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Genes e Genomas Eucariotos
Universidade Federal de Pelotas
CDTec - Graduação em Biotecnologia
Disciplina de Biologia Molecular
Priscila M. M. de Leon Dra., Médica Veterinária
Profa, PNDP Biotecnologia/UFPel
Genomas Eucariotos sequenciados
• 1996: S. cerevisiae (metazoário)
• 1998: C. elegans
• 2000: D. melanogaster
• 2000: Arabidopsis thaliana (vegetal)
• 2002: Mus musculus (animal)
• 2003: Neospora crassa(fungo)
• 2006: genoma Humano completo
• 2011:
– 37 genomas eucarioticos sequenciados
– 1178 genomas em andamento
• Genes Eucarióticos e Procarióticos compartilham a mesma estrutura básica
Genes Eucariotos possuem estruturas mais complexa
Genes Eucarióticos
Maior complexidade determina refinamentos funcionais que explicam o maior grau de sofisticação de células eucarióticas
Estrutura de um Gene de Procarioto
Promotor Região Codificadora Terminador
Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA
hnRNA
AAAAAAAAAA
mRNA
AAAAAAAAAA
Exon
Intron
DN
A
RN
A
Estrutura de um Gene de Eucarioto
• Região Reguladora: a montante da região codificadora – Mais extensa
– Com maior número de elementos reguladores
– Reguladores Distais (a milhares de pb)
• Região Codificadora: presença de sequencias intervenientes – Íntrons (interrompem a sequencia do gene)
– Éxons (sequencia que é transcrita/traduzida do gene)
Estrutura básica de Genes Eucarióticos
A presença de íntrons nos genes eucarióticos, aparentemente, representa um enorme
desperdício celular
Então, porque a evolução fixou estas sequências?
Mecanismo de proteção contra mutações Diversidade: genomas e proteomas (splicing alternativo)
Regulação gênica...
– Para se avaliar o tamanho de genes eucariotos é considerada apenas a região codificadora (éxons e introns), pois a presença de reguladores distais dificulta tal medição;
– Variação ampla no tamanho (2 a 100 kb);
– Genes Eucariotos são maiores que os de Procariotos
– Genes são maiores que seus produtos (íntrons)
Tamanho de Genes Eucarióticos
• S. cerevisae: 120pb até 14kb
• Homem: média de 27kb (5% de éxons e 95% de íntrons)
• Gene humano distrofina (proteína muscular c 3500 aa)
possui: 2400 kb; 79 éxons; 78 introns
Domínios Transcricionais Complexos
TRANSCRIÇÃO DISSEMINADA: fração transcrita de cada genoma excede a fração correspondente a genes codificadores de mRNA/proteína ou de rRNA e tRNA. geração de... ncRNAs: RNAs não codificadores – classes de transcritos com função reguladora da expressão gênica ou ainda sem função determinada DOMÍNIOS TRANSCRICIONAIS COMPLEXOS: são gerados múltiplos tipos de transcritos independentes. Pode incluir 1 ou mais genes de estrutura tradicional e regiões inter e intragênica
Genomas Nulceares Eucarióticos
Tamanho
• Não há correlação entre o tamanho do genoma (valor C) com a
complexidade das características morfológicas, fisiológicas e
comportamentais do organismo Paradoxo/Enigma do valor C
• Resultado da presença de sequências de DNA repetido, de
regiões intermitentes (íntrons) e de elementos transponíveis
Tamanho do genoma não reflete a quantidade de genes nele presente!
Genomas Eucariotos são maiores que os Procariotos
Cromossomos Eucarióticos
• DNA nuclear de eucariotos está organizado em Cromossomos
• Cada Cromossomo é composto por uma molécula de DNA Linear;
• Maioria dos eucariotos são Diplóides: dois conjuntos completos de cromossomo em cada cél. Somática;
• Há espécies Poliplóides e Halóides
• O número e o tamanho dos cromossomos difere entre espécies
• Cada cromossomo eucariótico está organizado em multiplos Replicons em tandem;
• Cada Replicon eucariótico possui ente 5 e 15kb;
Replicons em Cromossomos Eucarióticos
• A cada ciclo celular nem todas as origens de replicação estão ativadas;
Cromossomos eucarióticos se organizam em replicons...
Múltiplas origens de replicação
Em cada ciclo celular, nem todas as origens são ativadas
Número de Genes
Densidade gênica: distância média entre genes individuais ao longo de um genoma
Sequências Gênicas
Em Eucariotos os genes podem ocupar uma porção variável do genoma
Humanos – 25% fração gênica de íntrons + éxons 1% éxons – fração codificadora
quantificação de genes codificadores de proteínas
Um mesmo gene pode gerar mais de uma proteína diferente
através de códons de iniciação/ terminação de tradução alternativos
Gene humano ETB41: produz 18 isoformas da proteína, a partir do uso de 2 códons de início de tradução alternativos e
por splicing alternativo de 12 dos seus 23 éxons
Número de proteínas ≠ número de genes
Famílias Gênicas
Família gênica: agrupam genes que possuem sequências com grau variado de similaridade entre si – 30% a 100 % de identidade. Tem funções relacionadas ou idênticas, mas podem ser expressos em diferentes estágios.
Genes únicos: genes que não fazem parte de famílias gênicas, ditos “órfãos”
Pseudogenes: genes parálogos não funcionais (que possuem homologia)
Cópias múltiplas: genes idênticos (100% de identidade) organizados em famílias e presentes em múltiplas cópias. Ex: genes de rRNAs, tRNAs e histonas. – estratégia para suprir a demanda destes produtos gênicos.
Sequências intergênicas
• Sequências intergênicas são aquelas sequências genômicas que não estão vinculadas diretamente a um gene;
• Porção não codificante do genoma que aumentam de proporção em indivíduos mais complexos – antes paradoxo do valor C - Enigma do valor C ;
• Era tratada como “lixo genômico” (“junk DNA”) – por ser repetitiva e sem função evidente;
• Incluem elementos de sequência importantes para a fisiologia e para a evolução dos genomas eucarióticos;
• Duas classes mais importantes:
Sequências Repetidas Simples
Elementos Transponíveis
• Sequencias curtas repetidas milhares ou milhões de vezes;
• Representam de 1 a 50% do genoma;
• Mais comuns são unidades de repetição de 5 a 10 pb;
• Também chamadas de DNA-satélite;
• Microssatélite quando ocorre em 2 a 3 pb;
• Envolvidas na estruturação e na função dos cromossomos; Ex: estrutura dos centrOmeros, interação com fusos mitóticos e meióticos;
Sequências Repetidas Simples
Microssatélites: são utilizados como marcador genético em estudos de
parentesco, migrações e de origem. Por apresentarem taxas mais altas de mutação genética.
• Elementos transponíveis são sequências de DNA capazes de se integrarem (por transposição) em outros locais do genoma, implicando no aumento do seu número de cópias;
• Dois grupos:
–Transposons: mobilizados por intermediários de DNA
– Retrotransposons: mobilizados por transcrição reversa de um intermediário de RNA
• Maior parte do DNA intergênico e do genoma, colaborando com o Enigma do valor C;
São importantes para a reestruturação de genes e cromossomos, alteram a expressão de alguns genes ou originam novos genes. Podem ser agentes mutagênicos.
Elementos Transponíveis
Operons Eucarióticos
• Menos comum em eucariotos – nematódeos, insetos, plantas
• Alguns organismos podem ter seus genes organizados em unidades de transcrição policistrônicas, porém estes transcritos são convertidos em mRNAs monocistônicos por trans-splicing
• A regulação da expressão gênica é principalmente em nível pós-transcricional
Agrupamentos de genes
• Genes Eucarióticos são organizados em sua maioria em unidades de transcrição individual – RNA monocistrônico;
• Em Eucariotos as unidades organizacionais gênicas são mais escassas, ao contrário de Procariotos;
Agrupamento de genes coexpressos
• Genes individuais sem correlação funcional podem estar posicionados próximos a genes coexpressos, ou seja, que compartilham um determinado padrão de expressão espacial ou temporal.
Agrupamentos de genes
Genes funcionalmente relacionados
• Genes parálogos mantêm-se agrupados apenas se houver pressão seletiva, caso contrário são dispersos.
• Família multigênicas podem manter seus genes agrupados por vantagens funcionais.
• Vantagens: Padrão de expressão, geração de variabilidade
HISTONAS e rRNAs!
Família rRNA
Repetição em tandem de A, distribuídos em diferentes cromossomos e em múltiplas cópias!
• Genomas extranucleares em eucariotos ocorrem em mitocôndrias e plastídeos
• Estes genomas possuem genes relacionados ao funcionamento da organela: • Síntese de ATP em mitocôndrias - mtDNA • Fixação do carbono em cloroplastos – cpDNA • Armazenamento de pigmentos em plastídeos - ptDNA
• Semelhantes aos de procariotos: • tamanho • molécula de DNA fita dupla e circular • Organização em operons • Homologia entre proteínas codificadas
• Autonomia na transcrição e tradução • Transferência gênica endossimbiótica: proteínas necessárias
passaram a ser codificadas pelo genoma nuclear.
Genomas de Organelas
• Genoma Mitocondrial: 1 cromossomo circular único – há exceções
• Tamanho:
Maiores: angiospermas – entre 220 kb e 2,9 M
Menores: metazoários – entre 11 kb e 24 kb
Humano: 16,5 kb
• presença ou não de íntrons
• sequências repetidas curtas
• pseudogenes
• Tamanho do genoma não relacionado com o nº de proteínas
• Humano: 13 proteínas, 2 genes subunidades de rRNAs e 22 tRNAs
• Códigos genéticos alternativos: códigos diferentes do nuclear,
necessitando tRNAs específicos.
• Processamento pós-transcricional de RNA: trans-splicing
Genomas Mitocondriais
• Genomas de Plastídeos: circulares com 1 único cromossomo, com até 1000 cópias por organela;
Genomas de plastídeos contém mais genes que o genoma de mitocôndrias
• Maioria com genoma entre 100kb e 200kb – sem relação com a complexidade da espécie;
Genes dedicados à fotossíntese, aspectos do metabolismo e à expressão gênica (transcrição e tradução) – entre 80 e 200 genes.
• Contém íntrons
• Código genético igual ao código universal
• Processamento pós-transcricional: trans-splicing
Genomas de Plastídeos