(01-AULA 17.09.13 - Revolução Genética [Modo de Compatibilidade])

J. Neves Martins
Fonte:
© W H Freeman and Company
SUMÁRIO:
1. A natureza da informação biológica
- A estrutura molecular do DNA
- O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
- Transcrição e Tradução
- Como se replica a vida?
- Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
- Selecção natural
- Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à nova investigação biológica
- Genética directa e Genética reversa
- Manipular DNA e detectar sequências no DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética e o futuro
A vida na Terra
A riqueza, a complexidade e a beleza da vida inspiraram as grandes questões
que promoveram a investigação da Biologia
Variação genética na cor dos grãos da maçaroca de milho
A foto
simboliza a
história do
interesse
humano pela
hereditariedade
Chapte 1 Opener
Cada grão
representa um
indivíduo
separado por
uma constituição
genética distinta
As populações humanas cruzaram milho de grãos branco, amarelo, purpúreo (milho
rei) muito antes da moderna Genética. Ampliando essa herança o milho é hoje um
dos principais organismos da investigação genética clássica e moderna
ZIGOTO
(célula totipotente)
♀
♂
♀
♂
Células - tronco
Características da base física
do sistema informativo:
1.
2.
3.
4.
ter diversidade de estrutura para múltipla info.
info.
ter capacidade para se replicar
ter capacidade para evoluir, alterar, mutar
ter maquinaria para produzir, traduzir, maturar
Genes
mutantes
Genética
D
N
A
N. Johannsen 1909
Lembranças
Notas:
Mendel: “factores” discretos (Pais → filhos)
…padrões de características transmitidas à descendência
…variantes (mutantes) (´Vars´= Variedades)
…formação de gâmetas ( Gametogénese → ?)
Mutações …
Evolução … (Darwin)
O fundador da genética
Figure 1-1
Gregório Mendel. [Museu da Morávia, Brno]
SUMÁRIO
1. A natureza da informação biológica
-
A estrutura molecular do DNA
O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
- Transcrição e Tradução
- Como se replica a vida?
- Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
- Selecção natural
- Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à nova investigação biológica
- Genética directa e Genética reversa
- Manipular DNA e detectar sequências no DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética e o futuro
Cada célula possui cromossomas, e nestes estão os genes
Figure 1-2
Ampliações sucessivas que especificam o material genético de um organismo
O DNA tem a forma de um dupla hélice
Representação das cadeias antiparalelas. Estrutura helicoide açúcarfosfato, a azul, com as bases emparelhadas a acastanho (CΞG e A=T).
O genoma nuclear
O genoma nuclear é composto por um número de cromossomas típico de cada
espécie. Uma região cromossómica foi expandida para mostrar o arranjo dos genes
Visualização de um genoma diploide
Células de um pequeno veado indiano (2n=6). Os 6 cromossomas visíveis
estão em divisão. Os três pares foram corados com sondas de DNA específicas
dos cromossomas, cada um marcado com diferente fluorescência. Acima está
um núcleo mais atrasado na divisão. Técnica: “Chromosome painting”
Aspectos cromossómicos representativos
Os genomas das quatro diferentes espécies têm topografias muito diferentes.
Verde claro, intrões; verde escuro, exões; branco, regiões entre as sequências
codificantes (incluindo regiões reguladoras mais espaçadores de DNA). As duas
ilustrações de cima e as duas de baixo estão em escalas diferentes.
Marcos específicos de um cromossoma humano
Regiões transcritas de genes (verde) em dois segmentos do cromossoma 21,
baseadas na sequência completa deste cromossoma. (Dois genes, FDXP2 e IMMTP
estão a laranja para os distinguir dos circundantes). Alguns genes estão expandidos
mostrando exões (barras pretas) e intrões (verde claro). As etiquetas verticais são os
nomes dos genes. As marcações 5´e 3´indicam a direcção da transcrição dos genes.
O DNA cromossómico está enrolado em torno das histonas
Modelo de um nucleosoma mostrando o DNA enrolado duas
vezes em volta do octâmero de histonas
O DNA cromossómico está enrolado em torno das histonas
Vista lateral e terminal da cadeia enrolada de nucleosomas, diâmetro 20 nm, mostrando
os octâmeros de histonas como discos azulados. A histona adicional chamada H1 não
pertencente ao octâmero preenche o centro da espiral, actuando como estabilizador.
Condensação cromossómica por super errolamento
Nucleosomas
Esqueleto
O modelo mostra um cromossoma super-enrolado numa célula em divisão.
Os laços estão tão densamente compactados só se vendo pontas. Numa
extremidade a estrutura está liberta para se verem os componentes.
Comparação de genomas eucariotas, procariotas e vírus
Comparação de genomas eucariotas, procariotas e vírus
Todos contem cromossomas onde estão os genes, mas há diferenças…
Comparação de genomas eucariotas, procariotas e vírus
Os cromossomas procarióticos são circulares…
Comparação de genomas eucariotas, procariotas e vírus
Figure 1-14 pt 3
Os cromossomas virais são lineares…
SUMÁRIO
1. A natureza da informação biológica
- A estrutura molecular do DNA
- O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
-
Transcrição e Tradução
Como se replica a vida?
Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
- Selecção natural
- Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à nova investigação biológica
- Genética directa e Genética reversa
- Manipular DNA e detectar sequências no DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética e o futuro
Transcrição e tradução num eucariota
(Transcrição)
Figure 1-5
(Tradução)
Numa célula eucariótica o RNA mensageiro é transcrito do DNA, no núcleo, sendo depois
transposto para o citoplasma para ser traduzido numa cadeia polipeptídica (ribosomas)
Fluxo de informação numa célula eucariótica
Traduções
O fluxo génico básico da informação é do DNA para o RNA e para as proteínas. São
mostrados 4 tipos de genes: Gene 1 - responde a sinais regulatórios exteriores e
exporta proteína; Gene 2 - produz proteína para usar no citoplasma ao responde a
sinais internos; Gene 3 - produz proteína a transportar para um organelo; Gene 4 - é
parte do DNA do organelo e produz a proteína para o seu uso interno.
O RNA mensageiro é traduzido numa cadeia polipeptídica
Figure 1-6
mRNA
A expressão do gene implica a tradução do mRNA, em que cada amino-ácido (aa)
é aposto à extremidade polipeptídica, que cresce por comando de cada codão.
Uma hélice dupla de DNA produz duas
Replicação
do DNA
Quando células novas são produzidas a replicação do DNA possibilita ao
cromossoma original formar cromossomas filhos nas novas células…
A duplicação do DNA é a base da perpetuação da vida
A perpetuação da vida ao longo do tempo é baseada
na alta fidelidade de replicação do DNA genómico
Cada cadeia de DNA é molde para a produção de uma nova
Figure 1-4
DNA em replicação. Os novos nucleótidos, dourados, são polimerizados para
formar novas cadeias, usando como molde os nucleótidos originais a azul.
1 só gene mutante causa o albinismo
Figure 1-7
O fenótipo albino é causado por duas doses da variante incomum dum gene (a). O
gene normal (A) comanda uma etapa da síntese do pigmento escuro de melanina
Simples mutações num gene causam doenças humanas
Posição dos genes mutados em algumas doenças monogénicas nos 23
cromossomas humanos. Cada cromossoma tem um padrão de bandas típico.
SUMÁRIO
1. A natureza da informação biológica
- A estrutura molecular do DNA
- O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
- Transcrição e Tradução
- Como se replica a vida?
- Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
-
Selecção natural
Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à nova investigação biológica
- Genética directa e Genética reversa
- Manipular DNA e detectar sequências no DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética e o futuro
Notas:
1. Necessidade de variação:
- entre espécies…
- entre e dentro de populações (entre indivíduos)…
2. Dissecação genética:
(gene a gene vs. formas e funções, divergências)
a) Começar pelos mutantes (variação), análise Genética Directa,
(tipos selvagens x mutantes, obtendo: F1 e F2, …)
c/ caracterização do DNA…
b) Começar pela quantificação do DNA, pela Genética Reversa,
concluindo com a caracterização fenotípica…
Árvore evolutiva comparando DNA do citocromo c
A árvore é baseada nas sequências do DNA do gene para o citocromo c. Os valores
estimam as substituições nucleotídicas ocorridas nas linhagens do gene codificante
desta proteína. As distâncias são proporcionais às diferenças nucleotídicas entre
organismos.
Homem de Neanderthal
O genoma do homem de Neanderthal é o mais parecido
com o do homem actual entre todos os sequenciados.
Direcções de migração baseadas no DNA do Homo sapiens
A comparação de zonas de DNA mitocondrial (mtDNA) e do cromossoma Y revelaram
as vias seguidas pelo Homo sapiens ao colonizarem o planeta. Diferentes linhas da
mesma cor são resultados de estudos com distintas regiões do DNA
SUMÁRIO:
1. A natureza da informação biológica
- A estrutura molecular do DNA
- O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
- Transcrição e Tradução
- Como se replica a vida?
- Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
- Selecção natural
- Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à investigação biológica
-
Genética directa e Genética reversa
Manipular e detectar sequências de DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética e o futuro
Revisão geral
• Isolamento das mutações que afectam processos biológicos sob estudo
• Análise da descendência dos cruzamentos controlados entre mutantes
e indivíduo do tipo selvagem (nº genes?, que cromossoma?, padrão?)
• Análise genética dos processos bioquímicos da célula
• Análise microscópica com técnicas novas p/ localizar genes
• Análise directa do DNA por sequenciação (clonagem de genes)…
Genómica comparada
• Detecção de moléculas específicas de DNA, RNA e Proteínas (sondas
radioactivas ou fluorescentes):
- Sondas para um DNA específico ( Southern Blot)
- Sondagem de um RNA específico ( Northern Blot )
- Sondagem para Proteínas específicas ( Western Blot )
Usamos sondas para detectar macromoléculas específicas
Um gene específico pode ser usado como sonda para detectar esse gene ou o seu
mRNA num DNA ou mistura de RNA, enquanto que um anticorpo específico pode ser
usado como sonda para detectar uma proteína específica numa mistura de proteínas.
Sondagem por gradientes de DNA
Cada ponto neste gradiente é uma amostra diferente de DNA ligada a uma superfície
inorgânica. As diferentes cores representam diferentes quantidades de sondas cDNA
marcado (derivados de mRNA transcritos) que se ligaram à amostra no gradiente. O
padrão mostra que genes estão activamente transcritos naquele tipo de células.
Primers de PCR detectam uma região genómica amplificada
DNAs sintéticos e pequenos homólogos duma região flanqueadora
podem iniciar a síntese de cópias múltiplas de sequências flanqueadas,
proporcionando uma amostra grande desse DNA para análise.
SUMÁRIO:
1. A natureza da informação biológica
-
A estrutura molecular do DNA
O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
-
Transcrição e Tradução
Como se replica a vida?
Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
-
Selecção natural
Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à nova investigação biológica
-
Genética directa e Genética reversa
Manipular DNA e detectar sequências no DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução
genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética e o futuro
A investigação genética usa típicos organismos-modelo
Eucariotas
Procariotas
Organismos tornados modelo nos estudos genéticos incluíram: (a)
leveduras Saccharomyces cerevisiae e (b) bactérias Escherichia coli.
Certos organismos são “modelos” na investigação genética
Arabidopsis thaliana
Bacteriófagos λ em E. coli infectada
Neurospora crassa
Drosophila melanogaster
Caenorhabditis elegans
Mus musculus
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1. A natureza da informação biológica
- A estrutura molecular do DNA
- O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
- Transcrição e Tradução
- Como se replica a vida?
- Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
- Selecção natural
- Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à nova investigação biológica
- Genética directa e Genética reversa
- Manipular DNA e detectar sequências no DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética e o futuro
Organismos transgénicos
Tomate "Flav"Flav-Savr"
Estas larvas de mosquitos transgénicos estão a
expressar um gene da medusa da proteína com
florescência verde. O gene é expresso em
zonas específicas de cada segmento.
Impressão DNA
A impressão do DNA para a investigação do determinismo parental. As bandas em
comum (traços pretos) revelam de que parental a criança herdou o seu DNA.
SUMÁRIO
1. A natureza da informação biológica
- A estrutura molecular do DNA
- O DNA organiza genes e cromossomas
2. Como a informação toma forma biológica
- Transcrição e Tradução
- Como se replica a vida?
- Mudanças ao nível do DNA
3. Genética e evolução
- Selecção natural
- Construir linhagens evolutivas.
4. A Genética dá poder à nova investigação biológica
- Genética directa e Genética reversa
- Manipular DNA e detectar sequências no DNA, RNA e proteínas
5. Organismos modelo cruciais na revolução genética
6. A Genética modifica a sociedade
7. A Genética, ambiente e futuro
A estrutura do organismo é afectada por genes
e ambiente
1. Modelo I. Determinismo genético (G):
Diferenças genéticas insensíveis às variações ambientais
2. Modelo II. Determinismo Ambiental (E)
Ex. 2 gémeos monozigóticos idênticos (educados em dois locais
muito diferentes), serão diferentes, ≠ .
3. Modelo III. Interacções Genótipo/Ambiente (GE)
Diferenças genéticas e ambientais condicionam indivíduos,
diferentemente
4. Usos: genótipos parciais (G) e fenótipos parciais (P)
5. Efeitos aleatórios no Desenvolvimento (e)
Três níveis do desenvolvimento:
- Pré-programação genética comum (constante nos indivíduos de espécies, G)
- Diferenças entre espécies, inter-específica
- Diferenças intra-específicas, morfológicas, fisiol. e comportamentais entre indivíduos na
mesma sp.
Um modelo determinístico que dá primasia aos genes
Padrão genético
AmbienteFigure 1-15
Genótipo A
AmbienteGenótipo B
Ambiente-
Diferentes ambientes proporcionam condições básicas para o desenvolvimento,
enquanto diferenças nos fenótipos dependem de diferenças nas cópias genéticas
Um modelo determinístico que enfatisa o ambiente
Factores ambientais -
Ambiente -
Factores ambientais Factores ambientais -
Figure 1-16
regras
Genéticas
normais
Factores ambientais -
Ambiente -
Factores ambientais Factores ambientais -
Neste modelo os organismos A e B diferem, fundamentalmente,
porque se desenvolvem em ambientes diferentes…
Modelo determinístico a enfatisar interacção genótio/ambiente
Interacções ao
desenvolvimento
Figure 1-17
Ambiente
Neste modelo Genes e Ambiente, conjuntamente, determinam,
influenciando as características de um organismo.
Genes e ambiente influenciam tamanho de olhos: Drosophila
Figure 1-18
Efeito da temperatura no tamanho de olhos de tipo selvagem, infrabar e ultrabar
Os desvios ao desenvolvimento influenciam os fenótipos tb.
Desvios ao
desenvolvimento
Figure 1-19
Ambiente
Modelo de determinação fenotípica que mostra como os genes, ambiente e
perturbações do desenvolvimento interactuam para produzir fenótipos ≠.
Palavras chave
Ácido desoxiribonucleico
(DNA)
Ácido ribonucleico (RNA)
Adenina (A)
Anticodão
Bactéria
Base nucleotídica
Bases complementares
Bioinformática
Citosina (C)
Codão
Diploide
Enzima de restrição
Eucariota
Fenótipo
Gene
Genética
Genética directa
Genética reversa
Genoma
Genómica
Genótipo
Guanina (G)
Haploide
Mutação
Mutante
Pirimidinas
Polimosrfismo genético
Procariota
Proteína
Purinas
Ribosoma
Ribosoma
RNA mensageiro (mRNA
(mRNA)
mRNA)
RNA de transferência (tRNA
(tRNA)
tRNA)
Ruído desenvolvimental
Sonda
Timina (T)
Tipo selvagem
Tradução
Transcrição
Transcrito
Transferência de Southern
Transferência Northern
Transferência Westhern
Vírus