Estrutura do DNA
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Curso de Verão em Bioinformática CONTROLE DA EXPRESSÃO GÊNICA DALILA L. ZANETTE O DNA codifica as diferentes proteínas Proteínas: unidades funcionais e estruturais de todos os organismos - Estrutura dos organismos - Enzimas que catalisam as reações bioquímicas - Hormônios Nucleotídeo – unidade básica do DNA Nucleotídeo : pentose (desoxirribose) + base nitrogenada + fosfato Purinas Pirimidinas Estrutura do DNA Os nucleotídeos se ligam uns aos outros de forma linear – ligação fosfodiéster Estrutura do RNA Pentose : ribose (diferente do DNA) No lugar da timina, no caso do RNA, uracila RNA mensageiro sintetizado no núcleo a partir do DNA TRANSCRIÇÃO Código genético A cada 3 nucleotídeos no DNA, forma-se um CÓDON A seqüência destes códons no DNA é copiada em RNA mensageiro Cada códon codifica um aminoácido, que é a unidade básica da estrutura das proteínas A seqüência dos aminoácidos, determinada pela sequência de códons é que dá origem às diferentes proteínas Códons Dogma central da biologia molecular Proteínas Dogma central da biologia molecular Informação para síntese protéica Conceito de gene Um segmento de DNA que tem a informação necessária para a síntese de uma proteína Composto por : - regiões codificantes – éxons - regiões não-codificantes - íntrons Estrutura do gene INTRONS 3` 5` EXONS As regiões codificadoras são chamadas de éxons e são alternadas por regiões não-codificadoras, chamadas de íntrons Estrutura do gene Posteriormente, ocorre o splicing para retirada dos introns, ficando somente a parte codificadora do gene, para orientar a tradução da proteína Diferentes tipos celulares DNA – igual para todas as células do mesmo indivíduo No entanto, temos tipos especializados de células, que são bastante diferentes entre si Além das diferentes células que temos, também existem diferentes situações nas quais nossas células são modificadas em resposta a um estímulo Ex. uso de medicamentos, alterações hormonais e doenças EXEMPLOS DE DIFERENTES CÉLULAS Célula epitelial Célula muscular Neurônios Células do tecido conectivo O que torna uma célula diferente da outra? Organismos multicelulares Síntese e acúmulo de diferentes RNAs e proteínas torna uma célula diferente da outra Apesar da sequência de DNA ser a mesma para todas as células Raras exceções, como os rearranjos que conferem a diversidade do sistema imunológico Como as células diferem umas das outras ? 1. Processos comuns a todas as células - proteínas em comum 2. Algumas proteínas são encontradas somente em células altamente especializadas 3. RNAs mensageiros - qualidade e quantidade 4. Há outras diferenças além do RNA. Exemplo: fatores pós-traducionais Dogma central da biologia molecular Igual para todas as células Transcrição Diferentes RNAs podem ser gerados Tradução Diferentes proteínas podem ser geradas Níveis de regulação da expressão gênica - Antes da transcrição -Após a transcrição (pós-transcricionais) -Mecanismos pós-traducionais – vários entre eles, mecanismos epigenéticos Níveis de regulação da expressão gênica DNA RNA Proteína Antes da transcrição Entre o DNA e o RNA Fatores cis e trans • Fatores Trans-Atuantes Genes que codificam estes fatores de regulação estão em outra região da molécula de DNA, tendo que migrar ao local de ação • Fatores Cis-Atuantes Seqüências reguladoras, região de ligação dos fatores transatuantes, estão na mesma molécula que o gene, ou transcrito de RNA, que está sendo regulado Fatores cis e trans Fatores cis Estão na fita de DNA. São as regiões reguladoras, como as regiões promotoras dos genes, que são regiões que podem “ligar ou desligar”a expressão do gene Fatores trans Ligam-se ao DNA, mas provém de outra região do DNA, que os codifica para agirem sobre os fatores em cis Fatores cis e trans Ativadores Repressores Reforçadores Elementos isolantes Regiões reguladoras e regiões promotoras Início da transcrição: ATIVADORES – FATORES CIS Forma mais simples Ativadores: Atraem, posicionam e modificam os fatores de transcrição e a RNA pol II Ativadores – dois sítios Ativadores que agem à distância Enhacers ou reforçadores aumentam a transcrição do gene Podem agir à distância Acima ou abaixo O DNA faz uma alça Como os fatores de transcrição acessam o DNA-alvo ? DNA – empacotado para ocupar menos espaço na célula Organização de DNA, RNA e proteínas HISTONAS em um complexo chamado CROMATINA Histonas – proteínas que compõe a cromatina Heterocromatina DNA condensado Eucromatina – DNA estendido Estrutura do DNA : nucleossomos e cromatina Unidade básica da heterocromatina NUCLEOSSOMOS Nucleossomos: aproximadamente 147 nucleotídeos enrolados sobre um octâmero de histonas com 2 cópias de cada tipo de histona Estrutura do DNA : cromossomos e cromatina DNA dupla hélice Nucleossomos Contas de colar Os nucleossomos se enrolam Cromossomo na sua forma estendida Cromossomo na sua forma condensada Cromossomo mitótico inteiro Resultado : o cromossomo empacotado é 10.000 vezes menor do que sua forma estendida Ativadores podem modificar a cromatina Organização em nucleossomos – Acesso dos fatores de transcrição através de modificações na cromatina Para ativação das regiões promotoras, Ocorre recrutamento de histona-acetiliases e complexos de remodelagem da cromatina Cromatina acetilada – ativa, desenrolada Fácil acesso dos fatores de transcrição e da RNA polimerase II às regioes reguladoras do gene Ativadores e cromatina Ativador se liga ao DNA Complexo de remodelagem da cromatina Remodelagem da cromatina Enzimas modificadoras das histonas: histona-acetilases Modificação covalente das histonas Outros ativadores Outros ativadores ligados às regiões reguladoras Fatores de transcrição e RNA pol II conseguem acessar o DNA Montagem do complexo de iniciação no promotor Outros ativadores e rearranjo das proteínas do complexo INÍCIO DA TRANSCRIÇÃO Repressores Repressão de grandes regiões - heterocromatina Repressão local : várias maneiras, podendo haver: 1. Ativador e repressor competem pela mesma região reguladora do DNA 2. O repressor se liga à região de ativação, mascarando-a e impedindo a ligação do ativador 3. O repressor interage com o complexo de transcrição antes que ele esteja pronto, impedindo seu funcionamento 4. Recrutamento de complexos de remodelagem de cromatina, que podem compactar o DNA 5. Os repressores recrutam histona-desacetilases, que vão inativar a cromatina, compactando-a Complexos de proteínas reguladoras Geralmente ocorre formação de complexos distintos que se formam de forma específica frente à região de DNA apropriada As proteínas reguladoras não têm função fixa, elas poderão agir como ativadoras ou repressoras dependendo da região que estão regulando As unidades reguladoras que geram os complexos, vão se unir, formando uma determinada combinação que por sua vez, irá determinar se aquele complexo irá ativar ou reprimir a transcrição Co-ativadores Co-repressores Região de controle gênica Região de controle gênica – todo o DNA envolvido na regulação de um gene Quantidade de proteínas reguladoras de genes Proteínas reguladoras Sequencias reguladoras DNA espaçador Fatores de transcrição RNA POL II promotor Proteínas reguladoras Controle pós-transcricional Processamento normal do RNA SPLICING: retirada dos introns, ficam somente os exons Processamento normal do RNA Capeamento - Logo após a transcrição Ligação efetiva de 7-metilguanosina ao primeiro nucleotídeo 5’ do transcrito de RNA. Protege o transcrito do ataque da exonuclease 5’→3’ Facilita o transporte do RNAm para citoplasma Papel no encaixe da subunidade 40S dos ribossomos no mRNA Poli-adenilação - Após o término da transcrição – clivagem terminal do RNA Adição de cerca de 200 resíduos de adenilato . Facilitar transporte para o citoplasma . Estabilizar o RNAm . Facilita a tradução Processamento normal do RNA 5’ CAP RNAm 5’ m7G AAAAAAAA 3’ Cauda poli-A Controle pós-transcricional : splicing alternativo Combinações diferentes de éxons – um gene, várias proteínas Tipos de splicing alternativo O que são os genes ? Genes são sequências de DNA transcritas como uma unidade que geram uma determinada proteína Mecanismos de controle da expressão gênica podem gerar diferentes transcritos, variantes do mesmo gene, como o mecanismo de splicing alternativo Sequências de DNA transcritas como uma unidade que codificam um grupo de proteínas semelhantes (isoformas) Regulação do transporte de RNA Somente RNAm com estrutura de 5`cap e cauda poli–A vão para o citoplasma Grande parte dos RNAs mensageiros nem saem do núcleo O RNAm pode ir para locais específicos no citoplasma, próximo de onde a proteína atua Região 3`- UTR é que quem regula esse direcionamento Estabilidade dos RNAs mensageiros RNA mensageiro instável – codificam proteínas cujas taxas de produção mudam rápido dentro da célula Fatores externos também influenciam Degradação do RNAm – sequência do RNA Encurtamento da cauda poli-A Clivagem da cauda poli-A por endonucleases Mecanismos para a criação de células especializadas As diferenças dramáticas que existem entre os diferentes tipos celulares é produzida por diferenças na expressão gênica Estudo da expressão gênica Para ajudar a entender os mecanismos que tornam uma célula diferente da outra, seja em organismos diferentes, tecidos diferentes ou situações diferentes O fato de que as células possuem diversos níveis de regulação da expressão gênica indica sua importancia para definir os processos e funções de cada tipo celular ou a resposta de cada célula a uma determinada situação Estudos globais da expressão gênica: Sequências pequenas de cada gene, que o identificam SAGE Microarrays Bibliotecas de ESTs: dados mais detalhados Somente as sequências transcritas – EXPRESSED SEQUENCE TAGS Sequências grandes de DNA complentar, gerado a partir do RNA das células O maior número possível de sequências é gerado e sequenciado – BIBLIOTECA Com objetivo de acumular toda a informação possível do TRANSCRIPTOMA das células, ou seja, tornar conhecidas todas as sequências de DNA que são transcritas em RNAm naquela célula
