Seminario gene

Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia - UESB Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia - UESB

Departamento de Ciências Biológicas Departamento de Ciências Biológicas

Programa de Pós-Graduação em Genética, Biodiversidade e Programa de Pós-Graduação em Genética, Biodiversidade e

Conservação Conservação

Disciplina: Disciplina: Biologia Celular e MolecularBiologia Celular e Molecular

Docentes: Docentes: Ana Maria Waldschmidt

Sergio Siqueira Junior

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Programa de Pós-Graduação em Genética, Biodiversidade e Programa de Pós-Graduação em Genética, Biodiversidade e

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Disciplina: Disciplina: Biologia Celular e MolecularBiologia Celular e Molecular

Docentes: Docentes: Ana Maria Waldschmidt

Sergio Siqueira Junior

Noção Funcional do Gene

Aluna: Silene de Araújo Pereira

SUMÁRIOSUMÁRIO

1. Introdução

─ Algumas ideias sobre hereditariedade

─ Evolução do conceito de Gene: Um breve histórico

2. As descobertas de Mendel

3. A teoria cromossômica

4. Como os genes funcionam?

4.1 Um gene mutante – um bloqueio metabólico

4.2 Um gene – Uma enzima

4.3 Um gene – Um polipeptídio / Um gene – Um transcrito

4.4 Relações entre genes e proteínas

4.4.1 Estrutura das proteínas

4.4.2 Determinação da sequência da proteína

SUMÁRIOSUMÁRIO

4.4.3 Mutação gênica e alteração na proteína

4.4.4 Colinearidade entre gene e proteína

4.4.5 Funcionamento enzimático

4.4.6 Genes e metabolismo celular: doenças genéticas

5. Ultra-estrutura do gene

5.1 Teoria das contas

5.2 Recombinação dentro do gene (Recombinação intragênica)

5.3 Teste de complementação

5.4 Genes superpostos e genes dentro de genes

5.5 Genes interrompidos e genes estocados em cromossomos como “segmentos de genes”

6. Referência Bibliográfica

1. 1. IntroduçãoIntrodução

─ Hipóteses para os processos hereditários

─ Pangênese (Hipócrates 460-370 a.C.)

─ Aristóteles (384-322 a.C.)

─ O papel do sangue na hereditariedade

─ Teoria da pré-formação (“ovistas” e “espermistas”)

─ Lazzaro Spallanzani (1775 – óvulo e espermatozóide)

─ O modelo da herança de Mendel

─ Evolução do conceito de Gene: Um breve histórico

─ 1866: As descobertas de Mendel (“fatores”)

─ 1900: Garrod: “Um gene mutante – Um bloqueio metabólico

─ 1940: Beadle e Tatum: “Um gene – Uma enzima

─ “Um gene – Um polipeptídio”

─ “um gene – Um transcrito”

─ Até 1940: “Contas-de-um-colar”

─ 1940: Clarence Oliver “Recombinação dentro do gene”

─ 1940: Edward B. Lewis “Teste de complementação ou cis-trans”

─ Benzer – Bacteriófago T4 (definiu o gene experimentalmente)

─ 1960: Yanofsky e Brenner “Genes e polipeptídios são co-lineares”

─ Evolução do conceito de Gene: Um breve histórico (continuação)

─ 1960 (final): Genes superpostos e Genes dentro de genes

─ 1960 (final): Genes interrompidos por íntrons; Genes estocados

em cromossomos como “segmentos de genes”

2. As Descobertas de Mendel2. As Descobertas de Mendel

─ 1865: “Experimentos em Plantas

Híbridas” – Sociedade de Ciências

Naturais em Brno.

─ “ervilhas-de-cheiro” – Pisum sativum

─ Cruzamentos experimentais

─ Características dominantes e recessivas

─ CONCLUSÕES:

▪ Características controladas por 2 fatores

▪ Linhagens puras

▪ Gametas com um só fator

▪ Reaparecimento da característica recessiva

2. As descobertas de Mendel2. As descobertas de Mendel

Princípio da segregação independente

Os dois membros de um par de fatores

(genes) se segregam um do outro para os

gametas, de modo que metade dos gametas

tem um membro do par e a outra metade tem

outro membro do par.

1ª Lei de Mendel

2. As descobertas de Mendel2. As descobertas de Mendel

Princípio da distribuição independente

Durante a formação de gametas, a

segregação dos alelos de um gene é

independente da segregação dos

alelos de outros genes. Em outras

palavras: O processo de colocar R ou

r em um gameta é independente do

processo que coloca Y ou y no

mesmo gameta.

2ª Lei de Mendel

3. A Teoria Cromossômica3. A Teoria Cromossômica

─ Relação do núcleo com processos hereditários (corantes, células

somáticas e germinativas)

─ 1903: Walter S. Sutton: “Os Cromossomos na Hereditariedade”

─ Explicou os resultados de Mendel: cromossomos aos pares, gametas

com um dos cromossomos do par.

─ Dedução lógica

─ 1909: Wilhelm Johannsen “gene” (o que gera)

─ 1909: Thomas Hunt Morgan (Drosophila melanogaster)

Como surgiram formas alternativas de um gene?

3. A Teoria Cromossômica 3. A Teoria Cromossômica (continuação)(continuação)

a) P: ♀ (vermelho) X ♂ (branco)

WW X wY

F1: W w W Y

W w W Y

F2: WW, Ww, WY, wY

v, v, v, b

b) P: ♀ (branco) X ♂ (vermelho)

ww X WY

F1: Ww wY

W w w Y

F2: Ww, ww, WY, wY

v, b, v, b

─ O comportamento do gene, era o mesmo do cromossomo X.

“Os genes, como caracterizados por Mendel, são partes de

estruturas celulares específicas, os cromossomos.”

4. Como os genes funcionam?4. Como os genes funcionam?

4.1 Um gene mutante – um bloqueio metabólico

Como os genes controlam os fenótipos?

Como o alelo de um gene produz uma ervilha rugosa e o outro produz uma lisa?

─ 1900: Archibald E. Garrod (doenças hereditárias)

Livro “Erros Inatos do Metabolismo”

─ Fenilcetonúria e Alcaptonúria

─ Acreditava que o gene tipo selvagem era responsável por determinada enzima

4. Como os genes funcionam? 4. Como os genes funcionam? (continuação)(continuação)

4.1 Um gene mutante – um bloqueio metabólico (continuação)

Catabolismo da fenilalanina

Ácido fenilperúvico

Alcaptonúria

Atuação do gene no controle metabólico

4.2 Um gene – Uma enzima

─ Primeira percepção das funções dos genes

─ Genes responsáveis pelo funcionamento das enzimas (especificidade)

─ Trabalho de George Beadle e Edward Tatum – década de 1940 – Neurospora

─ Ciclo de vida da Neurospora: conídios, meiócitos (zigotos) e ascósporos.

─ “Meio mínimo”: açúcar simples, sais inorgânicos, vitamina biotina (único fator de crescimento)

─ Beadle e Tatum dois pensamentos chave: 1) produção de novos metabólitos; 2) fatores de crescimento devem estar sob controle genético.

Procedimento usado por Beadle e Tatum

4.2 Um gene – Uma enzima (continuação)

Crescimento de mutantes Arg em resposta a suplementosSuplemento

Mutante Ornitina citrulina ArgininaArg-1 + + +Arg-2 - + +Arg-3 - - +NOTA: Um sinal + indica crescimento; um sinal – indica não crescimento

─ 7 linhagens de mutantes requeriam arginina em meio mínimo

─ As mutações estavam em 3 locais diferentes

4.2 Um gene – Uma enzima (continuação)

─ Conclusão: Beadle e Tatum demonstraram que uma mutação resultava na perda de uma atividade enzimática.

“Neste longo caminho, descobrimos o que Garrod viu tão

claramente há muitos anos. Hoje, conhecemos o seu

trabalho e estamos cientes de que adicionamos pouco, se

algo, em um princípio novo... Portanto, somos capazes de

demonstrar que o que Garrod mostrou para alguns genes

e algumas reações químicas em humanos era verdade

para muitos genes e muitas reações em Neurospora.”

Beadle, discurso do Pêmio Nobel em 1958.

4.3 Um gene – Um polipeptídeo / Um gene – Um transcrito

─ Muitas enzimas e proteínas são heteromultiméricas

─ Exemplos: Triptofano-sintetase (E.coli), DNA-polimerase III (E.coli), Hemoglobina, etc.

4. Como os genes funcionam 4. Como os genes funcionam (continuação)(continuação)

4.3 Um gene – Um polipeptídeo / Um gene – Um transcrito

─ Quantos genes são necessários para produzir uma mosca, um verme ou um ser humano?

─ O genoma humano..

► 4.3.1 Estrutura das proteínas

Como os genes controlam o funcionamento das enzimas???

► 4.3.2 Determinação da sequência da proteína

─ Cada proteína tem uma sequência característica única de aminoácidos (aa)

─ Frederick Sanger, sequência da insulina

─ Enzimas proteolíticas diferentes

─ Cromatografia bidimensional

A sequência e a quantidade de aa é o que caracteriza a insulina

► 4.3.3 Mutação gênica e alteração da proteína

─ 1957: Vernon Ingram

─ Hemoglobina (α-141 aa; β-146 aa)

─ Comparação: Hemoglobina A (HbA),Hemoglobina S(HbS) – Anemia falciforme

─ Cromatografia bidimensional

CONCLUSÃO: Uma mutação em um gene corresponde a mudança de um aa na sequência de uma proteína. Logo, os genes determinam as sequências primárias específicas de aa em proteínas específicas.

► 4.3.4 Co-linearidade entre genes e proteínas

─ 1953: Watson e Crick determinam a estrutura do DNA

─ Estrutura das proteínas devem ser codificadas na sequência linear de nucleotídeos.

─ Utilização da demonstração de Ingram

─ Charles Yanofsky e colaboradores: genes alterados x proteínas alteradas

─ Gene TrpA em E. coli ─ enzima triptofano sintetase (2 α e 2 β)

─ Dados obtidos: Cadeia α - 268 aa; sequência dos aa do tipo selvagem; substituições de aa de vários mutantes; mapeou as mutações; comparou as posições do mapa com as substituições de aa nos mutantes.

► 4.3.4 Co-linearidade entre genes e proteínas

Mapa genéticoDistância de mapa(não em escala)

Aminoácidos noPolipeptídeo tipo selvagem

Aminoácidos noPolipeptídeo mutante

Posição da mudançade aminoácido nopolipeptídeo

► 4.3.5 Funcionamento enzimático

─ Enzimas atuam em reações químicas (fazem ou rompem ligações)

─ Sítio ativo

Como a substituição de um único aminoácido pode ter um efeito tão grande na função de uma proteína e no fenótipo de um organismo??

► 4.3.5 Funcionamento enzimáticoEnzima digestiva carboxipeptidase

► 4.3.5 Funcionamento enzimático

► 4.3.6 Genes e metabolismo celular: doenças genéticas

5. Ulta-estrutura do gene5. Ulta-estrutura do gene

5.1 Teoria das contas

─ Unidade fundamental da estrutura (indivisível), da mutação e do funcionamento

5.2 Recombinação dentro do gene

─ 1940: Clarence P. Oliver

─ Locus lozenger do cromossomo X da Drosophila melanogaster

─ Duas mutações consideradas alelas

─ Fenótipos: lz+ → Selvagemlzs → olho de “óculos”lzg → olho “vítreo”♀ lzs l lzg → olhos lozenge

5. Ultra-estrutura do gene 5. Ultra-estrutura do gene (continuação)(continuação)

5.2 Recombinação dentro do gene (continuação)

lzs l lzg X lzs ou lzg

♀ ♂

F1: lz+

Como explicar este resultado??

0,2 por cento

Se a fêmea lzs l lzg tivesse um cromossomo X do tipo

A prole com olho selvagem teria esse cromossomo X

E nunca acontecia esse tipo de cromossomo:

A explicação:

CONCLUSÃO: O gene é divisível, contendo sítios separáveis por recombinação;

─ 1940: Edward Lewis desenvolveu o teste de complementação

─ Determina se duas mutações que produzem o mesmo fenótipo ou fenótipos semelhantes estão no mesmo gene ou em genes diferentes.

─ Heterozigoto duplo, com duas mutações pode existir em dois arranjos:

─ Lewis trabalhou com mutações recessivas para cores do olhos White (w) e Apricot (apr) em moscas-de-frutas

─ Gene no cromossomo X

─ Fenótipos:Moscas tipo selvagem (apr+/w+)→ olhos vermelhosFêmeas apr/apr → olhos damascoFêmeas w/w → olhos brancosFêmeas apr/w → olhos damasco-claro

─ Lewis descobre que: fêmeas heterozigotas apr/w tinha olhos damasco-claro e produziam prole com olhos vermelhos, tendo cromossomos recombinantes apr+/w+

─ apr w/apr+w+, elas tinham olhos vermelhos (selvagem) eapr w+/apr+ w, elas tinham olhos damasco-claro

─ Os dois genótipos têm a mesma informação genética: mutante e selvagem, mas com arranjos e fenótipos diferentes.

a) Mutantes apr e w estão em sítios diferentes no mesmo gene.

1) CIS

2) TRANS

b) Mutantes apr e w estão em genes diferentes

1) CIS

2) TRANS

─ Quando temos fenótipos diferentes e com os mesmos marcadores genéticos mas com arranjos diferentes, tem-se o efeito de posição cis-trans.

─ Seymour Benzer introduziu o termo cístron para se referir a unidade de função definida operacionalmente pelo teste cis-trans. Ou seja, ele chamou os grupos de complementação de cístron.

─ CONCLUINDO: O teste de complementação, ou trans, fornece uma definição operacional para o gene; ele é usado para determinar se as mutações são no mesmo gene ou em genes diferentes.

5.4 Genes superpostos e Genes dentro de genes

─ Bacteriófago ΦX174: molécula de DNA circular; 5.386 nucleotídeos; 9 genes (estudos iniciais).

─ O fago codifica 11 proteínas diferentes, que coletivamente contém mais de 2.300 aminoácidos.

─ o código genético é um código triplo, onde cada sequência de 3 nucleotídeos especifica 1 aminoácido (5.386/3 = 1.795). Eles têm poucos nucleotídeos pra muitos aminoácidos.

Como o ΦX174 pode codificar essas 11 proteínas só com essa quantidade de nucleotídeos?

─ Os genes superpõem quando o mesmo trecho de DNA pode estar envolvido na codificação de mais do que uma proteína.

─ Característica fundamental: Trinca de iniciação TAC (Códon AUG → F-Met)

Genes superpostos

do bacteriófago

ΦX174

Mapa físico do genoma do fago ΦX174

─ Genes sobrepostos é uma raridade;

─ Genes sobrepostos podem ser considerados uma economia necessária

─ Vantagens: mais proteínas podem ser especificadas por genomas pequenos.

─ Desvantagem: mutações em genes superpostos geralmente alteram a estrutura de mais de uma proteína

5.5 Genes interrompidos e Genes estocados em cromossomos como “segmentos de genes”

─ Em procariotos as sequências de pares de nucleotídeos especificam sequências co-lineares de aminoácidos nos produtos polipeptídicos dos genes.

─ Em eucariotos a maioria dos genes possui sequências que são expressas (éxons) e sequências intercalares (íntrons).

─ Muitos genes eucarióticos interrompidos codificam uma única cadeia polipeptídica com uma função específica (RNAm – éxons unidos na mesma ordem do gene)

─ Exóns podem ser recompostos em sequências diferentes da sequência original no gene (isomorfas de proteínas)

─ A co-linearidade entre os genes e seus produtos polipeptídicos é mantida.

► Montagem de genes

─ Alguns genes do sistema imunológico em vertebrados são montados a partir de segmentos gênicos durante o desenvolvimento.

─ Cada anticorpo é formado por 4 cadeias polipeptídicas: 2 cadeias pesadas iguais e 2 cadeias leves iguais.

─ As cadeias leves são de dois tipos: kapa e lambda

─ Cada cadeia contém uma região variável e uma região constante.

─ As sequências de DNA que codificam estas cadeias de anticorpos, estão presentes em segmentos gênicos.

─ diferenciação de linfócitos B → plasmócito

Montagem de uma cadeia kapa leve em humanos

O cromossomo não contém o gene, mas sim os segmentos gênicos do gene.

7. Referência Bibliográfica7. Referência Bibliográfica

1. Griffiths, A.J.F.; Miller, J.H., Suzuki, D.T. Lewontin, R.C., Gelbart, W.M. Introdução à Genética, 7ª ed., Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2002,794p.

2. SNUSTAD, P., SIMMONS, M. J. Fundamentos de Genética, 4ª. ed., Guanabara. 922p, 2008;

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