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
O genoma e sua história
Análise genômica: presente e futuro
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”)
O genoma e sua história
Análise genômica: presente e futuro
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.
O genoma e sua história
Análise genômica: presente e futuro
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”
O genoma e sua história
Análise genômica: presente e futuro
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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.
O genoma e sua história
Análise genômica: presente e futuro
O genoma e sua história
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.
Análise genômica: presente e futuro
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O genoma e sua história
Linus Pauling 1953: modelo helicoidal – tripla hélice (modelo incorreto)
Análise genômica: presente e futuro
O genoma e sua história
Linus Pauling 1953: modelo helicoidal – tripla hélice (modelo incorreto)
Análise genômica: presente e futuro
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Estrutura do DNA
Linus Pauling and Robert B Corey Pauling & Corey 1953, PNAS 39(2): 84-97
Análise genômica: presente e futuro
O genoma e sua história
Erwin Chargaff (1950): razão duas purinas para duas pirimidinas
Análise genômica: presente e futuro
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O genoma e sua história
Rosalind Franklin (1951-1956): cristalografia de raio-X de moléculas de DNA
A dupla Hélice
Análise genômica: presente e futuro
Photo 51
O genoma e sua história
Rosalind Franklin (1951-1956): cristalografia de raio-X de moléculas de DNA
Análise genômica: presente e futuro
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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
Análise genômica: presente e futuro
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
Análise genômica: presente e futuro
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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.
Análise genômica: presente e futuro
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
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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
Análise genômica: presente e futuro
Dogma central da biologia molecular “RNA world”
2000
Análise genômica: presente e futuro
DNA
RNA
Proteinas Non-coding
RNAs
Metabólitos
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Dogma central da biologia molecular “RNA world”
2000
Análise genômica: presente e futuro
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: presente e futuro
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…e o conceito de gene?
Análise genômica: presente e futuro
genes consistem de uma seqüência de DNA que codifica uma proteína
Organização de genes no genoma: conceito clássico
Análise genômica: presente e futuro
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Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
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
Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
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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)
Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
overlapping reading frames: uma mesma seqüência de DNA pode codificar mais de uma proteína
Proteínas de membrana
Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
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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)
Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
2002: Transcrição quimérica
4-5% dos genes humanos codificam proteínas quimeras*
Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
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2002: Transcrição quimérica
RNA Binding Motif proteins: envolvimento com câncer
Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
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
Organização de genes no genoma: novos conceitos
Análise genômica: presente e futuro
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…e o conceito de gene?
Análise genômica: presente e futuro
…simples assim?
Análise genômica: presente e futuro
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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”
genes e sua história...
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
genes e sua história...
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1909: Wilhelm Johanssen: cunha o termo “gene”
Genes: unidades associadas com características hereditárias, porém sem base física conhecida
genes e sua história...
Morgan
“fatores” hereditários de Mendel
localizados nos cromossomos
Mapeamento de ligação
~1920: Teoria cromossômica da herança
Sutton
Boveri
genes e sua história...
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1944: DNA, material genético
Gene: conceito “físico”
genes e sua história...
1953: Estrutura do DNA
Gene: conceito “físico”
Watson e Crick
genes e sua história...
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Caspersson (1947): Conexão entre DNA, RNA e síntese proteíca
“um gene, uma proteína”
genes e sua história...
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?
Genes e genomas: novos conceitos
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)