bases da biologia molecular: de genes a genomas · 9/7/2013 2 genoma termo cunhado em 1920 por hans...

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Cesar Martins ([email protected])Departamento de MorfologiaInstituto de Biociências , UNESP Universidade Estadual PaulistaBotucatu, 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;

2005-atual: ncRNA e proteínas em foco.

Análise genômica 2013

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GenomaTermo 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



Genoma nos remete a Hereditariedade

-Hipócrates (460-377 a.C.): pangênese

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

das características pelo sêmen



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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 )


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.


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.



../Disc%20Org%20Evol%20Genomas/2010/Aulas/DNA,%20estrut%20e%20duplic%20Hiperlink1.ppt

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Linus Pauling 1953:

modelo helicoidal tripla

hélice (modelo incorreto)


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


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

Photo 51



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


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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 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


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Genomas sequenciados

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Análise genômica 2013

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


do DNA a proteina

1950


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desafio ao dogma central

1970



RNA world

2000

DNA

RNA

Proteinas

Non-coding

RNAs

Metabólitos


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RNA world

2000


de gene?


conceito de gene


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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



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Wilhelm Johanssen:

cunha o termo gene

em 1909

Gene: conceito abstrato



Genes: unidades associadas com

características hereditárias, porém

sem base física conhecida

Gene: conceito físico?



Morgan

Sutton

Boveri

1910: Mapas de ligação

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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


Conceito antigo de

gene


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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


conceitos


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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)


conceitos


overlapping reading frames: uma mesma seqüência de DNA

pode codificar mais de uma proteína

Proteínas de membrana


conceitos


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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)


conceitos


2002: Transcrição quimérica

4-5% dos genes humanos codificam proteínas

quimeras*


conceitos


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2002: Transcrição

quiméricaRNA Binding Motif proteins: envolvimento com câncer


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


conceitos


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Genes e genomas: novos conceitos

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-

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Papel dos RNAs não codificantes: ncRNAsExemplos 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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Here we report evidence that three-quarters of the


Análise genômica 201308-11 de Julho de 2013

Instituto de Biociências, UNESP, Botucatu, SP

Curso de Férias

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