Organização e Evolução de Genomas

Organizao e Evoluo de Genomas

Juliana de Oliveira

Roteiro

Dogmas: central e perifrico

Genomas e proteomas

Espionando a transmisso da informao gentica

Selecionando genes e genomas

Genomas de procariotos

Genomas de eucariotos

O genoma do Homo sapiens

Polimorfismos de um nico nucleotdeo (SNPs)

Diversidade gentica na antropologia

Evoluo de genomas


O arquivo de informaes em cada organismo o material gentico

A replicao quase perfeita do DNA essencial para estabilidade da herdabilidade As imperfeies tambm so necessrias, gerando

informaes evolutivas

A implementao da informao gentica ocorre inicialmente com a sntese de RNA e protenas


O cdigo gentico de fato uma codificao

Tripletos de letras sucessivas da sequncia do DNA especificam aminocidos consecutivos

Poro de sequncias de DNA codificam sequncias de aminocidos de protenas

Protenas so compostas de 200 a 400 aminocidos, o que exige de 600 a 1.200 letras de mensagens de DNA expresso para especific-las

RNA ribossomal tambm determinado pelo DNA


Nem todo DNA expresso em protenas ou RNA estrutural

Muitos genes a serem transcritos apresentam sequncias chamadas ntrons (sequncias no traduzidas)

Algumas regies do DNA atuam como mecanismos de controle

Uma poro substancial do genoma dos organismos superiores aparenta ser suprflua (ainda no compreendemos sua funo)


Nomenclatura e estrutura molecular

Os quatro nucleotdeos de ocorrncia natural no DNA (RNA)

a adenina

g guanina

c citosina

t timina

(u uracila)

1. As molculas de DNA so quimicamente similares, e a estrutura do DNA uniforme (embora algumas interaes DNA protena causam distores na estrutura do DNA

2. Protenas e RNAs estruturais apresentam ampla variedade de conformaes tridimensional, necessrias para garantir o desempenho de diversos papis funcionais


Aminocidos

No-polares G glicina (Gli)

I isoleucina (Ile)

A alanina (Ala)

P prolina (Pro)

V valina (Val)

L leucina (Leu)

F fenilalanina (Phe)

M metionina (Met)

Polares S serina (Ser) C cistena (Cis) T treonina (ter) N asparigina

(Asn) Q glutamina

(Gln) H histidina (His) Y tirosina (Tir) W triptofano

(Trp)

Carregados D c. Asprtico

(Asp) E c. Glutmico

(Glu) K lisina (Lis) R arginina (Arg)


ttt Phe

ttc Phe

tta Leu

ttg Leu

tct Ser

tcc Ser

tca Ser

tcg Ser

tat Tir

tac Tir

taa Parada

tag Parada

tgt Cis

tgc Cis

tga Parada

tgg Trp

ctt Leu

ctc Leu

cta Leu

ctg Leu

cct Pro

ccc Pro

cca Pro

ccg Pro

cat His

cac His

caa Gln

cag Gln

cgt Arg

cgc Arg

cga Arg

cgg Arg

att Ile

atc Ile

ata Ile

atg Met

act Tre

acc Tre

aca Tre

acg Tre

aat Asn

aac Asn

aaa Lis

aag Lis

agt Ser

agc Ser

aga Arg

agg Arg

gtt Val

gtc Val

gta Val

gtg Val

gct Ala

gcc Ala

gca Ala

gcg Ala

gat Asp

gac Asp

gaa Glu

gag Glu

ggt Gli

ggc Gli

gga Gli

ggg Gli

O cdigo gentico padro


Nomenclatura dos aminocidos Histidina, fenilalanina, tirosina e triptofano so

aromticos e desempenham papis estruturais especiais em protenas de membrana

Os nomes dos aminocidos so abreviados com as suas trs primeiras letras Exceto: isoleucina (Ile), asparagina (Asn), glutamina (Gln),

triptofano (Trp), selenocsteina (Sec)

Conveno: escreve-se nucleotdeos com letras minsculas (atg = adenina-timina-

guanina) Aminocidos em letras maisculas (ATG = alanina-treonina-

glicina)


A sequncia de aminocidos de uma protena determina sua estrutura tridimensional

Para cada sequncia de aminocidos natural, h um nico estado nativo estvel, o qual sob condies adequadas estabelecida sem alteraes

Para leitura de uma protena preciso desenovelar em uma estrutura desordenada e inativa

Quando as condies normais so restauradas, as molculas de protenas geralmente reassumem a sua estrutura nativa

As funes das protenas dependem de elas adotarem a estrutura tridimensional do seu estado nativo


O enovelamento espontneo de protenas para formar seu estado nativo o ponto em que a natureza realiza o grande salto do mundo unidimensional em sequncias dos genes e sequncias de protenas para o mundo tridimensional em que vivemos

Paradoxo

A traduo de sequncias de DNA em sequncias de aminocidos muito simples de descrever de maneira lgica cdigo gentico


O enovelamento de uma cadeia polipeptdica em uma estrutura tridimensional precisa muito difcil de explicar de maneira lgica

A traduo exige mecanismos moleculares complicados do ribossomos, dos tRNAs e molculas associadas

Entretanto, o enovelamento ocorre espontaneamente


Caractersticas dos aminocidos

Dependem dos componentes de suas cadeias laterais, fazem com que possam ser reunidos em grupos especficos, como hidrofbicos, hidroflicos, aromticos, alifticos, entre outros

Um somatrio de caractersticas, como grau de hidrofobicidade, presena de enxofre, tamanho, determinam que tipo de estrutura secundria, terciria e quaternria uma determinada sequncia de aminocidos ir formar

Sequncias contendo vrias diferenas em relao aos aminocidos, podem formar protenas semelhantes, bastando conter aminocidos com caractersticas semelhantes em posio anlogas nas sequncias


Paradigma molecular

A sequncia de DNA determina a sequncia de protena

A sequncia de protena determina a estrutura da protena

A estrutura da protena determina a funo da protena

Mecanismos reguladores, incluindo mas no limitado ao controle de padres de expresso, fornecem as quantidades corretas das funes corretas, nos momentos e nos locais corretos


Grande parte da atividade organizada da bioinformtica est focalizada na analise de dados relacionados a esses processos do paradigma

Esse paradigma no inclui nveis maiores do que o da estrutura e organizao molecular

Genomas e proteomas

O Projeto Genoma um trabalho que visa desvendar o cdigo gentico de um organismo (animal, vegetal, fungos, bactrias ou vrus) atravs do seu mapeamento

O genoma de uma bactria se apresenta como uma nica molcula de DNA

O DNA de organismos superiores est organizado em cromossomos

Clulas humanas contm 23 pares de cromossomos

Genomas e proteomas

A quantidade total de informao gentica por clula, ou seja, a sequncia de nucleotdeos de DNA, aproximadamente constante para todos os membros de uma espcie, mas varia bastante entre espcies

Genomas e proteomas

Organismo Nmero de pares de bases

Nmero de genes Comentrio

X-174 5.386 10 Vrus que infecta E. coli

H. influenzae 1.830.138 1.738 Bactria causadora de infeces do ouvido mdio

E. coli 4.639.221 4.377 Organismo predileto dos bilogos moleculares

C. elegans 103.006.709 20.598 Verme

D. melanogaster 128.343.463 13.525 Mosca-das-frutas

Humanos 3.223 x 106 36000?

Trigo 16 x 109 30.000

Tamanhos de alguns genomas

Genomas e proteomas

Nem todo o DNA codifica protenas

Alguns genes existe em mltiplas cpias

A quantidade de informao sobre sequncias de protenas em uma clula no pode ser facilmente estimada a partir do tamanho do genoma

Um gene que codifica uma determinada protena corresponde a uma sequncia de nucleotdeos ao longo de uma ou mais regies de uma molcula de DNA

Genomas e proteomas

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/gene_to_protein.php

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/gene_to_protein.php

Genomas e proteomas

O gene seria definido ento como um segmento do DNA contendo o cdigo para uma determinada protena

J se sabia antes de completado o genoma, que seus elementos significativos ou regio codificadora (xons) aparecem interrompidos na longa cadeia de DNA por sequncias aparentemente inteis ou no codificadoras (ntrons)

O cdigo para a fabricao da protena s ser montado na hora, num processo conhecido como unio (splice)

Genomas e proteomas

Genomas e proteomas

O controle da informao organiza a expresso de genes

Mecanismos de controle podem ligar ou desligar genes

Muitas regies do DNA esto localizadas prximas a segmentos de DNA que codificam protenas

Que contm sequncias sinalizadoras que servem de stio de ligao para as molculas reguladoras que podem bloquear a transcrio

Genomas e proteomas

O Projeto proteoma um programa em larga escala que lida de forma integral com o padres de expresso de protenas em sistemas biolgicos, de modo complementar e suplementar aos projetos genoma

O objetivo principal a descrio espao-temporal da distribuio de protenas no organismo

Genomas e proteomas

O sequenciamento dos aminocidos das protenas pode ser realizado

A partir da traduo do DNA Uma protena inferida a partir da sequncia de um genoma

apenas um objeto hipottico at que experimentos comprovem a sua existncia

Diretamente a partir do sequenciamento de protenas


Como a informao hereditria armazenada, transmitida e implementada talvez seja o problema fundamental da biologia

Existem trs tipos essenciais de mapas

Mapas de ligaes de genes

Padres de bandeamento de cromossomos

Sequncias de DNA

Esses mapas representam tipos bastante diferentes de dados


Mapas de ligaes de genes

determinado classicamente pela observao de padres de hereditariedade

Mapas de padres de bandeamento de cromossomos

Os cromossomos so objetos fsicos

Padres de bandas so suas caractersticas visveis


A sequncia de DNA

Fisicamente, constitui-se da sequncia de nucleotdeos em uma molcula

Computacionalmente, um conjunto de caracteres A, T, G e C

Os genes so regies da sequncia, em muitos casos, interrompida por regies no-codificadoras


Fazer conexes entre esses trs tipos de dados foi a grande conquista da biologia do sculo passado

As relaes entre cromossomos, genes e sequncias de DNA foram essenciais na identificao das deficincias moleculares responsveis pelas doenas hereditrias

O sequenciamento do genoma humano modificou esta situao


Dada uma doena ocasionada por uma protena defeituosa Se soubermos qual a protena envolvida, podemos

desenvolver terapias por meio de mtodos racionais

Se soubermos qual o gene envolvido, podemos desenvolver testes para identificar indivduos doentes e portadores

Em muitos casos, o conhecimento da localizao cromossmica do gene no necessrio para a terapia nem para a deteco necessrio apenas para a identificao do gene, criando uma

ponte entre os padres de hereditariedade e a sequncia de DNA

Selecionando genes em genomas

Programas de computadores para a anlise de genomas identificam fases de leitura aberta ou ORFs (open reading frame)

Uma ORF uma regio da sequncia de DNA que comea com um cdon iniciador (ATG) e termina com um cdon de parada

Uma ORF uma regio codificadora de protena em potencial


Tcnicas para a identificao de regies codificadoras de protenas combinam ou escolhem entre duas abordagens possveis

Deteco de regies similares a regies codificadoras conhecidas de outros organismos

Mtodos ab initio (deste o incio) que procuram identificar genes a partir de propriedades intrnsecas das sequncias de DNA


O NCBI mantm um programa de busca de ORFs

O Finder ORF (Open Reading Frame Finder) uma ferramenta de anlise grfica que encontra todos os quadros de leitura aberta de um tamanho mnimo selecionvel em sequncia de um usurio ou em uma sequncia j no banco de dados

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html

Sequncia pesquisada Gene da fibrose cstica CFTR (cystic fibrosis transmembrane

conductance regulator

Gene ID: 1080

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.htmlhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html


A maioria das clulas procariticas contm seu material gentico na forma de uma nica molcula de DNA dupla fita circular grande

As regies codificadoras de protenas nos genomas bacterianos no contm ntrons

Em muitos genomas procariticos, tais regies esto parcialmente organizadas em perons genes adjacentes que so transcritos em uma nica molcula de mRNA, sob o controle transcricional


Em bactrias, os genes de muitos perons codificam protenas com funes correlatas

Um genoma procaritico tpico contm apenas uma quantidade relativamente pequena de DNA no-codificador

Exemplos Mycoplasma genitalium (NC_000908.2) (1995)

0,58x106pb, 524 genes e 475 protenas

Methanococcus jannaschii (NC_000909.1) (1996) 1,74x106pb, 1.823 genes e 1.771 protenas

Escherichia coli K-12 MG1655 (NC_000913.2) (1997) 4,64x106pb, 4.496 genes e 4.146 protenas Gene ID: 3654480


Em clulas eucariticas, a maior parte do DNA est no ncleo, separado em feixes de nucleoprotenas, os cromossomos

Cada cromossomo contm uma nica molcula de DNA fita dupla

Quantidades menores de DNA so observadas em organelas mitocndrias e cloroplastos


As espcies eucariticas variam quanto ao

Contedo de DNA

Ao nmero de cromossomos

Distribuio de genes entre eles

Exemplo

Os humanos possuem 23 pares de cromossomos e os chimpanzs tm 24

O cromossomo 2 humano corresponde a uma fuso dos cromossomos 12 e 13 dos chimpanzs


Exemplos

Saccharomyces cerevisiae (fermento de padeiro) (1996) 16 cromossomos, 12,16x106pb, 6.352 genes e 5907 protenas

Caenorhabditis elegans (verme) (1998) 6 cromossomos, 100,28x106pb, 21.187 genes e 23.906 protenas

Drosophila melanogaster (mosca-das-frutas) (1999) 6 cromossomos, 149,78x106pb, 15.581 genes e 24.161 protenas

Arabidopsis thaliana (planta florfera) (2000) 5 cromossomos, 119,67x106pb, 33.583 genes e 35.378 protenas


Homo sapiens (homem) (2003)

22 pares de cromossomos, mais os cromossomos X e Y,

3.095,69x106pb

36.073 genes

32.143 protenas


A anlise do repertrio de protenas humanas derivadas de sequncia do genoma tem se mostrado bastante complicada pelos problemas de confiabilidade na deteco de genes

Principais categorias de protenas, em uma classificao funcional, num total de 39 classes (subclasses), totalizando 15.683 protenas Ligao a cido nuclicos (2.207) Enzima (3.242) Transduo de sinal (1.790) Protena estrutural (714) Transporte (682) Supressor de tumor (5) No classificadas (4.813)


Uma classificao baseada na estrutura revelou os tipos mais comuns de protenas num total de 30 tipos

Imunoglobulina e domnio do complexo de histocompatibilidade principal (591)

Dedo de zinco tipo C2H2 (499)

Protena cnase eucaritica (459)

Superfamlia GPCR tipo rodopsina (346)

Stio ativo da famlia de protenas serina/treonina cnase (285)


Sequncias de repeties compreendem mais de 50% do genoma

Elementos de transposio, ou repeties intercaladas

Psedogenes retropostos (cpias danificadas no-funcionais de genes)

Simples repeties de pequenos oligmeros (fragmentos curtos de DNA)

Duplicao de segmentos de blocos de ~10 a ~300 kpb


Genes de RNA no genoma humano incluem:

497 genes de RNA transportador

Genes de RNAs ribossomais

RNAs nucleolares

snRNAs (RNAs pequenos)


Um polimorfismo de um nico nucleotdeo ou SNP uma variao gentica entre indivduos, limitada a um nico par de bases, o qual pode ser substitudo, inserido ou removido

Os SNPs esto distribudos ao longo de todo o genoma, ocorrendo em mdia a cada 5.000 pb

Muitos dos SNPs se encontram em regies no-funcionais do genoma

Exemplo Anemia falciforme (mutao AT) Os alelos A, B e O dos genes para os tipos sanguneos


Tratamentos de doenas causadas por protenas defeituosas ou ausentes incluem Proviso da protena funcional

Ajuste ao estilo de vida que tornem a protena desnecessria

Terapia gnica para a substituio da protena ausente ou mutante


Antropologia a cincia que tem como objeto o estudo sobre o homem e a humanidade de maneira totalizante, ou seja, abrangendo todas as suas dimenses

As informaes obtidas com os SNPs so de grande utilidade na antropologia, fornecendo dados sobre variaes histricas no tamanho da populao e padres de migrao


Os graus de diversidade gentica so interpretveis em termos do tamanho da populao fundadora

Fundadores so o conjunto original de indivduos dos quais uma populao inteira descende

Exemplo Extrapolaes da variao do DNA mitocondrial ( um organelo,

notavelmente mvel e plstico, presente no citoplasma de clulas eucariticas - O contedo mitocondrial das nossas clulas herdado apenas por via materna) do homem contemporneo sugerem um nico ancestral materno, o qual viveu entre 14.000 e 200.000 anos atrs


Os SNPs especficos de uma populao podem fornecer informaes sobre migraes

Sequncias mitocondriais fornecem informaes sobre ancestrais femininos e sequncias do cromossomo Y fornecem informaes sobre ancestrais masculinos

Exemplo Foi sugerido que a populao da Islndia descende de homens

oriundos da Escandinvia e de mulheres oriundas tanto da Escandinvia quanto das Ilhas Britnicas

O que se comprovou atravs de escritos medievais islandeses


Na descoberta de populaes isoladas, a gentica antropolgica fornece informaes teis na medicina, pois o mapeamento de genes relacionados com doenas se torna fcil se as variaes espontneas forem baixas

Populaes europeias geneticamente isoladas: bascos, finlandeses, islandeses, galeses e lapes


Variaes em nossa sequncia de DNA nos conferem marcas individuais, como se fosse uma impresso digital gentica

Nossas sequncias de DNA mitocondrial so geneticamente idnticas (homoplasmia)

Porm alguns indivduos contm mitocndrias com sequncias diferentes de DNA (heteroplasmia)

O que pode contribuir para a identificao pessoal


Anlise gentica animal os recursos animais so um aspecto integral e essencial da cultura humana

Anlises das sequncias de DNA esclareceram alguns aspectos do seu desenvolvimento histrico e das variedades genticas que caracterizam as populaes modernas Exemplo

Anlises de sequncias de DNA mitocondrial do gado europeu, africano e asitico sugerem que todas as raas europeias e africanas esto mais relacionadas entre si do que cada uma delas com as raas indianas e que estes dois grupos divergiram h cerca de 200.000 anos

Evoluo de genomas

A disponibilidade de informaes completas sobre sequncias de genomas alterou o rumo das pesquisas

Um desafio comum na anlise de genomas identificar algum evento interessante

A genmica comparativa uma nova rea de pesquisa que lida com questes tais como

Quais genes so compartilhados por filos diferentes?

Quais protenas homlogas so compartilhadas por filos diferentes?

Quais funes bioqumicas so compartilhadas por diferentes filos?

Evoluo de genomas

Pesquisas da genmica comparativa entre trs espcies (H. influenzae (bactria), M. jannaschii (arqueobactria) e S. crerevisiae (levedura)) levaram a uma lista de classes de funes gerais e a responderem a pergunta existem protenas comuns com funes comuns? Sim existem

E anlises das funes compartilhadas pelos trs domnios levaram os cientistas a se perguntarem se seria possvel definir um organismo mnimo Isto , um organismo com o menor genoma possvel que fosse

consistente com uma forma de vida independente e baseada no dogma central DNARNAprotena (ou seja, excluindo-se as formas de vida livres de protenas e baseadas apenas em RNA)

Evoluo de genomas

Concluses A viabilidade de um organismo com estas protenas no foi

demonstrada

Mas a pesquisa identificou uma srie de funes necessariamente comuns a todas as formas de vida

O que levou a uma questo At que ponto diferentes formas de vida desempenham essas funes

da mesma maneira?

O desafio continua sendo o de mapear funes comuns e protenas comuns Ou seja, um conjunto de protenas comuns executa um conjunto

de funes comuns?

Evoluo de genomas

A evoluo explorou, em propores variadas, o vasto potencial das protenas para diferentes tipos de funes

Esta variao foi mais conservadora na rea de sntese de protenas

Evoluo de genomas

Ainda na genmica comparativa, mas de eucariotos

A comparao dos genomas de levedura, mosca, verme e do homem revelou 1.308 grupos de protenas que so comuns aos quatro organismos

Esses grupos formam um conjunto central de protenas conservadas para funes bsicas, incluindo metabolismo, replicao e reparo do DNA e traduo

Evoluo de genomas

A duplicao gnica seguida de divergncia um mecanismo de criao de famlias de protenas

Exemplo Existem 906 genes e pseudogenes para receptores olfativos no

genoma humano

Foram encontrados homlogos em levedura e outros fungos

Mas a necessidade dos vertebrados de terem um olfato altamente desenvolvido que levou esta famlia de genes a este nvel de multiplicao e especializao

Evoluo de genomas

Outra rea de pesquisa a transmisso horizontal de genes

Em geral, a transferncia horizontal de genes a aquisio de material gentico de um organismo por outro organismo, por meios naturais e no por procedimentos, atravs de mecanismos que no incluam a descendncia direta durante a replicao ou reproduo

Evoluo de genomas

Evidncias de transferncia horizontal incluem

Discrepncias entre rvores evolucionrias construdas a partir de genes diferentes

Comparaes diretas entre genes de espcies distintas

Exemplo

Pelo menos oito genes humanos so observados no genoma M. tuberculosis

Referncias

LESK, A. M. Introduo a Bioinformtica. 2 Ed. Porto Alegre: Editora Artmed, 2008 GIBAS, C., JAMBECK, P., Desenvolvendo Bioinformtica. Rio de Janeiro: Campus,

2001 NCBI. National Center for Biotechnology Information. Disponvel em:

. Acesso em: 09 Ago. 2012 BLAST. Basic Local Alignment Search Tool. Disponvel em:

. Acesso em: 09 Ago. 2012

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Organização e Evolução de Genomas