GENOMA I - bmg.fc.ul.ptbmg.fc.ul.pt/Disciplinas/FundBiolMolec/4GenomaI.pdf · Genomas (generalidades) Eucariotas Célula-compartimentos celulares delimitados por membranas Genoma-

GENOMAI

GenomasGenomas procarióticoprocariótico e e eucarióticoeucariótico

• Organização do DNA nos cromossomas• Organização dos genes nos cromosssomas• Estrutura dos genes

e ainda:• DNA repetitivo• DNA extracromossómico

GenomasGenomas(generalidades)

EucariotasCélula- compartimentos celulares delimitados por membranas

Genoma- 2 ou mais moléculas de DNA lineares- DNA mitocondrial e plastidial. menores dimensões. circular

- 1x102 Mb- 1x105 MB (o mais pequeno = 10 Mb)

ProcariotasCélula- não compartimentalização interna

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 burgdorfericromossoma linear: 911 kb (835 genes)17 ou 18 moléculas lineares e circulares: 533 kb (430 genes)

Genoma = DNA cromossómico

Genoma = DNA cromossómico + DNA plasmídicoVibrio 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

O que se considera “O que se considera “GenomaGenoma”?”?

Dimensões de Dimensões de GenomasGenomas

Relação complexidade dos organismos com Relação complexidade dos organismos com dimensão do dimensão do genomagenoma

1) Organismos mais complexos Genoma de maiores dimensões

ex. Homo sapiens (3 Gb) vs Drosophila melanogaster (180 Mb)

2) Paradoxo CSalamandra- 90 Gb vs Homem- 3 Gb

Relação do número de genes com dimensão Relação do número de genes com dimensão do do genomagenoma

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 Relação de complexidade do organismo com o número de genes e com dimensão do de genes e com dimensão do genomagenoma

ARROZ MILHO

0,43 Gb 2,5 Gb

Organismos semelhantes diferem na dimensão do genoma, mantendo o mesmo número de genes aproximadamente

Mesmo número de genes

DNA DNA supercoilingsupercoiling

DNA within the cells adopts several forms of orderedtertiarytertiary structuresstructures begining with the formation of

coiled and supercoiled helical DNA under the control ofenzymes known as topoisomerases

SupercoilingSupercoiling(“(“sobrenrolamentosobrenrolamento” ou “” ou “subenrolamentosubenrolamento”)”)

A dupla hélice do DNA é uma hélice αo 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 rodarlivremente 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)

SupercoilingSupercoiling

Forma relaxada- 10 pb/rotação na conformação B

Alteração da forma relaxada- mais ou menos de 10 pb/rotação na conformação B + -

Positive supercoil

Ocorre quando o DNA está overrotated

Enrolamento no mesmosentido do enrolamento da dupla hélice

Negative supercoil

Ocorre quando o DNA está underrotated

Enrolamento no sentidocontrário do enrolamento da dupla hélice

SupercoilSupercoil positivo e negativopositivo e negativo

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 Organização do DNA cromossómicocromossómicoem em E. E. colicoli

Chromosome is condensedin one part of the cell

Cromossoma de Cromossoma de E.coliE.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 Organização do DNA cromossómicocromossómicoem em eucariotaseucariotas

Estrutura dos cromossomas eucarióticos

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Nucleossoma- unidade elementar da cromatina

Structure of a nucleosome

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.

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)

Octâmero de histonas

Dímero: H2A

Tetrâmero: 2H3, 2H4

Dímero: H2B

Nuclease protection assays of chromatinfrom 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 enrolamentoda cromatina durante a transcrição

Proteins scaffoldPapel importante na estrutura do cromossoma

MARs (matrix attachment regions) ou SARs (scaffold attachment regions)

Estruturas particulares dos Estruturas particulares dos cromossomas linearescromossomas lineares

CentrómerosTelómeros

Principais estruturas do cromossomaPrincipais estruturas do cromossoma

Classificação dos cromossomas em Classificação dos cromossomas em função da localização do função da localização do centrómerocentrómero

Estrutura do Estrutura do centrómerocentrómero de levedurade 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 whichthe microtubule-binding proteins bind in turn.

Heterocromatina e eucromatina

Eucromatina- geralmente sofre condensação e descondensaçãodurante o ciclo celular.

Heterocromatina- geralmente mantémestado de condensação durante o ciclo celular. Heterocromatina facultativa vs constituitiva

Técnicas de coloração para produzir padrões de Técnicas de coloração para produzir padrões de bandas bandas cromossómicoscromossómicos

Técnica Padrão de bandas

G-banding Bandas escuras são ricas em ATBandas claras em GC

Q-banding Bandas escuras são ricas em GCBandas claras em AT

C-banding Bandas escuras contêm heterocromatina constituitiva

Padrões citogenéticos

Localização (Localização (mapeamentomapeamento) de algumas sequências de ) de algumas sequências de DNA (repetitivo) no cromossoma 1 humanoDNA (repetitivo) no cromossoma 1 humano

Estas sequências de DNA funcionam como marcadores genéticos

Estrutura dos genesEstrutura dos genesee

Organização dos genesOrganização dos genesProcariotasEucariotas

O que é um gene?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

lacZ lacY lacARegião reguladora

Estrutura de um gene Estrutura de um gene eucarióticoeucariótico

Organização geral dos genesTopografia dos genes em 4 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 upby genome-wide repeats

3.4% 12% 44%

Compactamento do genoma em organismos diferentes

Exemplos de organização, pouco usual, Exemplos de organização, pouco usual, de genes de genes

Genes que se sobrepõem

-Alguns vírus (ex, fago X174 de E. coli)-Tradução dos mRNAs em diferentes grelhasabertas de leitura

-Muito raro nos organismos superiores, mas há exemplos nos genomas mitocondriais dealguns 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 trêspequenos genes (OGMP, EVI2B, EVI2A),dentro do intão 27

- Muitos snoRNAs são codificados por genesdentro de intrões

Chromosomal rearranjements