LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

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PERDA DE GENES E EVOLUÇÃO DO GENOMA ORGANELAR

Camila Motta BorgonoveMárcio de Castro Silva-Filho

� Introdução

� Redução do genoma organelar

� Transferência de genes endossimbióticos

� Evolução do genoma organelar

Sumário

� 1905-Mereschkowsky observou que os cloroplastos se dividiam de um modo similar as cianobactérias;

� 1922-Wallin propôs que as mitocôndrias teriam uma origem endossimbiótica;

� 1960- Foi descoberto DNA em cloroplastos;

� 1970-Margulis publicou o livro “ Origin of Eukaryotic cel”, que popularizou a Teoria Endossimbiótica.

Introdução

� Teoria Endossimbiótica:

Geoffrey Ian Mcfadden,1999.

Introdução

�No início dos anos 70 sugere a idéia de

que as organelas das células eucarióticas

teriam se originado de organismos

procarióticos de vida livre.

Introdução

� Posteriormente, por análise de comparação de sequências foi possívelidentificar os ancentrais das mitocôndria e cloroplastos.

Cianobactéria-cloroplasto alfa-proteobactéria-mitocôndria

IntroduçãoIntrodução

�O hospedeiro que adquiriu oplastídio provavelmente possuía dois flagelos;

�A natureza do hospedeiro queadquiriu mitocôndrias ainda édebatido entre os evolucionistas.

� Origem das organelas:

Timmis et al.,2004

IntroduçãoIntrodução

� Herança uniparental das organelas:

Parental femininoAA, BB,DD núcleo diplóide

cp,mt, genoma citoplasmático

Parental masculinoaa, bb,dd núcleo diplóide

cp,mt, genoma citoplasmático

Zigoto diplóideAa, Bb, Cc núcleo diplóide

cp, mt, genoma citoplasmático

Gameta feminino Gameta masculino

fertilização

�Organela contém múltiplos genomaque são herdados de um único parental;

� Segregação não-mendeliana;

�O genoma mitocondrial e cloroplastidialdo parental masculino é degradado antes da fertilização.

Timmis et al.,2004

IntroduçãoIntrodução

� Mobilidade do DNA dentro da célula:

�Grande parte do genoma das organelas foram transferidos para o núcleo;

�As organelas tornaram-se dependentes do genoma nuclear e importam mais de 90% das proteínas.

Dario Leister, 2005

IntroduçãoIntrodução

�Evidências:

�O genoma de Arabidopsis thaliana contém grandes insertos de DNA mitocondrial (~620 kb);

�O genoma de levedura apresenta traços com 80-100% de similaridadeao genoma mitocondrial;

�O cromossomo 10 de arroz apresenta 28 inserções de DNA cloroplastidial maiores que 80 bp.

IntroduçãoIntrodução

Genoma Tamanho (KPB) nºde genes que n ºde acesso no GenBankcodificam proteínas

Cianobatérias

Plantas

� Redução do genoma cloroplastidial:

Redução do Genoma Organelar

Timmis et al.,2004

Genoma Tamanho (KPB) nºde genes que n ºde acesso no GenBankcodificam proteínas

Plantas e algas

Alfa-proteobactéria

� Redução do genoma mitocondrial:

Timmis et al.,2004

Redução do Genoma Organelar

Atualmente:

�Genoma plastidial codifica 20-200 proteínas;

Nostoc punctiforme codifica 7.200 proteínas;

�Genoma mitocondrial codifica 3-67 proteínas;

Mesorhizobium loti codifica 6.700 proteínas;

Isto implica que:

�Genoma plastidial codifica 5 a 10% das proteínas que eram codificadas pelos seus ancentrais;

�Genoma mitocondrial codifica 1 a 3% das proteínas que eram codificadas pelos seus ancentrais.

Redução do Genoma Organelar

Número de genes

Transporte de proteínas

Tradução

Fotossíntese e respiração

Funções regulatórias

Biossíntese de cofatores, grupos prostéticos, carreadores

Metabolismo energético

Síntese de aa

Processos celulares

Envelope celular

Replicação, restrição, modificação e reparo de DNA

Purinas, pirimidinas, nucleotídeos

Metabolismo de ácidos fático, fosfolipídeos e esterois

Intermediários do metabolismo central

Transcrição

� Redução relacionada a função:

Martin e Herrmann, 1998

Quais genes foram primeiro?

Quais genes permaneceram nas organelas ?

Redução do Genoma Organelar

Outros

Redução do genoma cloroplastidiale transfêrencia para o núcleo

Cadeia transportadora de elétrons, respiração, ATPase

Tradução

Redução do genoma

Escala evolucionária

Timmis et al.,2004

� Redução relacionada a função:

Redução do Genoma Organelar

� Freqüência de transferência dos genes endossimbióticos:

High-frequency gene transfer from the chloroplastsgenome to the nucleus.

Sandra Stegemann, Stefanie Hartmann, Stephanie Ruf, and Ralph Bock; PNAS, 2003.

Redução do Genoma Organelar

Inserção por recombinação homóloga

Seleção para streptomicina

cloroplasto

Construção gênica

Resistência a Kanamicina, expresso

apenas no núcleo

Resistência a streptomicina, expressono cloroplasto

Só sobrevivem as células que têm pelo

menos um cloroplastos transformado.

Redução do Genoma Organelar

Seleção para kanamicina

inativo

ativio

inativo

ativio

cloroplasto

núcleo

Transposição

cloroplasto

Freqüência de transferência:

2 x 10⁵ por geração

Redução do Genoma Organelar

Fêmea selvagem Macho transgênica

X

-Cloroplastos selvagens-Genoma nuclear com gene para Kanamicina

Descendentes segregaram 3:1 quando cultivados em meio com

kanamicina

HERANÇA MENDELIANA!!!!

Redução do Genoma Organelar

� Transferência genes para núcleo: célula somática X célula sexual

�Segundo Huang (2003) em gametas masculinos de tabaco, a freqüência de transferência é de 1 a cada 16.000 por geração.

�A freqüência de transferência de genes organelares para o núcleo é maior em gametas do que em células somáticas de uma mesma espécie.

Porque?

Redução do Genoma Organelar

� Transferência genes para núcleo: célula somática X célula sexual

Gameta masculino �Degeneração de plastídios antes da formação dos gameta;

�A degradação das organelas citoplasmáticaspossibilitam o escape da DNA e conseqüentetransferência para o núcleo;

�Em células com mitocôndrias anormais a taxa deescape de DNA mitocondrial é maior.

Redução do Genoma Organelar

Transferência de Genes Endossinbióticos

�A transferência é mediada por DNA ou RNA?

�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?

�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?

�Como o gene se tornaativo no núcleo?

�Porque os genes são transferidos?

��A transferência é mediada por DNA ou RNAA transferência é mediada por DNA ou RNA??

�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?

�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?

�Como o gene se tornaativo no núcleo?

�Porque os genes são transferidos?

Transferência de Genes Endossinbióticos

� A transferência é mediada por DNA ou RNA ?

�Os genes nptII e aadA estão sob controle de promotores diferentes:

estreptomicina

kanamicina

Transferência de Genes Endossinbióticos

A transferência é mediada por DNA!

Stegemann et al.,2003

Transferência de Genes Endossinbióticos

�A transferência é mediada por DNA ou RNA?

��Como ocorre a inserção do gene Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclearno cromossomo nuclear??

�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?

�Como o gene se tornaativo no núcleo?

�Porque os genes são transferidos?

Transferência de Genes Endossinbióticos

Quebra na dupla fita DNAExógenos EndógenosRadiação Radicais livresQuímicos Recombinações meiosi

Excisão de transposons

nDNA

nDNA

Fontes de DNA organelarAutofagiaDegradação durante a gametogêneseStress celularContato físico (estrômulos)

ptDNA

mtDNA

� Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?

� Localização da inserção:

�Os genes se inserem de modo aleatório no cromossomo nuclear;

�Em Angiospermas, aproximadamente 25% dos fragementos de DNA mitocondrial e cloroplastidial são encontrados dentro de exons e introns.

Transferência de Genes Endossinbióticos

�A transferência é mediada por DNA ou RNA?

�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?

�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?

��Como o gene se tornaComo o gene se tornaativo no núcleoativo no núcleo??

�Porque os genes são transferidos?

Transferência de Genes Endossinbióticos

� Como o gene se torna ativo no núcleo ?

�O sistema de genético de transcrição do genoma nuclear é diferentedaquele encontrado em mitocôndrias e plastídios.

ProcariotoEucarioto

Regiões controladoras da expressão gênicaRegiões controladoras da expressão gênica

Transferência de Genes Endossinbióticos

Experimental reconstruction of functional gene transfer fromTabacco plastid genoma to the nucleusSandra Stegemann and Ralph Bock.The Plant Cell, 2006.

�Como o gene se torna ativo no núcleo ?

Transferência de Genes Endossinbióticos

� Genes usados para transformação de cloroplastos de tabaco:

Promotor reconhecidopela polimerase

nuclear

Promotor reconhecidopela polimerase

plastidial

cloroplastos

nucleo

transposição

Transferência de Genes Endossinbióticos

Seleção para o gene aadA (cloroplastidial) ativo no núcleo

Linhagem Zigoto N°placas seleção para seleção de para estreptomicina ativação aadA

Heterozigoto

Homozigoto

Heterozigoto

NT-GT16

NT-GT21

NT-GT31

Total

130

137

161

428 (=5564 explantes)

2

8

6

16

0

4

4

8

Transferência de Genes Endossinbióticos

PCR tail

Transferência de Genes Endossinbióticos

� Organização dos genes transferidos no genoma nuclear:

1°) Fusão transcricional

Transferência de Genes Endossinbióticos

� Organização dos genes transferidos no genoma nuclear:

2°) Dois genes in frame

Transferência de Genes Endossinbióticos

� Organização dos genes transferidos no genoma nuclear:

3°) Início da tradução interna

Transferência de Genes Endossinbióticos

Conclusão: O gene inserido captura o

promotor do gene adjacente possibilitando a sua expressão no

núcleo

Transferência de Genes Endossinbióticos

�A transferência é mediada por DNA ou RNA?

�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?

��Como o produto do gene transferido é redirecionado para Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelasas organelas??

�Como o gene se tornaativo no núcleo?

�Porque os genes são transferidos?

Transferência de Genes Endossinbióticos

�Após a inserção e expressão do gene no genoma nuclear os produtos gênicos precisam ser direcionados para as organelas de origem ou outros compartimentos.

� Redirecionamento das proteínas codificadas por genes endossimbióticos:

�Duas possibilidades são encontradas:

Transferência de Genes Endossinbióticos

organela

promotorSeq. de direcionamentopromotor

citossol

Competir com produtos citossólico, adquirir novas funções.

1°)Gene volta para organela 2°)Gene vai para o citossol

� Redirecionamento das proteínas codificadas por genes endossimbióticos:

�O produto dos genes que foram transferidos para o núcleo nem sempre

retornam para a organela de origem;

�Em Arabidopsis thaliana, metades das proteínas provenientes do genoma de

cianobactéria são direcionadas para outros compartimentos como: citossol,

mitocôndrias ou mesmo mecanismo secretório.

Transferência de Genes Endossinbióticos

Cianobactéria

Mitocôndria

Provavelmente pertenceu a uma eubactéria

Origem desconhecida

� Redirecionamento das proteínas codificadas por genes endossimbióticos:

�A transferência é mediada por DNA ou RNA?

� Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?

� Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?

� Como o gene se tornaativo no núcleo?

�� Porque os genes são Porque os genes são ttransferidosransferidos??

Transferência de Genes Endossinbióticos

� Porque os gene são transferidos?

� Allen e Raven (1996)- presença de radicais livres nas organelas;

� Muller (1964)-o gene passa de um sistema de reprodução assexual presente nasorganelas para um sistema predominantemente sexual.

Transferência de Genes Endossinbióticos

� Evolução do genoma organelar:

�A transferência de genes pode agir como agente mutagênico;

� A transferência de genes gera variabilidade contribuindo para a evolução dos genomas.

Evolução dos Genomas