Genes e Genomas Eucariotos - ufpel.edu.br · Estrutura de um Gene de Procarioto Promotor Região Codificadora Terminador Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA hnRNA AAAAAAAAAA

Genes e Genomas Eucariotos

Universidade Federal de Pelotas

CDTec - Graduação em Biotecnologia

Disciplina de Biologia Molecular

Priscila M. M. de Leon Dra., Médica Veterinária

Profa, PNDP Biotecnologia/UFPel

Eukarya: abrange ampla variedade de organismos uni ou pluricelulares

Características Eucariotos: presença de núcleo e organelas

Genomas Eucariotos sequenciados

• 1996: S. cerevisiae (metazoário)

• 1998: C. elegans

• 2000: D. melanogaster

• 2000: Arabidopsis thaliana (vegetal)

• 2002: Mus musculus (animal)

• 2003: Neospora crassa(fungo)

• 2006: genoma Humano completo

• 2011:

– 37 genomas eucarioticos sequenciados

– 1178 genomas em andamento

• Genes Eucarióticos e Procarióticos compartilham a mesma estrutura básica

Genes Eucariotos possuem estruturas mais complexa

Genes Eucarióticos

Maior complexidade determina refinamentos funcionais que explicam o maior grau de sofisticação de células eucarióticas

Estrutura de um Gene de Procarioto

Promotor Região Codificadora Terminador

Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA

hnRNA

AAAAAAAAAA

mRNA

AAAAAAAAAA

Exon

Intron

DN

A

RN

A

Estrutura de um Gene de Eucarioto

• Região Reguladora: a montante da região codificadora – Mais extensa

– Com maior número de elementos reguladores

– Reguladores Distais (a milhares de pb)

• Região Codificadora: presença de sequencias intervenientes – Íntrons (interrompem a sequencia do gene)

– Éxons (sequencia que é transcrita/traduzida do gene)

Estrutura básica de Genes Eucarióticos

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

desperdício celular

Então, porque a evolução fixou estas sequências?

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

Regulação gênica...

– Para se avaliar o tamanho de genes eucariotos é considerada apenas a região codificadora (éxons e introns), pois a presença de reguladores distais dificulta tal medição;

– Variação ampla no tamanho (2 a 100 kb);

– Genes Eucariotos são maiores que os de Procariotos

– Genes são maiores que seus produtos (íntrons)

Tamanho de Genes Eucarióticos

• S. cerevisae: 120pb até 14kb

• Homem: média de 27kb (5% de éxons e 95% de íntrons)

• Gene humano distrofina (proteína muscular c 3500 aa)

possui: 2400 kb; 79 éxons; 78 introns

Domínios Transcricionais Complexos

TRANSCRIÇÃO DISSEMINADA: fração transcrita de cada genoma excede a fração correspondente a genes codificadores de mRNA/proteína ou de rRNA e tRNA. geração de... ncRNAs: RNAs não codificadores – classes de transcritos com função reguladora da expressão gênica ou ainda sem função determinada DOMÍNIOS TRANSCRICIONAIS COMPLEXOS: são gerados múltiplos tipos de transcritos independentes. Pode incluir 1 ou mais genes de estrutura tradicional e regiões inter e intragênica

ncRNAs: Transcritos não codificadores

3 genes

Genomas Nulceares Eucarióticos

Tamanho

• Não há correlação entre o tamanho do genoma (valor C) com a

complexidade das características morfológicas, fisiológicas e

comportamentais do organismo Paradoxo/Enigma do valor C

• Resultado da presença de sequências de DNA repetido, de

regiões intermitentes (íntrons) e de elementos transponíveis

Tamanho do genoma não reflete a quantidade de genes nele presente!

Genomas Eucariotos são maiores que os Procariotos

Homem: 3000Mb

Cromossomos Eucarióticos

• DNA nuclear de eucariotos está organizado em Cromossomos

• Cada Cromossomo é composto por uma molécula de DNA Linear;

• Maioria dos eucariotos são Diplóides: dois conjuntos completos de cromossomo em cada cél. Somática;

• Há espécies Poliplóides e Halóides

• O número e o tamanho dos cromossomos difere entre espécies

• Cada cromossomo eucariótico está organizado em multiplos Replicons em tandem;

• Cada Replicon eucariótico possui ente 5 e 15kb;

Replicons em Cromossomos Eucarióticos

• A cada ciclo celular nem todas as origens de replicação estão ativadas;

Cromossomos eucarióticos se organizam em replicons...

Múltiplas origens de replicação

Em cada ciclo celular, nem todas as origens são ativadas

Número de Genes

Densidade gênica: distância média entre genes individuais ao longo de um genoma

Sequências Gênicas

Em Eucariotos os genes podem ocupar uma porção variável do genoma

Humanos – 25% fração gênica de íntrons + éxons 1% éxons – fração codificadora

quantificação de genes codificadores de proteínas

Um mesmo gene pode gerar mais de uma proteína diferente

através de códons de iniciação/ terminação de tradução alternativos

Gene humano ETB41: 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

Número de proteínas ≠ número de genes

Splicing alternativo: excisão seletiva de íntrons e ligação dos exons

Famílias Gênicas

Família gênica: agrupam genes que possuem sequências com grau variado de similaridade entre si – 30% a 100 % de identidade. Tem funções relacionadas ou idênticas, mas podem ser expressos em diferentes estágios.

Genes únicos: genes que não fazem parte de famílias gênicas, ditos “órfãos”

Pseudogenes: genes parálogos não funcionais (que possuem homologia)

Cópias múltiplas: genes idênticos (100% de identidade) organizados em famílias e presentes em múltiplas cópias. Ex: genes de rRNAs, tRNAs e histonas. – estratégia para suprir a demanda destes produtos gênicos.

Proporções gênicas no genoma humano

Sequências intergênicas

• Sequências intergênicas são aquelas sequências genômicas que não estão vinculadas diretamente a um gene;

• Porção não codificante do genoma que aumentam de proporção em indivíduos mais complexos – antes paradoxo do valor C - Enigma do valor C ;

• Era tratada como “lixo genômico” (“junk DNA”) – por ser repetitiva e sem função evidente;

• Incluem elementos de sequência importantes para a fisiologia e para a evolução dos genomas eucarióticos;

• Duas classes mais importantes:

Sequências Repetidas Simples

Elementos Transponíveis

• Sequencias curtas repetidas milhares ou milhões de vezes;

• Representam de 1 a 50% do genoma;

• Mais comuns são unidades de repetição de 5 a 10 pb;

• Também chamadas de DNA-satélite;

• Microssatélite quando ocorre em 2 a 3 pb;

• Envolvidas na estruturação e na função dos cromossomos; Ex: estrutura dos centrOmeros, interação com fusos mitóticos e meióticos;

Sequências Repetidas Simples

Microssatélites: são utilizados como marcador genético em estudos de

parentesco, migrações e de origem. Por apresentarem taxas mais altas de mutação genética.

• Elementos transponíveis são sequências de DNA capazes de se integrarem (por transposição) em outros locais do genoma, implicando no aumento do seu número de cópias;

• Dois grupos:

–Transposons: mobilizados por intermediários de DNA

– Retrotransposons: mobilizados por transcrição reversa de um intermediário de RNA

• Maior parte do DNA intergênico e do genoma, colaborando com o Enigma do valor C;

São importantes para a reestruturação de genes e cromossomos, alteram a expressão de alguns genes ou originam novos genes. Podem ser agentes mutagênicos.

Elementos Transponíveis

Transposons – 3% do genoma no homem

Retrotransposons – 42% do genoma humano

Operons Eucarióticos

• Menos comum em eucariotos – nematódeos, insetos, plantas

• Alguns organismos podem ter seus genes organizados em unidades de transcrição policistrônicas, porém estes transcritos são convertidos em mRNAs monocistônicos por trans-splicing

• A regulação da expressão gênica é principalmente em nível pós-transcricional

Agrupamentos de genes

• Genes Eucarióticos são organizados em sua maioria em unidades de transcrição individual – RNA monocistrônico;

• Em Eucariotos as unidades organizacionais gênicas são mais escassas, ao contrário de Procariotos;

Agrupamento de genes coexpressos

• Genes individuais sem correlação funcional podem estar posicionados próximos a genes coexpressos, ou seja, que compartilham um determinado padrão de expressão espacial ou temporal.

Agrupamentos de genes

Genes funcionalmente relacionados

• Genes parálogos mantêm-se agrupados apenas se houver pressão seletiva, caso contrário são dispersos.

• Família multigênicas podem manter seus genes agrupados por vantagens funcionais.

• Vantagens: Padrão de expressão, geração de variabilidade

HISTONAS e rRNAs!

Família rRNA

Repetição em tandem de A, distribuídos em diferentes cromossomos e em múltiplas cópias!

Família Histonas

• Genomas extranucleares em eucariotos ocorrem em mitocôndrias e plastídeos

• Estes genomas possuem genes relacionados ao funcionamento da organela: • Síntese de ATP em mitocôndrias - mtDNA • Fixação do carbono em cloroplastos – cpDNA • Armazenamento de pigmentos em plastídeos - ptDNA

• Semelhantes aos de procariotos: • tamanho • molécula de DNA fita dupla e circular • Organização em operons • Homologia entre proteínas codificadas

• Autonomia na transcrição e tradução • Transferência gênica endossimbiótica: proteínas necessárias

passaram a ser codificadas pelo genoma nuclear.

Genomas de Organelas

• Genoma Mitocondrial: 1 cromossomo circular único – há exceções

• Tamanho:

Maiores: angiospermas – entre 220 kb e 2,9 M

Menores: metazoários – entre 11 kb e 24 kb

Humano: 16,5 kb

• presença ou não de íntrons

• sequências repetidas curtas

• pseudogenes

• Tamanho do genoma não relacionado com o nº de proteínas

• Humano: 13 proteínas, 2 genes subunidades de rRNAs e 22 tRNAs

• Códigos genéticos alternativos: códigos diferentes do nuclear,

necessitando tRNAs específicos.

• Processamento pós-transcricional de RNA: trans-splicing

Genomas Mitocondriais

• Genomas de Plastídeos: circulares com 1 único cromossomo, com até 1000 cópias por organela;

Genomas de plastídeos contém mais genes que o genoma de mitocôndrias

• Maioria com genoma entre 100kb e 200kb – sem relação com a complexidade da espécie;

Genes dedicados à fotossíntese, aspectos do metabolismo e à expressão gênica (transcrição e tradução) – entre 80 e 200 genes.

• Contém íntrons

• Código genético igual ao código universal

• Processamento pós-transcricional: trans-splicing

Genomas de Plastídeos