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V e t e r i n a r i a n D o c s
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Genética
Introdução
Conceitos
Gene: segmento de DNA que é expresso para produzir um produto funcional, o
que pode ser RNA ou polipeptídeo.
3 partes: seqüência reguladora, seqüência codificadora e seqüência terminadora.
Éxons: parte codificadora de um gene
Ínrtons: parte não codificadora de um gene, são removidos pelo splicing de
modo que só os éxons são incluídos no mRNA. Quase todos os genes de histonas não
têm íntrons.
Função: papel importante no controle da expressão gênica, os íntrons
permitem que os éxons de um gene sejam agrupados de formar diferentes, fazendo com
que um gene sintetize proteínas diferentes, isso é chamado de splicing alternativo.
Também facilita a recombinação entre regiões codificadoras de proteínas, processo
conhecido como embaralhamento de éxons.
Genoma: termo usado para designar o complemento total de DNA de um
conjunto de cromossomos em uma célula.
Procariotos: é organizado de uma forma que proporciona economia de
espaço e de energia para a replicação do organismo, ‘organismos de replicação rápida’.
Apresentam um único cromossomo circular. (haplóides). Presença de seqüências
codificantes em ambas as fitas de DNA.
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Eucariotos: genes interrompidos (éxons e íntrons). São organismos que
apresentam o material genético nuclear de cada célula dividido em dois ou mais
cromossomos. Genoma maior que o dos procariotos.
Valor C: é uma grandeza característica de cada espécie e expressa a quantidade
total de DNA presente em seu genoma haplóide.
Paradoxo do valor C: a impossibilidade de correlacionar o tamanho do genoma
com a complexidade das características morfológicas do organismo.
Eucariotos: presença de núcleo individualizado.
Procariotos: ausência de núcleo individualizado.
Operon: um grupo de genes adjacentes transcritos como um único mRNA.
Empacotamento do DNA: o DNA de uma célula apresenta um comprimento total
de quase 2 metros. Portanto, é necessária uma compactação organizada que permita o
armazenamento em uma microscópica célula.
Como ocorre: a dupla hélice de DNA dá voltas em uma estrutura
composta de proteínas básicas (histonas). DNA + histonas: Nucleossomo. Alças de
solenóide prendem-se ao esqueleto do cromossomo por proteínas ácidas.
Genoma extranuclear: (genoma mitocondrial) a mitocôndria possui genoma
próprio, estas organelas se auto- duplicam e segregam ao acaso. Herança materna.
Cromatina: as principais proteínas são as histonas.
Centrômero: assegura a distribuição correta dos cromossomos duplicados.
Servem de sítios de associação das cromátides irmãs.
Telômeros: papel na replicação e manutenção do cromossomo. Transcriptase
reversa: replica as seqüências dos telômeros.
Seqüência de DNA repetitivo: mais de 50% do DNA dos mamíferos são
compostos por seqüências de DNA altamente repetitivos. Estas seqüências incluem as
repetições de seqüência simples assim como os elementos repetitivos que a moveram ao
longo do genoma através de RNA ou DNA intermediários.
Processamento de RNA: as alterações que ocorrem nos rRNAs e tRNAs são
principalmente modificações de bases e são comuns tanto em procariotos como em
eucariotos. (alguns tRNAs contem íntrons que devem ser retirados).
Maturação de RNAs: os diferentes RNAs recém-sintetizados no processo de
transcrição são chamados pré-RNAs, transcritos primários ou, ainda, precursores de
RNAs. Muitas vezes, estes pré-RNAs não constituem em uma molécula funcional
(RNA maduro). Só se tornando um RNA funcional após sofrerem uma série de
modificações pós-transcricionais, as quais chamamos de processamento de RNA.
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mRNAs de procariotos, com raras exceções, não sofrem processamento. Já mRNAs de
eucariotos são altamente modificados, as modificações são de vários tipos: adição de
nucleotídeo na extremidade 5’ (tradução, proteção). Adição de nucleotídeos na
extremidade 3’ (poliadenilação – estabilidade). Retirada de fragmentos que
interrompem as seqüências funcionais dos mRNAs (retirada de íntrons).
Retirada de íntrons: de 3 formas: spliceossomos (complexo protéico), autosplicing
(há 2 tipos de íntrons, 1 e 2) e alguns íntrons de tRNAs são retirados por
endonucleases.
Replicação
Replicação: 3 etapas: início, alongamento e terminação. É um processo semiconservativo.
DNA polimerase: papel na replicação e no reparo do DNA em eucariotos e em
procariotos. Todos DNA polimerases sintetizam na direção 5’->3’.
Forquilha de replicação: as fitas do DNA são separadas e servem como moldes
para a síntese de 2 novas fitas na forquilha de replicação. Uma das fitas novas (fita
líder) é sintetizada continuamente e a outra (fita atrasada) é formada pela união de
pequenos fragmentos de DNA que são sintetizados reversamente com relação a direção
da replicação. As DNA polimerases e várias outras proteínas atuam de maneira
coordenada para sintetizar as fitas contínuas e descontínuas.
As origens e a iniciação da replicação: a replicação do DNA é iniciado em
origens de replicação específicas, as quais contém sítios de ligação para proteínas que
iniciam o processo
Telômero, telomerase, replicando as extremidades dos cromossomos: as
seqüências repetidas, situadas nas extremidades cromossomais, são replicadas pela ação
de uma transcriptase reversa (telomerase) que carrega seu próprio molde de RNA.
Reparo de DNA:
-Reversão direta de lesão: alguns poucos tipos comuns de lesões tais como
dímeros de pirimidinas e resíduos de guanina alquilados, são reparados pela reversão
direta da lesão.
-Reparo por excisão: a maioria é reparada pela remoção do DNA lesado. A falha
é resultante é preenchida por DNA recém sintetizado, usado como molde a fita integra.
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-Reparo sujeito a erro: DNA polimerases especializados são capazes de replicar
o DNA complementar a um sítio de DNA lesado, embora a ação dessas polimerases
resulte em uma alta freqüência de incorporação de bases incorretas.
-Reparo por recombinação: o DNA lesado pode ser substituído por
recombinação com uma molécula integra. Esse mecanismo desempenha m papel
importante no reparo de lesões encontradas durante a replicação do DNA, bem como no
reparo de quebras da fita dupla.
DNA polimerases: síntese de DNA (adiciona nucleotídeos na extremidade 3’ OH de
uma região pareada do DNA, possibilitando o crescimento da cadeia no sentido 5’3’)
Replicação: pode ser unidirecional ou bidirecional.
Aparato proteico (auxiliam DNApolimerase):
-DNA girase: auxilia no desenrolamento do DNA
-Helicase: promove a separação das duas fitas para o inicio da duplicação.
-Primase: síntese do iniciador de RNA.
-Dna ligase: uma enzima que sela as quebras de uma fita de DNA.
Fragmentos de okasaki: pequenos fragmentos de DNA que são unidos para formar a
fita descontínua de DNA. (semi descontínua)
Terminação da replicação:
-unidirecional: começa e termina no mesmo ponto
-bidirecional: começa num ponto e as fitas se sobrepõem, terminam em pontos
diferentes.
Adição de nucleotídeos: sempre na direção 5’3’
*Nem todos os organismos têm o DNA como material genético. Como o retrovírus, tem
RNA fita simples e a transcriptase reversa sintetiza cDNA.
Transcrição
Transcrição: processo pelo qual são sintetizados todos os RNAs da célula.
O primeiro nucleotídeo transcrito é demarcado +1, e é geralmente uma purina (A ou G)
A transcrição inicia-se no promotor e prossegue em direção ao terminador.
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Procariotos:
A RNA polimerase e a transcrição: RNA polimerases constituídas de
subunidades α,β,β’,δ e ω. A transcrição é iniciada pela ligação de δ nas seqüências
promotoras. Após a síntese dos 10 primeiros nucleotídeos do DNA, o núcleo central da
polimerase se dissocia de δ e progride ao longo do molde de DNA à medida que alonga
a cadeia de RNA. Então, a transcrição continua até que a polimerase encontre um sinal
de terminação.
Os repressores e o controle negativo da transcrição: o modelo prototípico para
a regulação gênica em bactérias é o operon, o qual é regulado pela ligação de um
repressor a seqüências específicas de DNA próximos ao promotor.
Controle positivo da transcrição: alguns genes bacterianos são regulados através
de atividades transcriocionais em vez de repressores.
Eucariotos:
RNA polimerase: as células eucarióticas contem 3 RNA polimerases nucleares
distintas que transcrevem os genes codificando para mRNAs (polimerase II), rRNAs
(polimerases I e III) e tRNAs (polimerase III).
Fatores gerais da transcrição e a iniciação da transcrição pela rna polimerase
II: as RNA polimerases eucarióticas não se ligam diretamente nas seqüências
promotoras, elas exigem proteínas adicionais (fatores gerais de transcrição) para
iniciarem a transcrição. As seqüências promotoras de muitos genes transcritos pela
RNA polimerase II são identificados pela proteína de ligação (TATA), a qual recruta
fatores de transcrição adicionais e a RNA polimerase para o produtor.
TATA BOX: uma seqüência de DNA reguladora encontrada nos promotores de
muitos genes eucarióticos transcritos pela RNA polimerase II.
Transcrição pela RNA polimerase I e II: As RNA polimerases I e II também
necessitam de fatores de transcrição adicionais para se ligarem aos promotores do genes
para rRNA,tRNA e alguns snRNA.
Etapas da transcrição: reconhecimento do promotor, iniciação, alongamento e
término.
Rna polimerases: enzimas que catalisam a síntese de RNA. Atuam sempre no
sentido 5’3’. Não necessitam de primer e são compostas de múltiplas subunidades.
Repressores eucarióticos: a expressão gênica em células eucarióticas é regulada
tanto por repressores quanto por ativadores. Alguns repressores interferem com a
ligação de ativadores ou de fatores gerais de transcrição do DNA. Outros repressores
contêm domínios de expressão discretas que inibem a transcrição através da interação
com fatores gerais da transcrição, com ativadores transcricionais ou co-repressores que
afetam a estrutura da cromatina.
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Regulação da transcrição por RNAs não codificantes: a inativação do
cromossomo X fornece um exemplo da regulação gênica por RNA não codificante em
mamíferos.
Processamento e reciclagem do RNA:
-Mecanismos de splicing: os splicing do pré-mRNA nucleares acontecem
em grandes complexos chamados Spliceossomos, compostos por proteínas e RNAs
nucleares pequenos. Os snRNAs identificam seqüências junto aos sítios de splicing dos
pré-mRNA e catalisam a reação de splicing. Alguns RNAs mitocondriais e bacterianos
sofrem auto-splicing, processo no qual a reação de splicing é catalisada por seqüências
de íntrons.
-Splicing alternativo: Os éxons podem ser unidos em várias combinações
como resultado do splicing alternativo, o qual fornece um mecanismo importante para o
controle tecido-específico da expressão gênica em eucariotos complexos.
Degradação de RNA:: Os íntrons são degradados nos interiores da células e os
mRNAs anormais, que não apresentam fases abertas de leitura, são eliminados pelo
decaimento do mRNA mediado pela falta de sentido. Os mRNAs funcionais de
eucariotos são degradados a taxas diferenciadas, gerando um mecanismo adicional para
o controle da expressão gênica. Em alguns casos as taxas de degradação do RNA são
regulados por sinais extra-celulares.
Elementos reforçadores (enhancers): uma seqüência transcricional reguladora
que pode estar localizada em um local distante do promotor. Aumentam a expressão dos
genes. Podem estar a 5’ do promotor, após o terminador ou até muito distantes dos
genes que reforçam. Sua ação requer proteínas que se expressam apenas em algumas
células.
Terminação: RNAs sintetizados pela RNA pol. III: terminação em regiões muito
semelhantes àquelas dos terminadores ρ independentes. RNAS sintetizados pela RNA
pol. I: terminação em seqüências específicas localizadas a 1000nt além do final dos
RNAs processados. RNAs sintetizados pela RNA pol II: terminação em seqüências
difusas que ocorrem a uma distância variável após o final dos RNAs processados.
Fatores de transcrição: as RNAs polimerases de eucariotos sempre necessitam
de fatores de transcrição (TFs) para iniciar a transcrição. Estes fatores são proteínas
específicas que reconhecem os promotores eucarióticos e permitem a ligação da RNA
polimerase.
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Estrutura dos Ácidos Nucléicos
Nucleotídeos: base + açúcar (pentose) + fosfato, base e açúcar formam a ligação
glicosídica.
2 tipos: ácido desoxirribonucléico (DNA)
Ácido ribonucléico (RNA)
2 tipos de pentose: Ribose RNA
Desoxirribose DNA
-Os nucleotídeos ligam-se uns aos outros por ‘pontes fosfodiéster’
-Estrutura primária do DNA: dupla fita
-Características essenciais: complementaridade e antiparalelismo.
-Propriedade fundamental entre bases: pareamento
Forças que atuam na estabilidade da dupla fita de DNA:
Pontes de hidrogênio, forças iônicas, ligações covalente, efeitos hidrofóbicos,
forças de Van der Waals.
Açúcar + fosfato arcabouço
As duas fitas apresentam-se enroladas em torno de um eixo comum (eixo da
hélice).
Desnaturação e renaturação do DNA: aumento da temperatura, ácidos ou álcalis,
agentes desnaturantes (formamida, DMSO).
Tradução:
Como o mRNA é lido?
É lido através do código genético:
-Relação entre a seqüência de bases do DNA e a seqüência correspondente de
aminoácidos na proteína.
-Que, por sua vez, é lido em grupos de 3 nucleotídeos (trincas) códons
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-Um códon um aminoácido
-Quatro bases (A,U,G,C) 64 combinações possíveis de 3 bases.
Propriedade do código genético: degeneração: mais de um códon codifica para o
mesmo aminoácido. Ausência de ambigüidade: cada códon corresponde a um único
aminoácido.
Tradução: processo pelo qual o mRNA maduro é lido ou compreendido pelo
maquinário ribossômico (rRNA e proteínas) e pelo tRNA. Desta forma os aminoácidos
são colocados na ordem correta em uma cadeia polipeptídica formando as proteínas.
RNA transportador: serve como adaptador que alinha aminoácidos sobre o molde de
mRNA. Os tRNA aminoacil sintetase ligam-se aos AA e as tRNA apropriados, que
então, ligam-se aos códons no mRNA pelo pareamento de bases complementares.
Ribossomo: contém 2 subunidades, que são compostas de proteínas e RNAs
ribossomais. O rRNA é o catalisador primário da formação da ligação peptídica.
Processo de tradução: é iniciado pela ligação do tRNA e mRNA à subunidade
ribossomal pequena. A subunidade grande junta-se ao complexo, e a cadeia
polipeptídica estende-se até o ribossomo alcançar um códon de terminação no
mRNA.Uma ampla variedade de fatores não ribossomais é necessária para a iniciação,
alongamento e terminação da tradução.
Regulação da tradução: a tradução de mRNA específicos pode ser replicado pela
ligação de proteínas repressoras e por proteínas que posicionam os mRNA em regiões
específicas da célula. A tradução de alguns mRNA é controlada por RNAs não
codificantes que direcionam e degradam m RNA homólogos pela interferência do RNA.
Finalmente a atividade traducional geral das células pode ser regulada pela modificação
dos fatores de iniciação.
Propriedades do código genético: universalidade: é o mesmo desde organismos simples
a organismos muito complexos. Parece ter surgido muito cedo e permanecido
conservado durante a evolução
Características de tRNAs: são moléculas adaptadoras que transferem a informação
contida no genoma a uma seqüência de aminoácidos que constitui as proteínas. São
capazes de representar somente um aminoácido, ligando-se covalentemente a ele.
Contém uma seqüência de trinucleotídeos, o anticódon, que é complementar ao códon
do mRNA e representa um aminoácido.
Etapas da tradução:
-Alongamento: o alongamento da cadeia polipeptídica inclui todos os processo,
desde a ligação dos primeiros aminoácidos até a adição do ultimo aminoácido do
peptídeo. Os aminoácidos são adicionados isoladamente, sendo essa a fase que ocorre
mais rapidamente durante a síntese. Após a formação do ribossomo completo no
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processo de iniciação, o alongamento deverá ocorrer de forma contínua. Vários fatores
de alongamento (proteínas não ribossomais) também participam desta etapa.
-Iniciação: nesta fase ocorre a ligação da subunidade menor do ribossomo ao
mRNA e a montagem do ribossomo completo. Várias proteínas, chamadas de fatores de
iniciação, irão auxiliar nos passos básicos do processo de iniciação. A tradução sempre
começa no códon de iniciação, sendo este sempre o codificador de uma metionina
(AUG, em procariotos também GUG e UUG).
-Translocação: o ribossomo realiza um movimento de translocação, avançando
três nucleotídeos no mRNA. Com a translocação ocorrem 3 eventos coordenados: o
tRNA não carregado é liberado no sítio P. o tRNA carregado move-se do sítio A para o
sítio P. Uma nova trinca é exposta no sítio A.
-Término: a terminação da síntese de proteínas ocorre pelo aparecimento no sítio
A de trincas específicas de terminação. No código genético, 61 códons codificam
aminoácidos, enquanto os códons UAA, UAG e UGA são os códons de terminação.
Existem fatores que estarão relacionados com o término da tradução.
Controle da Expressão Gênica em Procariotos
Níveis possíveis de controle da expressão gênica:
-Transcrição (inicio ou final)
-Estabilidade do mRNA
-Tradução (inicio ou final
-Estabilidade da proteína sintetizada
O que é a expressão de um gene?
Produção do produto final dos genes, e o controle da expressão gênica é o
controle desta produção.
Mecanismos de controle transcricional
-Fator sigma:
-Regulação negativa: a regulação ocorre por meio de uma proteína
repressora que se une ao DNA. Os genes sujeitos a controle negativo são normalmente
expressados, a menos que a transcrição seja impedida pela ligação da proteína
repressora ao DNA. Esta ligação do repressor ao promotor (DNA) é regulada por um
sinal que pode induzir ou reprimir o repressor.
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-Regulação positiva: aquela mediada por ativadores. Os ativadores
unem-se a sítios adjacentes ao promotor, aumentando a afinidade da RNA polimerase
por ele e favorecendo, portanto, a transcrição. Sem a presença do ativador, a ligação da
RNA polimerase ao promotor pode ser quase nula. Esta ligação do ativador ao promotor
(DNA) é regulada por um sinal que pode induzir ou reprimir o ativador.
-Assim, nos sistemas induzíveis, a expressão dos genes somente ocorre quando da
presença de um indutor. Já nos sistemas reprimíveis, a expressão somente ocorre na
ausência do co-repressor.
Operon como unidade transcricional e de controle da expressão gênica: O
operon é uma unidade de expressão gênica que inclui tanto os genes estruturais como os
elementos reguladores que controlam a sua expressão. Quando da transcrição de um
operon a partir de seu promotor, um único mRNA é sintetizado, contendo as regiões
codificadoras (cístrons) das diversas cadeias polipeptídicas. Este mRNA, chamado de
policistrônico, tem cada um dos cístrons traduzido de forma independente, possuindo
seus próprios sítios de ligação ao ribossomo, códons de iniciação e de terminação.
Controle da expressão gênica
Negativo
Positivo
Indução
Proteína: Repressor
Molécula: Indutor
Indutor + repressor: não se liga ao
operador, OCORRE TRANSCRIÇÃO
Apenas repressor: se liga ao operador,
SEM TRANSCRIÇÃO.
Proteína: Ativador
Molécula: Indutor
Ativador + indutor: liga-se ao operador,
OCORRE TRANSCRIÇÃO
Apenas o ativador: não se liga ao
operon, SEM TRANSCRIÇÃO
Repressão
Proteína: Repressor
Molécula: Co-repressor
Repressor + co-repressor: liga-se ao
operador SEM TRANSCRIÇÃO
Apenas repressor: não se liga ao
operador,então a RNApoli. Se liga e
OCORRE TRANSCRIÇÃO
Proteína: Ativador
Molécula: Co-repressor
Co-repressor + ativador: não se liga ao
operon, SEM TRANSCRIÇÃO.
Apenas o ativador: se liga ao operon,
OCORRE TRANSCRIÇÃO
Prímer: nucleotídeos de RNA que tem a extremidade 3’OH livre, então a DNA
polimerase pode adicionar mais nucleotídeos, a partir dali. Depois os primers são
retirados pela ação da DNA polimerase I.
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DNA polimerase III: exonuclease – correção de erros 3’5’
Gene clássico
operadora
éxons
promotora
íntrons
Região reguladora
Região codificadora
Região terminadora
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Referências Bibliográficas
BROWN, T.A. Genética, um Enfoque Molecular. 3ª Ed. Rio de Janeiro: Editora
Guanabara Koogan, 1999.
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