Recombinação Gênica

BG282 – Genética I
Recombinação Gênica
Luciana Souto Mofatto
[email protected]
Resumo da aula
1) Recombinação homóloga:
- Crossing-over
2) Recombinação sítio-específica:
- Transposição replicativa
- Transposição não replicativa
Recombinação Homóloga
Recombinação homóloga
Definição:
- Troca de informação
genética entre moléculas
de DNA homólogas.
- Moléculas de DNA são
clivadas e os fragmentos
ligados em novas
combinações.
Crossing-over
Recombinação Homóloga
Crossing-over:
- Troca de material entre sequências localizadas em cromossomos
homólogos.
- Quiasma: regiões de ligação entre cromossomos.
Frequência de recombinação
- Não é constante ao longo do genoma
- Efeitos locais e globais.
- Diferenças entre espécies e indivíduos:
- Humanos: ocorre em ovócitos 2X mais que em
espermatozóides.
- Dependente da estrutura cromossômica:
- Suprimida em regiões condensadas.
Importância da recombinação homóloga
1) Benefício evolucionário:
- Variabilidade genética:
O rearranjo por recombinação é largamente
disseminado em organismos multi e unicelulares.
Importância da recombinação homóloga
2) Reparo:
Durante a replicação geralmente ocorre quebras das fitas
de DNA e há a necessidade da busca por sequências
homólogas para reparo.
Importância da recombinação homóloga
3) Segregação dos cromossomos:
Metáfase I: os pólos do fuso arrastam os homólogos
duplicados para direções opostas e os quiasmas resistem a
esta distensão e mantém os homólogos unidos até o fuso
separá-los na anáfase I.
Mecanismos
1) DNA homólogos de diferentes cromossomos.
2) O sítio de troca pode ocorrer em qualquer lugar das
sequências homólogas participantes.
3) Moléculas de DNA clivadas.
4) No local da permuta, a fita de DNA de uma molécula é
pareada com outra de uma segunda molécula
Mecanismos
Entrecruzamento (crossover):
- Extremidades unidas às fitas opostas.
- Formação de hélices intactas com informações das duas
moléculas iniciais (heteroduplex).
Mecanismos
Precisão do evento: nenhum nucleotídeo é perdido ou
adicionado.
Um pequeno número de bases pareadas incorretamente.
Mecanismos
As duas moléculas (sequências) que são ligadas
podem não ser as mesmas nos dois lados da
junção.
Como resultado, novas moléculas de DNA
recombinante são formadas (cromossomos
recombinantes).
Recombinação meiótica
Junção Heteroduplex
Formação do heteroduplex
1- Clivagem do DNA (dois modelos).
2- Reconhecimento de homologia.
3- Pareamento das sequências.
4- Invasão das fitas.
5- Extensão do fragmento.
6- Resolução da junção.
Formação do heteroduplex
A alça move-se livremente pelo cromossomo, aumentando a
região pareada.
A alça é estendida com DNA polimerase I usando a extremidade
3’ livre como iniciador, e como molde uma fita do
cromossomo homólogo.
O mesmo ocorre na cromátide de onde a fita saiu. Essa troca de
moldes origina uma molécula heteroduplex de DNA.
Proteína RecA e homólogas
Ligam-se fortemente e em extensos grupos cooperativos em
segmentos de fita simples de DNA.
RecA – E. coli
Rad51 – Leveduras, camundongos e humanos.
Presença de outros sítios de ligação permite interação com DNA
fita dupla.
Sinapse de DNA
Após invadir o cromossomo homólogo, a fita simples causa a
formação de uma alça, e um pareamento triplo, auxiliado pela
RecA.
Sinapse de DNA
Causa ou consequência da recombinação?
Consequência!
Sua formação é resultado do início da recombinação pela
quebra das moléculas de DNA.
Clivagem do DNA
Dois modelos:
1 – Modelo de quebra da fita única.
2 – Modelo de quebra das duas fitas.
Modelo da fita única
Robin Holliday (1964).
Clivagem ocorre em posições correspondentes das fitas
homólogas pareadas.
Permite a movimentação das fitas.
Junção de Holliday
Migração por ramificação
Junção de Holliday
Junção de Holliday
Resolução do modelo
Modelo da quebra das duas fitas
Endonuclease cliva as duas
fitas da hélice.
Exonuclease degrada as
extremidades 5’, criando
extremidades 3’
desemparelhadas.
Modelo da quebra das duas fitas
Extremidades 3’ procuram
homologia com outra sequência.
Resolução
Diferentes maneiras para resolver estas junções.
Conversão gênica
Conversão gênica
Conversão gênica
Conversão gênica
Conversão gênica
Como parte do processo de recombinação, DNA heteroduplex é
gerado.
O sistema de reparo de DNA reconhece as bases pareadas
erradas e corrige (ou não) com a fita correspondente.
Esse evento pode converter a um alelo no alelo oposto.
Conversão gênica
a junção do heteroduplex cobre o
sítio de diferenciação dos alelos
replicação do DNA sem
vermelho e verde do gene X
cromossomo contendo
o alelo verde do gene X
reparo de pareamento
incorreto
O REPARO DE PAREAMENTO
INCORRETO REMOVE UM
SEGMENTO DA FITA VERDE
A SÍNTESE DE DNA PREENCHE
O INTERVALO E ORIGINA UMA
CÓPIA EXTRA DO ALELO
VERMELHO DO GENE X
replicação do DNA
cromossomo contendo
o alelo vermelho do gene X
ambos os cromossomo contêm
o alelo vermelho do gene X
Recombinação Sítio-Específica
Recombinação sítio-específica
Não requer similaridade extensa entre as sequências de DNA.
Pode ocorrer entre duas moléculas de DNA diferentes ou
dentro de uma única molécula.
Recombinação sítio-específica
Elementos móveis:
- Transposons de DNA apenas.
- Retrotransposons semelhantes a retrovírus.
- Retrotransposons não-retrovirais.
Elementos móveis
Primeira descrição dos elementos móveis
em 1948, utilizando milho.
Nos anos 60, foi demonstrado esses
elementos também em bactérias e
bacteriófagos.
Desenvolvimento das técnicas de DNA
recombinante (1970 - 80) demonstrou a
presença em todos os organismos.
Barbara McClintock
1983 - Nobel de Medicina e Fisiologia.
Elementos móveis
Características:
• Curtas sequências repetidas (3 – 12)
flanqueadoras.
• Repetições terminais invertidas.
Importância dos elementos móveis
Resistência a antibióticos.
Genoma humano:
Quase 50% é derivado de elementos móveis (inativos).
Sequências repetitivas.
Mutações por retrotransposons:
Ratos: 10%
Humanos: 0,2%
Transposição
Movimento do transposon de um local para outro.
Mecanismos gerais:
– Clivagem do DNA alvo;
– Ligação do transposon;
– Replicação dos gaps.
Mecanismos de transposição
• Replicativa:
O elemento é duplicado durante a reação, sendo o transposon
uma cópia do elemento original.
• Não replicativa:
O elemento move-se como uma entidade física de um lugar
para outro, e permanece conservado.
Transposição replicativa
Transposição replicativa via RNA
(Retrotransposon semelhante a retrovírus)
Transposição replicativa via RNA
(Retrotransposon semelhante a retrovírus)
cromossomo
alvo
Transposição replicativa via RNA
(Retrotransposon não retroviral - LINE)
Transposição não replicativa
Modelo: recorta e cola. Necessita de uma pequena região de
homologia.
Transposase cliva o transposon.
Integrase reconhece o sítio alvo do DNA e aproxima ao
transposon.
DNA é clivado e ligado com o transposon.
Transposição não replicativa
- Transposição de recorte e colagem
Transposição não replicativa
Exemplo:
Bacteriófago Lambda.
Bibliografia
• Capítulo 5 - Biologia Molecular da Célula. 4ª Ed. Bruce Alberts.
- No site do NCBI - Book:
General Recombination
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26898/
Site-Specific Recombination
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/
• Genes X. Benjamin Lewin.
- Capítulo 15 – Recombinação Homóloga e Sítio-Específica.
Bibliografia
• Genética – Um Enfoque Conceitual. 2ª Ed. Pierce.
- Capítulo 11 – Transposição
- Capítulo 12 – Bases Moleculares da Recombinação
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Vídeos:
Recombinação homóloga: https://youtu.be/BhJf9MHHmc4
Transposição: https://youtu.be/CroyUMRpbxg
Recombinação em bactéria: https://youtu.be/8rXizmLjegI