bases da biologia molecular: de genes a genomas · 09/07/12 3 dna – Ácido desoxirribonucléico...

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Bases da biologia molecular: de genes a

genomas

Cesar Martins ([email protected]) Departamento de Morfologia Instituto de Biociências UNESP – Universidade Estadual Paulista Botucatu, SP

“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...”

Winkler H (1920). Verbreitung und Ursache der Parthenogenesis im Pflanzen- und Tierreiche. Verlag Fischer, Jena. Lederberg & McCray (2001). 'Ome Sweet 'Omics- A Genealogical Treasury of Words. The Scientist 15(7): 8

O genoma e sua história

Análise genômica: presente e futuro

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Genoma nos remete a Hereditariedade -Hipócrates (460-377 a.C.): “pangênese” -Aristóteles (384-322 a.C.): transmissão das características pelo sêmen



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.

Curiosidades… Primeiras extrações de DNA - Final 1800s e início 1900s -35 kg de pâncreas bovino dissolvido em 200 litros de ácido sulfúrico -Timo, também utilizado (…legado “timina”)



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).

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DNA – Ácido desoxirribonucléico

~1930: avanços no conhecimento da estrutura do ácido nucléico A nucleina se tornou o ácido nucléico desoxirribose e, posteriormente, ácido desoxirribonucléico.



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.




Linus Pauling 1953: modelo helicoidal – tripla hélice (modelo incorreto)

...he uncharacteristically made several basic mistakes, including making the phosphate group neutral, a fact which would no longer represent DNA as an acid.


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Estrutura do DNA

Linus Pauling and Robert B Corey Pauling & Corey 1953, PNAS 39(2): 84-97



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


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Rosalind Franklin (1951-1956): cristalografia de raio-X de moléculas de DNA

A dupla Hélice


Photo 51


Rosalind Franklin (1951-1956): cristalografia de raio-X de moléculas de DNA


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original papers

NATURE | VOL 421 | 23 JANUARY 2003 | www.nature.com/nature 397© 2003 Nature Publishing Group

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


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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 φX174, 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


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Genomas sequenciados

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Análise genômica: presente e futuro

Avanços no conhecimento de genes e genomas e os dogmas da

biologia molecular


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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”

1950


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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

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Dogma central da biologia molecular “RNA world”

2000



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; 2005-atual: ncRNA e proteínas em foco.


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…e o conceito de gene?


genes consistem de uma seqüência de DNA que codifica uma proteína

Organização de genes no genoma: conceito clássico


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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



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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)



overlapping reading frames: uma mesma seqüência de DNA pode codificar mais de uma proteína

Proteínas de membrana



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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)



2002: Transcrição quimérica

4-5% dos genes humanos codificam proteínas quimeras*



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2002: Transcrição quimérica

RNA Binding Motif proteins: envolvimento com câncer



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



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…e o conceito de gene?


…simples assim?


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O que é um gene?


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Genes…

…unidades hereditárias

Genes…

…memes, gene cultural

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”

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1865: experimentos apontaram para a

existência de elementos biológicos

chamados “FATORES”

Gregor Mendel

Gene: conceito “abstrato”


experimentos independentes com cruzamentos de plantas

confirmação dos resultados e conclusões

de Mendel Hugo de Vries Erich Tshermak Carl Correns

1900: Redescobrimento dos trabalhos de Mendel


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1909: Wilhelm Johanssen: cunha o termo “gene”

Genes: unidades associadas com características hereditárias, porém sem base física conhecida


Morgan

“fatores” hereditários de Mendel

localizados nos cromossomos

Mapeamento de ligação

~1920: Teoria cromossômica da herança

Sutton

Boveri


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1944: DNA, material genético

Gene: conceito “físico”


1953: Estrutura do DNA

Gene: conceito “físico”

Watson e Crick


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

“um gene, uma proteína”


Conceito “antigo” de gene

TR

GENE

Conceito “clássico” de gene

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Genes e genomas: novos conceitos

-Sobreposição de janelas de leitura…

-Edição de RNA…

-Cis e trans splicing…

-Proteinas quimeras…

...e o conceito de gene?


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)

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…e no futuro?


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