Organização Gênica dos Seres Vivos Genes e Genomas de Procariotos e Eucariotos Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc.

OS SERES VIVOS

OS SERES VIVOS Todo genoma (eucarioto ou procarioto) possui a função de servir como repositório replicativo da informação codificada pelo DNA que o constitui. Genomas procarióticos, contudo, são relativamente mais simples que genomas eucarióticos.

PROCARIOTO X EUCARIOTO Tamanho do genoma. Estrutura molecular. Distribuição de genes.

Streptomyces lividans Espiroquetas (Borrelia) CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Cromossomo único → dsDNA circular Replicon Exceções Lineares Streptomyces lividans Rhodococcus fasciens Espiroquetas (Borrelia)

Saccharomyces cerevisiae CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Tamanho do Genoma ~9,5x106pb Saccharomyces cerevisiae ~13x106pb Mycoplasma genitalium ~0,6x106pb Myxococcus xanthus

PROCARIOTO ◙ Cromossomo de E. coli Molécula de DNA fita dupla circular de 4,2 X 10³ pb. Por ser capaz de se auto-duplicar, o cromossomo bacteriano é considerado um replicon. Sua estrutura compacta dedica-se quase que exclusivamente à codificação de proteínas (genes estruturais).

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Superposição de genes Organização gênica que permite que uma mesma seqüência codifique duas proteínas diferentes. Fenômeno freqüente em vírus, bactérias e organelas celulares (mitocôndrias).

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Códon de Iniciação → (Start Codon) Alternativo.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Alteração do Quadro de Leitura.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Colinearidade Equivalência entre a seqüência nucleotídica do gene e a seqüência de aminoácidos da proteína. Eucariotos possuem interrupções em suas seqüências nucleotídicas.

3n nucleotídeos → n aminoácidos CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Colinearidade: Gene  Proteína 3n nucleotídeos → n aminoácidos

GENES → EUCARIOTO X PROCARIOTO 5’ 3’

GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Praticamente sem seqüências redundantes. Ausência de complemento diplóide. Genoma E. coli Colinearidade entre genes e produtos protéicos. Unidades genéticas acessórias. Quase todo genoma → codificação e regulação. Seqüências codificantes em ambas as fitas.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Organização dos genes em operons Genes que codificam produtos com funções relacionadas (componentes de uma mesma rota metabólica). Responsáveis pelo controle da expressão gênica. Mostram-se presentes apenas em procariotos. Seus produtos são regulados pela presença de substrato.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Unidades transcricionais policistrônicas (Operons). Regiões intercistrônicas → 1 a 30 pb (até 40 pb)

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Elementos genéticos móveis Todo genoma de procarioto está contido num único cromossomo. Exceção → elementos genéticos móveis.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Bacteriófagos. Plasmídeos. Transposons.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Plasmídeos Elementos extra-cromossomais com capacidade de replicação autônoma constituídos por uma molécula de DNA fita dupla circular. Sua seqüência nucleotídica tem pouca ou nenhuma homologia com o cromossomo da célula hospedeira (elemento estranho a bactéria). Conferem vantagens adaptativas às bactérias que os possuem. → produção de toxinas → produção de pilinas → produção de adesinas ■ Conferem resistência a múltiplos antibióticos (tornam problemático o tratamento quimioterápico de determinadas infecções.)

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Bacteriófagos Não possuem uma maquinaria própria (incapazes de se multiplicarem na ausência de um hospedeiro). Elementos extra-cromossomais que ganharam a capacidade de sintetizar um capsídeo protéico. Podem apresentar genomas de RNA, ssDNA circular ou dsDNA linear (colifagos). Virulentos → multiplicam-se dentro da célula hospedeira dando origem a outros que são liberados após a lise celular (ciclo lítico). Temperados → podem se integrar no genoma bacteriano (linhagem lisogênica), ou entrar em ciclo lítico.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Bacteriófagos → replicons potencialmente letais. ◙ Plasmídeos → replicons não letais (dentro de suas células hospedeiras). Etapas da infecção → colisão, adsorção e injeção do ácido nucléico. Ciclo lítico → O genoma do fago é expressado. Proteínas estruturais são sintetizadas e o genoma viral é encapsidado (produção de novas partículas virais). Ciclo lisogênico → O genoma do fago se integra, por recombinação, no genoma bacteriano. O genoma do fago pode eventualmente ser liberado (sendo capaz de iniciar um ciclo lítico). # Lisógena → Bactéria que carrega uma cópia do genoma viral integrada ao seu cromossomo.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Transposons → seqüências de DNA inseridas em novos sítios genômicos (catalisadas a partir de enzimas específicas - transponsases). → envolvem processos de recombinação e replicação gerando 2 novas cópias do elemento genético transponível original. # uma que permanece no sítio parental. # outra que aparece num determinado sítio alvo. Alteração da integridade de seus sítios-alvo. ativação de genes inativos deleções, inversões e fusões cromossômicas * Conferem significativa plasticidade genética nos genomas que as possuem.

CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO ◙ Classificação Transposons simples (IS)→ carregam apenas a informação genética essencial para a transposição. Transposons complexos → carregam, também, informações não relacionadas a transposição . # resistência a antibióticos # capacidade de movimentação entre bactérias

Streptomyces lividans Espiroquetas (Borrelia) CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Cromossomo único → dsDNA circular Replicon Exceções Lineares Streptomyces lividans Rhodococcus fasciens Espiroquetas (Borrelia)

Saccharomyces cerevisiae CARACTERÍSTICAS → PROCARIOTO Tamanho do Genoma ~9,5x106pb Saccharomyces cerevisiae ~13x106pb Mycoplasma genitalium ~0,6x106pb Myxococcus xanthus

PROCARIOTO X EUCARIOTO 97% dos genes são de regulação. 3% São seqüências não codantes (inter-espaçadores gênicos). → cópia única (0 – 30 pb)

GENOMA → EUCARIOTO X PROCARIOTO

PROCARIOTO X EUCARIOTO

COMPARAÇÕES → EUCARIOTO Número de Genes

Genes não interrompidos X interrompidos COMPARAÇÕES → EUCARIOTO Genes não interrompidos X interrompidos

COMPARAÇÕES → EUCARIOTO Tamanho dos genes em kb

PARADOXO DO VALOR DE “C”

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Existência de múltiplas cópias de algumas seqüências. Presença de complemento diplóide. Abundância de seqüências redundantes. Quase todo genoma: não codificação e regulação. Seqüências codificantes em apenas uma das fitas. Raramente apresenta unidades genéticas acessórias.

3n nucleotídeos  n aminoácidos CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Não há Colinearidade: Gene  Proteína 3n nucleotídeos  n aminoácidos

Caenorhabditis elegans CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Não há Operons. Exceção Caenorhabditis elegans Nematódeo: 25% dos genes

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO DNA de cópia única (45%). DNA Moderadamente Repetitivo (30%). DNA Altamente Repetitivo (25%).

GENOMA NUCLEAR HUMANO Características dsDNA. Genoma Linear. 23 cópias (46 Cromossomos).

GENOMA DE ORGANELAS Características dsDNA. Genoma Circular. Várias cópias por organela.

moderadamente repetitivas GENOMA HUMANO Genoma Humano Genoma Nuclear 3300Mb 30.000 - 50.000 genes Genoma Mitocondrial 16,6kb 37 genes Dois genes de rRNA 22 genes de tRNA 13 genes codificadores de polipeptídeos Genes e seqüências gene-relacionadas DNA extragênico codificador DNA não- Pseudogenes Fragmentos de genes Íntrons, se- qüências não- traduzidas etc. Único ou baixo número de cópias Moderado a altamente repetitivo Repetido em tandem ou repe- tições agrupadas Repetições dispersas Únicas ou moderadamente repetitivas ~25% ~75% ~10% ~90% ~60% ~40%

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias Funcionalmente Similares Relacionados mas não idênticos → Globina

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias gênicas codificadoras de RNA Genes de rRNA → 5 agrupamentos de 50 repetições em tandem. Genes de Trna → grande família dispersa (40 subfamílias). Genes de snRNA → grande família dispersa.

CARACTERÍSTICAS → EUCARIOTO Famílias Funcionalmente Idênticas → Histonas Replicação dependente → restrito a fase S. Replicação independente → nível basal em todo CC. Replicação tecido-específico. H1

CONCLUSÃO Existem diferenças significativas entre genomas procariotos e eucariotos. Procariotos → genomas pequenos, circulares, poucos genes, operons e unidades genéticas acessórias. Eucariotos → genomas grandes, lineares, muitos genes, sem operons e sem unidades genéticas acessórias. Eucariotos apresentam genomas mais complexos que os procariotos.