genoma i - Biologia Molecular e Genética

GENOMA
I
Genomas procariótico e eucariótico
• Organização do DNA nos cromossomas
• Organização dos genes nos cromosssomas
• Estrutura dos genes
e ainda:
• DNA repetitivo
• DNA extracromossómico
Genomas
(generalidades)
Célula- compartimentos celulares delimitados por membranas
Eucariotas
Genoma- 2 ou mais moléculas de DNA lineares
- DNA mitocondrial e plastidial
. menores dimensões
. circular
- 1x102 Mb- 1x105 MB (o mais pequeno = 10 Mb)
Célula- não compartimentalização interna
Procariotas
Genoma- 1 molécula DNA circular
- haplóides
- 1- 10 Mb
- plasmídios (1 kb-250 kb), profagos e elementos móveis
- informação genética mais compacta
- grande diversidade de organização
Ex: Borrelia burgdorferi
cromossoma linear: 911 kb (835 genes)
17 ou 18 moléculas lineares e circulares: 533 kb (430 genes)
O que se considera “Genoma”?
Genoma = DNA cromossómico
Genoma = DNA cromossómico + DNA plasmídico
Vibrio cholerae: 2 moléculas de DNA circulares
- 2, 96 MB (3885 genes); 71% genoma
- 1,07 MB (caract. plasmídio)
Genoma = DNA cromossómico + DNA mitocondrial e/ou plastidial
Dimensões de Genomas
Relação complexidade dos organismos com
dimensão do genoma
1) Organismos mais complexos
Genoma de maiores dimensões
ex. Homo sapiens (3 Gb) vs Drosophila melanogaster (180 Mb)
2) Paradoxo C
Salamandra- 90 Gb
vs Homem- 3 Gb
Relação do número de genes com dimensão
do genoma
S. cerevisae - 12 Mb
0,004 do genoma humano (3 Gb)
Genoma humano – 35 000 genes x 0,004 = 140 genes para S. cerevisae
Genoma de levedura contém
aprox. 5 800 genes
ECONOMIA DE ESPAÇO NO GENOMA DOS ORGANISMOS MENOS COMPLEXOS
Relação de complexidade do organismo com o número
de genes e com dimensão do genoma
ARROZ
MILHO
Mesmo número
de genes
0,43 Gb
2,5 Gb
Organismos semelhantes diferem na dimensão do genoma,
mantendo o mesmo número de genes aproximadamente
DNA supercoiling
DNA within the cells adopts several forms of ordered
tertiary structures begining with the formation of
coiled and supercoiled helical DNA under the control of
enzymes known as topoisomerases
Supercoiling
(“sobrenrolamento” ou “subenrolamento”)
A dupla hélice do DNA é uma hélice α
o que significa que tem enrolamento
right-handed, ie, no sentido dos ponteiros do relógio
O supercoliling é consequência de:
demasiadas rotações (“superrotação”- overwound )
da hélice sob si própria (positive supercoiling),
ou perda de rotações (“subrotação”- underrotating)
sob si própria (negative supercoiling)
Neste caso a direcção do enrolamento é oposta à do right-handed da dupla hélice
O supercoling só ocorre quando as duas cadeias de DNA não conseguem rodar
livremente uma sobre a outra, ie,
quando as extremidades estão fixas e as
superrotações ou subrotações
não podem ser compensadas (como o que acontece no DNA circular)
Supercoiling
Forma relaxada
- 10 pb/rotação na conformação B
Alteração da forma relaxada
- mais ou menos de 10 pb/rotação
na conformação B
+
-
Supercoil positivo e negativo
Positive supercoil
Negative supercoil
Ocorre quando o DNA
está overrotated
Ocorre quando o DNA
está underrotated
Enrolamento no mesmo
sentido do enrolamento
da dupla hélice
Enrolamento no sentido
contrário do enrolamento
da dupla hélice
DNA coiling
Topoisomerases
• Enzimas que adicionam ou removem rotações da
dupla hélice de DNA, quebrando temporariamente
a dupla hélice, permitindo a rotação de uma
cadeia em volta da outra, e depois ligando-a de
novo.
• Topoisomerase I- quebra de uma cadeia, e reduz o
supercoiling devido a remoção de rotações
• Topoisomerase II- quebra de ambas as cadeias,
adicionando ou removendo rotações
Tipos de topoisomerases
Modo de acção das topoisomerses
Genomes
Organização do DNA cromossómico
em E. coli
Chromosome is condensed
in one part of the cell
Cromossoma de E.coli
- Molécula de DNA circular-fechada,
negativamente enrolada
- 4 600 kb
- 99-100% codificante
- aproxi. 4280 genes
-Nucleóide (estrutura condensada):
. 40-50 domínios independentes
ou “loops” de 10-100 kb
. Topoisomerases
. Proteínas de ligação ao DNA
- HU
- H-NS (H1)
- Fis
- IHF
-Divisão celular: “attachment point”
(versão desactualizada)
Enrolamento dinâmico do DNA no cromossoma
bacteriano
Organização do DNA cromossómico
em eucariotas
Estrutura dos cromossomas
eucarióticos
23
Nucleossoma- unidade elementar da cromatina
Structure of a nucleosome
H3 and H4 are among the most conserved proteins.
H2A and H2B an be recognized in all eukaryotes, but
show species-specific variation in sequence.
H1, closely related proteins that show appreciable
variation between tissues and species
(and are absent from yeast)
The nucleosome core particle consists of 146 bp of DNA wrapped 1.65 turns
around a histone octamer consisting of two molecules each of H2A, H2B, H3, and H4.
A nucleosome (chromatosome) contains two full turns of DNA locked in place by one molecule of H1.
Octâmero de histonas
Dímero: H2A
Tetrâmero: 2H3, 2H4
Dímero: H2B
Nuclease protection assays of chromatin
from human nuclei
Modelo solenóide da fibra de cromatina de 30nm
Diferentes níveis de organização das fibras de
cromatina
Estados de condensação do DNA
Outras proteínas não-histonas presentes no
cromossoma
•
•
•
•
No cinetocóro
Nos telómeros
No scaffold
Proteína da maquinaria da replicação
– DNA polimerases
– Helicases
– Primases
• HMP (high-mobility-group proteins)
– RNA polimerases
– Acetilases
– Factores de transcrição
E ainda proteínas importantes na alteração do empacotamento e enrolamento
da cromatina durante a transcrição
Proteins scaffold
Papel importante na estrutura do cromossoma
MARs (matrix attachment regions) ou SARs (scaffold attachment regions)
Estruturas particulares dos
cromossomas lineares
Centrómeros
Telómeros
Principais estruturas do cromossoma
Classificação dos cromossomas em
função da localização do centrómero
Estrutura do centrómero de levedura
Proteins bind to yeast CDE elements
The centromere is identified by a
DNA sequence that binds specific proteins.
These proteins do not themselves bind to
microtubules but establish the site at which
the microtubule-binding proteins bind in turn.
Heterocromatina e eucromatina
Heterocromatina- geralmente mantém
estado de condensação durante o ciclo
celular. Heterocromatina facultativa vs constituitiva
Eucromatina- geralmente sofre
condensação e descondensação
durante o ciclo celular.
Técnicas de coloração para produzir padrões de
bandas cromossómicos
Técnica
Padrão de bandas
G-banding
Bandas escuras são ricas em AT
Bandas claras em GC
Q-banding
Bandas escuras são ricas em GC
Bandas claras em AT
C-banding
Bandas escuras contêm
heterocromatina constituitiva
Padrões citogenéticos
Localização (mapeamento) de algumas sequências de
DNA (repetitivo) no cromossoma 1 humano
Estas sequências de DNA funcionam como marcadores genéticos
Estrutura dos genes
e
Organização dos genes
Procariotas
Eucariotas
O que é um gene?
-Unidade de informação genética contida num segmento de DNA. O produto
final pode ser uma proteína ou um transcrito (ex. tRNA)
-Pode variar entre 75 pb e 2 300 000 pb
- A informação biológica está contida na sequência de nucleótidos e é
tornada disponível através da expressão genética, que é altamente REGULADA
Quaisquer 6 nts podem originar 4096 sequências diferentes (46)
Os genes estão organizados de diferentes modos
nos diferentes organismos
Organização dos genes em procariotas:
operões
• Alguns genes de procariotas estão organizados
linearmente sob o controlo da mesma região
reguladora da transcrição
Regulação da expressão é coordenada
• Genes com funções relacionadas
• Ocorre em bactérias
DNA
Região
reguladora
lacZ
lacY
lacA
Estrutura de um gene
eucariótico
Organização geral dos genes
Topografia dos genes em 4 organismos diferentes
Compactamento do genoma em organismos diferentes
Feature
Yeast
Fruit fly
Human
Gene density (average number per Mb)
479
76
11
Introns per gene (average)
0.04
3
9
Amount of the genome that is taken up
by genome-wide repeats
3.4%
12%
44%
Exemplos de organização, pouco usual,
de genes
Genes que se sobrepõem
-Alguns vírus (ex, fago X174 de E. coli)
-Tradução dos mRNAs em diferentes grelhas
abertas de leitura
-Muito raro nos organismos superiores, mas
há exemplos nos genomas mitocondriais de
alguns animais e no Homem
Genes dentro de genes
- Frequente nos genomas nucleares
- Genes dentro de intrões de genes
Ex. no genoma humano o gene da
neurofibratose de tipo I, que contém três
pequenos genes (OGMP, EVI2B, EVI2A),
dentro do intão 27
- Muitos snoRNAs são codificados por genes
dentro de intrões
Chromosomal rearranjements