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

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

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.

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

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.

Estrutura Básica de um GENE

• REGIÃO CODIFICADORA: sequencia nucleotídica que codifica seu produto (proteína);

• SEQUENCIAS REGULADORAS: sequencias que flanqueiam regulando sua expressão;

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

• 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

• 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

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

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

COLINEARIDADE DOS GENES E SEUS PRODUTOS PROTÉICOS

ESTRUTURA DE UM GENE DE EUCARIOTO

Promotor Região Codificadora Sítio de PoliA

hnRNA

AAAAAAAAAA

mRNA

AAAAAAAAAA

Exon

Intron

DN

A

RN

A

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

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)

30% de identidade ao longo de 60% de sua seqüência

Homologia entre Genes Procarióticos

O QUE É GENOMA?

É o conjunto de genes de um organismo

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

Tamanho

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

Replicação Procarióticos

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

Densidade Genica Procariotos Uso de quase todo o genoma na codificação e na regulação

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

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

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

Promotor Regiões Codificadoras Terminador

OPERON

2 a 5 pb ~100 pb

OPERON

Ilhas genômicas

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

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

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

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