Naturaleza Del Gen y Genoma

NATURALEZA DEL GEN Y EL GENOMA D. en C. Noé Velázquez Márquez

Introducción 1865 individuales herencia)

(unidades de la

1880; W. Flemming (cromosomas)

1903; W. Sutton (cromosomas homólogos)

1909-1911 (entrecruzamiento)

1911-1913; H Morgan (mapeo y ordenamiento de genes)

Introducción 1944-1952 (DNA como material genético)

1953 (Estructura del DNA)

Introducción

Cromosomas politénicos

Introducción

Drosophila melanogaster

(13,601) Bacterias (5,000)

Levaduras (6,245)

Seres humanos (22,000)

Introducción Se estima que los genes humanos forma alrededor de 1,000 familias diferentes La totalidad de los genes y el DNA de cada célula de un organismo se llama genoma →

 genómica

La totalidad de las proteínas que se expresan en un organismo se llama proteoma →

 proteómica

Introducción Los genes se localizan en los cromosomas Locus genético (posición definida de un gen) Loci (conjunto de locus)

¿Qué es un gen? Un gen se define como la secuencia completa de ácidos nucleicos necesaria para la síntesis de un producto génico funcional (polipéptido o RNA). Sitio de unión del represor paro

inicio

Enhancer

Gen Sitio de unión del activador

Caja TATA

Intrón

Exón

Terminador

Expresión génica

Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son macromoléculas construidas con series largas (cadenas) de monómeros llamados nucleótidos. DNA (Ácido desoxirribonucleico) RNA (Ácido Ribonucleico) Funciones

Almacenamiento y transmisión de la información genética Funciones estructurales y catalíticas

Ácidos nucleicos: nucleótidos Base nitrogenada Nucelótidos (componentes)

Pentosa Fosfato

Ácidos nucleicos: nucleótidos Bases nitrogenadas

Guanina (G)

Citosina (C)

Purinas

pirimidinas

Ácidos nucleicos: nucleótidos Los ácidos nucleicos contienen dos tipos de pentosas Los desoxinucleotidos del DNA

Los ribonucleotidos del RNA

La molécula sin el grupo fosfato se denomina nucleósido 2´-desoxi-D-ribosa

Ácidos nucleicos: nucleótidos

Bases purínicas y pirimidínicas secundarias Formas metiladas Formas hidroximetiladas (DNA vírico) Formas glicosiladas (DNA vírico)

Son importantes en la regulación y protección de la información genética

En el RNA, y en especial el tRNA, se encuentran también base secundarias

Bases purínicas y pirimidínicas secundarias

Bases poco abundantes en el DNA

Bases poco abundantes en el RNA

Los nucleótidos están unidos por enlaces éster Extremo 5´

Los nucleótidos sucesivos de los ácidos nucleicos (DNA y RNA) están unidos por enlaces fosfodiéster

Enlace fosfodiéster

Extremo 5´ Enlace fosfodiéster

Enlace fosfodiéster Extremo 3´

Los nucleótidos están unidos por enlaces éster Extremo 5’

P

C

G P

A P

5´ 3´

T

T P

P

Extremo OH 3’

3´ 5´

La secuencia de bases está escrita en la dirección 5´  3´ →

El DNA y el RNA tienen POLARIDAD

Estructura de ácidos nucleicos

los

El DNA almacena información genética 1) Experimento de Avery-MacleodMcCarty (1944) 2) Experimento de Hershey-Chase (1952)

Reglas de Chargaff (1950) 1) [A]=[T] y [G]=[C] 2) La suma de las [purinas] = a la suma de las [pirimidinas] 3) El porcentaje de ([C] + [G]) no necesariamente es igual a la de ([A] + [T])

Reglas de Chargaff (1950) G G C T G T T

C C G A C A A

A=3 G=4

T=3 C=4

Purinas (7) G + C (57%) T + A (43%)

Pirimidinas (7)

Difracción de rayos X

Hemoglobina Linus Pauling

Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA

Rosalind E. Franklin

Propuesta de Watson y Crick

1953. Año culminante: J. Watson y F. Crick resuelven la estructura tridimensional del DNA (Nature 171: 737-738)

1953. Año culminante:

Modelo en metal del DNA J. Watson y F. Crick Concluyen: La estructura del DNA es una doble hélice, formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas). La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el interior de las cadenas

Estructura del DNA El DNA es un polímero de unidades de desoxirribonucleico

Guanina (G)

Citosina (C)

Purinas

pirimidinas

Adenina (A)

Timina (T)

Estructura del DNA Esta formado por dos cadenas complementarias de nucleótidos

3.4Å Surco mayor

Doble hélice dextrógira Cadenas antiparalelas

36Å Surco menor

20Å

DNA-B dextrógira

Replicación del DNA según Watson & Crick DNA parental Progenie (1ra generación)

El DNA adopta diferentes formas tridimensionales Forma A

Predomina en disoluciones relativamente pobres en agua (in vitro )

Forma B

Forma natural

Forma Z

Predomina en regiones cortas del DNA de procariotas y eucariotas

El DNA adopta diferentes formas tridimensionales

Estructuras de DNA no habituales 1) Secuencias palindrómicas

Dábale

“

arroz a la zorra el abad”

Estructuras de DNA no habituales 2) DNA triplex (apareamiento de Hoogsteen)

3) Tetráplex (apareamiento cuatro hebras)

G de

Estructuras de DNA no habituales 4) DNA H (DNA triple) Presente en regiones de polipurina y polipirimidina

Dos hebras contienen pirimidinas

Una contiene purinas

Estructuras de DNA no habituales Replicación Recombinación Transcripción

Estructura del RNA Guanina (G)

Citosina (C)

Purinas

pirimidinas

Adenina (A)

Uracilo (U)

mRNA snRNA tRNA rRNA

snoRNA siRNA miRNA

piRNA scaRNA

DNA superenrollado

DNA superenrollado Positiva

 torcimiento excesivo

→

Negativa  desenrollamiento (mitocondrial, viral, bacteriano; DNA lineal eucariota) →

Durante la replicación del DNA Durante la transcripción

Las topoisomerasas Catalizan cambios en el número de enlaces del DNA (aumentan o disminuyen el grado de subenrollamiento del DNA)

Topoisomerasas I (rotura en una sola cadena)

Replicación Transcripción

Topoisomerasas Topoisomerasas II (rotura en las dos cadenas)

Desenreda las moléculas de DNA antes que los cromosomas duplicados puedan separarse durante la mitosis

Las topoisomerasas Doxorrubicina

Etopósido

Topoisomerasas II Afecta la separación de las cadenas

Estructura del genoma Secuencias altamente repetidas (1 10%)

GENOMA EUCARIÓTA

a

Secuencias moderadamente repetidas (20 a 80%) Secuencias repetidas

no

Estructura del genoma

Secuencias altamente repetidas (1 a 10%)

DNA satélite (5 a 500 pb)

Forman grupos que contienen 100 millones de pb (aparecen rápido en el transcurso de la evolución)

DNA minisatélite (10 a 100 pb)

Grupos de 1000 a 3000 pb repeticiones (muy inestables puede aumentar o disminuir)

DNA microsatélite (2 a 5 pb)

Grupos de 100 pb o menos copias repetidas (se encuentran esparcidas de forma uniforme)

Estructura del genoma DNA minisatélite Gran inestabilidad por el entrecruzamiento desigual Polimórficas Análisis de huellas genómicas 123 4 5 6

7 8 9 10

Estructura del genoma DNA microsatélite Tipo I Trastornos Tipo II

Trinucleótidos (CCG o CAG)

repetidos

Anomalías neurodegenerativas con repetición del trinucleótido CAG dentro de las porciones codificantes del gen Expansión de una variedad de trinucleótidos (CAG, CCG, CGG) y se presentan en una parte del gen que no codifica a.a

Estructura del genoma DNA microsatélite 5’

UTR

Síndrome de X-frágil

Gen FMR1 (17 exones)

3’

CGGn CGGn (5-60)

Normal

→

CGGn (60-200)

premutación (portador)

→

CGGn >230 repeticiones

 mutación completa

METILACIÓN

Estructura del genoma Síndrome de X-frágil 1) Produce una proteína llamada FMRN que participa en el transporte del mRNA del núcleo a las dendritas 2) Regula la síntesis proteica en la sinapsis

Retraso mental hereditario

Estructura del genoma DNA microsatélite

Huntington

Gen huntingtina 5’

UTR

Glutamina

3’

CAG CAGn (6-26)

Normal

→

CAGn 36 repeticiones o más

Enfermedad

Estructura del genoma Huntington Agregado de huntingtina mutante

TBP CBP Factores de transcripción ricos en poliglutamina

Estructura del genoma Enfermedades genéticas por reiteración del trinucleótido Enfermedad

Trinucleótido Intervalo normal reiterado de reiteración

Intervalo de reiteración de la Reiteración del enfermedad  gen codificante

Atrofia muscular

CAG

11-33

40-62

Si

Enfermedad de Huntington

CAG

11-34

42-100

Si

X frágil

CGG

6-54

2504000

No

Estructura del genoma Secuencias de DNA repetidas con función codificadora

Codifica RNAt y RNAr y algunas histonas

Secuencias moderadamente repetidas Elementos cortos interpuestos (SINE)

Secuencias de DNA que carecen de función codificadora

Elementos genéticos móviles Elementos largos interpuestos (LINE)

Estructura del genoma Secuencias no repetidas

Contiene la mayor cantidad de información genética

Estabilidad del genoma: poliploidización Duplicación completa del genoma (poliploidización)

Dos especies relacionadas se aparean para formar un organismo híbrido que contiene los cromosomas de ambos progenitores (plantas) Un embrión unicelular experimenta duplicación cromosómica (animales)

Estabilidad del genoma: poliploidización Susumu Ohno planteo la hipótesis de las 2R La evolución de los vertebrados desde un ancestro invertebrado mucho más simple fue posible por dos ciclos separados de duplicación completa del genoma durante un periodo evolutivo temprano

Estabilidad del genoma: poliploidización

Estabilidad del genoma: duplicación génica Duplicación génica

Se produce entrecruzamiento desigual

por

Estabilidad del genoma: duplicación génica 1

Cromosomas homólogos (durante la meiosis) 1 2

1

1

2

2

2

2 1 1

2

2

2

2

Estabilidad del genoma: duplicación génica DNA donador con TRANSPOSÓN

Transposasa

Transposasa

DNA receptor

Estabilidad del genoma: duplicación génica DNA donador con RETROTRANSPOSÓN

RNA

DNA

Transcripción por RNA polimerasa TRANSCRIPTASA INVERSA para formar cDNA monocatenario Conversión a DNA bicatenario

DNA

DNA receptor

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