Organização do Genoma Humano

Apresentação em tema: "Organização do Genoma Humano"— Transcrição da apresentação:

1 Organização do Genoma Humano
Disciplina: GenéticaII Profa. Dra. Ana Elizabete Silva

2 1990 Nutrigenômica Projeto Epigenoma -2005

3 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

4 EPIGENOMA GENOMA

5 ONDE OS PROCESSOS EPIGENÉTICOS OCORREM?
DNA METILAÇÃO PROMOTOR (ilhas CpG) silenciamento HISTONAS ACETILAÇÃO METILAÇÃO “Código de histonas” Compactação da cromatina

6 METILAÇÃO DO DNA 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)

7 METILAÇÃO 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

8 CONSEQÜÊNCIAS DOS PROCESSOS EPIGENÉTICOS
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 genômico 2. Proteção do genoma contra invasão de seqüências de fora do organismo, por exemplo DNA viral (inativado por adição de metila) 3. Processos neoplásicos

9 PROJETO EPIGENOMA HUMANO Parceria do Instituto Sanger (britânico) e empresa Epigenomics (alemã) 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

10 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)

11 (99,995%) 30cm (0,005%) 1-5% genoma ~3mm

12 A maior parte do genoma consiste em DNA repetitivo

13 MOLÉCULAS DE DNA E RNA

14 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

15 Conformações do DNA Giro Dextrógiro Sinistrógiro 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

16 CLASSES DE RNA RNA não codificadores RNA codificador (ncRNA)
RNA pequenos RNA funcionais Codifica proteínas: mRNA (3%) -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 Não traduzidos: -tRNA (15%) -rRNA (70%)

17 Cromossomos Eucariotos
Cromatina: DNA + nucleoproteínas + RNA -Histonas (H1, H2a, H2b, H3 e H4) -Não Histonas (ácidas) Nucleoproteínas Empacotando o DNA Como um filamento de 5cm de DNA (tamanho médio do cromossomo) é empacotado numa cromátide de 5m ? (Genoma total= 30 cm) → empacotamento de x Nucleossomo: 146pb de DNA + dímeros de histonas H2a, H2b, H3 e H4

18 Cromátide do cromossomo metafásico
Organização do Genoma Compactação do DNA DNA Nucleossomos Solenóide Alças Domínios Cromátide do cromossomo metafásico 7x 40x 10.000x Cláudio C. Silva BIO / UCG

19 Gene Eucarioto Conceito de Gene: 1 gene proteína ???? Gene  sequência de DNA que gera um produto funcional (polipeptídeo ou RNA funcional)

20 GENE GLOBINA BETA (HBB) www. ncbi. nlm. nih
GENE GLOBINA BETA (HBB) National Center for Biotechnology Information

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23 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

24 Há correlação entre tamanho do gene e tamanho do produto?
-RNAm -RNAt -RNAr Gene: DNA RNA e i e i e Geralmente: 5’ 3’ DNA RNAm Proteína 5’ 3’ e i e i e DNA RNAm Proteína 5’ 3’ 5’ 3’

25 Éxons: geralmente pequenos ~150 bases
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 e i e i e 5’ 3’ DNA RNAm Proteína 5’ 3’ e i e i e 5’ 3’ DNA RNAm Proteína 5’ 3’ Éxons: geralmente pequenos ~150 bases Íntrons: grandes 1000 – bases

26 proteínas de tamanhos similares
33% 100x proteínas de tamanhos similares 3% 4% 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.

27 Cromossomos: variam de 55 a 250Mb (média 130 Mb)
TAMANHO DO GENOMA x No. CROMOSSOMOS 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 ( Kb), mas metade do no. de cromossomos (12 cr.)

28 Paradoxo do valor C (conteúdo de DNA)
TAMANHO DO GENOMA x COMPLEXIDADE BIOLÓGICA Paradoxo do valor C (conteúdo de DNA) 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 anfíbios 220x < ameba (670 bilhões de pb ) Diferenças devido maior número de sequências DNA repetidas nos genomas maiores

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30 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

31 DENSIDADES GENÔMICAS DIFERENTES
Complexo HLA - vários genes sobrepostos - 6p21.3 Gene distrofina – Xp21

32 NÚMERO GENES X PROTEÍNAS SPLICING 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

33 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

34 SPLICING ALTERNATIVO

35 SPLICING – EDITORAÇÃO OU PROCESSAMENTO
Introns: sequência consenso 5’ – GU sequência consenso 3’ - AG

36 SPLICEOSSOMO Complexo de snRNP (ribonucleoproteína nuclear pequena) e precursor do mRNA: remoção dos introns

37 Exons constitutivos (cinza) ;regiões de SA (vermelho); Introns linhas pretas; Tracejado indicam-se os eventos de splicing.

38 SPLICING ALTERNATIVO - TROPOMIOSINA

39 Distribuição de Genes Humanos
Os genes se distribuem sobre uma das duas fitas do DNA Como é essa distribuição? -Genes dentro de íntrons -Genes sobrepostos -Genes agrupados DNA genes região intergênica

40 GENE NF1 - Neurofibromatose
Genes intrônicos GENE NF1 - Neurofibromatose 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

41 GENES SOBREPOSTOS Genes das subunidades ATPase 6 e 8 mitocondriais parcialmente sobrepostos e traduzidos em fases de leitura diferentes

42 DNA REPETITIVO DNA genômico Genes de Cópia Única DNA Repetitivo
Organização gênica em tandem 50-75% Genes de Cópia Única Organização gênica em agrupamento intimo Famílias gênicas organizadas em único/múltiplos agrupamentos DNA genômico Organização gênica em agrupamento composto Seqüências repetitivas funcionais Famílias gênicas dispersas DNA Repetitivo DNA altamente repetitivo Seqüências repetitivas sem função conhecida VNTR Elementos Classe I Elementos transponíveis Elementos Classe II

43 Seqüências repetitivas funcionais
-Famílias gênicas organizadas em um agrupamento único ou em múltiplos agrupamentos gênicos -Organização gênica em tandem: Ex. RNAr (única UT – 250 vezes) – cromossomos 13,14,15,21 e 22 -Organização gênica em agrupamento íntimo: Ex. Hbs -Organização gênica em agrupamento composto (genes não relacionados em função e seq.) - : Ex. Complexo HLA (Classe I e II e Complemento) -Famílias gênicas dispersas Ex. histonas (61 genes) RNAt (40 subfamílias)

44 Organização gênica em tandem

45 FAMÍLIAS GÊNICAS AGRUPADAS

46 FAMÍLIA GÊNICA DISPERSA
HISTONAS: 61 genes/11grupos

47 Famílias Gênicas Agrupadas com Pseudogenes:
PSEUDOGENES: sequência de DNA genômico similar aos genes normais, mas não-funcionais ( 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)

48 DUPLICAÇÃO RETROTRANSPOSIÇÃO
Pseudogenes não-processados: cópias não funcionais de um gene → éxons e introns Pseudogenes processados: cópias não-funcionais de éxons de um gene ativo → encontrados em famílias gênicas dispersas → integração nos cromossomos de um cDNA (retrotransposição)

49 SEQÜÊNCIAS DE DNA REPETITIVAS EXTRAGÊNICAS
-DNA altamente repetitivo: DNA Satélite -repetições curtas em tandem (regiões centroméricas e teloméricas) não transcritas (heterocromatina) VNTR: Repetições em tandem de Número Variáveis - Minissatélites -STR: Repetições em tandem Curtas Microssatélites -Seq. Repetidas dispersas: (Elementos transponíveis) SINE (Elementos Nucleares Intercalares Curtos) LINE (Elementos Nucleares Intercalares Longos)

50 (1,690 g-cm-3) (1.701 g-cm-3)

51 Localização cromossômica das principais classes de DNA repetitivo

52 Utilizados como marcadores polimórficos: datiloscopia de DNA
MINISSATÉLITES (VNTR): unidades repetidas de DNA com 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 DNA

53 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 10 8 6

54 SINE: (Short Interspersed Nuclear Elements) família de repetições Alu
SEQUÊNCIAS REPETIDAS DISPERSAS Elementos 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

55 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

56 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

57 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???

58 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;

59 Na tabela que irá aparecer, clicar no primeiro símbolo (HBB) (hemoglobina, beta, Homo sapiens);

60 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:

61 Aparecerá todas as informações do gene HBB
- com a barra de rolagem da página, localizar as seguintes informações: Gene ( ): tamanho do gene em pb - mRNA join ( , , ) - CDS (sequência codificadora) join ( , , )

62 - no final da página está a sequência completa do gene com os números da posição de cada base

63 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);

64  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:

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66 2. Identifique os modelos de DNA abaixo: A-DNA, B-DNA e Z-DNA
2.  Identifique os modelos de DNA abaixo: A-DNA, B-DNA e Z-DNA . Caracterize e diferencie cada tipo. 1 2 3

67 3.      Conceitue o evento abaixo que ocorre durante o processamento do RNAm originando proteínas diferentes. Descreva 3 mecanismos para sua origem ou formação. 67