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LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
PERDA DE GENES E EVOLUÇÃO DO GENOMA ORGANELAR
Camila Motta BorgonoveMárcio de Castro Silva-Filho
� Introdução
� Redução do genoma organelar
� Transferência de genes endossimbióticos
� Evolução do genoma organelar
Sumário
� 1905-Mereschkowsky observou que os cloroplastos se dividiam de um modo similar as cianobactérias;
� 1922-Wallin propôs que as mitocôndrias teriam uma origem endossimbiótica;
� 1960- Foi descoberto DNA em cloroplastos;
� 1970-Margulis publicou o livro “ Origin of Eukaryotic cel”, que popularizou a Teoria Endossimbiótica.
Introdução
� Teoria Endossimbiótica:
Geoffrey Ian Mcfadden,1999.
Introdução
�No início dos anos 70 sugere a idéia de
que as organelas das células eucarióticas
teriam se originado de organismos
procarióticos de vida livre.
Introdução
� Posteriormente, por análise de comparação de sequências foi possívelidentificar os ancentrais das mitocôndria e cloroplastos.
Cianobactéria-cloroplasto alfa-proteobactéria-mitocôndria
IntroduçãoIntrodução
�O hospedeiro que adquiriu oplastídio provavelmente possuía dois flagelos;
�A natureza do hospedeiro queadquiriu mitocôndrias ainda édebatido entre os evolucionistas.
� Origem das organelas:
Timmis et al.,2004
IntroduçãoIntrodução
� Herança uniparental das organelas:
Parental femininoAA, BB,DD núcleo diplóide
cp,mt, genoma citoplasmático
Parental masculinoaa, bb,dd núcleo diplóide
cp,mt, genoma citoplasmático
Zigoto diplóideAa, Bb, Cc núcleo diplóide
cp, mt, genoma citoplasmático
Gameta feminino Gameta masculino
fertilização
�Organela contém múltiplos genomaque são herdados de um único parental;
� Segregação não-mendeliana;
�O genoma mitocondrial e cloroplastidialdo parental masculino é degradado antes da fertilização.
Timmis et al.,2004
IntroduçãoIntrodução
� Mobilidade do DNA dentro da célula:
�Grande parte do genoma das organelas foram transferidos para o núcleo;
�As organelas tornaram-se dependentes do genoma nuclear e importam mais de 90% das proteínas.
Dario Leister, 2005
IntroduçãoIntrodução
�Evidências:
�O genoma de Arabidopsis thaliana contém grandes insertos de DNA mitocondrial (~620 kb);
�O genoma de levedura apresenta traços com 80-100% de similaridadeao genoma mitocondrial;
�O cromossomo 10 de arroz apresenta 28 inserções de DNA cloroplastidial maiores que 80 bp.
IntroduçãoIntrodução
Genoma Tamanho (KPB) nºde genes que n ºde acesso no GenBankcodificam proteínas
Cianobatérias
Plantas
� Redução do genoma cloroplastidial:
Redução do Genoma Organelar
Timmis et al.,2004
Genoma Tamanho (KPB) nºde genes que n ºde acesso no GenBankcodificam proteínas
Plantas e algas
Alfa-proteobactéria
� Redução do genoma mitocondrial:
Timmis et al.,2004
Redução do Genoma Organelar
Atualmente:
�Genoma plastidial codifica 20-200 proteínas;
Nostoc punctiforme codifica 7.200 proteínas;
�Genoma mitocondrial codifica 3-67 proteínas;
Mesorhizobium loti codifica 6.700 proteínas;
Isto implica que:
�Genoma plastidial codifica 5 a 10% das proteínas que eram codificadas pelos seus ancentrais;
�Genoma mitocondrial codifica 1 a 3% das proteínas que eram codificadas pelos seus ancentrais.
Redução do Genoma Organelar
Número de genes
Transporte de proteínas
Tradução
Fotossíntese e respiração
Funções regulatórias
Biossíntese de cofatores, grupos prostéticos, carreadores
Metabolismo energético
Síntese de aa
Processos celulares
Envelope celular
Replicação, restrição, modificação e reparo de DNA
Purinas, pirimidinas, nucleotídeos
Metabolismo de ácidos fático, fosfolipídeos e esterois
Intermediários do metabolismo central
Transcrição
� Redução relacionada a função:
Martin e Herrmann, 1998
Quais genes foram primeiro?
Quais genes permaneceram nas organelas ?
Redução do Genoma Organelar
Outros
Redução do genoma cloroplastidiale transfêrencia para o núcleo
Cadeia transportadora de elétrons, respiração, ATPase
Tradução
Redução do genoma
Escala evolucionária
Timmis et al.,2004
� Redução relacionada a função:
Redução do Genoma Organelar
� Freqüência de transferência dos genes endossimbióticos:
High-frequency gene transfer from the chloroplastsgenome to the nucleus.
Sandra Stegemann, Stefanie Hartmann, Stephanie Ruf, and Ralph Bock; PNAS, 2003.
Redução do Genoma Organelar
Inserção por recombinação homóloga
Seleção para streptomicina
cloroplasto
Construção gênica
Resistência a Kanamicina, expresso
apenas no núcleo
Resistência a streptomicina, expressono cloroplasto
Só sobrevivem as células que têm pelo
menos um cloroplastos transformado.
Redução do Genoma Organelar
Seleção para kanamicina
inativo
ativio
inativo
ativio
cloroplasto
núcleo
Transposição
cloroplasto
Freqüência de transferência:
2 x 10⁵ por geração
Redução do Genoma Organelar
Fêmea selvagem Macho transgênica
X
-Cloroplastos selvagens-Genoma nuclear com gene para Kanamicina
Descendentes segregaram 3:1 quando cultivados em meio com
kanamicina
HERANÇA MENDELIANA!!!!
Redução do Genoma Organelar
� Transferência genes para núcleo: célula somática X célula sexual
�Segundo Huang (2003) em gametas masculinos de tabaco, a freqüência de transferência é de 1 a cada 16.000 por geração.
�A freqüência de transferência de genes organelares para o núcleo é maior em gametas do que em células somáticas de uma mesma espécie.
Porque?
Redução do Genoma Organelar
� Transferência genes para núcleo: célula somática X célula sexual
Gameta masculino �Degeneração de plastídios antes da formação dos gameta;
�A degradação das organelas citoplasmáticaspossibilitam o escape da DNA e conseqüentetransferência para o núcleo;
�Em células com mitocôndrias anormais a taxa deescape de DNA mitocondrial é maior.
Redução do Genoma Organelar
Transferência de Genes Endossinbióticos
�A transferência é mediada por DNA ou RNA?
�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?
�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?
�Como o gene se tornaativo no núcleo?
�Porque os genes são transferidos?
��A transferência é mediada por DNA ou RNAA transferência é mediada por DNA ou RNA??
�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?
�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?
�Como o gene se tornaativo no núcleo?
�Porque os genes são transferidos?
Transferência de Genes Endossinbióticos
� A transferência é mediada por DNA ou RNA ?
�Os genes nptII e aadA estão sob controle de promotores diferentes:
estreptomicina
kanamicina
Transferência de Genes Endossinbióticos
A transferência é mediada por DNA!
Stegemann et al.,2003
Transferência de Genes Endossinbióticos
�A transferência é mediada por DNA ou RNA?
��Como ocorre a inserção do gene Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclearno cromossomo nuclear??
�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?
�Como o gene se tornaativo no núcleo?
�Porque os genes são transferidos?
Transferência de Genes Endossinbióticos
Quebra na dupla fita DNAExógenos EndógenosRadiação Radicais livresQuímicos Recombinações meiosi
Excisão de transposons
nDNA
nDNA
Fontes de DNA organelarAutofagiaDegradação durante a gametogêneseStress celularContato físico (estrômulos)
ptDNA
mtDNA
� Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?
� Localização da inserção:
�Os genes se inserem de modo aleatório no cromossomo nuclear;
�Em Angiospermas, aproximadamente 25% dos fragementos de DNA mitocondrial e cloroplastidial são encontrados dentro de exons e introns.
Transferência de Genes Endossinbióticos
�A transferência é mediada por DNA ou RNA?
�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?
�Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?
��Como o gene se tornaComo o gene se tornaativo no núcleoativo no núcleo??
�Porque os genes são transferidos?
Transferência de Genes Endossinbióticos
� Como o gene se torna ativo no núcleo ?
�O sistema de genético de transcrição do genoma nuclear é diferentedaquele encontrado em mitocôndrias e plastídios.
ProcariotoEucarioto
Regiões controladoras da expressão gênicaRegiões controladoras da expressão gênica
Transferência de Genes Endossinbióticos
Experimental reconstruction of functional gene transfer fromTabacco plastid genoma to the nucleusSandra Stegemann and Ralph Bock.The Plant Cell, 2006.
�Como o gene se torna ativo no núcleo ?
Transferência de Genes Endossinbióticos
� Genes usados para transformação de cloroplastos de tabaco:
Promotor reconhecidopela polimerase
nuclear
Promotor reconhecidopela polimerase
plastidial
cloroplastos
nucleo
transposição
Transferência de Genes Endossinbióticos
Seleção para o gene aadA (cloroplastidial) ativo no núcleo
Linhagem Zigoto N°placas seleção para seleção de para estreptomicina ativação aadA
Heterozigoto
Homozigoto
Heterozigoto
NT-GT16
NT-GT21
NT-GT31
Total
130
137
161
428 (=5564 explantes)
2
8
6
16
0
4
4
8
Transferência de Genes Endossinbióticos
PCR tail
Transferência de Genes Endossinbióticos
� Organização dos genes transferidos no genoma nuclear:
1°) Fusão transcricional
Transferência de Genes Endossinbióticos
� Organização dos genes transferidos no genoma nuclear:
2°) Dois genes in frame
Transferência de Genes Endossinbióticos
� Organização dos genes transferidos no genoma nuclear:
3°) Início da tradução interna
Transferência de Genes Endossinbióticos
Conclusão: O gene inserido captura o
promotor do gene adjacente possibilitando a sua expressão no
núcleo
Transferência de Genes Endossinbióticos
�A transferência é mediada por DNA ou RNA?
�Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?
��Como o produto do gene transferido é redirecionado para Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelasas organelas??
�Como o gene se tornaativo no núcleo?
�Porque os genes são transferidos?
Transferência de Genes Endossinbióticos
�Após a inserção e expressão do gene no genoma nuclear os produtos gênicos precisam ser direcionados para as organelas de origem ou outros compartimentos.
� Redirecionamento das proteínas codificadas por genes endossimbióticos:
�Duas possibilidades são encontradas:
Transferência de Genes Endossinbióticos
organela
promotorSeq. de direcionamentopromotor
citossol
Competir com produtos citossólico, adquirir novas funções.
1°)Gene volta para organela 2°)Gene vai para o citossol
� Redirecionamento das proteínas codificadas por genes endossimbióticos:
�O produto dos genes que foram transferidos para o núcleo nem sempre
retornam para a organela de origem;
�Em Arabidopsis thaliana, metades das proteínas provenientes do genoma de
cianobactéria são direcionadas para outros compartimentos como: citossol,
mitocôndrias ou mesmo mecanismo secretório.
Transferência de Genes Endossinbióticos
Cianobactéria
Mitocôndria
Provavelmente pertenceu a uma eubactéria
Origem desconhecida
� Redirecionamento das proteínas codificadas por genes endossimbióticos:
�A transferência é mediada por DNA ou RNA?
� Como ocorre a inserção do gene no cromossomo nuclear?
� Como o produto do gene transferido é redirecionado para as organelas?
� Como o gene se tornaativo no núcleo?
�� Porque os genes são Porque os genes são ttransferidosransferidos??
Transferência de Genes Endossinbióticos
� Porque os gene são transferidos?
� Allen e Raven (1996)- presença de radicais livres nas organelas;
� Muller (1964)-o gene passa de um sistema de reprodução assexual presente nasorganelas para um sistema predominantemente sexual.
Transferência de Genes Endossinbióticos
� Evolução do genoma organelar:
�A transferência de genes pode agir como agente mutagênico;
� A transferência de genes gera variabilidade contribuindo para a evolução dos genomas.
Evolução dos Genomas