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