biologia genômica 2º semestre, 2017 prof. marcos túlio ... · biologia genômica 2º semestre,...

54
Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio Oliveira Departamento de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Biociências [email protected] www.fcav.unesp.br/mtoliveria Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias de Jaboticabal Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas de S.J.R.P. Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”

Upload: others

Post on 21-May-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Biologia Genômica

2º Semestre, 2017

Prof. Marcos Túlio Oliveira

Departamento de Tecnologia

Programa de Pós-Graduação em Biociências

[email protected]

www.fcav.unesp.br/mtoliveria

Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias de Jaboticabal

Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas de S.J.R.P.

Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”

Page 2: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Biologia Genômica

www.fcav.unesp.br/mtoliveira

Page 3: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Biologia Genômica

Page 4: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Biologia Genômica

Page 5: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

http://virtuallaboratory.colorado.edu/Biofundamentals/lectureNotes-Revision/Topic4-2_GeneExp.htm

Biologia Genômica

Page 6: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Apresentações dos alunos

24/03

Replicação do bacteriófago T4

Replicação do bacteriófago ϕX174

Replicação do plasmídeo ColE1

Replicação do DNA cloroplastidial

Replicação do vírus SV40

Replicação do vírus HIV

14/04

Surgimento de genes “de novo”

28/04

O genoma do homen de Neandertal

O genoma do homen de Denisova

O genoma do chimpanzé

05/05

O genoma de Arabidopsis thaliana

O genoma de Saccharomyces cerevisiae

O genoma de Drosophila melanogaster

O genoma do camundongo

O genoma do boi

O genoma da cana-de-açúcar

O genoma de Xanthomonas

Outros genomas...

Page 7: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

www.fcav.unesp.br/mtoliveira

Protein Science (2008), 17:385–388

Biologia Genômica

Page 8: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

http://www.sciencephoto.com/media/209697/view http://www.novusbio.com/Fas-Antibody_NBP1-89034.html

Procariotos Eucariotos

Page 9: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Overview

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 10: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.1 Introduction FIGURE 01: The minimum gene number required for any type of organism

increases with its complexity

Photo of intracellular bacterium courtesy of Gregory P. Henderson and Grant J. Jensen, California Institute of Technology

Photo of free-living bacterium courtesy of Karl O. Stetter, Universität Regensburg

Photo of unicellular eukaryote courtesy of Eishi Noguchi, Drexel University College of Medicine

Photo of multicellular eukaryote courtesy of Carolyn B. Marks and David H. Hall, Albert Einstein College of Medicine, Bronx, NY

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 11: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

FIGURE 01: The minimum gene number required for any type of organism increases with its complexity

6.1 Introduction

Photo of higher plant courtesy of Keith Weller/USDA

Photo of mammal © Photodisc

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 12: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.2 Prokaryotic Gene Numbers Range Over

an Order of Magnitude

• The minimum number of

genes for a parasitic

prokaryote is about 500;

for a free-living

nonparasitic prokaryote it

is about 1500.

FIGURE 02: Genome sizes and gene numbers are known from complete

sequences for several organisms

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 13: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

FIGURE 03: The number of genes in bacterial and archaeal genomes is proportional to genome size

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 14: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.3 Total Gene Number Is Known for

Several Eukaryotes

• There are 6000 genes in yeast; 18,500 in a worm; 13,600 in a fly; 25,000 in the small plant Arabidopsis; and probably 20,000 to 25,000 in mice and humans.

FIGURE 04: The number of genes in a eukaryote varies

from 6000 to 40,000 but does not

correlate with the genome size or the complexity of the

organism

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 15: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

FIGURE 05: The S. cerevisiae genome of 13.5 Mb has 6000 genes, almost all uninterrupted

Page 16: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

FIGURE 12: The average human gene is 27 kb long and has nine exons, usually comprising two longer exons at each end and seven internal exons

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 17: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 18: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.3 Total Gene Number Is Known for Several Eukaryotes

FIGURE 06: Functions are known for only half the fly genes

Adapted from Drosophila 12 Genomes Consortium, Nature 450 (2007): 203-218.

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 19: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.4 How Many Different Types of Genes Are

There?

• The sum of the number of unique genes and the number

of gene families is an estimate of the number of types of

genes.

FIGURE 07: Many genes are duplicated, and as a

result the number of different gene families is much less than the total

number of genes

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 20: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.4 How Many Different Types of Genes Are There?

• orthologous genes

(orthologs) – Related

genes in different

species.

• The minimum size of

the proteome can be

estimated from the

number of types of genes.

FIGURE 09: The fly genome

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 21: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.5 The Human Genome Has Fewer Genes

Than Originally Expected

• Only 1% of the human genome consists of exons.

• The exons comprise ~5% of each gene, so genes (exons plus introns) comprise ~25% of the genome.

• The human genome has 20,000 to 25,000 genes.

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 22: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.7 The Y Chromosome Has Several

Male-Specific Genes

• The Y chromosome has ~60 genes that are expressed

specifically in the testis.

• The male-specific genes are present in multiple copies in

repeated chromosomal segments.

• Gene conversion between multiple copies allows the

active genes to be maintained during evolution.

FIGURE 15: The Y chromosome consists

of X-transposed regions, X-

degenerate regions, and amplicons

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 23: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.8 How Many Genes Are Essential?

• Not all genes are essential. In yeast and flies, deletions of <50% of the genes have detectable effects.

• When two or more genes are redundant, a mutation in any one of them may not have detectable effects.

FIGURE 16: Essential yeast genes are found in all classes

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 24: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.8 How Many Genes Are Essential?

• We do not fully understand the persistence of genes that

are apparently dispensable in the genome.

FIGURE 17: A systematic analysis of loss of function for 86% of worm genes shows that only 10% have detectable effects on the phenotype

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 25: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

6.9 About 10,000 Genes Are Expressed at Widely Differing Levels in a Eukaryotic Cell

FIGURE 20: Hybridization between excess mRNA and cDNA

FIGURE 21: The abundances of yeast mRNAs vary

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 26: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Estrutura

Cromossomos, cromatina e nucleossomos

Page 27: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

9.3 The Bacterial Genome Is a Nucleoid

• The bacterial nucleoid is ~80% DNA by mass and can be

unfolded by agents that act on RNA or protein.

• The proteins that are responsible for condensing the

DNA have not been identified.

Photo courtesy of the Molecular and Cell Biology Instructional Laboratory Program, University of California, Berkeley.

FIGURE 05: A thin section shows the bacterial nucleoid as a compact mass in

the center of the cell

Lewin’s Genes X, 2009.

Estrutura dos cromossomos

Page 28: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

9.4 The Bacterial Genome Is Supercoiled

• The nucleoid has ~400

independent negatively

supercoiled domains.

• The average density of

supercoiling is ~1

turn/100bp.

FIGURE 07: The bacterial genome consists of a large number of

loops of duplex DNA

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 29: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de
Page 30: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

9.5 Eukaryotic DNA Has Loops and

Domains Attached to a Scaffold

• DNA of interphase chromatin

is negatively supercoiled into

independent domains of ~85

kb.

• Metaphase chromosomes

have a protein scaffold to

which the loops of

supercoiled DNA are

attached.

FIGURE 09: Histone-depleted chromosomes consist of a protein scaffold to which loops of

DNA are anchored Reprinted from Cell, vol. 12, J. R. Paulson and U. K. Laemmli, The structure of histone-depleted

metaphase chromosomes, pp. 817-828. Copyright 1977, with permission from Elsevier

[http://www.sciencedirect.com/science/journal/00928674]. Photo courtesy of Ulrich K. Laemmli,

University of Geneva, Switzerland.

Lewin’s Genes X, 2009.

Page 31: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

9.7 Chromatin Is Divided into Euchromatin

and Heterochromatin

• Individual chromosomes can be seen only during mitosis.

• During interphase, the general mass of chromatin is in the

form of euchromatin, which is slightly less tightly packed

than mitotic chromosomes.

FIGURE 12: Regions of compact heterochromatin are clustered near the nucleolus and nuclear

membrane

Photo courtesy of Edmund Puvion, Centre National de la Recherche Scientifique Lewin’s Genes X, 2009.

Page 32: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 33: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Estrutura dos cromossomos

Célula humana contém 3 x 109 pb (haplóide)

Comprimento de um pb é 3.4 Å

Comprimento do genoma humano é 1010 Å

1 metro!!!

Diplóide = 2 metros de DNA por célula!

Page 34: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Estrutura dos cromossomos

Célula humana contém 3 x 109 pb (haplóide)

Comprimento de um pb é 3.4 Å

Comprimento do genoma humano é 1010 Å

1 metro!!!

Diplóide = 2 metros de DNA por célula!

Page 35: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Cell Biology, 5ª edição.

Page 36: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 37: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 38: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 39: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 40: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 41: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 42: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Estrutura da cromatina “higher order”

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 43: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

H1

Page 44: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 45: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 46: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 47: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 48: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 49: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 50: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 51: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Cell Biology, 5ª edição.

Page 52: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 53: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Molecular Biology of the Gene, 2003.

Page 54: Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio ... · Biologia Genômica 2º Semestre, 2017 Prof. Marcos Túlio mtoliveria@fcav.unesp.br Próxima aula: Replicação de

Biologia Genômica

2º Semestre, 2017

Prof. Marcos Túlio

[email protected]

Próxima aula: Replicação de DNA bacteriano

e nuclear

Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias de Jaboticabal

Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas de S.J.R.P.

Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”