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Técnicas moleculares do Laboratório de Biologia Molecular
MSc. Daniele Portela de Oliveira Prof. Sandra Aidar de Queiroz
INÍCIO DO MELHORAMENTO (Como Ciência)
Gregor Mendel (1865)
‘leis da hereditariedade’
Gregor Mendel (1865)
Foco Gene como unidade fundamental de variação biológica
Redescobriram os trabalhos de Mendel e
formularam as leis da hereditariedade
INÍCIO DO MELHORAMENTO (Como Ciência)
Hugo De Vries et al. (1900)
Friedrich Miescher (1868)
Publicou uma nova substância no material
nuclear de células chamada de nucleína
Walther Flemming (1882)
Descobriu o processo de mitose e o comportamento dos
cromossomos durante a divisão celular.
Phoebus Aaron Theodor Levene (1909)
Teoria do tetranucleotídeo – repetições monótonas dos
nucleotídeos. Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) e Timina (T).
INÍCIO DO MELHORAMENTO (Como Ciência)
Wilhelm L. Johannsen (1909)
Chamou de gene a unidade descrita por
Mendel. Unidade de transferência de
hereditariedade.
Thomas Hunt Morgan (1911)
INÍCIO DO MELHORAMENTO (Como Ciência)
Demonstrou que os genes estão arranjados de forma linear nos
cromossomos.
Frederick Griffith (1928)
Evidências sobre o papel do DNA
Oswald T. Avery (1944)(esq.) e seus colaboradores Colin MacLeod e Maclyn McCarty demonstraram o princípio transformante proposto por
Frederick Griffith em 1928.
INÍCIO DO MELHORAMENTO (Como Ciência)
INÍCIO DO MELHORAMENTO (Como Ciência)
Linus Pauiling com modelos da
estrutura alfa hélice de proteínas,
também se dedicou a resolver a
estrutura do DNA
Crick Físico e Biólogo. Estudou a estrutura cristalina da hemoglobina
Watson Biólogo com tese em Zoologia. Estou o efeito do raio X na multiplicação de vírus que infectam bactérias (Copenhagen).
Conheceu Wilkins em Napóles mudou sua pesquisa para difração de DNA
1° Watson e Crick – a hélice de DNA era composta por 3 cadeia de nucleotídeos.
Peter Filho de Linus Pauling foi fazer doutorado com Kendrew.
2° Watson e Crick perceberam o erro na molécula através do artigo de Pauling e corrigiram. Concluíram que os fosfatos estavam do lado de fora da hélice.
Conversas entre Wilkins, Franklin, Watson e Crick concluíram finalmente a estrutura do DNA
Crick, Watson e Wilkins (1962) Prêmio Nobel de Medicina ou Fisiologia – Estrutura do DNA
WATSON E CRICK (1953) – DNA
Elucidaram o código universal genético
Watson e Crick(1953)
Estudos de migração, seleção e deriva genética
http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=33
Polimorfismo
Definição:
Formas alternativas de um
mesmo segmento de DNA.
Resultado de uma mutação
(evento).
1% na população
A B
Tipos de polimorfismos (marcadores)
A) Variação no número de cópias (mini e
microssatélites): sequências adjacentes que se
repetem em número variado.
– NÃO OCORRE EM ÉXON
– Mini x Micro Tamanho da sequência repetitiva
(Tandem)
– Não alteram a proteína
B) SNP (Single Nucleotide Polymorphisms)
– Substituição de um único nucleotídeo
– A forma de polimorfismo mais abundante no genoma
– Ocorre em qualquer região
– Éxon PODE alterar a sequência de aa na proteína (mutação não sinônimo)
– Anemia falciforme, BLAD, K-caseína(BB)
Tipos de polimorfismos (marcadores)
C) Indel
– In/Del: Inserção/deleção
– Éxon Efeito deletério por inviabilizar a proteína
Tipos de polimorfismos (marcadores)
Utilização dos marcadores
• Mecanismos de herança mendeliana
– Humanos, bovinos e suínos
– Doenças hereditárias
• Mecanismos relacionados a características complexas (Georges e Anderson, 2003)
– Essas características são controladas por muitos genes, que podem resultar em complexas interações alélicas e interações não-alélicas, e são influenciadas pelo ambiente.
Marcadores moleculares
• Sequenciamento do genoma
Bibliotecas virtuais de várias espécies
NCBI-GenBank
Site: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
Seleciona Nucleotide (All databases)
Busca Sequência e/ou espécie
• Emprego dos QTL
– Seleção Assistida por marcadores (MAS)
– Eliminar animais portadores de alelos deletérios
– Exemplo: mutação responsável pela síndrome do estresse dos suínos (gene PSS)
– Exemplo: (BLAD) mutação no gene que codifica a proteína CD18, responsável pela síndrome de deficiência de adesão dos leucócitos (Hol)
– Exemplo: mutação relacionada a sindactilia dos bovinos
Marcadores moleculares
• Desvantagens do uso da MAS para
características quantitativas
– Emprego do genótipo de um marcador
– Conduz a rápida fixação de um alelo selecionado
– Desconsidera o efeito poligênico
Marcadores moleculares
• Vantagens do uso da MAS
– Características com baixa herdabilidade e difícil
mensuração
– Estudos de expressão gênica RNA
– Teste de paternidade DNA-fingerprint
– Variabilidade genética + 2 alelos
– Parâmetros populacionais Endogamia
Marcadores moleculares
Extração de DNA
• Qualquer procedimento laboratorial envolvendo análise de DNA ou RNA tem que passar pelo processo de extração
• Em geral, baseia-se em 4 etapas básicas (protocolos de extração)
– Etapas:
1. Lise das membranas lipídicas 2. Purificação do DNA 3. Precipitação do DNA 4. Reidratação do DNA
1. Lise das membranas lipídicas
a) Membranas: fosfolipídios + proteínas
b) Rompimento da membrana celular e dos
compartimentos membranosos (organelas)
c) Provocada por uma solução detergente
Extração de DNA
2) Purificação do DNA
a) Remoção de componentes celulares como proteínas, organelas e restos celulares
b) Proteinase K Desnaturação das proteínas
c) Fenol Remove proteínas e outros contaminantes da solução aquosa
d) Clorofórmio ajuda a desnaturar proteínas e remover o fenol residual
e) NaCL2 ajuda a manter a proteínas dissolvidas no líquido extraído, impedem que precipitem
Extração de DNA
3) Precipitação do DNA
a) DNA é solúvel em água, mas
insolúvel em álcool
a) Usa-se etanol para precipitar o DNA
b) Quanto mais gelado o etanol menos
solúvel o DNA vai estar
b) Retira-se o álcool para formação
do pellet
Extração de DNA
4) Reidratação do DNA
a) Após a retirada do álcool, o DNA precisa se
solubilizar em algum solvente: Água ultra-pura ou
uma solução Tampão
a) Este solvente servirá para armazenamento do DNA
extraído
b) Deve ser livre de contaminantes e enzimas capazes de
destruir o DNA
b) Armazenar o DNA a - 20 º C
Extração de DNA
Como PCR funciona?
Objetivo
• Multiplicar um trecho específico do DNA.
Como funciona?
• Alternando a temperatura do ensaio
Reação em Cadeia de Polimerase (PCR)
• PCR -> Polymerase Chain Reaction
Multiplicação “in vitro” de um trecho específico de DNA (gene ou parte dele, regiões supervariáveis) resultando na produção de milhares de cópias da sequência desejada sem o uso de um organismo vivo.
Breve Histórico
• Saiki, et al. (1985) desenvolveu a técnica
• Kary Mullis (1987) inovou
Gene β-globina humana
Nobel de Química em 1993
Perkin-Elmer
Roche Molecular System
• Conceito de primer de PCR
• Taq -> DNA polimerase termoestável isolada da
bactéria de fontes termais Thermus aquaticus
Temperatura de até 117°
• 1989 -> DNA Thermal Cycler
(primeiro Termociclador automático)
Breve Histórico
Como PCR funciona?
a) desnaturação das cadeias do DNA genômico
b) anelamento (annealinng) dos primers, usados para
delimitar a sequência a ser amplificada
c) temperatura ótima específica da enzima: 72ºC
d) reinício do ciclo
Como PCR funciona?
• A quantidade final de DNA segue uma função exponencial:
N = N0 . 2n
N -> Número final de cadeias de DNA
N0 -> Número inicial de DNA molde (template)
n -> Número de repetições do ciclo
DNA molde
Primer
GoTaq (Promega)
H2O
Extraído de uma amostra (sangue, pelo, sêmen) ou de um RNA, convertida para cDNA.
Sequência de DNA que serve como ponto de início de replicação. Forward e Reverse.
Taq + Tampão + MgCL2 + dNTP’s
Água ultra pura e livre de cargas elétricas (H2O miliQ
Componentes da PCR
Tipos de reações de PCR
RT-PCR (Reverse Transcriptase Chain Reaction)
• Parte de uma amostra de RNA. Primer inespecífico.
• É fundamental nos estudos de expressão gênica.
Multiplex PCR
• Mais de um segmento genômico é amplificado numa única reação, cada um com seu par de primers específico.
• Testes de paternidade.
45309.....TAAAGGCAGGAGTAATAAAGTATGTTACCAAGAAATGTAAGTTTCAGATGTTTAATGACTCATTGTTATCTTCTCACTATTAATTTAGGATGTCTAAACAAGGACGGACAATCATCTTCTCCATTCATCAGCCTCGTTATTCCATCTTCAAGTTGTTTGATAGCCTCACCTTGTTGGCCTCGGGAAGACTCATGTTCCACGGGCCTGCTCAGGAGGCCTTGGGGTACTTTGGAGCCATAGGTATGGTTGCCTTTTTTGTGCTGTAAGATCCTTCATTAATAGTATCCTAAAGGAGAACAAAGGAGTCACTTGGAGCACTGTTTGATCTTTGAGTAGATATACATATATCACAGTTTCCACTGCTCCGAAACATCTTCGGTTAGTTTGGTGTTA...
Primers – exon 9
Desenho de Primers
FORWARD 5’ 3’
REVERSE 3’ 5’ GAAGCCAATCAAACCACAAT
Otimizando o PCR
• Concentração de Mg2+ na reação
Cofator da enzima Tht (Thermus thermophillus)
Polimerase
• Temperatura de anelamento dos primers
Gradientes de temperatura no termociclador
Gradiente definição da temperatura de anelamento
48,3 49,4 50,5 51,6 52,7 53,8 54,9 56
Otimizando o PCR
Eletroforese em Gel
• Função: Separar e as vezes purificar macromoléculas –
proteínas e ácidos nucléicos – diferentes tamanhos, cargas ou
conformação.
• Quando moléculas são colocadas em um campo elétrico,
migram para o pólo positivo ou negativo.
– Proteínas (carga líquida negativa ou positiva) e DNA
sempre negativa (fosfato)
• Eletroforese ocorre dentro de uma matriz ou gel. O gel é
submerso em um tampão que possui íons para a corrente
passar e também para manter o pH mais ou menos constante.
Eletroforese em Gel
Eletroforese em Gel
• Gel composto de agarose ou poliacrilamida
• Agarose é um polissacarídeo extraído de alga marinha.
Usada em concentrações de 0,5 a 2%
Fácil de preparar
Não-tóxico
Ampla capacidade de separação de fragmentos
Baixa resolução
Eletroforese em Gel
• Gel composto de agarose ou poliacrilamida
• Poliacrilamida é um polímero de ligação cruzada de acrilamida.
Usada em concentrações de 3,5 a 20%.
Difíceis de preparar. Precisam ser montados em placas de
vidro
Acrilamida é um potente neurotóxico
Baixa capacidade de separação de fragmentos
Alta resolução
Visualização da PCR • O tampão da amostra possui uma mistura de corantes:
Azul de Bromofenol (Corante)
Xileno-Cianol e Glicose (aumentam a viscosidade)
Foto de Gel de Poliacrilamida Foto de Gel de Agarose
Polimorfismos de comprimento de fragmentos de restrição - RFLP
• Variação individual no número e no tamanho dos
fragmentos formados pela digestão do DNA com
uma enzima de restrição.
• Resultante de mutações pontuais, que eliminam ou
criam sítios de restrição para determinada enzima
• Podem originar eventos de inserção ou de deleção
entre dois sítios de restrição adjacentes.
Polimorfismos de comprimento de fragmentos de restrição - RFLP
• Dois indivíduos distintos que têm o DNA extraído e submetido a clivagem por enzima de restrição;
• Após a extração, o DNA dos indivíduos é tratado com enzima de restrição, que o corta em um grande número de pontos (sítios de restrição), gerando uma enorme quantidade de fragmentos;
• As diferenças na sequência de DNA dos indivíduos resulta na clivagem de fragmentos de tamanhos distintos, que são separados através de eletroforese em gel de agarose.
Polimorfismos de comprimento de fragmentos de restrição - RFLP
Técnica de RFLP
Consiste na identificação por hibridização do DNA
1- Extração do DNA
2- Digestão por enzimas de restrição
3- Separação dos fragmentos (eletroforese)
4- Transferência do DNA para membrana de nylon
(Botstein et al., 1980)
5- Hibridação (fragmentos x sondas marcadas)
6- Autoradiografia (exposição da membrana a
filme de raio X ou compostos luminescentes
7- Análise da segregação
Técnica de RFLP
(Botstein et al., 1980)
Aplicações do RFLP
• Diversidade genética
• Construção de mapas de ligação e
• Mapeamento de QTLs
• Seleção assistida por marcadores (SAM)
RFLP
• Limitações
Passos intensivos de mão de obra
Inexistência de biblioteca de sondas disponível
• Vantagens
Varredura em praticamente todo o genoma
Expressão co-dominante (hetero e homozigoto)
Alta repetibilidade e consistência
Identificação de mistura de leite bovino em leite bubalino por PCR-
RFLP/Hae III da β-casein gene (exon VII)
A –variante bovina
B –variante bubalina 1 (Índia)
C –variante bubalina 2 (Brasil)
Extração de DNA feita a
partir de queijo
Otaviano et al, 2008
Resultados de Genética Molecular