do superfilo Asgard sugerem fortemente que os eucariotos originaram-se de Asgard ou que seriam irmãs desse grupo. material genético -> guarda toda a informação necessária para a sobrevivência, desenvolvimento e reprodução do organismo; GENOMA - informação genética total armazenada no DNA de uma célula; apresentam vias metabólicas e enzimas similares ou idênticas; apresentam semelhanças na estrutura celular; bases) Genes: unidade física basica e funcional da hereditariedade - constituídos de DNA, fornecem instruções para gerar RNAs e proteínas Tamanhos dos genomas: Genomas de procariotos Compactação do cromossomo bateriano normalmente consiste em um cromossomo único, formado por uma molécula de DNA de fita dupla circular covalentemente fechada; algumas bactérias, como Streptomyces lividans, Rhodococcus fasciens e espiroquetas do gênero Borrelia, possuem cromossomos lineares. algumas bactérias apresentam dois ou três cromossomos (ex. Agrobacterium tumefaciens str. C58 com um cromossomo circular e um linear.) o comprimento do cromossomo pode ser cerca de 1000x o tamanho da célula; pra resolver esse problema, a bactéria tem mecanismos que condensam seu cromossomo em uma estrutura 3D ordenada, composta de domínios dentro de domínios; Organização espacial da expressão gênica o nucleoide e a geometria celular ajudam a organizar a expressão gênica Organização dos cromossomos de Escherichia coli e Sulfolobus solfactaricus (Archaea) Organização do cromossomo em Archaea nos eucariotos um conjunto de histonas é constituído de dois dímeros de H2A-H2B e um tetrâmero de H3-H4, em torno do qual um segmento de DNA de 146 bp se enrola; as proteínas histona-like de archaea existem como dímeros, que são capazes de curvar o DNA; os dímeros podem ser homodiméricos ou heterodiméricos, uma vez que muitas espécies de Archaea codificam mais de uma variante de histona; as histonas se organizam em um bastão que forma uma hélice que gira para a esquerda, formando um hipernucleossomo; O genoma de Escherichia coli K-12 E.coli - orientação diferenciada de genes a replicação de um cromossomo circular pode possibilitar a formação de um dímero cromossômico pela recombinação durante a replicação -> poderia representar uma barreira para a segregação final do genoma duplicado antes da divisão celular; as bactérias possuem um sistema de recombinação sítio-específica baseado em homodímeros ou heterodímeros de recombinases que atuam em um sítio específico no cromossomo, para gerar monômeros a partir dos dímeros; Samson & Bell. J Mol Microbiol Biotechnol. 24: 420-427 (2014). E.coli cepa K-12 é muito bem estudada; o genoma consiste em um cromossomo único de fita dupla circular covalentemente fechado,c om 4.639.221 pb; divido em 100 unidades de mapa (UM), com uma UM, ou centissomo mais ou menos 4300 genes apresenta um total de 4146 genes que codificam proteínas (0,8% codifica RNAs estáveis (rRNA e tRNA); 11,4% sequências reguladoras, intergênicas, com outras funções e repetidas mais de 30% têm pelo menos uma sequência paráloga 63,27% ocorrência de operons o cromossomo bacteriano é replicado bidirecionalmente - a partir de oriC, duas forquilhas de replicação, cada uma com um aparato de replicação, avançam em direções opostas ao longo do cromossomo, sintetizando ambas as fitas do DNA e encontrando-se em terC; Localização de genes mais ativos na região de oriC O gene procariótico: à medida que um complexo de replicação avança num ou noutro sentido pelo cromossomo, há o risco potencial de colisão com moléculas de RNA- polimerase que estejam simultaneamente transcrevendo genes no sentido oposto; em E.coli, estas colisões são evitadas, pelo menos em parte, pela orientação apropriada em relação à direção da replicação de todos os sete operons de rRNA, de 61% dos genes de tRNA e de aproximadamente 55% dos genes que codificam proteínas; os genes estão orientados no sentido horário quando situados na metade do cromossomo que é replicada no sentido horário e no sentido oposto quando situadas na outra metade do cromossomo, que é replicada no sentido anti- horário; cromossomo e.coli tem uma maior concentração de genes e operons mais ativos em regiões mais próximas de oriC do que de terC -> esse padrão seria consequência da multiplicação extremamente rápida das células bacterianas, o que determina que os cromossomos das mesmas estejam praticamente em constante processo replicativo; na região próxima a origem de replicação fica grande parte da vida da bactéria presente em duplicata, o que acontece apenas mais tardiamente, perto do momento da divisão celular, com região próxima a terC; o posicionamento próx à origem de replicação pode até dobrar o nível de expressão de genes; genes particularmente ativos tendem a estar localizadas na porção proximal à oriC no cromossomo de e.coli; um gene pode ser definido como toda a sequência nucleotídica necessária e suficiente para a síntese de um polipeptídeo ou de uma molécula de RNA estável; cada gene possui uma região codificadora, constituída pela seq nucleotídica que codifica a seq de aa de uma cadeia polipeptídica ou um RNA estável e todas as seq nucleotídicas reguladoras, que determinam e controlam a sua transcrição; Colinearidade há uma exata equivalência entre a seq nucleotídica do gene (DNA) e a seq de aa da proteína considerando que cada códon de três nucleotídeos codifica um aa, para codificar uma proteína com n aa é necessário um gene correspondente com uma região codificadora de 3n pares de bases; Operons unidade funcional do genoma, na qual dois ou mais genes que codificam produtos com funções relacionadas ocupam posições adjacentes e estão sob controle de uma única região reguladora; mais comum em procariotos, mas pode ocorrer em eucariotos; os diferentes genes contíguos presentes num operon são co-transcritos em um único mRNA, que é chamado policistrônico (um cístron é a unidade genética definida em testes de complementação que equivale a um gene); Genes parálogos e ortólogos um gene pode estar representado no genoma uma única vez ou estar presente em duas ou mais cópias originadas de eventos de duplicação; quando estas cópias divergem durante o processo evolutivo, pelo acúmulo de mutações nas suas sequências nucleotídicas, elas podem dar origem a genes que codificam produtos relacionados, mas funcionalmentedistintos - parálogos- que formam famílias de genes relacionados; genes com seq nucleotídicas conservadas evolutivamente e codificando proteínas similares e com funções correspondentes em diferentes espécies são geralmente derivados de um gene originalmente presente num ancestral comum àquelas duas espécies - ortólogos; Pangenomas Microbioma quando as seq dos genomas de muitas linhagens de uma mesma espécie de bactéria, é possível se analisar tanto o conjunto de genes que é comum, bem como o conjunto de genes diferentes na mesma espécie; o pangenoma corresponde ao conjunto de genes de todas as linhagens de uma mesma espécie -> inclui os genes presentes em todas as linhagens (core genome, genoma central) e os genes presentes em algumas linhagens (genoma variável ou genoma acessório); pangenoma aberto: o número de genes do pangenoma aumenta com o aumento do número de linhagens sequenciadas; pangenoma fechado: depois do sequenciamento dos genomas de um certo número de linhagens, novos genes não são acrescentados ao pangenoma; para acessar o grau de flexibilidade genômica dos isolados das águas residuais, o pan-genoma e o core-genoma (conjunto de genes presentes em todos os isolados) foram comparados; com 16.582 genes, o pan-genoma é cerca de 6 vezes maior do que o core genoma de 2.783 genes, compondo um reservatório de cerca de 14.000genes; coleção de genomas de todos os microrganismos encontrado num determinado ambiente; microbiota - refere-se aos microrganismos específicos que são encontrados num determinado ambiente; projeto microbioma humano (Human Microbiome Project, HMP) - mapa para descobrir funções que os microrganismos desempenham na saúde humana, nutrição, imunidade e doenças em diversos nichos do corpo humano;
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