Universidade Federal de PelotasUniversidade Federal de PelotasCentro de BiotecnologiaCentro de Biotecnologia

Graduação em BiotecnologiaGraduação em BiotecnologiaBiologia MolecularBiologia Molecular

Organização Gênica de Organização Gênica de Eucariotos Eucariotos

Classificação dos seres vivos de Classificação dos seres vivos de acordo com Woese (1977)acordo com Woese (1977)

Domínio EukaryaDomínio Eukarya

Reinos

Protistas (protozoários e leveduras)

Fungi (fungos)

Plantae (vegetais)

Animalia (animais)

GENEGENE

Sequência nucleotídica necessária e suficiente para a síntese de um polipeptídeo ou de uma

molécula de RNA estável

Estrutura e expressão de um gene Estrutura e expressão de um gene eucarióticoeucariótico

Tamanho médio dos Tamanho médio dos genesgenes

Maiores em EucariotosE. coli – 0,9 kb

S. cerevisiae – 1.4 kbD. melanogaster – 11,3 kb

H. sapiens – 19,2 kb

Há uma tendência geral de aumento do número de genes interrompidos, do número de íntrons por gene e do tamanho dos íntrons individuais à medida que

se avança na escala evolutiva, o que determina que o tamanho médio dos genes (incluindo íntrons) seja

maior em organismos mais complexos

ÍntronsÍntrons

• Um gene contém em média 3,7 íntrons por kb de região codificadora

• No homem o número médio é de 5 íntrons por gene

• 94% dos genes contém íntrons

• O tamanho médio dos íntrons é de 125 pb

• O tamanho médio dos éxons é de 90 a 120 pb (30 a 40 aa)

A presença de íntrons nos genes eucarióticos, aparentemente, representa um enorme

desperdício celular

Então, porque a evolução nos presenteou com estas seqüências?

Mecanismo de proteção contra mutaçõesDiversidade: genomas e proteomas (splicing alternativo)

Regulação gênica...

Genomas Eucarióticos - Genomas Eucarióticos - Aspectos GeraisAspectos Gerais

• Genoma nuclear (gDNA): material genético contido no núcleo

• Genoma de organelas (mtDNA e ctDNA): mitocôndrias, cloroplastos

• DNA dividido em 2 ou mais cromossomos

• Geralmente diplóides: 2 conjuntos de cromossomos

• Podem ser haplóides (leveduras e alguns fungos com 1 conjunto) ou poliplóides (3 ou mais cópias de cada cromossomo)

• Dois ou mais cromossomos lineares

Célula Célula animalanimal

Célula Célula vegetalvegetal

Número de cromossomos em Número de cromossomos em alguns organismosalguns organismos

CARIÓTICARIÓTIPOPO

conjunto cromossômico

Cariótipo normal Síndrome de Down

Síndrome de Turner Síndrome de Cri du chat

Conteúdo de DNA por genoma Conteúdo de DNA por genoma haplóide = Valor Chaplóide = Valor C

Procariotos: 5 x 10 Procariotos: 5 x 10 55 e 10 e 10 77pb - Eucariotos: 10pb - Eucariotos: 1077 a 10 a 101111

Quanto mais complexo o organismo, maior o valor CQuanto mais complexo o organismo, maior o valor C

Paradoxo do Valor CParadoxo do Valor C

• É a impossibilidade de correlacionar o tamanho do genoma (valor C) com a complexidade das características morfológicas, fisiológicas e comportamentais do organismo.

• Resultado da presença de seqüências de DNA repetida

Acre

dita

-se

que

o nú

mer

o to

tal d

e ge

nes

seja

pro

proc

iona

l ao

aum

ento

da

com

plex

idad

e do

s or

gani

smos

reduzido

Número de proteínas maior do que o número de genesGeração de múltiplas cópias de RNA a partir de um único gene

Gene da proteína 4.1 de eritrócitos humanos

Número de proteínas Número de proteínas ≠ ≠ número de genesnúmero de genes

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

Cinética de renaturação de um genoma eucarióticoCinética de renaturação de um genoma eucariótico: estimativa da fração de um genoma que corresponde a sequências únicas ou

repetidas

DNA extraído é fragmentado, desnaturado e renaturado. A proporção de moléculas renaturadas em relação às desnaturadas é

analisada em função do tempo

Quanto maior for a proporção de sequências únicas no genoma, maior será o tempo necessário para renaturação. Sequências repetidas tem

maior velocidade no processo de renaturação

Classes de sequênciasClasses de sequências

Sequências altamente repetitivas

(pouco complexas)

Sequências moderadamente repetitivas

Sequências não-repetitivas (muito complexas)

Famílias gênicasFamílias gênicas

• 25 a 50% dos genes são de cópia única (não repetitivo)

• Família gênica: possuem sequências com grau variado de similaridade entre si – 30% a 40 % de identidade. Tem funções relacionadas ou idênticas, mas podem ser expressos em diferentes estágios.

Agrupamento de genes ou espalhados pelo genoma

Moderadamente repetitivos:

– Genes que codificam tRNAs: > 1300 cópias no homem– Genes que codificam rRNA: de 100 a 200 cópias por genoma– Genes que codificam histonas: 300 a 1.000 cópias (ouriço-do-mar)

Seqüência de DNA Seqüência de DNA repetitivorepetitivo

• DNA de seqüência simples– Seqüência curta (5 a 10 pb) repetida milhares de vezes em

tandem. Representa 10 a 15% do DNA de mamíferos

• Fração de reassociação intermediária: sequências moderadamente repetitivas (25 a 40% do DNA). Maior parte derivada de sequências de famílias de elementos transponíveis– Transposons– Retrotrasposons: movimento é mediado por um RNA e envolve

uma etapa de transcrição reversa de seu RNA.

Genomas de OrganelasGenomas de Organelas

Genomas Extranucleares: codificam funções relacionadas ao metabolismo das próprias organelas

• Mitocôndrias – mtDNA

• Plastídios: família de organelas vegetais– Cloroplastos– Cromoplastos– Amiloplastos– Elaioplastos

ctDNA

Estrutura de um Gene de Estrutura de um Gene de ProcariotoProcarioto

Promotor Região Codificadora Terminador

Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA

hnRNA

AAAAAAAAAA

mRNA

AAAAAAAAAA

Exon

Intron

DN

ARN

A

Estrutura de um Gene de EucariotoEstrutura de um Gene de Eucarioto

O GENOMA HUMANOO GENOMA HUMANO

1984-1984-19861986

19901990

19951995

19981998

19991999

20012001

20042004

A idéia do A idéia do sequenciamento foi sequenciamento foi

primeiramente primeiramente proposta em proposta em

encontros cientificosencontros cientificos

O Projeto Genoma O Projeto Genoma Humano foi lançado Humano foi lançado

com a criação de com a criação de centros de genoma nos centros de genoma nos seguintes países: EUA, seguintes países: EUA,

Reino Unido, Japão, Reino Unido, Japão, França, Alemanha e França, Alemanha e

ChinaChina

Fim do Fim do sequenciamento dos sequenciamento dos outros organismosoutros organismos

determinar a sequencia completa de determinar a sequencia completa de nucleotídeos do genoma humanonucleotídeos do genoma humano

Mapeamento do Mapeamento do genomagenoma

• Mapa Citogenético (FISH): características dos

cromossomos visíveis em microscópios

• Mapa Genético (genealogia): posicionam genes

baseados na transmissão de locus polimorficos ao longo

de genealogias

• Mapa Físico (Clonagem e caracterização de fragmentos):

mostram as distâncias reais entre marcadores e genes

Consórcio Consórcio InternacionaInternaciona

l do l do SequenciamSequenciam

ento do ento do Genoma Genoma HumanoHumano

Projeto patrocinado pelo Instituto Nacional de Saúde dirigido por Projeto patrocinado pelo Instituto Nacional de Saúde dirigido por Francis Collins e pelo Departamento de Energia - EUAFrancis Collins e pelo Departamento de Energia - EUA

Projeção de duração de 15 anos Projeção de duração de 15 anos Duração total de 13 anos (1990–2003)Duração total de 13 anos (1990–2003)

Planejamento de custo de $3 bilhões Planejamento de custo de $3 bilhões

Maior genoma sequenciado até agora (2001)Maior genoma sequenciado até agora (2001)

1º genoma de veterbrados sequenciado1º genoma de veterbrados sequenciado

Total de pares de bases de 3 bilhões para Total de pares de bases de 3 bilhões para 2,851,330,9132,851,330,913

Número de genes entre 20.000 a 25.000Número de genes entre 20.000 a 25.000

3.7 milhões de SNPs mapeados3.7 milhões de SNPs mapeados

A versão atual do catálogo de genes consta com 19.438 genes A versão atual do catálogo de genes consta com 19.438 genes conhecidos e 2.188 genes preditosconhecidos e 2.188 genes preditos

The The Sequence Sequence

of the of the Human Human GenomeGenome

BioinformáticaBioinformática

Anotação das Anotação das seqüênciasseqüências

DESAFIOSDESAFIOS

Identificação de polimorfismos na população humana e associação com doenças

Identificação de elementos funcionais do genoma: genes, proteínas, regiões regulatórias e elementos estruturais

Identificação de como os genes e as proteínas funcionam em conjunto

Identificação de alvos para terapias