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Genômica
Desenvolvimento e Aplicações
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Definições
• Genoma: informações do complemento genético de um indivíduo ou de sua espécie– freqüentemente entendido como a seqüência de
nucleotídeos do genoma
• Genômica: o estudo dos genomas (ou de suas • Genômica: o estudo dos genomas (ou de suas seqüências)
• Transcriptoma: o conjunto de mRNAs presentes em um indivíduo, orgão ou célula
• Proteoma: o conjunto de proteínas presentes em um organismo, órgão ou célula
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Perspectivas históricas
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Total de Projetos Genoma (15/05/07)
• 2516 Projetos
– 556 genomas completos
• em andamento
– 1108 Eubacterias– 1108 Eubacterias
– 59 Archaea-bacterias
– 720 eucariotos
– 73 metagenomas (DNA extraído do meio: solo, água, etc)
• organismos não cultiváveis por métodos tradicionais
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Construção de um metagenoma
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Primeiro genoma bacteriano
– Fleishmann et al. (1995)
• Haemophilus influenzae - Rd
• Publicação: Science v. 269: 496-512 (1995)• tamanho do genoma: 1,83 Mb
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Segundo genoma bacteriano
– Fleishmann et al. (1995)
• Mycoplasma genitalium – G37• Mycoplasma genitalium – G37
• Publicação: Science v. 270: 397-404(1995)
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Causadora da tuberculose
• Mycobacterium tuberculosis
– Whole-Genome Comparison of
Mycobacterium tuberculosis Clinical and
Laboratory Strains.
J. Bacteriol. v. 184:5479-5490 2002.J. Bacteriol. v. 184:5479-5490 2002.
tamanho do genoma: 4,40 Mb
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Causadora de úlceras gástricas
• Helicobacter pylori
– The complete genome sequence of
the gastric pathogen Helicobacter
pylori. Nature 7;388(6642):539-47,
1997
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Eucariotos
• Saccharomyces cerevisae (1996) – 13 Mb
• Plasmodium falciparum (2002) – 22.9 Mb
• Caenorhabditis elegans (2002) – 100 Mb• Caenorhabditis elegans (2002) – 100 Mb
• Anopheles gambiae (2003) – 278 Mb
• Homo sapiens (2003) – 2900 Mb
• etc
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Objetivos dos Projetos Genoma
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Utilização das informações dos genomas
• informações úteis para compreensão de problemas causados envolvendo:
– saúde pública
– elaboração de estratégias para controle ou – elaboração de estratégias para controle ou erradicação dos agentes etiológicos
– descoberta de terapias
– etc
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Projeto Genoma Humano
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Projeto Genoma Humano 1991
• conseguir as seqüências completas dos 46 cromossomos (todos os genes)
• duração da proposta: cerca de 15 anos
• custo: alguns bilhões de dólares
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Começar com o quê?
• O DNA é o material genético
• A informação genética é codificada na ordem dos nucleotídeos (A, T, C e G)
• O genoma teria ao redor de 109 pb• O genoma teria ao redor de 109 pb
• Estudos de genética molecular indicavam:
– um nível básico de organização do genoma
– a natureza dos genes, existência de elementos de regulação e outros componentes do genoma
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Objetivos a serem atingidos
• a seqüência bruta do genoma humano
– bilhões de As, Ts, Cs e Gs
• a partir daí deduzir:
– a seqüência de todos nossos genes– a seqüência de todos nossos genes
– a seqüência de todas proteínas expressas
• estudos de doenças e/ou malformações genéticas
– estabelecer relações evolutivas
– mecanismos de regulação gênica
– determinar as bases das doenças genéticas e suas suscetibilidades
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Abordagens e estratégias
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Abordagem: seqüenciamento por shotgun
Vetores podem ser
de diferentes tipos:
• plasmidios
• cosmidios
• BACs
• YACs
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Abordagem: seqüenciamento por shotgun
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Abordagem: seqüenciamento por shotgun
• gerar enorme quantidade de seqüências defragmentos de DNA humano utilizandoprocedimentos automatizados
• montagem destas seqüências com auxilio de• montagem destas seqüências com auxilio decomputadores gerar seqüênciascompletas
• anotar as seqüências (identificação dos genes,etc) por computação
– surgimento da BIOINFORMÁTICAProf. Manoel
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Abordagem: seqüenciamento por shotgun
• na media são obtidas seqüências de cerca de 500 pb com boa qualidade
• cobertura de aproximadamente 5 X o tamanho do genoma em estudo
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Montagem das seqüências obtidas por shotgun
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Estatísticas do genoma humano:
• total de seqüências: 3,09 x 109 pb
– lote haplóide
– incluindo ambos os cromossomos X e Y
• existem cerca de 400 “gaps” em lugares • existem cerca de 400 “gaps” em lugares conhecidos (isto de refere a 1% do total de DNA)
• porcentagem de acerto: 99,99%
• custo: US$ 2,7 x 109
• site para download:
– http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/seqProf. Manoel
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Banco de genes do NCBI
Crescimento do banco de
genes entre 08/2000 - 2005
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Composição do genoma humano
• montagens de pedaços de seqüências com boa qualidade obtidos de vários indivíduos
• não se trata do genoma de nenhuma pessoa • não se trata do genoma de nenhuma pessoa em particular
• presumivelmente poderá gerar um individuo humano funcional
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A busca por genes!!!!
• proteínas que estão relacionadas à maioria dos processos que ocorrem nas células vivas
– proteínas normais – processos adequados
– proteínas anormais – quadros de doenças!!!!– proteínas anormais – quadros de doenças!!!!
• metabolismo
• desenvolvimento
• susceptibilidade de acometimento
• as proteínas são codificadas por genes
– assim a identificação dos genes passa a ser o objetivo mais importante do Proj. Genoma Humano
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A busca por genes!!!!
• identificação automatizada de ORFs (“open reading
frames”) ou fase de leitura aberta
– seqüências de nucleotídeos do DNA que podem ser usadas para predizer a seqüência de aminoácidos de proteínas em geralaminoácidos de proteínas em geral
• utilização do código genético
– sinais genéticos típicos da linguagem genética dos sistemas celulares
• TATA boxes; genes promotores; genes reguladores; códons de inicio e de término, etc
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Funções dos genes
• cerca de 30.000 genes foram identificados no genoma humano
– duas vezes mais do que na Drosophila
– cinco vezes mais do nas leveduras– cinco vezes mais do nas leveduras
• cerca de 50 % dos genes do genoma humano são idênticos ou muito semelhantes a outros já descritos (rato, verme, etc)
– mas 50 % são únicos (típicos de humanos!!!)
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Contabilidade ...
• a quantidade total de genes corresponde a 1,5% do total de DNA do genoma
– introns contam uma parcela muito grande deste valorvalor
– outra parte grande corresponde aos transposons (que são elementos genéticos móveis) sem função conhecida
• muitos de nossos genes foram recebidos de bactérias e/ou outros invertebrados
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Introgressões ao genoma...
• velocidade: + ou – 600 Megabases/ano (depois da divergência entre Procariotos e Eucariotos)
• tais genes codificam para:•
– proteínas comuns à espécies filogeneticamente mais próximas
• enzimas
• proteínas estruturais
• proteínas de defesa
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Contribuições dos pesquisadores da UNESP/Campus de Jaboticabal
Laboratórios envolvidos:• Lab de Biologia Molecular
• Lab de Bioquímica de Microrganismos
• Lab de Genética de Bactérias
Dpto de Tecnologia
Dpto de Biologia
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Características de alguns genomas bacterianos
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Comparações de tamanho
Xylella fastidiosa
Xanthomonas citri
Xylella fastidiosa
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Causadora do Amarelinho
• Xylella fastidiosa
– The genome sequence of the
plant pathogen Xylella fastidiosa.
Nature 406, 151 - 157 (2000).
CVCProf. Manoel
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Nature 406, 151 - 157 (2.000)Prof. Manoel
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Prof. Manoel
Victor
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Participação pessoal
Prof. Manoel
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Esquema das fimbrias
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Causadora do Mal de Pierce
• Comparative Analyses of the Complete Genome Sequence of Pierce’s disease and Citrus variegated Chlorosis strains of Xylella fastidiosa. J. Bacteriol. Xylella fastidiosa. J. Bacteriol. v.185:1018-1026, 2003.
PDProf. Manoel
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J. Bacteriol. v.185:1018-1026, 2003
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Comparações entre as duas Xylellas
(MUMmer) Delcher et al 1999
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Comparação PD X CVC
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Comparação de três genomas
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Comparação das 3 Xylellas
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Uso de informações do genoma para definição de rotas metabólicas
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Criação de meios definidos
• inclusão de aminoácidos
específicos e necessários
Curvas de Curvas de
CrescimentoCrescimento
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Formação de biofilme
• fechas indicam o local de crescimento do biofilme
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Detecção do Transposon TN1721 em X. fastidiosa
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Avaliação de diversidade genética
• detecção da presença deelementos transponíveis oude suas “pegadas” deixadasno genoma de bactériashospedeirashospedeiras
• isolados de citrus, café,videira e etc.
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Padrões de RFLP dos produtos de PCR do TN1721
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Alinhamento de seqüências do TN1721
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Causadoras do cancro cítrico
• Xanthomonas
axonopodis pv. citri
• Xanthomonas campestris pv. campestris pv. campestris.
• Comparison of the genomes of two Xanthomonas pathogens with differing host specificities.Nature 417, 459 - 463 (2002).
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Comparação dos genomas
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Comparação dos genomas
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Comparações entre as duas Xanthomonas (MuMmer) Delcher et al 1999
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Características das bactérias
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Comparações entre as duas Xanthomonas
• Genes específicos
– 800 genes para X. axonopodis pv. criti
– 646 genes para X. campestris pv. campestris
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Ilhas Genômicas e evolução das bactérias
• ilhas genômicas– Hacker & Kaper
Ann. Rev. Microbiol.
v. 54:641-679 (2000)
• definição– variação no conteúdo de pares – variação no conteúdo de pares
C+G
• surgimento– transferência lateral de genes
• composição– genes de virulência;
patogenicidade,etc
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Perspectivas futuras
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Genomas já disponíveis:
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