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Sequência de genes e DNA

Sequência de genes e DNA


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Alguém pode me ajudar com isso?

Ele mostra duas sequências de genes para uma ovelha e uma cabra.

5 '------ CCTGAGGAGCATGT T ------ 3' 3 '------ GGACTCCTCGTACA A ------ 5' 5 6 7 8 9 5 '------ CCTGAGGGGCATGT T ------ 3 '3' ------ GGACTCCCCGTACA A ------ 5 '5 6 7 8 9

Eu espero que você possa ver isso.

número 1 = cabra número 2 = ovelha

  1. que diferenças existem entre as duas sequências de genes?

  2. Decidir os aminoácidos 5-9 para ambas as sequências de genes?


A sequência de DNA e biologia do cromossomo humano 19

O cromossomo 19 tem a maior densidade genética de todos os cromossomos humanos, mais do que o dobro da média do genoma. As grandes famílias de genes agrupados, correspondendo a alto conteúdo de G + C, ilhas CpG e densidade de DNA repetitivo indicam um cromossomo rico em significado biológico e evolutivo. Aqui, descrevemos 55,8 milhões de pares de bases de sequência finalizada de alta precisão, representando 99,9% da porção eucromatina do cromossomo. A curadoria manual de loci gênicas revela 1.461 genes codificadores de proteínas e 321 pseudogenes. Entre esses estão genes diretamente implicados em distúrbios mendelianos, incluindo hipercolesterolemia familiar e diabetes resistente à insulina. Quase um quarto desses genes pertence a famílias arranjadas em tandem, abrangendo mais de 25% do cromossomo. Análises comparativas mostram um quadro fascinante de conservação e divergência, revelando grandes blocos de ortologia gênica com roedores, regiões dispersas com expansões e deleções de famílias gênicas mais recentes e segmentos de conservação codificantes e não codificantes com as espécies de peixes distantes Takifugu.


Uma breve história das patentes de DNA

O DNA contém informações de uma forma que outras biomoléculas não fazem. Até mesmo descartar uma gota de sangue ou um pedaço de cuspe não impede que sequências de DNA reveladoras permaneçam em um banco de dados.

Consideramos nossos dados de DNA de maneira diferente do que, digamos, os resultados dos testes de colesterol. & ldquoGenes são exclusivamente & lsquoours. & rsquo Eles dizem algo sobre nós em algum nível fundamental, mais do que uma mamografia ou um exame de Papanicolaou ou um raio-x, & rdquo disse James Evans, MD PhD, professor de genética na Universidade da Carolina do Norte, Chapel Hill .

Nosso apego emocional aos nossos genomas pode ser parte da razão pela qual a patenteabilidade do BRCA1 e BRCA2 os genes de suscetibilidade ao câncer têm circulado de tribunal em tribunal há anos.

CERVIXAS E SPLEENS LEVARAM NO CAMINHO
Os dois casos mais famosos de partes do corpo exploradas para fins lucrativos de células cancerígenas e John Moore & rsquos celebraram baço & ndash podem & rsquot corresponder ao poder do identificador de 3 bilhões de bits que é um genoma humano. Mesmo pequenos pedaços do genoma, combinados com frequências populacionais, são crachás poderosos, como a Suprema Corte lutou há algumas semanas na decisão sobre o uso ampliado de tipagem forense de DNA.

As células HeLa se originaram no colo do útero de uma mulher afro-americana pobre e sem instrução. Em 1951, Henrietta Lacks & rsquos células extraordinariamente prolíficas foram amostradas, cultivadas e enviadas para laboratórios em todo o mundo, sem ela ou sua família & rsquos conhecimento. Um filme da HBO em breve trará o livro de Rebecca Skloot & rsquos sobre esse conto padrão da Bio 101 à vida.

John Moore desistiu de seu baço inchado em 1976 para tratar sua leucemia, sem saber que seu médico, hospital e uma empresa de biotecnologia iriam patentear as células e vender uma proteína incomum que eles produziam. Moore o processou, mas a Suprema Corte da Califórnia decidiu contra ele, descobrindo que as células removidas não são o equivalente nem o produto de uma pessoa.

VIDA DE PATENTES E SUAS PARTES
A Lei de Patentes dos EUA, aprovada em 1790, definiu uma invenção patenteável como nova, útil e não óbvia para um especialista na área. É muito fácil ver como uma patente pode se aplicar a um banheiro ou Spanx, mas a imagem fica turva no que diz respeito ao DNA.

Pode-se citar idéias de patentes, leis da natureza ou produtos da natureza. Mas não havia problema em isolar uma substância química da natureza desde que Parke-Davis reivindicou adrenalina em 1911, considerando-a diferente fora do corpo.

A lei de patentes dos EUA infiltrou a biologia em 1980, com a bactéria General Electric & rsquos & ldquooil eater & rdquo que combinou anéis de DNA (plasmídeos) de quatro micróbios. A natureza não havia inventado a combinação, embora as partes existissem na natureza. O comedor de óleo é como inventar misturas de manteiga de amendoim e geleia.

Em 1990, o escritório de patentes acrescentou regras para reivindicar sequências de DNA. Em um ano, a Amgen patenteou o primeiro gene, eritropoietina (EPO), usado para tratar anemia e abusado por alguns atletas famosos. A União Europeia declarou os genes patenteáveis ​​em 1998.

Uma sequência de DNA do gene sem as partes não codificantes de proteínas (os íntrons) torna-o patenteável, argumentou Myriad, pois ele não é mais um & ldquoproduto da natureza. & Rdquo O tribunal concordou que esse DNA complementar se torna uma nova & ldquocomposição da matéria. & Rdquo It & rsquos chamado & ldquocomplementary & rdquo porque corresponde à sequência de RNA mensageiro que exclui os íntrons, não & ldquocomposite DNA & rdquo como na versão inicial da decisão da semana passada & rsquos.

A DOENÇA DE CANAVAN FOI A PRIMEIRA
Uma das primeiras batalhas de patentes de genes descrita em meu livro de terapia genética foi ainda mais enlouquecedora do que afirma Myriad & rsquos.

A doença de Canavan retira as células cerebrais de seu revestimento isolante de mielina começando na infância e geralmente é letal antes da idade adulta. Canavan é uma das "doenças genéticas judaicas", mas o DNA não se importa em quem sofre mutação & mas qualquer pessoa pode herdá-lo. Crianças afetadas que não são judias podem ter dificuldade em ser diagnosticadas quando os médicos consideram a religião em primeiro lugar e a genética em segundo (isso acontece). A DNA Science explorou recentemente a doença.

Max Randell fez terapia genética para a doença de Canavan. He & rsquos 15 agora. (Foto: Mike Randell)

Um teste genético é essencial para confirmar o diagnóstico da doença de Canavan, por causa dos sintomas compartilhados com outras leucodistrofias. A enzima responsável não está normalmente no sangue, e um teste de urina é inespecífico.

Em 1997, a patente para a sequência do gene Canavan foi concedida a quatro pesquisadores e ao Miami Children & rsquos Hospital, embora os laboratórios já a estivessem usando. O hospital contatou todos os laboratórios que oferecem o teste exigindo que eles parassem, em um momento quando grupos de defesa de pacientes finalmente conseguiram programas de teste para toda a comunidade judaica & ndash não apenas famílias afetadas & ndash fora do chão.

A carta do hospital e rsquos dizia, & ldquoTencionamos fazer cumprir vigorosamente nossos direitos de propriedade intelectual relativos a testes de DNA de portadores, gravidez e pacientes, & rdquo supostamente para recuperar os custos de desenvolvimento do teste & ndash, que foi o trabalho de um estudante de graduação que ficou e continua horrorizado. Ele se tornou um dos líderes no campo da terapia genética.

A crueldade de cobrar pelo teste genético para a doença de Canavan estava quase além da compreensão. Os pais que doaram os cérebros de seus filhos aos pesquisadores tiveram que pagar para testar seus outros filhos!

Greenberg et al. v. Miami Children & rsquos Hospital et al. foi decidido fora do tribunal quando os querelantes ficaram sem fundos e, como resultado, o preço do teste caiu e os pesquisadores tornaram-se capazes de usar o gene. Três anos após a emissão da patente do gene Canavan, em 2000, o primeiro da Myriad Genetics & rsquo BRCA patentes emitidas. Eles também provocaram indignação desde então.

A American Civil Liberties Union e a Association for Molecular Pathology, representando 150.000 geneticistas, sobreviventes de câncer, patologistas e outros, processaram o Escritório de Marcas e Patentes dos EUA (USPTO), Myriad e a Universidade de Utah em maio de 2009. Em 29 de março, Em 2010, o juiz sênior Robert W. Sweet do Tribunal Distrital Federal do Distrito Sul de Nova York considerou as patentes inválidas. Disse ele no Congresso Internacional de Genética Humana em 2011: “O gene humano não é uma invenção. A existência do DNA em uma forma isolada não altera essa qualidade fundamental do DNA como ele existe no corpo, nem as informações que ele contém. & Rdquo

Em agosto de 2011, o Tribunal de Apelações dos Estados Unidos para o Circuito Federal anulou a decisão do juiz Sweet & rsquos e, em seguida, a anulação da decisão da Suprema Corte de 26 de março de 2012 manteve a bola da patente em jogo até 13 de junho de 2013, decisão contra o patenteamento dos genes, mas absolvendo seus cDNAs.

Com um quinto dos 20.325 ou mais genes humanos patenteados e o custo e o tempo para sequenciar um genoma ou exoma humano em queda livre, a decisão é importante. Com tantas aplicações das informações em nossos genomas já aqui, a ideia de possuir um gene está obsoleta há algum tempo. Estou feliz que o Tribunal tenha alcançado a ciência e o bom senso.

Resumindo James Evans, & ldquothe genoma humano é um legado compartilhado. & Rdquo Eu não poderia & rsquot concordar mais.

(Exons desta postagem foram publicados no ano passado em Americano científico blogs, em um artigo que escrevi em 1979, esqueço onde, em meus livros e em meus materiais de ensino. A lei de direitos autorais hoje em dia pode ser tão confusa quanto a lei de patentes!)


# 35 O código genético - síntese de proteínas

Um polipeptídeo é codificado por um gene e esse gene é uma sequência de nucleotídeos que faz parte de uma molécula de DNA.

A sequência de bases em uma molécula de DNA é um código que determina a sequência na qual os aminoácidos estão ligados durante a formação de uma molécula de proteína. Uma sequência de nucleotldes de DNA que codifica para 1 polipeptídeo, ou para 1 proteína, é conhecido como um gene.

A sequência de aminoácidos em uma proteína - sua estrutura primária determina sua forma tridimensional e, portanto, suas propriedades e funções. Por exemplo, a estrutura primária de uma enzima determina a forma de seu sítio ativo e, portanto, o substrato com o qual ela pode se ligar.

Uma série de 3 bases em uma molécula de DNA, chamada de base trigêmeo, codifica 1 aminoácido. A fita de DNA que é usada na síntese de proteínas é chamada de vertente modelo. Por exemplo, esta é a sequência de aminoácidos codificados pela fita modelo de um determinado comprimento de DNA:

Existem 20 aminoácidos. Como existem 4 bases, existem 4 3 - 64 combinações possíveis diferentes de bases em um tripleto. Alguns aminoácidos, portanto, são codificados por mais de 1 trinca. Por exemplo, os tripletos AAA e AAG codificam para o aminoácido fenilalanina. O código é, portanto, considerado degenerado.

As proteínas são produzidas nos ribossomos do citoplasma, ligando aminoácidos por meio de ligações peptídicas. A seqüência na qual os aminoácidos estão ligados é determinada pela seqüência de bases em um comprimento de DNA no núcleo.

Tradução e transcrição

  • No núcleo, a dupla hélice do DNA é descompactada, expondo as bases de cada fita.
  • Existem 4 tipos de nucleotídeos de RNA livres no núcleo, com as bases A, C, G e U. Os nucleotídeos de RNA formam ligações H com as bases expostas na fita molde do DNA.

Frederick Sanger nasceu em Rendcombe, Inglaterra. Seu pai era médico e esperava-se que Fred também ingressasse na área médica. Conforme Sanger crescia, ele se interessou muito pela natureza e pela ciência e, quando foi para a Universidade de Cambridge, decidiu não estudar medicina. Ele sentiu que uma carreira na ciência lhe daria uma chance melhor de se tornar um solucionador de problemas.

Sanger foi um objetor de consciência durante a guerra por causa de sua educação quaker. Após seu B.A. em 1939, ele ficou em Cambridge para fazer um doutorado. com Albert Neuberger, no metabolismo de aminoácidos. Após seu Ph.D. em 1943, Sanger começou a trabalhar para A. C. Chibnall, na identificação de grupos amino livres na insulina. Durante a identificação dos grupos de aminoácidos, Sanger descobriu maneiras de ordenar os aminoácidos. Ele foi a primeira pessoa a obter uma sequência de proteína. Ao fazer isso, Sanger provou que as proteínas são moléculas ordenadas e, por analogia, os genes e o DNA que as compõem também devem ter uma ordem ou sequência. Sanger ganhou seu primeiro Prêmio Nobel de Química em 1958 por seu trabalho sobre a estrutura da proteína.

Em 1951, Sanger fazia parte da equipe do Conselho de Pesquisa Médica da Universidade de Cambridge. Em 1962, ele mudou-se com o Conselho de Pesquisa Médica para o Laboratório de Biologia Molecular em Cambridge, onde Francis Crick, John Kendrew, Aaron Klug e outros estavam todos trabalhando em um problema relacionado ao DNA. Resolver o problema do sequenciamento de DNA tornou-se uma extensão natural de seu trabalho no sequenciamento de proteínas. Sanger inicialmente investigou maneiras de sequenciar o RNA porque ele era menor. Eventualmente, isso levou a técnicas que eram aplicáveis ​​ao DNA e, finalmente, ao método didesoxi mais comumente usado em reações de sequenciamento hoje. Sanger ganhou um segundo Prêmio Nobel de Química em 1980, compartilhando-o com Walter Gilbert, por suas contribuições sobre a determinação de sequências de bases em ácidos nucléicos, e Paul Berg por seu trabalho sobre DNA recombinante.

Sanger se aposentou em 1983 e passou a maior parte do tempo trabalhando em seu jardim. Ele deu a sua esposa, Margaret Joan, muito crédito por ser uma companheira de apoio na parte não científica de sua vida. Em 1992, o Wellcome Trust e o Conselho de Pesquisa Médica estabeleceram o Sanger Center, um centro de pesquisa para promover o conhecimento dos genomas. O Centro Sanger foi um dos principais centros de sequenciamento do Projeto de Sequenciamento do Genoma Humano e projetos de sequenciamento de outros organismos também estão em andamento no Centro Sanger. Segundo todos os relatos, Sanger era um verdadeiro homem "gentil", extremamente cortês e charmoso.

Fred Sanger estava entre os poucos selecionados que ganharam dois ou mais prêmios Nobel na mesma categoria. John Bardeen venceu duas vezes em Física, e o Comitê Internacional da Cruz Vermelha venceu três vezes na categoria Paz.

Regiões com alto teor de nucleotídeos GC são tecnicamente mais difíceis de sequenciar do que regiões com alto teor de AT. Por que você acha que isso é verdade?


Clonagem de sequências de DNA, importância do DNA recombinante & # 038 Usos do genoma humano

A sequência de DNA para clonagem pode ser obtida de duas maneiras: usando mRNA e separação da sequência de DNA do genoma da célula, onde as células são quebradas e todo o genoma é clivado pelas enzimas de endonuclease de restrição, um genoma de mamífero que é tratado em dessa forma, pode produzir milhões de fragmentos de DNA. Esses fragmentos de DNA são combinados em plasmídeos ou fases e clonados.

Usando mRNA

É a melhor maneira que ocorre da seguinte forma:

  1. Isolar o mRNA de algumas células nas quais o gene de interesse está ativo, por exemplo, células do pâncreas que produzem insulina e os precursores das hemácias que produzem hemoglobina, porque há uma grande quantidade de mRNA que carrega a mensagem necessária para torná-los proteínas.
  2. O mRNA é usado como um modelo para fazer uma fita complementar de DNA usando a enzima & # 8220 transcriptase reversa & # 8221.
  3. Outra fita simples de DNA é construída, a qual é complementar à fita de DNA sintetizada, usando a enzima DNA-polimerase. Assim, podemos obter um DNA de fita dupla que pode então ser clonado.

A enzima transcriptase reversa é produzida por vírus que contêm genomas de RNA à medida que a usam para converter seus próprios genomas de RNA em DNA que pode ser unido ao genoma de DNA do hospedeiro & # 8217s para garantir sua replicação.

Formas de clonar sequências de DNA (clonar um gene ou uma parte do DNA de duas maneiras):

Clonagem de DNA

Usando os plasmídeos ou fagos
  1. Isole o gene ou um pedaço de DNA de interesse e trate-o com uma enzima endonuclease de restrição que leva a cortá-lo, formando pontas pegajosas.
  2. Os plasmídeos são isolados das células bacterianas e tratados pela mesma enzima endonuclease de restrição para reconhecer os mesmos locais e cortá-los, deixando as mesmas extremidades pegajosas.
  3. Quando os pedaços de DNA e plasmídeos são misturados, algumas das extremidades coesivas dos plasmídeos & # 8217 irão emparelhar com as do gene desejado (extremidades coesivas do DNA) e os dois podem ser unidos pela enzima DNA-ligase.
  4. Os plasmídeos preparados são adicionados a uma cultura de células de bactérias ou leveduras que foram tratadas para torná-los mais permeáveis ​​ao DNA, onde alguns plasmídeos são absorvidos pelas células e durante a divisão de células bacterianas ou de levedura, os plasmídeos são replicados junto com seu próprio genoma.
  5. As células podem ser quebradas e os plasmídeos são recuperados, tratando-os com a mesma enzima endonuclease de restrição para liberar o gene clonado do plasmídeo.
  6. Os genes e plasmídeos podem então ser separados por centrifugação diferencial para obter uma quantidade suficiente de fragmentos de DNA idênticos que podem ser analisados ​​para determinar sua sequência de nucleotídeos ou tratados para serem transplantados para outra célula.
Usando máquina de PCR

A reação em cadeia da polimerase (PCR) é capaz de replicar muitos milhares de cópias de DNA em poucos minutos usando a enzima polimerase & # 8220Taq & # 8221 que atua em altas temperaturas e essa técnica é usada atualmente.

DNA de recombinação

A recombinação do DNA é a introdução de uma parte do DNA de um organismo nas células de outro organismo. Alguns cientistas imaginaram uma época em que seríamos capazes de introduzir cópias de genes normais no ser humano cujos genes são defeituosos, evitando assim muito sofrimento e eliminando o necessidade de tratamento das deficiências genéticas pelos medicamentos.

As aplicações práticas do DNA recombinante (importância do DNA recombinante):

Em medicina

A produção de proteínas úteis em escala comercial:

Produção de proteína-insulina humana (hormônio da insulina) para tratar pacientes diabéticos:

  • A insulina é produzida pela clonagem de seu gene com os plasmídeos dentro das células bacterianas, então ela se tornará insulina cultivada por bactérias.
  • Embora a insulina humana produzida pela técnica de DNA recombinante (na bactéria) seja cara, é melhor para alguns pacientes que não toleram as pequenas diferenças entre a insulina humana e a que é extraída das glândulas do pâncreas de porcos e bovinos por um processo longo e caro.

Produção de interferons :

  • No corpo, os interferons são produzidos e liberados a partir de células infectadas por vírus, protegendo assim as células saudáveis ​​vizinhas, devido à sua capacidade de interromper a replicação dos vírus (particularmente vírus contendo genomas de RNA, como aqueles que causam gripe e poliomielite).
  • Durante a década de 1970, o interferon médico foi laboriosamente extraído das células humanas, e por isso era escasso e muito caro. Na década de 1980, pesquisadores de uma empresa farmacêutica introduziram 15 genes de interferon humano em células bacterianas. Assim, interferons relativamente abundantes e baratos são agora acessível.
  • Acreditava-se que os interferons podem tratar alguns tipos de câncer, mas os estudos preliminares usando interferons para tratar o câncer têm sido decepcionantes, e isso pode ser devido a problemas técnicos que podem ser superados posteriormente.
Na agricultura

Os pesquisadores agrícolas provavelmente em breve serão capazes de:

  1. Introduzir genes de resistência a herbicidas e doenças importantes dentro das plantas de cultivo.
  2. Isolar e transplantar os genes (que permitem que os membros das leguminosas abriguem bactérias fixadoras de nitrogênio em suas raízes) para outras plantas de cultivo podem & # 8217t abrigar este tipo de bactéria, se pudermos transplantar os genes relevantes em outras plantas de cultivo e colocá-los com bactérias, eliminaria a necessidade de fertilizantes de nitrogênio. Esses fertilizantes são caros para produzir, aplicar e muitas vezes contribuem para a poluição da água nas áreas agrícolas.
Em experimentos e pesquisas

Os pesquisadores foram capazes de:

  • Transplante o gene dos olhos vermelho-rubi de uma linhagem de moscas da fruta (Drosophila) em células destinadas a se tornarem órgãos reprodutivos nos embriões de outra linhagem; quando os embriões crescem, eles transmitem o gene transplantado que dotou seus descendentes com o olhos vermelho-rubi em vez dos olhos castanhos.
  • Introduzir um gene do hormônio do crescimento de ratos ou humanos em camundongos que cresceram até o dobro de seu tamanho normal e também transmitiram esse gene para seus descendentes.
Perigos do DNA recombinante

Embora o DNA recombinante seja importante em muitos campos, muitas pessoas estão preocupadas com o que vai acontecer, se houver um acidente repentino (tem muitos perigos), Como se supõe que uma cepa de bactéria com um gene de uma toxina perigosa se espalharia pelo mundo, muitos trabalhadores acham que a chance de isso acontecer é pequena.

Embora as cepas bacterianas usadas em muitos experimentos de DNA recombinante sejam Escherichia coli, que é uma espécie universalmente encontrada no intestino humano, as cepas reais usadas em laboratório estiveram fora de contato com os corpos reais por milhares de gerações. uma maneira que eles não podem mais sobreviver fora de suas casas de tubo de ensaio.

Genoma humano

Em 1953, Watson e Crick provaram que os genes são a dupla hélice do DNA, Em 1980, surgiu a ideia do genoma e o número de genes humanos que foram identificados pelos cientistas foi de cerca de 450 genes.

Em meados da década de oitenta, o número de genes humanos dobrou três vezes para chegar a 1.500 genes. Alguns desses genes foram os causadores do aumento do colesterol no sangue (uma das causas da doença cardíaca) e alguns deles são causando doenças cancerígenas.

Os cientistas descobriram que existem cerca de & # 822060.000: 80.000 & # 8221 genes no corpo humano que existem em 23 pares de cromossomos e o conjunto completo de genes é conhecido como & # 8220 genoma humano & # 8221, onde apenas metade desses genes são descobertos até agora.

O genoma humano é o conjunto completo de genes que se encontram nos cromossomos da célula humana. Os cromossomos são organizados de acordo com seus tamanhos de número (1) a número (23), o cromossomo (X) não faz parte desse arranjo, pois segue o cromossomo no. (7) em tamanho, mas é arranjado no final dos cromossomos e tem o nº. (23).

Exemplos de genes cuja localização foi determinada nos cromossomos do ser humano:


Os biólogos propõem sequenciar o DNA de toda a vida na Terra

WASHINGTON DC.-Quando se trata de sequenciamento do genoma, os visionários gostam de lançar grandes números: há o Biobank do Reino Unido, por exemplo, que promete decifrar os genomas de 500.000 indivíduos, ou o esforço da Islândia para estudar os genomas de toda a sua população humana. Ontem, em uma reunião aqui organizada pela Smithsonian Initiative on Biodiversity Genomics e a central de sequenciamento BGI com base em Shenzhen, China, um pequeno grupo de pesquisadores aumentou ainda mais a aposta, anunciando sua intenção de, eventualmente, sequenciar “toda a vida na Terra. ”

Seu plano, que ainda não tem financiamento dedicado a ele especificamente, mas pode custar pelo menos vários bilhões de dólares, foi apelidado de Projeto BioGenome da Terra (EBP). Harris Lewin, um genomicista evolucionista da Universidade da Califórnia, Davis, que faz parte do grupo que teve essa visão 2 anos atrás, diz que a EBP daria o primeiro passo em direção a sua meta audaciosa ao se concentrar em eucariotos - o grupo de organismos que incluem todas as plantas, animais e organismos unicelulares, como amebas.

Essa estratégia e o conceito geral da EBP encontraram um público receptivo na BioGenomics2017, uma reunião esta semana de conservacionistas, biólogos evolucionistas, sistematistas e outros biólogos interessados ​​em aplicar a genômica em seu trabalho. “Esta é uma grande ideia”, diz Oliver Ryder, biólogo conservacionista do Instituto de Pesquisa em Conservação do Zoológico de San Diego, na Califórnia. “Se realmente queremos entender como a vida evoluiu, a biologia do genoma fará parte disso.”

Ryder e outros traçaram paralelos entre a EBP e o Projeto Genoma Humano, que começou como uma proposta ambiciosa, controversa e, na época, tecnicamente impossível, há mais de 30 anos. Esse esforço anterior acabou levando não apenas ao sequenciamento do primeiro genoma humano, mas também a tecnologias de DNA inteiramente novas que estão no centro de muitas fronteiras médicas e a base para uma indústria de US $ 20 bilhões. “As pessoas aprenderam com a experiência do genoma humano que [o sequenciamento] é um tremendo avanço na biologia”, diz Lewin.

Muitos detalhes sobre o EBP ainda estão sendo elaborados. Mas, como proposto atualmente, o primeiro passo seria sequenciar em grande detalhe o DNA de um membro de cada família eucariótica (cerca de 9.000 no total) para criar genomas de referência iguais ou melhores do que o genoma humano de referência. A seguir viria o sequenciamento em menor grau de uma espécie de cada um dos 150.000 a 200.000 gêneros. Finalmente, os participantes da EBP obteriam genomas brutos de 1,5 milhão de espécies eucarióticas conhecidas restantes. Esses genomas de resolução mais baixa podem ser melhorados conforme necessário, comparando-os com as referências da família ou fazendo mais sequenciamento, diz o co-organizador da EBP Gene Robinson, pesquisador de genômica comportamental e diretor do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica da Universidade de Illinois em Urbana.

Nesta representação da árvore da vida, há muito poucos genomas completos (linhas vermelhas na borda interna) entre os eucariotos nomeados (verde), mas muitos mais entre as bactérias (azul) e arquéias (roxa). Entre os milhões de espécies eucarióticas, existem ainda relativamente poucas sequências de genoma de resolução inferior (azul, cinza claro e escuro).

Todo o esforço eucariótico provavelmente custaria quase o mesmo que custaria para sequenciar o primeiro genoma humano, estima Lewin, Robinson e o co-organizador da EBP, John Kress, um biólogo evolucionário do Museu Nacional Smithsonian de História Natural daqui. Demorou cerca de US $ 2,7 bilhões para ler e ordenar as 3 bilhões de bases que compõem o genoma humano, cerca de US $ 4,8 bilhões em dólares de hoje. Com uma quantidade comparável de apoio, o trabalho eucariótico da EBP pode ser feito em uma década, sugerem seus organizadores.

Esse otimismo surge dos custos cada vez menores de sequenciamento de DNA - um apresentador de reunião da Complete Genomics, com sede em Mountain View, Califórnia, diz que sua empresa planeja ser capaz de sequenciar genomas eucarióticos inteiros por cerca de US $ 100 em um ano - e melhorias na tecnologia de sequenciamento que possibilitam genomas de maior qualidade, a preços razoáveis. “Ficou claro para mim que, em um determinado ponto, seria possível sequenciar toda a vida na Terra”, diz Lewin.

Embora alguns possam achar que o preço multibilionário é difícil de justificar para pesquisadores que não estudam humanos, os fundamentos da matéria ou os mistérios do universo, o EBP está na frente, graças ao trabalho de várias comunidades de pesquisa que buscam seus próprios ambiciosos projetos de sequenciamento. Entre eles está o Projeto Genoma 10K, que busca sequenciar 10.000 genomas de vertebrados, um de cada gênero i5K, um esforço para decifrar 5.000 artrópodes e o B10K, que espera gerar genomas para todas as 10.500 espécies de aves. O EBP ajudaria a coordenar, compilar e talvez financiar esses esforços. “O conceito [EBP] é uma comunidade de comunidades”, diz Lewin.

Também há compromissos de sequenciamento de gigantes no campo da genômica, como o BGI da China e o Wellcome Trust Sanger Institute no Reino Unido. Mas em uma reunião de planejamento esta semana, ficou claro que desafios significativos aguardam a EBP, mesmo além do financiamento. Embora pesquisadores do Brasil, China e Reino Unido tenham afirmado que seus países estão ansiosos para participar de alguma forma, as 20 pessoas presentes enfatizaram a necessidade de um esforço mais internacional, com os países em desenvolvimento, principalmente aqueles com alta biodiversidade, ajudando a moldar forma final do projeto. Eles propuseram que a EBP poderia ajudar a desenvolver sequenciamento e outros especialistas e capacidades tecnológicas nessas regiões. A Global Genome Biodiversity Network, que está compilando listas e imagens de espécimes em museus e outros biorrepositórios ao redor do mundo, poderia fornecer muito do DNA necessário, mas uma participação ainda mais ampla é importante, diz Thomas Gilbert, biólogo evolucionista do Museu de História Natural da Dinamarca em Copenhague.

O grupo de planejamento também enfatizou a necessidade de desenvolver padrões para garantir sequências de genoma de alta qualidade e preservar as informações associadas para cada organismo sequenciado, como onde foi coletado e como era. Obter amostras de DNA da natureza pode ser o maior desafio - e o maior custo, várias pessoas notaram. Nem todos os espécimes de museu produzem DNA preservado bem o suficiente para genomas de alta qualidade. Mesmo espécimes de plantas e animais recentemente coletados e congelados nem sempre são manuseados corretamente para preservar seu DNA, diz Guojie Zhang, um biólogo evolucionário do BGI e da Universidade de Copenhagen. E a falta de padrões pode prejudicar a utilidade final do projeto, observa Erich Jarvis, neurobiologista da Universidade Rockefeller em Nova York: “Poderíamos gastar dinheiro em um esforço para todas as espécies do planeta, mas poderíamos gerar muita porcaria . ”

Mas Lewin está otimista de que isso não acontecerá. Depois de delinear o EBP na palestra de encerramento da BioGenomics2017, ele foi cercado por pesquisadores ansiosos para saber o que eles poderiam fazer para ajudar. “É bom tentar reunir as tribos”, diz Jose Lopez, biólogo da Nova Southeastern University em Fort Lauderdale, Flórida, cuja “tribo” montou o “GIGA”, um projeto para sequenciar 7.000 invertebrados marinhos. “É um grande esforço. Precisamos de muita experiência e muitas pessoas que possam contribuir. ”


ALVO SEU DNA COM O CRE /SALMÃO DEFUMADO SISTEMA

Já faz 15 anos que o Cre /salmão defumado sistema tem sido usado como uma forma de controlar artificialmente a expressão gênica. Se o seu radar ainda não detectou, você está perdendo uma maneira inteligente de mover pedaços de DNA em uma célula. Ao longo dos anos, este sistema permitiu aos pesquisadores criar uma variedade de animais e plantas geneticamente modificados com o gene de sua escolha sendo regulado externamente [1]. Isso contribuiu para a nossa compreensão de como funcionam os genes e proteínas individuais.

O sistema começa com o cre gene, abreviação de cyclization combinação, que codifica uma recombinase de DNA específica do local, logicamente denominada Cre [1,2]. Uma recombinase de DNA específica de local significa que a proteína Cre pode recombinar o DNA quando localiza locais específicos em uma molécula de DNA (ver Figura 1). Esses sites são conhecidos como loxP (locus de X-over P1) sequências, que têm 34 pares de bases de comprimento e ímãs para o Cre recombinar o DNA ao seu redor [2].


Figura 1. Um modelo da função Cre. o loxP locais reconhecidos por Cre são representados com setas grossas e sua sequência de DNA é mostrada na parte inferior.

Quando as células que têm loxP locais em seu genoma também expressam Cre, a proteína entra em ação, catalisando um evento de recombinação recíproca entre os loxP locais (veja a Figura 1). O que isto significa? Bem ... o DNA de fita dupla é cortado em ambos loxP locais pela proteína Cre e, em seguida, ligados (colados) novamente. Como resultado, o DNA entre o loxP locais são excisados ​​e subsequentemente degradados. É um processo rápido e eficiente.

Por que Cre /loxP excisão de DNA é tão útil

o loxP A sequência vem originalmente do bacteriófago P1, que é um vírus bacteriano que, razoavelmente, contém DNA que não é encontrado em animais ou plantas1. Desde o loxP as sequências também têm 34 pares de bases, não havendo virtualmente nenhuma chance de você encontrá-las aleatoriamente em um genoma. Portanto, loxP sequências podem ser inseridas artificialmente em animais ou plantas e usadas para a excisão precisa de DNA, sem a preocupação de cortar outras partes do genoma de um organismo.

Regulating a Gene Using the Cre/loxP Sistema

For a gene to produce a protein it requires a ‘promoter.’ This is a section of DNA in front of the gene that functions to recruit the cellular machinery that will initiate the multi-step process of protein production (called gene expression). How the promoter functions to do this can vary, from always recruiting cellular machinery and thus always being ‘on’, to only doing this in specific tissues or cell types, or being inducible and thus only functioning in the presence of a specific factor or condition. Each type will dictate the amount of protein a gene can produce and thus ultimately control aspects of its function. For this reason, a promoter is considered a ‘regulator’ of gene function.

An artificial type of this regulation can be achieved with the Cre/lox system [1,3-4]. To do this you need to create a transgenic organism with an always ‘on’, or ubiquitous, promoter that is attached to and ready to regulate the gene you would like to control. The trick is: in between the promoter and the gene, a ‘stop’ sequence surrounded with loxP sites is inserted (see Figure 2). The stop sequence is a short sequence with several transcriptional stop codons (terminators) that will prevent the gene from producing a protein.


Figure 2. Cre/salmão defumado Regulation of a Protein Expression. The gene lacZ has LoxP sequences containing a stop signal that prevent the gene from being expressed. When exposed to the Cre protein the LoxP and stop signal are excised and the gene is expressed. Conditions in which the cre is present thus regulated the expression of the lacZ gene.

Take the example in Figure 2, where you are trying to control the gene lacZ. Transgenic organisms with a ‘stop’ sequence between the promoter and gene cannot express the LacZ protein. When Cre is present in the cells of this organism, it catalyzes recombination between the loxP sites, thereby deleting the ‘stop’ sequence. With the stop sequence deleted the organism would express LacZ, or whichever other gene that was being studied in its place. The conditions in which the Cre is present thus regulated the expression of the gene.

The Cre/lox System in Action

An example of transgenic mice provides an example of how the Cre/salmão defumado system can be used. In this case we would like to produce a mouse that no longer has a target gene in only one cell type. The Cre/salmão defumado system provides a method to do this [4] (see Figure 3):

1. Transgenic mice containing a gene surrounded by loxP sites are mated with transgenic mice that have the cre gene expressing only in one cell type.

2. The resulting mice with both the cre gene and the loxP-flanked gene.

3. In tissues with no cre gene the target gene with be present and function normally.

4. In a cell where Cre is expressed, the target gene of interest will be deleted.


Figure 3. Cre/lox Mouse Breeding. Mice with the Cre protein expressing in a specific cell type are bred with mice that contain a target gene surrounded by loxP sites. When the mice are bred, the cells carrying Cre will cause those cells to lose the target gene.

Therefore, if the cre gene is bound to a promoter that only allows Cre production in neuronal cells, the target gene will be deleted only in those cells. This method allows researchers to isolate the effects of genes in specific tissues, thereby providing very specific analysis of gene function. Since the Cre/salmão defumado system has been used extensively over the last fifteen years, there are now numerous animal, plant and bacterial stocks that already contain the cre gene driven by ubiquitous or tissue-specific promoters. These established lines provide a quick method for breeding experiments like those described above.

Advantages and Disadvantages

The Cre/salmão defumado system has the advantage of working in almost any type of cell. This versatility has led to its application in many types of experiments, such as, labelling neuronal cells in the brain, differentiating them from surrounding glial cells and looking at the properties of promoters [5]. A more powerful approach to controlling gene expression has also been developed by combining the Cre/salmão defumado and the tetracycline-regulated transcriptional systems [6]. In this combination system expression of Cre occurs only when the drug tetracycline is administered, allowing researchers to start and stop expression of the gene at any time. The two primary disadvantages of the Cre/salmão defumado system are that not all tissue specific promoters are perfectly specific [4]. Basal levels of expression in other cell types can sometimes cause unintended gene expression. In addition, the establishment of transgenic systems with inserted genes requires a significant amount of time and money.

The Cre/salmão defumado system is an invaluable tool for molecular biology. By establishing tissue specific expression, it allows the isolation of individual genes and their functions. Controlling genes through the Cre/salmão defumado system is comparable to controlling a toy car. You can select the area where the gene will be expressed (direction) and control the level (speed) at which the gene will be expressed.

1. Latchman DS. (2002). Gene Regulation: A Eukaryotic Perspective. Cheltenham: Nelson Thornes. 323p.
2. Perkins AS. (2002). Functional Genomics in the Mouse. Functional & Integrative Genomics 2(3): 81-91.
3. Nagy A, Mar L. (2001). Creation and use of a Cre recombinase transgenic database. Methods in Molecular Biology 158: 95-106.

(Art by Jane Wang – note that high res versions of image files available here)


Importância

DNA is central to biotechnology and medicine by virtue of the fact that it not only provides the basic blueprint for all life, it is a fundamental determinant of how the body functions and the disease process. Understanding the structure and function of DNA has helped revolutionise the investigation of disease pathways, assess an individual’s genetic susceptibility to specific diseases, diagnose genetic disorders, and formulate new drugs. It is also critical to the identification of pathogens.

Aside from its medical uses, the fact that DNA is unique to each individual makes it a vital forensic tool identifying criminals, the remains of a missing person, and determining the biological parent of a child. Within agriculture DNA is also used to help improve animal livestock and plants.


Does the title of the movie Gattaca refer to a DNA sequence?

Dear Straight Dope:

The movie title Gatacca, though I'm not 100% sure on the spelling, is made up of three DNA nucleic acids … the G, T, and A ones, obviously. I've heard this particular string actually represents something in some species or other, but this seems a little convenient to me for movie making. What's the scoop?

Deren, Cambridge MA

Son of Dex, a biochemist replies:

If you heard this from the same person who suggested that “Gattaca” uses only three letters, then it’s your own damned fault for believing it. Mas não importa. Does the DNA sequence GATTACA actually represent anything in biology?

First a word about the movie. Released in 1997, Gattaca (the one movie poster I’ve seen gives the title in all caps, for what that’s worth) is set in a vaguely dystopian future, in which DNA information determines everyone’s fate and genetic engineering is used to breed the elite of society. “Gattaca” is the name of an aeronautics company that launches space missions the company itself has nothing to do with genetics. Given the setting, however, it’s easy to believe the name was chosen because of its relationship to DNA.

OK now. The genetic code is written using four “letters,” G, A, T, and C, each of which represents a molecule known as a nucleotide. The letters stand for the names of the four nucleic acids guanine, adenine, thymine, and cytosine. (Yes, U can replace T in RNA, but we’re just going to focus on DNA for this discussion.)

Does this sequence actually occur in any real species? Yes, frequently. Think about it. There are seven letters in GATTACA. With four possibilities for each letter, the odds of a seven letter sequence being GATTACA are 1 in 16,384 (4 (superscript: 7)). The human genome contains about 3 billion nucleic acids, which means that the sequence GATTACA probably occurs in the human genome about 180,000 times.

A friend of mine at a rival pharmaceutical company ran the sequence GATTACA through a search program that peruses gene sequence databases. She limited the search to the first 30 genes containing the sequence. The machine not only delivered these 30, which included 23 human genes, 3 fruit fly genes, and 1 E. coli gene, it also mentioned there were approximately 92,000 appearances of the sequence it didn’t report because she only asked for 30.

My father, SDStaff Dex, would no doubt sit back on his haunches, content here. But, in my never-ending efforts to emerge from the old man’s shadow, I feel it my duty to push further: what does this sequence actually quer dizer?

There are basically three functions for a DNA sequence. It can encode a protein, which means that it’s part of a gene. It can be meaningless space filler, in which case it’s called “junk DNA.” Or it can serve as a regulatory sequence, which means that it tells the molecular machinery where to find and when to follow the instructions contained in a gene.

If GATTACA is found in a gene, then its meaning should be easy to figure out. It takes three nucleotides to encode for one amino acid, the fundamental building block of a protein. (Following our metaphor, three “letters” encode a “word” — an amino acid — and multiple “words” are required to create a “sentence,” that is, a protein.) There are seven letters in GATTACA. If we try to “read” it by dividing in to groups of three, we end up with an extra letter. This leads me to believe the name wasn’t chosen because of the protein that it encodes. And anyway, at most it codes for two amino acids, which isn’t particularly meaningful. Most proteins have more than 100 amino acids.

For the record, you can read GATTACA in three ways, depending on where you start. It can be read GAT TAC A, in which case it codes for the amino acids aspartic acid and tyrosine, with an “A” left over. It can also be read G ATT ACA, in which case it starts with an excess G, followed by an isoleucine, and a threonine. Or, for the truly daring, it can be read GA TTA CA, which codes for a leucine in the middle, an extra GA at the front and an extra CA at the end. XGA, where X is any nucleic acid, can stand for arginine, glycine, or a “stop” message, which tells the molecular machinery to stop reading. CAX can stand for glutamine or histadine. Remember, you asked.

That chucks out our first possibility. The second is that GATTACA appears in junk DNA (which statistics alone suggest it surely must). If that’s the case, then it’s meaningless by definition. (There are a number of scientists who think that so called “junk DNA” may actually contain extremely important, highly detailed structural information that is vital to the proper functioning of the body. However, that just gets complicated, so we’ll skip it and assume that junk is junk.)

So what about the last possibility — could the sequence be regulatory? That’s harder to answer. There are lots of regulatory sequences, and they are probably not all even known at this point. I couldn’t find it in any of my textbooks, but then, they don’t generally list DNA sequences in the index. I asked a Ph.D. molecular biologist with whom I work. He didn’t recognize GATTACA as a regulatory sequence, so if that’s what it is, it’s not well known.

Having been failed by both books and co-worker, I naturally turned to the Internet, searching for the sequence GATTACA on the National Center for Biotechnology Information Homepage (www.ncbi.nlm.nih.gov/). I pulled up a reference for the sequence of cytochrome oxidase I of the species Lasioglossum gattaca — that is, a mitochondrial protein in some species of bee. I gotta say that if this is what the film makers were referring to, I sure don’t get the relevance.

That was as far as I could take it. The sequence exists in nature, but if it has any scientific significance it has thus far eluded me.

I got some additional insight from another of my co-workers, who earned her master’s degree decoding DNA sequences. Apparently, she and her entire lab group went to see the film when it opened, and spent some time discussing the meaning of the title. After a great deal of scientific investigation of the same type for which the Straight Dope Science Advisory Board is renowned (which is to say it involved a fair amount of beer), they concluded there really is no other catchy way to put those particular letters together.

They opted not to publish this astonishing result. Meaning that if I publish this first, I’ll get the credit for their work. Ain’t science great?

I happen to know the people who named the sweat bee Lasioglossum gattaca, and that, at least, was named for its sequence. I also saw the movie, and it’s impossible to tell whether the scriptwriters intended it that way, but given the importance of gene sequencing to the plot, I’ll bet they did it on purpose.

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STAFF REPORTS ARE WRITTEN BY THE STRAIGHT DOPE SCIENCE ADVISORY BOARD, CECIL'S ONLINE AUXILIARY. THOUGH THE SDSAB DOES ITS BEST, THESE COLUMNS ARE EDITED BY ED ZOTTI, NOT CECIL, SO ACCURACYWISE YOU'D BETTER KEEP YOUR FINGERS CROSSED.


What does DNA look like?

A DNA molecule is a double helix, a structure that looks much like a ladder twisted into a spiral. The sides of the ladder are made of alternating sugar and phosphate molecules, the sugar of one nucleotide linked to the phosphate of the next. DNA is often said to have a sugar and phosphate "backbone."

Each rung of the ladder is made of two nitrogenous bases linked together in the middle. The length of a DNA molecule is often measured in "base pairs," or bp—that is, the number of rungs in the ladder. Sometimes, this unit of measurement is shortened simply to "bases."

The structure of DNA was worked out in 1953 by James D. Watson and Francis Crick, who worked together in the Cavendish laboratory in Cambridge, England. By the time they began their work in the early 1950s, it was clear that DNA is the hereditary material, and scientists were racing to find out more about the long-ignored molecule, picking apart the implications of each new detail. Everyone knew they couldn't really understand how DNA works until they understood how its nucleotide building blocks are put together.

When Watson and Crick joined the race, they were supposed to be investigating the structure of proteins. But they were both convinced that DNA was a more important molecule, and they shared a passionate interest in finding out its structure. Like kids hiding comic books inside a copy of Moby Dick, they snuck away from their protein work to think about DNA whenever they could.

While many other discoveries about DNA had emerged from laboratory experiments, Watson and Crick relied mainly on abstract thinking. They synthesized all the information that had been gathered about DNA, throwing out what was contradictory and trying to imagine a structure that would be consistent with as many pieces of known information as possible.

Watson and Crick also liked to play with toys. Specifically, they played with ball-and-stick molecular models to gain an understanding of how nucleotides might fit together in three dimensions. They put models together and took them apart, drew molecular diagrams on paper and scratched them out. Eventually, when they hit on the idea of the double helix, everything else they knew about DNA seemed to fall into place.

For example, they realized that if sugar and phosphate molecules formed the sides of the ladder, then any sequence of bases could form the rungs of the ladder, and genetic information could be encoded in the order of the bases. They also realized that the ladder would only fit together if the rungs were formed by specific pairs of bases. Specifically, A must always pair with T, and C with G. Any other combination and the sides of the ladder would be too far apart or too close together. This helped explain why, although the amount of each base can vary from species to species, the amounts of A and T are always equal, as are the amounts of C and G.

In other words, the order of bases on one DNA strand, or side of the ladder, determines the bases on the other side of the ladder. Thus, DNA sequences are often written as if DNA were only single-stranded: AGTCTGGAT . Scientists need sequence only one DNA strand in order to know the sequence of both strands.


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