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Genes e Genomas Procarióticos
Universidade Federal de Pelotas
CDTec - Graduação em Biotecnologia
Disciplina de Biologia Molecular
Priscila M. M. de Leon Dra., Médica Veterinária
Profa, PNDP Biotecnologia/UFPel
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Revisando...
Diferenças entre Procariotos x Eucariotos
Estrutura do DNA
Base nitrogenadada + pentose Nucleosídeo
Base nitrogenada + pentose + fosfato Nucleotídeo
Polímero de nucleotídeos Ácido Nucleico
Supertorção
Desnaturação x Renaturação
Compactação de DNA procarioto
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Carl Woese, 1990: seres vivos celulares são divididos em 3 domínios
Sistemas de classificação recentes
Prokarya
Diferenças genéticas e bioquímicas
Prokarya: organismos unicelulares que não possuem organelas , chamados de Procariotos.
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RNA ribossomal
Constituição da parede celular: arquea – polissacarídeos e proteínas bactérias - peptideoglicanos
Sensibilidade a antibióticos
ARCHAEA x BACTERIA
X
Organização e funcionamento gênico: arquea – mais semelhante eucariotos bactérias - distintas
Ambiente: arquea – condições extremas e outras bactérias – diversos e novos habitats
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O QUE É UM GENE?
• Segmento do DNA que inclui toda sequência nucleotídica necessária e suficiente para a síntese de um polipeptídeo (proteína) ou de uma molécula de RNA estável.
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Estrutura Básica de um GENE
• REGIÃO CODIFICADORA: sequencia nucleotídica que codifica seu produto (proteína);
• SEQUENCIAS REGULADORAS: sequencias que flanqueiam regulando sua expressão;
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Expressão de um GENE
• Expressão de um Gene inclui:
• Sua transcrição em um mRNA
• Tradução do transcrito em um cadeia polipeptídica
* Genes que codificam tRNAs e rRNAs são transcitos e não traduzidos
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• A transcrição, processo de síntese de RNA, progride no sentido 5’ para 3’;
• FITA CODIFICADORA (5’-3’) – sequencia estará representada no RNA
• FITA MOLDE (3’-5’) – serve de molde para a síntese de RNA
RNA transcrito → complementar a fita molde, orientação 5’ – 3’
Orientação de um GENE
5’
3’
5’ Fita Molde
Fita Codificadora 3’
RNA transcrito:
Complementar a fita molde
igual a fita codificadora
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• Promotor: sítio de ligação da RNA Polimerase
• Terminador: sequência nucleotídica que determina o desligamento da RNA Polimerase
• RBS: sítio de ligação do ribossomo • UTR: regiões 5’ e 3’ não traduzidas (untranslated region)
Estrutura Básica de um Gene Procariótico
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Sequencias reguladoras da transcrição em procariotos:
• Promotor: sítio no DNA onde a RNA Polimerase se liga
• situado na região flanqueadora 5’
• a montante da região codificadora
• RNA polimerase é a enzima responsável pela transcrição do gene
• Terminador: sequência nucleotídica que determina o desligamento da RNA Polimerase da fita molde e o término da transcrição
• situada na região flanqueadora 3’
• a jusante da região codificadora;
Estrutura Básica de um Gene Procariótico
* RNA polimerase é a enzima responsável pela transcrição do gene
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Características de um Gene Procariótico
• Colinearidade: característica típica de genes procariotos;
– Exata correspondência entre a sequencia nulceotídica da região codificadora do gene (DNA) e a sequencia de aminoácidos da cadeia polipeptídica/rRNa/tRNA;
– Cada códon de três nulceotídeos codifica para um aminoácido.
N de aminoácidos = 3N de pares de base
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COLINEARIDADE DOS GENES E SEUS PRODUTOS PROTÉICOS
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ESTRUTURA DE UM GENE DE EUCARIOTO
Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA
hnRNA
AAAAAAAAAA
mRNA
AAAAAAAAAA
Exon
Intron
DN
A
RN
A
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Tamanho de um Gene Procariótico
• Tamanho de um gene → vinculado ao número e a extensão das sequencias nulceotídicas que compõem as regiões reguladoras e a extensão da região codificadora;
Menor variação em Procariotos comparado a Eucariotos
TAMANHO = Regiões reguladoras + Região codificadora (tamanho do produto)
5-10% → ~20 pb 95—90% →~100 – 10.000 pb
Exemplo: Escherichia coli • Tamanho médio das Regiões Codificadoras: 951pb – 317 aa • Total de genes: 4.300 • Região Codificadora mais longa: 7.149pb – 2.383 aa • 381 genes com menos de 300pb – 100 aa
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Homologia entre Genes Procarióticos
• Homologia: similaridades observadas entre sequencias nulceotidicas em muitos genes Procariotos;
• Genes que possuem ao menos 30% de identidade em suas sequencias ao longo de pelo menos 60% de sua extensão
– Decorrente de processos evolutivos
– Origem evolutiva comum = sequencias nulceotídicas homólogas (parcial ou total)
• GENES PARÁLOGOS: decorrente de duplicação de uma região cromossômica gerando dois genes homólogos;
• PSEUDOGENE: cópia gerada na duplicação que perde sua funcionalidade;
• ORTÓLOGOS: quando a homologia entre dois genes é um evento de especiação (surgimento de nova espécie);
• XENÓLOGOS: genes ortólogos adquiridos por eventos de transferência gênica horizontal (Conjugação/Transformação/transdução)
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30% de identidade ao longo de 60% de sua seqüência
Homologia entre Genes Procarióticos
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O QUE É GENOMA?
É o conjunto de genes de um organismo
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Genomas Procarióticos • Variam de tamanho entre: 150.000 pb (150kb) a 13.000.000 (13Mb)
– Bactérias: 2 a 5 Mb
• Espécies de um mesmo filo podem variar em até 10 vezes
– Arqueas: 2 Mb
• Variação entre espécies de um mesmo filo é mais restrita
* Tamanho do Genoma de Procariotos é potencialmente plástico (variando ao longo da evolução)
• Genoma Mínimo: menor genoma capaz de abrigar o número necessários de genes para a sobrevivência de um ser celular • deve pertencer a um organismo procariótico • Espécies de vida livre → ambientes variáveis , portanto necessitam de
um maior número de genes Buchnera aphidicola: 422 kb - 362 proteínas C. rudii: 159kb Sulcia muelleri: 245kb
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Tamanho
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Cromossomos Procarióticos • Genomas Procarióticos são constituidos por DNA de fita dupla
• Maioria dos procariotos possuem um ÚNICO CROMOSSOMO
Molécula de DNA de fita dupla CIRCULAR covalentemente fechada
• Espécies com GENOMA MULTIMOLECULAR:
Moléculas de DNA maiores → Genes ESSENCIAIS → CROMOSSOMOS
Moléculas de DNA menores → PLASMÍDEOS
* Plasmídeos são considerados como parte do genoma
Replicons – Unidades de Replicação
Aspecto estrutural que define genomas Procariotos x Eucariotos
Organização dos cromossomos em unidades de replicação
Segmentos cromossômicos que replicam a partir de uma origem de replicação
Cromossomo Bacteriano possui uma origem de replicação → 1 REPLICON
Arqueas uma, duas ou três origens de replicação → 1, 2 ou 3 REPLICONS
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Replicação Procarióticos
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Densidade Genica Procariotos • Genomas Procariotos apresentam alta densidade genica
– Fatores que contribuem:
• Tamanho reduzido do genoma;
• Extensão das regiões codificadoras e reguladoras ;
• Número de genes por genoma;
• Extensão das regiões intergênicas (2-5 pb a 100pb)
DENSIDADE GÊNICA:
0,9 A 1,1 genes a cada 1.000pb
Aproximadamente 1 gene/1 kb
Bactérias: 0,9 gene/1 kb
Arqueas: tendem a ser mais compactos – 1,1 gene/ 1 kb
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Densidade Genica Procariotos Uso de quase todo o genoma na codificação e na regulação
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Uma cópia de cada gene
Várias cópias apenas do rDNA (DNA que codifica para o
rRNA)
Sobreposição de genes
Densidade Genica Procariotos Uso de quase todo o genoma na codificação e na regulação
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Unidades Organizacional de Genomas Procariotos
• Motivos – sequencias nucleotídicas curtas que são unidades formadoras de repetição, podem estar dispersas ou agrupadas no genoma, com função estrutural ou de recombinação gênica;
• Repetição – sequencias repetidas; abundantes em eucariotos (50%) e também presente em procariotos (2%); em geral menos de 10kb; aleatórias ou em arranjos em tandem;
• Genes – repertório de genes para suprir sobrevivência do organismo; 20-35% dos genes linhagem-específicos;
• Óperon – unidade funcional do genoma, onde duas ou mais regiões codificadoras ocupam posições adjacentes e são controladas por uma mesma região reguladora;
• Domínios e Macrodomínios – regiões extensas definidas por interações entre proteínas cromatínicas e por superenrolamento
• Ilhas Gênicas – segmentos do genoma que diferem do restante, variam de 10 a 200 kb; como conteúdo de CG; asso ciadas a elementos genéticos móveis como bacteriófagos – Ilhas de patogenicidade
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OPERON
• Os produtos de um OPERON podem ser funcionalmente relacionados;
• Otimização da maquinaria reguladora da célula;
• Economia de espaço na DNA;
• Organização em operon presente em Arqueas e Bactérias
• As diferentes regiões codificadoras presentes em um mesmo operon são COTRANSCRITAS em um mesmo RNA - POLICISTRÔNICO
– Cístron – equivalente a um gene
– Região Intercistrônica – sequencia entre regiões codificadoras
E. Coli k12 – 700 óperons, com 3 a 4 sequencias codoficadoras/óperon
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Promotor Regiões Codificadoras Terminador
OPERON
2 a 5 pb ~100 pb
OPERON
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Ilhas genômicas
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Conteúdo G+C
• Fração de nucleotídeos Guanina e Citosina que apresenta o genoma;
• Que é complementar ao conteúdo de Guanina e Timina
• Em procariotos varia de 22,5% a 72,1%
• Variável de acordo ao ambiente e tamanho do genoma
GC (%) = (G+C) x 100 A+T+C+G
Sequencias de origem de replicação e promotoras das transcrição menos GC
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Orientação e localização de genes em relação à origem e ao sentido da replicação
Tendência gênica da fita - muitos genes coorientados no sentido da replicação
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Dinâmica evolutiva dos genomas procarióticos
Altamente proliferativos
Expostos a condições ambientais variáveis
Variabilidade genética
Rápida evolução
Plasticidade genômica
Sintenia tende a diminuir de forma proporcional ao grau de divergência evolutiva entre as espécies
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Processos evolutivos
Processos inovadores
Processos que determinam perdas
• Duplicação seguida de divergência • Transferência gênica horizontal • Fusão de replicons
• Seleção purificadora • Simplificação genômica • Degradação genômica
Procariotos possuem diversos mecanismos moleculares que proporciona a variabilidade genética
Introduzem inovações no genoma, como aquisição de nova sequencia ou reorganização estrutural
Processos que levam a preda de sequencias