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Microssatélites: Origem, evolução e papel no genoma dos eucariotos

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

Departamento de Genética

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MICROSSATÉLITES: ORIGEM, EVOLUÇÃO E PAPEL NO GENOMA DOS MICROSSATÉLITES: ORIGEM, EVOLUÇÃO E PAPEL NO GENOMA DOS EUCARIOTOSEUCARIOTOS

Aluna:Helen Alves PenhaOrientadora: Maria Lucia Carneiro Vieira


� Para a maioria das espécies, apenas uma parte do genoma consiste de genes que codificam proteínas.

� O restante do genoma era considerado como “DNA lixo” e nesta parte incluíam-se os microssatélites.

Microssatélites: “DNA lixo” ???

� Entretanto, recentes estudos vêm demonstrando que diversas funções estão relacionadas àquelas sequênciasrepetitivas, inclusive dentro de regiões codantes.


OBJETIVOS

i) Demonstrar a natureza genética dos microssatélites;

ii) Explicar sua gênese e mecanismos evolutivos;

iii) Mostrar sua distribuição e principais funções.


�Também conhecidos como:

� SSR (Simple Sequence Repeat) - Tautz, 1989.

� STR ( Short Tandem Repeats) - Edwards, 1991.

� Seqüências simples repetidas - 1 a 6 nucleotídeos repetidos em tandem.

�Amplamente distribuídos em genomas de eucariotos e alguns procariotos.

NATUREZA GENÉTICA


� Unidade repetitiva do microssatélite:

�Mononucleotídica: (G)nG)n

�Di_ (GA)n(GA)n

�Tri_ (GAT)n(GAT)n

�Tetra_ (GATA)n(GATA)n

�Penta_ (GATAC)n(GATAC)n

�Hexa_ (GATACA)n(GATACA)n

NATUREZA GENÉTICA


Podem ser classificados como:

�Perfeitos:

�Imperfeitos: ...TGGTGTGTGTGTGTGTGTG...

...CTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCT...

NATUREZA GENÉTICA


�Compostos: ...GTGTGTGTGTGTGTGAGAGAGAGA...

�Interrompidos: ...CTCTCTCTCTCCATGACCCTCTCTCT...

NATUREZA GENÉTICA


� Apresentam-se flanqueados por sequências únicas, podendo ser amplificados individualmente através de PCR.

� Possui comportamento CO-DOMINANTE – os heterozigotos podem ser identificados.

NATUREZA GENÉTICA


NATUREZA GENÉTICA


� Isolamento e caracterização das regiões de microssatélites em uma biblioteca;

� Construção de “primers” complementares às regiõesflanqueadoras de microssatélites;

� Padronização da amplificação;

� Validar o loco, ou seja, amplificar o alelo esperado.

NATUREZA GENÉTICA

� Marcadores: do desenvolvimento à utilização.


� Alto polimorfismo – decorrente das altas taxas de mutação presentes nestes locos.

GÊNESE E EVOLUÇÃO


� Alguns modelos que podem explicar estas altas taxas de mutação:

� Crossing-over desigual;

� Slippage durante a replicação;

� Elementos transponíveis Alu.

� A taxa de mutação dos microssatélites está em torno de 10-6

a 10-2 por geração


(Schlotterer, 2000)


� Crossing-over desigual :



� Slippage durante a replicação:

(Moxon e Wills, 1999)


� Há três evidências para isso:

1º - É mais comum a ocorrência de mutações slippage em loci com grandes repetições (Brinkmann et al 1998);

2º- Loci com menos de 5 repetições são raramente polimórficos(Strassman et al 1997);

3º- Quando ocorre mais repetições que o esperado, se espera maior taxa de slippage. Isso não foi observado em repetições menores do que 8 nucleotídeos (Rose e Falush 1998).

� Autores demonstraram que não ocorre slippage quando há poucas repetições.



� “Threshold model” – um número mínimo de repetições é necessário para que depois DNA slippage possa estender esse “proto- microssatélite”.

(Rose e Falush, 1998)



� A partir de outros processos de mutação, como substituições e inserções.

� Mas como surgem estes “proto-microssatélites?

(Zhu et al, 2000)

� Os microssatélite evoluem por um mecanismo similar ao slippage, começando com a duplicação de poucas bases, formando um “proto-microssatélite” de duas repetições.



� Há duas vantagens em se estudar estas origens com esta base:

1- a sequência normal (não mutada) é conhecida, identificando –se então deleções e inserções;

2- a base é grande e contém numerosas mutações em vários genes.

� Human Gene Database - usado para explorar as origens de repetições em tandem.

� Foram buscados mutações e possíveis formações de novas repetições em suas regiões flanqueadoras.

(Zhu et al, 2000)



� Foram checados todos os genes que continham alguma inserção de 2-4 pares de base.

� Usou-se um programa de computador para identificar quais substituições criaram repetições.

(Zhu et al, 2000)



� Substituições – geram maior parte dos proto microssatélites, mas apenas uma pequena porcentagem geram novas repetições (16%)

(Zhu et al, 2000)



� Inserções – responsáveis pela geração de novas repetições.

(Zhu et al, 2000)



�Um exemplo de resultado da expansão de um proto microssatélite:

� Filogenética de primatas:

Ancestral: ATGTGTGT

Mutação de G→A (loco da η-globina)

ATGTATGT (ATGT)n

(ATGT)5 - humanos (ATGT)4 -macacos africanos

(Messier et al, 1996)



� Família Alu SINEs (short interspersed elements) - candidata

para contribuir na gênese dos microssatélites, devido a presença

de regiões ricas em A no terminal 3’ e no meio de sua seqüência.

� Outro mecanismo para a geração de microssatélites:

(Arcot et al, 1995)



� Enquanto tal associação têm sido relatada para um grande

número de organismos, uma alta densidade de elementos

transponíveis nem sempre coincide com alta densidade de

microssatélites.


(Lin et al 1999)


� Fatores que contribuem a ocorrência de evolução dos microssatélites:

1-) Número de repetições;

2-) Tipo de repetição;

3-) Sequência flanqueadora;

4-) Recombinação.


(Schlötterer, 2000)


� Comparação de densidade de microssatélites por espécie:

0,30%Saccharomyces

cerevisae

0,21%Caenorhabditis elegans

1,07%Homo sapiens

(cromossomo 22)

3,21%Tetraodon nigroviridis

0,37%Zea mays

0,85%Arabidopsis thaliana

(Morgante et al, 2002)

DISTRIBUIÇÃO E FUNÇÃO


� Mas os microssatélites estão distribuídos de forma aleatória?


� Há padrões específicos de distribuição dos diferentes motivos repetidos nos diferentes tipos de seqüências: codantes, não codantes, íntrons e regiões intergênicas.

NÃO!!!NÃO!!!



� Esses padrões ainda variam entre táxons, em termos da freqüência de microssatélites e de tipos de repetições preferenciais.

� Esta especificidade pode ser explicada, em parte, pela interação de mecanismos evolutivos através da seleção diferencial em regiões do genoma e em diferentes espécies.


� Comparação de número de repetições/ motivo de microssatélitesem diferentes espécies:


(Gupta et al, 2001)


Arroz Arabidopsis

(Fujimori et al, 2003)


� Microssatélites em regiões diversas regiões do genoma:


Humano Camundongo

� Microssatélites em regiões diversas regiões do genoma:



Microssatélites: Origem, evolução e papel no genoma dos eucariotos (Adaptado de Li et al, 2002)

Organizaçãoda

Cromatina Regulação dos processosMetabólicos do DNA

Regulação da

Atividade Gênica

OrganizaçãoCromossômica

Estruturado DNA

CentrômeroTelômero

Replicação do DNA

Recombinação Mismatch Repair SystemMMS

Ciclo Celular

Transcrição Transporte doRNAm

Sítio AlvoProtéico

FUNÇÃO/EFEITOS DOS MICROSSATÉLITES:

Microssatélites: Origem, evolução e papel no genoma dos eucariotos (Li et al, 2004)



� Microssatélites em regiões codantes:


(Morgante et al, 2002)


Exon Intron




� Expansão de repetições CAG em éxons produzem proteínas

tóxicas mutantes que causam doenças humanas

� Microssatélites em éxons - doenças neurológicas

� Efeitos nas regiões codantes no fenótipo tem sido muito estudado somente em doenças humanas, revelando desordem neuronal e câncer.

(Li et al, 2004)



� Microssatélites em éxons: doenças neurológicas


(Li et al, 2004)


�Microssatélites em éxons: câncer


(Li et al, 2004)

Microssatélites: Origem, evolução e papel no genoma dos eucariotos (Fujimori et al, 2003)

� Microssatélites em regiões 5’UTR:



� Causa slippage na transcrição e produz RNAm expandido, interrompendo o splicing e outra função celular

� Microssatélites em regiões 3’ UTR:


�Exemplo:

� Distrofia miotônica tipo 1 (DM1) – o RNAm mutante contém uma repetição expandida, que inibem a diferenciação de culturas de mioblastos, levando à distrofia muscular miotônica.

(Li et al, 2004)



� Microssatélites em introns: elemento regulatório da transcrição gênica

(Li et al, 2004)



� Microssatélites em introns: elemento co- regulatório da transcrição gênica

(Li et al, 2004)


� Pelas razões apresentadas, os microssatélites vêm sendo utilizados em diversos estudos, como:

� Construção de mapas genéticos;

� Associação de instabilidade entre o número de repetições e doenças humanas;

� Prático uso em estudos de estruturagenética de populações;

� Análises de paternidade.


Obrigada !!!

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