Organização do Genoma Humano Disciplina: GenéticaII Profa. Dra. Ana Elizabete Silva.
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Organização do Genoma HumanoOrganização do Genoma Humano
Disciplina: GenéticaIIDisciplina: GenéticaIIProfa. Dra. Ana Elizabete SilvaProfa. Dra. Ana Elizabete Silva
PROJETO GENOMA HUMANO
Projeto Epigenoma -2005
Nutrigenômica
1990
GENOMA
•Conjunto de genes???
•Número total de genes???
•Conjunto haplóide de
cromossomos (DNA)
•Informação genética total
nas células humanas
(conteúdo de DNA): 25
diferentes moléculas de DNA
Complemento total de
material genético da célula de
um organismo
EPIGENOMA
•Constitui a cromatina com suas modificações e associações de proteínas que fornece regulação epigenética
•EPIGENÉTICA: são alterações herdáveis na expressão gênica sem modificações na seqüência de bases do DNA - Reversíveis
GENOMA
EPIGENOMA
ONDE OS PROCESSOS ONDE OS PROCESSOS EPIGENÉTICOS OCORREM?EPIGENÉTICOS OCORREM?
• DNA METILAÇÃO PROMOTOR (ilhas CpG)
silenciamento
• HISTONAS ACETILAÇÃO
METILAÇÃO Compactação da cromatina
“Código de histonas”
Como ocorre: - Adição covalente de um grupo metil no carbono 5´ da citosina na molécula de DNA 5-metilcitosina
- Doador: S-adenosilmetionina (SAM)
- Catalisador: DNA-metiltransferases DNMTs (vários tipos e isoformas)
METILAMETILAÇÇÃO DO DNAÃO DO DNA
O resultado da metilação do DNA: silenciamento dos genes através da inibição direta ou indireta da ligação dos fatores de transcrição devido ao processo de metilação
METILAÇÃO DO DNAMETILAÇÃO DO DNA
• O silenciamento dos genes através de fenômenos epigenéticos nem sempre acarreta problemas.Exemplos de eventos em que isso ocorre:
1. Regulação da expressão gênica: - Inativação do X - Imprinting genômico2. Proteção do genoma contra invasão de seqüências de
fora do organismo, por exemplo DNA viral (inativado por adição de metila)
3. Processos neoplásicos
CONSEQÜÊNCIAS DOS CONSEQÜÊNCIAS DOS PROCESSOS EPIGENÉTICOSPROCESSOS EPIGENÉTICOS
PROJETO EPIGENOMA HUMANOParceria do Instituto Sanger (britânico) e empresa Epigenomics (alemã) - 2005
•Pretende esclarecer como fatores ambientais (dieta e estresse) podem interferir no funcionamento dos genes?
•Como o estilo de vida aciona ou silencia os genes?
•Como gêmeos idênticos (mesmo genoma) manifestam doenças diversas, como
esquizofrenia, diabetes ou câncer?
•A metilação do DNA é influenciada pela alimentação suplementação de vit B12,
ácido fólico e betaína ricos em grupo metil desativação gênica
http://www.vmr.ro/pg3-1307.htm
Nutrigenética: analisa as características genéticas individuais que podem influenciar a sua resposta aos alimentos. Nutrigenômica permite estudar ao longo do tempo a influência da dieta na expressão dos genes (relacionar dados genéticos entre indivíduos saudáveis e doentes com a sua dieta)
(99,995%)(99,995%)
30cm30cm(0,005%)(0,005%)
1-5% genoma ~3mm
A maior parte do genoma consiste em DNA repetitivo
MOLÉCULAS DE DNA E RNA
FORMAS DE DNA• A-DNA: hélice gira p/direita; dupla hélice
mais curta e mais grossa; 11pb p/completar uma volta na hélice (conformação A: pouca água)
• B-DNA: hélice gira p/direita; dupla hélice mais longa e mais fina; 10pb p/completar uma volta na hélice (conformação B: DNA em solução)
• Z-DNA: rotação p/esquerda; mais alongado e fino que o B-DNA; 12 pb p/completar uma volta na hélice; em eucariotos assume a conformação Z-DNA devido metilação
Conformações do DNAConformações do DNA
Giro Dextrógiro Sinistrógiro Dextrógiro
pb por giro
11 12 10,4
Diâmetro 25,5 A 18,4 A 23,7 A
Umidade 75% Pu/Py - CH3 92%
Observada
In vitro/vivo?
In vitro/vivo In vitro/vivo
CLASSES DE RNA
RNA codificador
Codifica proteínas:
mRNA (3%)
RNA funcionais
Não traduzidos:
-tRNA (15%)
-rRNA (70%)
RNA não codificadores
(ncRNA)
-snRNA(small nuclear): processamento de RNA transcritos (spliceossomo)
-snoRNA (small nucleolar): modificação do rRNA
-miRNA (micro): regulação da expressão gênica
-siRNA(small interfering): defesa do genoma contra vírus e transposons
RNA pequenos
Cromossomos EucariotosCromossomos Eucariotos
CromatinaCromatina:: DNA + nucleoproteínas + RNADNA + nucleoproteínas + RNA
NucleoproteínasNucleoproteínas -Histonas (H1, H2a, H2b, H3 e -Histonas (H1, H2a, H2b, H3 e H4)H4)
-Não Histonas (ácidas)-Não Histonas (ácidas)Empacotando o Empacotando o DNADNA
Como um filamento de 5cm Como um filamento de 5cm de DNAde DNA (tamanho (tamanho médio do cromossomo) é empacotado numa médio do cromossomo) é empacotado numa cromátide de 5cromátide de 5mm ? (Genoma total= 30 cm) ? (Genoma total= 30 cm) → → empacotamento de 10.000xempacotamento de 10.000x
Nucleossomo: 146pb de DNA + dímeros de histonas Nucleossomo: 146pb de DNA + dímeros de histonas H2a, H2a, H2b, H3 e H4 H2b, H3 e H4
Organização do GenomaCompactação do DNA
Cláudio C. SilvaBIO / UCG
DNA
Nucleossomos
Solenóide
Alças
Domínios
Cromátide do cromossomo metafásico
7x
40x
10.000x
Gene EucariotoGene Eucarioto
Gene sequência de DNA que gera um produto funcional (polipeptídeo ou RNA funcional)
Conceito de Gene: 1 gene 1 proteína ????
GENE GLOBINA BETA (HBB) www.ncbi.nlm.nih.gov National Center for Biotechnology Information
Organização do Genoma Humano
• Genoma humano: 3 bilhões pb
•No. genes: ~25 mil genes
• Cromossomos (23 pares): ~130 milhões pb
• Gene (média): 30 mil pb
• Sequencia codificante (média): 3 mil pb
• Unidade do código genético: 3 pb
• Densidade gênica: variável
Gene:Gene: DNA DNA RNARNA-RNAm-RNAm
-RNAt-RNAt
-RNAr-RNAr
GeralmenteGeralmente: DNADNA
RNAmRNAm
ProteínaProteína
5’
5’ 3’
3’
5’
5’ 3’
3’
DNADNA
RNAmRNAm
ProteínaProteína
e i e i e
e i e i e
Há correlação entre tamanho do gene e tamanho do produto?
5’
5’ 3’
3’
5’
5’ 3’
3’
DNA
RNAm
Proteína
DNA
RNAm
Proteína
e i e i e
e i e i e
Exceções: genes aumentam de tamanho conforme no. e tamanho dos introns: Ex.: globina e molécula de HLA Classe I ~ interferon, mas seus genes são 2 a 4 vezes maiores
Éxons: geralmente pequenos ~150 bases
Íntrons: grandes 1000 – 100.000 bases
Comparação entre os genes humanos da beta-globina, do fator VIII da coagulação e da HPRT (hipoxantina ribosil transferase): genes tamanhos diferentes, mas proteínas c/ tamanhos similares.
proteínas de tamanhos similares
33%
3%
4%
100x
• Cromossomos: variam de 55 a 250Mb (média 130 Mb)
• No. cromossomos: não está relacionado com o tamanho do genoma
• Ex.: Salamandra: genoma 30x maior que humano (90.000.000Kb), mas metade do no. de cromossomos (12 cr.)
TAMANHO DO GENOMA x No. CROMOSSOMOS
• Não há correlação exata tamanho do genoma (no. de genes) e complexidade do organismo:-genoma humano :
200x > levedura S. cerevisae (~12Mb -16 cr.)
30x < plantas e anfíbios220x < ameba (670 bilhões de pb )
• Diferenças devido maior número de sequências DNA repetidas nos genomas maiores
TAMANHO DO GENOMA x COMPLEXIDADE BIOLÓGICA
Paradoxo do valor C (conteúdo de DNA)
http://www.bioloja.com/info/info.asp?id=95
DENSIDADE GÊNICA
• Genes: distribuídos ± ao acaso nos cromossomos→ variação na densidade gênica
• Cromossomos 17, 19 e 22 - ricos em genes• Cromossomos 4 , 13, 18, Y - pobres em genes
• Bandas G claras ( ricas em GC) - ricas em genes → 6p21.3: Complexo HLA (70genes/0,9 Mb)
• Bandas G escuras (ricas em AT) – pobre em genes → Xp21 (2,4Mb): gene DM
DENSIDADES GENÔMICAS DIFERENTES
Complexo HLA - vários genes sobrepostos - 6p21.3
Gene distrofina – Xp21
NÚMERO GENES X PROTEÍNASSPLICING ALTERNATIVO
• Explica diferenças entre modesto tamanho do genoma humano e elevado proteoma:
• ~25 mil genes ≠ 100 mil a 1 milhão de proteínas
QUAL MECANISMO?• Maioria dos genes humanos → Encadeamento
Alternativo ou Recomposição Alternativa
• Alguns genes podem gerar milhares de isoformas de proteínas
• Conforme: sexo do organismo» estado de desenvolvimento» tecido» ambiente
Splicing alternativo: resulta em diferentes combinações da união de éxons → resultando em diferentes proteínas sintetizadas do mesmo pré-mRNA
60% genes humanos apresentam splicing alternativo
SPLICING ALTERNATIVO
SPLICING – EDITORAÇÃO OU PROCESSAMENTO
Introns: sequência consenso 5’ – GU
sequência consenso 3’ - AG
SPLICEOSSOMO
Complexo de snRNP (ribonucleoproteína nuclear pequena) e precursor do mRNA: remoção dos introns
http://www.youtube.com/watch?v=FVuAwBGw_pQ
Exons constitutivos (cinza) ;regiões de SA (vermelho); Introns linhas pretas; Tracejado indicam-se os eventos de splicing.
SPLICING ALTERNATIVO - TROPOMIOSINA
Distribuição de Genes HumanosDistribuição de Genes Humanos
Os genes se distribuem sobre uma das duas fitas do DNAOs genes se distribuem sobre uma das duas fitas do DNA
Como é essa distribuição?Como é essa distribuição?
-Genes dentro de íntrons-Genes dentro de íntrons-Genes sobrepostos-Genes sobrepostos-Genes agrupados-Genes agrupados
DNADNA
genesgenes região intergênicaregião intergênica
Genes dentro de introns: intron 26 contem 3 genes internos transcritos a partir da fita oposta
OGMP: glicoproteína mielínica do oligodendrócito;
EV12A e EV12B: genes humanos homólogos a genes murinos que podem estar implicados na leucemogênese
Genes intrônicos
GENE NF1 - Neurofibromatose
GENES SOBREPOSTOS
Genes das subunidades ATPase 6 e 8 mitocondriais parcialmente sobrepostos e traduzidos em fases de
leitura diferentes
DNA DNA genômicogenômico
Genes de Genes de Cópia Única Cópia Única
SeqüênciSeqüências as
repetitivrepetitivas as
funcionaifuncionaiss
SeqüênciSeqüências as
repetitivarepetitivas sem s sem função função
conhecidconhecid
aa
Famílias Famílias gênicas gênicas
organizadas organizadas em em
único/múltiplúnico/múltiplos os
agrupamentagrupamentososFamílias Famílias
gênicas gênicas dispersasdispersas
DNA DNA altamente altamente repetitivorepetitivo
VNTRVNTR
Elementos Elementos transponíveistransponíveis
DNA RepetitivoDNA Repetitivo
Organização Organização
gênica em tandemgênica em tandem
Organização Organização gênica em gênica em
agrupamento agrupamento
intimointimo Organização Organização gênica em gênica em
agrupamento agrupamento
compostocomposto
Elementos Classe IElementos Classe I
Elementos Classe Elementos Classe II II
50-75%
DNA REPETITIVO
Seqüências repetitivas funcionaisSeqüências repetitivas funcionais
--Famílias gênicas organizadas em um agrupamento Famílias gênicas organizadas em um agrupamento único ou em múltiplos agrupamentos gênicosúnico ou em múltiplos agrupamentos gênicos
-Organização gênica em tandem:-Organização gênica em tandem: Ex. RNAr (única UT – Ex. RNAr (única UT – 250 vezes) – cromossomos 13,14,15,21 e 22250 vezes) – cromossomos 13,14,15,21 e 22-Organização gênica em agrupamento íntimo:-Organização gênica em agrupamento íntimo: Ex. HbsEx. Hbs-Organização gênica em agrupamento composto -Organização gênica em agrupamento composto (genes (genes nãonão relacionados em função e seq.) - : Ex. Complexo HLA (Classe relacionados em função e seq.) - : Ex. Complexo HLA (Classe I e II e Complemento)I e II e Complemento)
--Famílias gênicas dispersasFamílias gênicas dispersas
Ex. histonas (61 genes)Ex. histonas (61 genes) RNAtRNAt (40 subfamílias) (40 subfamílias)
Organização gênica em Organização gênica em tandemtandem
FAMÍLIAS GÊNICAS AGRUPADAS
FAMÍLIA GÊNICA DISPERSAHISTONAS: 61 genes/11grupos
Famílias Gênicas Agrupadas com Pseudogenes:
PSEUDOGENES: sequência de DNA genômico similar aos genes normais, mas não-funcionais (19.000 pseudogenes)
MECANISMOS
Duplicação: •durante o processo de duplicação pode ocorrer modificações (mutações, inserções, deleções) → perda de função
Retrotransposição: transcrição reversa de um mRNA e subsequente reintegração do cDNA no genoma (90% dos pseudogenes)
•Pseudogenes não-
processados: cópias não
funcionais de um gene →
éxons e introns
DUPLICAÇÃO RETROTRANSPOSIÇÃO
•Pseudogenes processados: cópias não-funcionais de éxons de um gene ativo → encontrados em famílias gênicas dispersas → integração nos cromossomos de um cDNA (retrotransposição)
SEQÜÊNCIAS DE DNA REPETITIVAS SEQÜÊNCIAS DE DNA REPETITIVAS EXTRAGÊNICASEXTRAGÊNICAS
--DNA altamente repetitivo:DNA altamente repetitivo: DNA Satélite DNA Satélite--repetições curtas em tandem repetições curtas em tandem (regiões centroméricas e (regiões centroméricas e teloméricas)teloméricas)-não transcritas (heterocromatina)não transcritas (heterocromatina)
-VNTR:VNTR: Repetições em tandem de Número Variáveis Repetições em tandem de Número Variáveis - Minissatélites- Minissatélites
--STR:STR: Repetições em tandem Curtas Repetições em tandem Curtas - MicrossatélitesMicrossatélites
-Seq. Repetidas dispersas: (Elementos transponíveis)-Seq. Repetidas dispersas: (Elementos transponíveis) -SINE (Elementos Nucleares Intercalares Curtos)SINE (Elementos Nucleares Intercalares Curtos)-LINE (LINE (Elementos Nucleares Intercalares Longos)Elementos Nucleares Intercalares Longos)
(1.701 g-cm-3)
(1,690 g-cm-3)
Localização cromossômica das principais classes de DNA repetitivo
MINISSATÉLITES (VNTR): unidades repetidas de DNA com 10-100 pb (30pb), resultam de inserção em tandem. Encontrados preferencialmente nas regiões teloméricas (geralmente não transcritas) → sítio p/ recombinação homóloga.
Utilizados como marcadores polimórficos: datiloscopia de DNAhttp://www.fathom.com/course/21701758/
session1.html
MICROSSATÉLITES (STR):
•unidades repetidas de 2-4 pb, como:
CACA...CA;
CAACAA...CAA;
AAATAAAT...AAAT.
• Existem 6,5x105 microssatélites no genoma humano.
•Lócus de microssatélite é multi-alélico: cada pessoa deve ser heterozigota em mais de 70%
•Espalhados por todo o genoma
http://www.usask.ca/biology/rank/316/genomics/genomics.htm
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SEQUÊNCIAS REPETIDAS DISPERSASElementos de transposição: Retrotransposons
• SINE: (Short Interspersed Nuclear Elements) família de repetições Alu
• Família Alu: ~300 pb (ricas em GC)→ ~1 milhão membros no genoma (10% DNA total)→ originada por retrotransposição → localização preferencial em bandas G- (eucromatina – entre genes e dentro de íntrons) → promotora de recombinação desigual (duplicação gênica).
• LINE: (Long Interspersed Nuclear Elements) elementos LINE-1 ou L1
• Família L1: seq. Longas (6 a 8 Kb) → ~850 mil cópias (20% genoma) - move-se com um retrotransposon (transcriptase reversa)
• Alu e LINE1: encontradas em introns e seq. não traduzidas (presentes nos transcritos primários do gene) – Ex.: gene Rb
DNA Repetitivo e Doenças: inserção de elementos L1 ou Alu
• Alu e L1: causa de mutações em doenças hereditárias → retrotransposição → geram cópias que se integram em outras partes do genoma → inativação insercional de um gene
• Inserção de Alu e L1: • Hemofilia A: seq. L1 inserida no gene do fator
VIII → inativação do gene• Neurofibromatose tipo 1: inserção Alu
BENEFÍCIOS X DILEMAS
•Uso indiscriminado de testes genéticos para doenças multifatoriais (SNPs)
•Implicações: validade analítica, validade clínica e utilidade clínica
•Baixo nível de validade clínica: riscos psicológicos e de saúde, discriminação social e estigmatização
DESAFIO
Se o laboratório de Biologia Molecular do IBILCE realizasse testes genéticos para risco de doenças como:
D. Alzheimer
Doença cardiovascular
Diabetes
Depressão
Alcoolismo
Câncer de mama
QUEM FARIA O TESTE??? POR QUE???
Acessar o site www.ncbi.nlm.nih.gov;No quadro “All databases” selecionar “Gene”, colocar símbolo
do gene de interesse. Ex: HBB (hemoglobina, beta) e clicar em Search;
Na tabela que irá aparecer, clicar no primeiro símbolo (HBB) (hemoglobina, beta, Homo sapiens);
Na página seguinte contendo as informações do gene HBB hemoglobina, beta (Homo sapiens), localizar Genomic regions, transcripts, and products e selecionar GenBank em Go to nucleotide:
Aparecerá todas as informações do gene HBB- com a barra de rolagem da página, localizar as seguintes
informações: Gene (1...1686): tamanho do gene em pb- mRNA join (1...142, 273...495, 1346...1686)- CDS (sequência codificadora) join (51...142, 273...495,
1346...1474)
- no final da página está a sequência completa do gene com os números da posição de cada base
Copiar a sequência e colar no WORD. localizar e marcar com cores diferentes o exon 1 (posição 51
até 142), o exon 2 (posição 273 até 495) e o exon 3 (posição 1346 até 1474)
Marcar também o códon de início da transcrição (ATG) e o stop códon (TAA);
Em seguida, juntar os três exons marcados, deletar os números que ficam no meio da sequência e verificar a quantidade de nucleotídeos (= 444 nt). Esses 444 nt correspondem à sequência consenso e ela é obtida voltando na página das informações do gene e clicando conforme indicado abaixo:
2. Identifique os modelos de DNA abaixo: A-DNA, B-DNA e Z-DNA . Caracterize e diferencie cada tipo.
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3. Conceitue o evento abaixo que ocorre durante o processamento do RNAm originando proteínas diferentes. Descreva 3 mecanismos para sua origem ou formação.