Bases da biologia molecular: de genes a genomas

(1)

Cesar Martins

(cmartins@ibb.unesp.br) Departamento de Morfologia

Instituto de Biociências , UNESP Universidade Estadual Paulista Botucatu, SP

Bases da

biologia molecular:

de genes a genomas

O genoma e sua história

Macromoléculas em foco

1800-1900: Proteínas eram consideradas as moléculas mais

significantes da célula, antes dos adventos da genética;

Proteína: de primeira importância

1940-2000: Avanços em genética e genômica: DNA no foco

das discussões;

2000-2005: Proteínas em foco;

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Genoma

Termo cunhado em 1920 por Hans Winkler: conjugação de

gene e cromossomo ou gene e ome (unidades)

Winkler escreveu

em traduação grosseira do alemão para o inglês...

I propose the expression Genome for the haploid chromosome

set, which, together with the pertinent protoplasm, specifies the

material foundations of the species...

W inkler H (1920). Verbreitung und Ursache der Parthenogenesis im Pflanzen- und Tierreiche. Verlag Fischer, Jena.

Lederberg & McCray (2001). 'Ome Sweet 'Omics- A Genealogical Treasury of W ords. The

Scientist 15(7): 8

O genoma e sua história

Análise genômica 2013

Genoma nos remete a Hereditariedade

-Hipócrates (460-377 a.C.): pangênese

-Aristóteles (384-322 a.C.): transmissão

das características pelo sêmen

O genoma e sua história

(3)

Friedrich Miescher (1869)

Primeiras evidências da presença de DNA no núcleo das células.

Identificou uma substância rica em fósforo que não se enquadrava como nenhuma

das substâncias protéicas conhecidas até aquele momento. A esta substância ele

deu o nome de nucleina.

Richard Altman (1889)

Obteve amostras de nucleina livres de proteína e cunhou uma denominação mais

apropriada para a substância: ácido nucléico.

Primeiras extrações de DNA -

Final 1800s e início 1900s

-35 kg de pâncreas bovino dissolvido em 200 litros de ácido sulfúrico

-

timina )

O genoma e sua história

The origins of the names:

- Adenine is from the Greek word for gland - Adeno, first discovered in the pancreas.

- Thymine was first found in the thymus gland.

- Cytosine was isolated from cells ('cyto' means cell).

- Guanine was originally located in bird guano (poop).

1900-1950:

Avanços no conhecimento da estrutura do DNA

Phoebus Levene 1910: hipótese tetranucleotídica (hipótese falha)

The DNA

COULD NOT

store the genetic code

because it is chemically far too simple

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DNA Ácido desoxirribonucléico

Avery, MacLeod e McCarty

(1944):

DNA, material genético

~1930:

avanços no conhecimento da estrutura do ácido nucléico

A nucleina se tornou o ácido nucléico desoxirribose e, posteriormente, ácido

desoxirribonucléico.

O genoma e sua história

Linus Pauling 1953: modelo helicoidal tripla hélice

(modelo incorreto)

...he uncharacteristically made several basic mistakes, including making thephosphate group neutral, a fact which wouldno longer represent DNA as an acid.

O genoma e sua história

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Linus Pauling 1953:

modelo helicoidal tripla

hélice (modelo incorreto)

O genoma e sua história

Linus Pauling 1953:

modelo helicoidal tripla

hélice (modelo incorreto)

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Estrutura do DNA

Linus Pauling and Robert B Corey

Pauling & Corey 1953, PNAS 39(2): 84-97

O genoma e sua história

Erwin Chargaff (1950): razão duas purinas para duas pirimidinas

O genoma e sua história

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Rosalind Franklin (1951-1956):

cristalografia de raio-X de moléculas

de DNA

Photo 51

O genoma e sua história

Rosalind Franklin (1951-1956):

cristalografia de raio-X de moléculas

de DNA

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Estrutura do DNA

James Watson and Francis Crick

Watson & Crick 1953, Nature 171: 737-738

Modelo da estrutura do DNA - por Watson e Crick

Crick's first sketch of the deoxyribonucleic acid double-helix

Watson & Crick's 1953 Nature paper Recent view of double-helix DNA structure

(9)

Avanços nas tecnologias para estudar

genes e genomas

- Enzimas de restrição e tecnologia do DNA recombinante;

- Sequenciamento nucleotídico;

- PCR Reação em Cadeia da Polimerase;

- Sequenciamento em larga escala;

- Bioinformática.

Genomas sequenciados

Primeiro genoma sequenciado:

Fago X174, 5.375 pb (9 genes)

Sanger et al. 1977, Nature 265: 687-695

Primeiro eucarionte sequenciado:

Saccharomyces cerevisae, 13 milhões pb

Goffeau et al. 1996, Science 274: 546, 563-567

Primeiro animal sequenciado:

Caenorhabditis elegans, 100 milhões pb

C elegans Sequencing Consortium 1998, Science 282: 2012-2018

Primeira planta sequenciada:

Arabidopsis thaliana, 157 milhões pb

Arabidopsis Genome Initiative 2000, Nature 408: 796-815

Genoma humano: 3 bilhões pb

International Human Genome Sequencing Consortium 2001, Nature: 409: 860-921;

Venter et al. 2001, Science 291: 1304-1351

(10)

Genomas sequenciados

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

Avanços no conhecimento de

genes e genomas e os dogmas da

biologia molecular

(11)

Dogma central da biologia molecular

do DNA à proteina

1950

Estocagem

de dados

Intermediário

Execução de

tarefas

Dogma central da biologia molecular

do DNA a proteina

(12)

Dogma central da biologia molecular

desafio ao dogma central

1970

Dogma central da biologia molecular

RNA world

2000

DNA

RNA

Proteinas

Non-coding

RNAs

Metabólitos

(13)

Dogma central da biologia molecular

RNA world

2000

de gene?

Dogma central da biologia molecular

conceito de gene

(14)

(15)

Genes e Hereditariedade

-Hipócrates (460-377 a.C.): pangênese

-Aristóteles (384-322 a.C.): transmissão

das características pelo sêmen

genes e sua história...

Gene: conceito filosófico

Gregor Mendel

Gene: conceito abstrato

(16)

Wilhelm Johanssen:

cunha o termo gene

em 1909

Gene: conceito abstrato

genes e sua história...

Genes: unidades associadas com

características hereditárias, porém

sem base física conhecida

Gene: conceito físico?

genes e sua história...

Morgan

Sutton

Boveri

(17)

genes e sua história...

Avery

McLeod

McCarty

Gene: conceito físico

1953: Estrutura do DNA

Watson e Crick

1944: DNA como material genético

Caspersson (1947): Conexão entre DNA, RNA e síntese

proteíca

um gene, uma

proteína

genes e sua história...

Conceito antigo de

gene

(18)

TR

GENE

Conceito clássico de

gene

genes consistem de uma seqüência de DNA

que codifica uma proteína

Conceito clássico de gene

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Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

maioria dos genes consiste de uma seqüência de

DNA que codifica somente uma proteína

em alguns casos, uma única seqüência de DNA

pode codificar mais de uma proteína

1977: Processamento alternativo (cis splicing ou splicing normal )

Aumento de ~15% nas proteínas de moscas e vermes

Aumento de ~ 60% nas proteínas de humanos

Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

(20)

overlapping reading frames:

uma mesma seqüência de DNA

pode codificar mais de uma proteína

tradução em diferentes reading frames (identificado

inicialmente em vírus, mitocôndrias e bactérias)

Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

overlapping reading frames:

uma mesma seqüência de DNA

pode codificar mais de uma proteína

Proteínas de membrana

Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

(21)

Processamento trans (trans

splicing)

Muitos exemplos em C. elegans e

genes mitocondriais

Splicing do RNA maturo da NADH desidrogenase mitocondrial de Petunia (Conklin et al 1991, Genes Dev 5: 1407-1415)

Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

2002: Transcrição quimérica

4-5% dos genes humanos codificam proteínas

quimeras*

Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

(22)

2002: Transcrição

quimérica

RNA Binding Motif proteins: envolvimento com câncer

Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

RNA editing:

alteração de apenas um nucleotídeo na

molécula de RNA

Aumento de 35x na edição de transcritos de humanos comparado com camundongo, especialmente nos elementos Alu.

Elementos Alu compreendem 10.5% do genoma humano...

JS Mattick 2010, Bioessays 32: 548 552

Organização de genes no genoma:

novos

conceitos

(23)

Genes e genomas: novos conceitos

-Análise genômica 2013

Genes e genomas: novos conceitos

Papel dos RNAs não codificantes: ncRNAs

Exemplos mais conhecidos:

-RNA transportador (tRNA) -RNA ribossomal (rRNA)

Novos exemplos:

Pelo menos 3 classes de pequenos ncRNAs, com base nos seus mecanismos de biogênese:

-microRNAs (miRNAs)

-endogenous small interfering RNAs (endo-siRNAs or esiRNAs) -Piwi-interacting RNAs (piRNAs)

Exemplos menos conhecidos: -Pequenos RNAs nucleares (snRNA) -RNA da PRS (7SL RNA)