Slide - Herança Extranuclear 2021-2

Estrutura dos cromossomos organelares Quantas cópias? ex.) Mitocôndrias : levedura haplóide 1 ~ 45 mitocôndrias / célula 10 ~ 30 nucleóides / mitocôndria 4 ~ 5 moléculas mtDNA / nucleóide MAX : 45 x 30 x 5 = 6750 Humano 2 ~10 mol. mtDNA / mitocôndria Mitochondria Nucleus Nucleoid Marcação Fluorescente de uma alga unicelular (Euglena gracilis). Produtos do Genoma Mitocondrial • Codifica algumas proteínas, mas a maioria das proteínas para o funcionamento da organela são codificadas por genes cromossomais e importadas do citoplasma • Construção da mitocôndria é realizada por dois genomas e dois sistemas de tradução • Codifica a maioria dos RNAs componentes do sistema síntese proteica (mRNA, rRNA, tRNA) Organização do genoma mtDNA: • mtDNAs ocorrem em todas as células eucarióticas e geram energia para a função celular por fosforilação oxidativa (produção de ATP). • A maioria dos genomas mtDNA são circulares • Em algumas espécies %GC é alta, permitindo uma separação fácil entre um mtDNA e o DNA nuclear centrifugação em gradiente de densidade. • mtDNAs não possuem proteínas do tipo histona (como as bactérias). • O número de cópias é grande, genomas múltiplos por mitocondria e muitas mitocondrias por célula. • O tamanho do mtDNA varia muito. • Humanos e outros vertebrados ~16 kb (todo o mtDNA codifica produtos gênicos) • Levedura ~80 kb • Plantas ~100 kb to 2 Mb (muito de mtDNA não codificante) Diferenças entre Herança Nuclear e Herança Extranuclear critérios que identificam uma herança extra-nuclear: Verde x branco ou branco x verde Mesma proporção fenotípica na Descendência Herança de genes ligados à cromossomos do núcleo celular Verde x branco ou branco x verde Diferenças nas proporções fenotípicas, pode ser: -Genes ligados à Cromossomos sexuais - Genes não localizados nos cromossomos do Núcleo celular a) Diferenças nos Cruzamentos Recíprocos b. Ausência das propriedades cromossomais dos fatores de herança. Os genes cromossômicos ocupam locos particulares e apresentam distância relativas a outros genes. c. Falta de segregação mendeliana ou sem proporções mendelianas clássicas. d. Existência de transmissão de traços sem a transmissão de núcleos. Este fato tem sido comprovado em experimentos envolvendo a substituição de núcleos. Como é herdado o DNA não nuclear? ORGANELAS – material genético localizado por ex: cloroplastos e mitocondrias DNA Nuclear difere do DNA não nuclear: • Elevado número de cópias. Uma mitocôndria ou cloroplasto apresenta múltiplas cópias do seu DNA, e uma célula típica apresenta muitas mitocôndrias (no caso de uma célula de planta, cloroplastos). Como resultado, as células geralmente apresentam muitas cópias – com freqüência, milhares – de DNA mitocondrial e cloroplástico. • Segregação aleatória. As mitocôndrias e os cloroplastos (e os genes que eles carregam) tendem a ser distribuídos aleatoriamente nas células-filhas durante a mitose e meiose. Quando ocorre a citocinese, as organelas que estão em lados opostos do sulco de clivagem terminam em células-filhas diferentes • Herança monoparental. O DNA não nuclear é muitas vezes herdado uniparentalmente, significando que a prole obtém o DNA apenas do progenitor ou da progenitora, não de ambos. Em humanos, por exemplo, as crianças obtêm DNA mitocondrial de sua mãe (mas não do pai). Óvulo (célula gamética feminina)carrega maior volume de citoplasma Herança dos Genes extranucleares (Organelas) • Herança não mendeliana – • genes presentes fora do núcleo (genes do cloroplasto e mitocôndria), no citoplasma da célula. • São herdados independentemente dos genes nucleares • O Genótipo é fornecido por um sexo particular (uniparental) e, em animais superiores, as mitocôndrias são fornecidas somente pela mãe (herança materna). • A expressão gênica das organelas e sua regulação são controladas separadamente dos genes nucleares. genes das organelas são expressos somente dentro da organela mRNA da organela é traduzido somente dentro da organela. Tem ribossomos próprios. DNA de organismo eucariótico Cromossomo Nuclear Cromossomo mitocondrial (mtDNA) Cromossomo de cloroplasto (cpDNA) Genes em Mitocôndria : fosforilação oxidativa Cloroplasto : fotossíntese ATP Origem da mitocôndria e cloroplastos: mitocôndria e cloroplastos, acredita-se, são derivados de: Bacterias endosimbioticas = procariótos de vida livre que invadiram células de um ancestral eucariótico e estabeleceram um relacionamento mutuamente benéfico. 1. Mitocôndria – derivado de uma bactéria púrpura que entrou uma célula eucariótica > bilhões de anos atrás. 2. Cloroplastos – derivados de uma cianobactériaria fotossintética. A maioria das proteínas requeridas pelo cloroplasto e mitocondria são codificadas pelos genes nucleares no genoma nuclear. A maioria das proteínas das mitocôndrias e cloroplastos são codificadas pelos genes nucleares, indicando que genes foram transferidos das organelas para o DNA nuclear. Estrutura dos cromossomos organelares Organização Geral Diferença em relação aos cromossomos nucleares: Circulares Não estão na forma altamente condensada Estrutura dos cromossomos organelares Quantas cópias? Cromossomo nuclear : 1 cópia / célula (haplóide) 2 copias / célula (diplóide) Cromossomo das organelas : x00~x,000 cópias/ célula * regulação do número de cópias é relativamente frouxa. ex.) Cloroplasto : células da folha da beterraba ~ 40 cloroplastos / celula 4 ~ 8 nucleóides / cloroplasto (nucleóide : área específica de DNA no cloroplasto ou mitocôndria) 4 ~ 18 cpDNA moleculas / nucleóide MAX: 40 x 8 x 18 = 5760 cópias de cpDNA / célula Chlamydomonas Conteúdos do genoma mtDNA: mtDNA contem genes para: • tRNAs • rRNAs • citochromo oxidase, NADH-dehydrogenase, & subunidades de ATPase. A informação genética da mitocondria também ocorre no DNA nuclear: • DNA polimerase, fatores de replicação • RNA polimerase, fatores de transcrição • Proteinas ribosomais, fatores de tradução • Citocromo oxidase adicional, NADH, subunidades de ATPase. Genes mtDNA ocorrem nas duas fitas. Funções de todos genes são conhecidas. Genoma Mitocondrial Algumas das proteínas: ~ fosforilação oxidativa tRNA, rRNAs, algumas proteínas: ~ síntese de proteínas mitocondriais (maioria dos genes são codificados no núcleo) Genes nucleares mRNA é traduzido fora da mitocondria nos ribossomos citosólicos proteinas sintetizadas são transportadas para a mitocondria Sistema completo é montado na membrana interna mitocondrial Estrutura dos cromossomos organelares Genomas mitocondriais tRNA 22 tRNA humanos efetuam tradução na mitocôndria ao menos 32 tRNA : para tradução do mRNA derivado do núcleo ∴ tRNA de mitocôndria : ‘mais oscilante’ Organização do Genoma Humano GENOMA HUMANO Nuclear genome 3000 Mb 30000 genes 30% Genes and gene- related sequences 10% Coding DNA Pseudogenes 70% Extragenic DNA Unique or moderately repetitive 90% Noncoding DNA Gene fragments Introns, untranslated sequences, etc Mitochondrial genome 16.6 kb 37 genes Two rRNA genes 22 tRNA genes 13 polypeptide-encoding genes 80% Unique or low copy number 20% Moderate to highly repetitive Tandemly repeated or clustered repeats Interspersed repeats bp = base pair(s)—one bp kb (= kbp) = kilo base pairs = 1,000 bp Mb = mega base pairs = 1,000,000 bp Gb = giga base pairs = 1,000,000,000 bp. Genomas do Cloroplasto (cpDNA): • Cloroplastos são o sítio da fotossíntese e ocorrem somente em plantas verdes e protistas fotossintéticos. • Como mtDNA, o genoma do cloroplasto é: • Circular, dupla fita • Falta proteinas estruturais • %GC difere • Genoma do cloroplasto ~80-600 kb. • Genomas de cloroplasto ocorrem em múltiplas cópias e carreiam DNA não codificante. • Sequencias completas de genoma de cloroplasto tem sido determinadas para vários organismos (tabaco 155,844 bp; arroz 134,525 bp). Organização do cpDNA: • O genoma nuclear codifica alguns componentes do cloroplasto, e cpDNA codifica o resto, incluindo: • 2 copias de cada rRNA (16S, 23S, 4.5s, 5S) • tRNAs • 100 genes altamente conservados (~60 codifica para proteinas requeridas para a transcrição, tradução e fotossíntese). • Genes são codificados nas duas fitas (como mtDNA). RESUMINDO: Herança extranuclear - Herança não-mendeliana; - DNA das organelas é circular; - Os genes extranucleares também chamados genes citoplasmáticos; - Herdado por intermédio das células reprodutivas femininas; - Não ocorre recombinação (somente mutação). Herança extranuclear - A maioria das proteínas das mitocôndrias e dos cloroplastos são codificadas pelo DNA nuclear e importados do citoplasma para estas organelas; - As organelas se replicam independentemente; - Os padrões de herança são menos comuns que os genes nucleares; - O genitor materno é o único responsável pela determinação do fenótipo de toda prole – HERANÇA MATERNA. EXEMPLOS Herança Extra Nuclear 1.Herança Citoplasmática é o tipo de herança que tem sua determinação pelos genes constituídos por DNA que se localizam nas organelas citoplasmáticas, como por exemplo, os cloroplastos e as mitocôndrias 2. Herança Materna DNA nuclear interage com DNA de Organelas para produzir um fenótipo ou uma proteína Atenção: caracteriza anormalidades do DNA mitocondrial, onde todos os descendentes de uma mulher afetada apresentam risco de herdar a anormalidade, porém nenhum descendente de um homem afetado apresenta o risco. 3. Efeito Materno O genótipo materno determina o fenótipo dos filhos cpDNA de arroz Oryza sativa (rice) chloroplast DNA 134,525 bp PLASTOS • Organelas citoplasmáticas autoreplicantes; • Cloroplasto; cromoplasto e leucoplasto; Herança Citoplasmática - cloroplastos Herança Citoplasmática Por que não é Herança materna? R: Porque o DNA do clorosplasto está num volume maior no citoplasma da célula feminina e, não dependeu da informação de genes nucleares Floragem em quatro horas Cloroplastos são herdados exclusivamente através da linha maternal A transmissão da Mitocôndria em mamíferos se dá da mesma forma. HERANÇA MITOCONDRIAL Doenças genéticas metabólicas: + de 50 mutações de ponto em genes do DNA mitocondrial e + 100 mutações devido deleções e inserções ⇒ terapia gênica marcador em antropologia molecular para estudo da evolução humana e fluxo migratórios, ciência forense ⇒ identificação de pessoas e esclarecimento de relações de parentesco Mitocôndria Eva: ancestral comum das mitocôndrias humanas (África – 20mil anos) participação no câncer e doenças neurodegenerativas ⇒ papel central na apoptose Herança materna do DNA mitocondrial • A mitocôndria e o seu genoma são herdados da linha materna. • As crianças do sexo masculino partilham o genoma mitocondrial com a sua mãe e parentes femininos. • Os pais não têm qualquer contribuição para o património mitocondrial dos filhos. • O genoma mitocondrial é herdado intacto através de milhares de gerações. • Embora algumas novas mutações apareçam ocasionalmente numa linhagem são muito poucas e fáceis de identificar. O DNA nuclear é herdado de todos os ancestrais O DNA mitocondrial é herdado da linhagem materna Defeitos na Herança do mt DNA: • Neuropatia óptica hereditária de Leber (LHON) • Cegueira em adulto devida a degeneração do nervo óptico. Mutações em ND1, ND2, ND4, ND5, ND6, cit b, CO I, CO II, e ATPase 6 inibem a cadeia transportadora de elétrons. • Síndrome de Kearns-Sayre • Paralisia do músculo ocular, acumulação de pigmento e degeneração da retina, e doença do coração. • Deleção de mtDNA tRNAs. • Epilepsia mioclonica • Espasmos e tecidos anormais, acumulação de ácido láctico no sangue, e movimentos desordenados. • Substituição de nucleotideo no mtDNA lisina tRNA. A maioria dos indivíduos com desordens no mtDNA possui uma mistura de mtDNA normal e mutante, portanto a severidade das doenças variam. HERANÇA MATERNA Relação simbiótica ou parasitária com Bactéria Killer com o Paramécio. A´bactéria possui partículas Kappa que produzem a substância Paramecina. No núcleo do Paramécio existem genes que podem conferir a entrada da bactéria e liberar ou não a substância tóxica. Genes Nucleares K e k ( genótipos KK e Kk= Killer; kk = não Killer) CONJUGAÇÃO A Figura 9-11 exemplifica os resultados dos cruzamentos entre células KK e kk, com e sem troca citoplasmática. Às vezes, não acontece troca citoplasmática alguma, ainda que as células resultantes possam ser Kk (ou KK, depois de autogamia). Quando nenhuma troca ocorre, nenhuma partícula kappa é transmitida, e as células se tornam Killers, contanto que as partículas kappa sejam sustentadas por, no mínimo, um alelo dominante K. Larva da farinha do mediterrâneo tem pele e olho pigmentado de castanho ( dado pelo gene dominante A, que produz uma molécula precursora QUINURENINA, que se origina do aminoácido Triptofano. O gene mutante a, interrompe a síntese de Quinurenina e resulta em olhos vermelhos e pouca pigmentação na pele. Fenótipo da Descendência depende do Cruzamento Aa x aa, de qual genitor carrega o gene dominante. Efeito Materno o genótipo da mãe determina o fenótipo do filho, independente do seu genótipo DD e Dd – enrolamento para a direita dd= enrolamento para esquerda mãe for DD x pai dd F1: genótipo vai ser Dd (direita) Fenótipo vai ser direita mãe for dd x pai DD F1: genótipo Dd (direita) fenótipo enrolamento para a esquerda porque? o genótipo da mãe determina o fenótipo dos filhos independente da sua genética EFEITO MATERNO Desenvolvimento embrionário em Drosophila O exemplo de efeito materno mais recentemente documentado envolve vários genes que controlam o desenvolvimento embrionário de Drosophila melanogaster. O controle genético do desenvolvimento embrionário em Drosophila, discutido minuciosamente no Capítulo 19, é uma história fascinante. Os produtos proteicos dos genes de efeito materno funcionam ativando outros genes, que, por sua vez, podem ativar ainda outros genes. Essa cascata de atividade gênica conduz a um embrião normal, cujo desenvolvimento subsequente produz uma mosca adulta normal. O amplo trabalho de Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard e Eric Wieschaus (que compartilharam o Prêmio Nobel de 1995 para Fisiologia ou Medicina por suas descobertas) esclareceu como esses e outros genes funcionam. Os genes que exemplificam o efeito materno têm produtos que são sintetizados pelo óvulo em desenvolvimento, sendo armazenados no ovócito antes da fecundação. A partir da fecundação, esses produtos criam gradientes moleculares que determinam a organização espacial à medida que o desenvolvimento prossegue. Por exemplo, o gene bicoid (bcd) desempenha um papel importante, especificando o desenvolvimento da porção anterior da mosca. Os embriões originados de mães homozigotas para essa mutação (bcd-/bcd-) não conseguem desenvolver as áreas anteriores que normalmente dão origem à cabeça e ao tórax da mosca adulta. Os embriões cujas mães contêm pelo menos um alelo do tipo selvagem (bcd+) se desenvolvem normalmente, mesmo que o genótipo do embrião seja homozigoto para a mutação correspondente. Compativelmente com o conceito de efeito materno, o genótipo do genitor feminino, não o genótipo do embrião, determina o fenótipo da prole. Quando retornarmos a nossa discussão desse tópico geral no Capítulo 19, veremos exemplos de outros genes que ilustram o efeito materno, bem como muitos genes “zigóticos” cuja expressão ocorre durante o desenvolvimento inicial e cujo comportamento genético se dá no modo mendeliano convencional.