clase genoma humano

EL GENOMA HUMANOTAMAO, ESTRUCTURA Y ORGANIZACIN

GENOMA HUMANO

Genoma Nuclear 3300 Mb (30000 genes) 25% Genes y secuencias relacionadas 75% DNA extragnico

Genoma Mitocondrial 16,6 kb (37 genes)

Dos genes de rRNAs 60%

22 genes de rRNAs

13 protenas

40%

10% DNA DNA Codificante Codificante

90% DNA No Codificante Unicas o bajo nmero de copias Moderada a altamente repetitiva

Seudo genes Seudo genes

Fragmentos de genes

Intrones

Repetidos agrupados o en tandem

Repetidos dispersos

La variabilidad en los seres vivos La vida es extraordinariamente variadaMientras archeabacterias sobreviven en chimeneas subterrneas a temperaturas elevadas en el fondo del ocano los osos polares con ms de una tonelada de peso, vagan en las inmediaciones del circulo polar rtico.

correlaciona con la variabilidad enlos genomas

Los tamaos genmicos (largo del DNA) varan desde los 5,000 pb del virus SV40 hasta los 3*109 pb de humanos o los 1011 pb de plantas superiores.

Tamao de los Genomas ProcariontesSu relacin con el nmero de genesProcariontes Buchnera species Chlamydia pneumoniae Haemophilus influenzae Helicobacter pylori Mycobacterium tuberculosis Mycoplasma pneumoniae Neisseria meningitidis Staphylococcus aureus Streptococcus pneumoniae Xilella fastidiosa C DNA * 640.681 1.230.230 1.830.138 1.667.867 4.411.529 816.394 2.272.351 2.813.641 2.160.837 2.679.306 N de genes (estimados) 564 1.052 1.709 1.566 3.918 677 2.025 2.595 2.094 2.766

En procariontes existe una buena correlacin tanto entre tamao genmico y complejidad morfolgica, como entre tamao genmico y nmero de genes.

Organizacin de los Genomas Procariontes

Los genes no presentan intrones, son continuos. Una parte de sus genes est organizado en operones. - Comparten las regiones reguladoras y promotoras. Las regiones intergnicas son cortas.

Tamao de los Genomas EucariontesSu relacin con el nmero de genesEucariontes Saccharomyces cerevisiae Arabidopsis thaliana Plasmodium falciparum Caenorhabditis elegans Drosophila melanogaster Anopheles gambiae Danio rerio (zebrafish) Mus musculus Rattus norvegicus Homo sapiens C DNA * 12.000.000 115.000.000 23.000.000 97.000.000 116.000.000 278.000.000 1.560.000.000 2.490.000.000 2.570.000.000 2.693.000.000 N de genes (estimados) 5.800 25.498 5.300 19.099 13.601 14.653 20.000 24.948 21.276 30.000

En eucariontes no existe una buena correlacin entre tamao genmico, complejidad morfolgica, y nmero de genes.

Organizacin del Genoma EucarionteFactores que contribuyen a un mayor tamao genmico Estructura de los genes: - Los genes presentan intrones, son discontinuos. - Los genes tienen extensas regiones reguladoras 5 y 3. - Los mRNAs tienen extensas regiones no traducibles 5 y 3.

Organizacin del Genoma EucarionteFactores que contribuyen a un mayor tamao genmico Gran cantidad de DNA espaciador: - Los genes se encuentran separados por una gran cantidad de DNA no codificante. Esta condicin aumenta al pasar de unicelulares a pluricelulares.

Organizacin del Genoma, Resumen

Los genomas procariontes presentan poco DNA intergnico, genes sin intrones y frecuentemente agrupados en operones.

Los genomas eucariontes presentan mucho DNA intergnico, genes con intrones y principalmente aislados.

Estructura de los genes codificantesGenes continuos y discontinuos en eucariontes El nmero de exones de los genes es mayor en mamferos que en otros eucariontes como D. melanogaster o S. cereviceae. El nmero de exones parece aumentar, al aumentar la complejidad de los eucariontes.

Estructura de los genes codificantes Tamao de los GenesEl tamao de los genes es mayor en mamferos que en otros eucariontes como D. melanogaster o S. cereviceae. El tamao parece aumentar, al aumentar la complejidad de los eucariontes.

Expresin de los genes codificantes

El uso de promotores alternativos, terminadores alternativos y splicing alternativo permite aumentar la cantidad de productos gnicos que se obtienen a partir de los genes codificantes.

Ms del 40% de los genes en humanos tienen procesamiento alternativo.

Nature, 15 febrero 2001

Science, 16 febrero 2001

Estrategias para la secuenciacin del genoma

Consorcio PblicoEric Lander

Genoma completo se fragmenta Los fragmentos se clonan en BACs Los BACs se organizan Los BACs se fragmentan Los fragmentos se subclonanGATACCATCGGACATAATTGCACCATCCATTAGG TCCATTAGGGATTAATTGCACCATCCAGGTTAGGGAT

se secuencian se ensambla

GATACCATCGGACATAATTGCACCATCCATTAGGGATTAATTGCACCATCCAGGTTAGGGAT

Estrategias para la secuenciacin del genoma

Consorcio Privado Genoma completo se fragmenta en trozos pequeosJ. Craig Venter

Los fragmentos se clonan en BACs y otros vectoresCCATCCAGGTTAGGGAT CCATCCAGGTTAGGGAT CACCATCCATTAGGGATTAA AATTGCACCATCCATTA CACCATCCATTAGGGATTAA AATTGCACCATCCATTA GATACCATCGGACATAAT

se secuencian

GATACCATCGGACATAAT

GATACCATCGGACATAATTGCACCATCCATTAGGGATTAATTGCACCATCCAGGTTAGGGAT

se alinean en base a un algoritmo computacional

S. cerevisae 12.1 mB 6,300 genes

D. melanogaster 137 mB 14,000 genes

A. thaliana 142 mB 26,000 genes

H. sapiens 3,200 mB 30,000 genes

F. Rubripes 365 mB 31,000 genes

Generalidades sobre genoma humanoResultados del proyecto genoma Tamao Secuencia publicada Feb. 2001 Contenido AT genoma repetido Genes identificados Genes totales (identif. + hipot.) Genes con funcin desconocida Genes con procesamiento alternativo 3.200 Mpb 2.910 Mpb 54 % 35 % 26.000 39.000 42 % 40 %

GENOMA HUMANO




22 genes de rRNAs

13 protenas

40%




Fragmentos de genes

Intrones


Repetidos dispersos

El cariotipo humano

No perdamos de vista que el genoma humano est dividido en cromosomas.

Los genomas eucariontes se estructuran en cromosomas

Morfologa cromosmica (bandas G)Genes ribosomales

Constriccin secundaria

satlite centrmero Banda G + Banda G telmero

Brazo corto

Brazo largo

Banda G + Banda G

Regiones ricas en AT Regiones ricas en GC

Replican tardamente Replican temprano

Pobres en genes Ricas en genes

Representacin grfica del genoma humanoPorcentaje 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

45% 53% 21% 34% 42% 48% 66%

92% 90% 100%

LINEs

SINEs

intrones Exones genes

Elementos retrovirales fsiles de transposones Segmentos duplicados Secuencias repetidas simples

25%heterocromatina

REPETIDO

UNICO

NO SECUENCIADO

La regin del genoma que codificaGenes (25%)

Intrones (23%)

Exones (2%)

Slo algo menos del 2% del genoma humano corresponde a secuencias exnicas.

Contenido de GC en genes y genoma humano

La fraccin del DNA que tiene entre un 45 y 55% de GC representa un 18% del genoma y contiene al 35% de los genes.

Las regiones del genoma con mayor contenido GC tienen mayor densidad gnica.

Las bandas claras tienen un mayor contenido de GC.

GENOMA HUMANO




22 genes de rRNAs

13 protenas

40%




Fragmentos de genes

Intrones


Repetidos dispersos

Estructuras repetitivas en los genomas eucariotes Los genomas eucariotes contienen varios tipos de estructuras repetitivas: satelites, micro y mini-satelites, retrotransposones, retrovirus, etc. El tamao de las regiones repetidas correlaciona con el tamao genmico.

Heterocromatina (*109bp)

Gorrila gorilla Symphalangus syndactylus Pan troglodites Homo sapiens Hylobates muelleri

Tamao genoma (*109bp)

La regin del genoma que no codifica

DNA repetido agrupadoDNA repetitivo centromrico (Satlite)Tamao del repetido: 80 a 180 pb. Tamao del conglomerado: 100 a 5.000 Kbp. Localizacin: Centrmeros

Otros repetidos agrupados. Agrupados nicos VNTRs STRs DNA repetitivo telomrico

Tamao del repetido: 6 pb. Tamao del conglomerado: 100pb a 20 Kbp. Localizacin: Telmeros.


Los elementos repetidos dispersosLargo Porcentaje del genoma

LINEs SINEs (Alu)


Los elementos repetidos dispersos

Tipos de DNA repetido disperso SINEs Familia ms representativa Longitud del fragmento de repeticin Cantidad de copias en el genoma (Mpb) Localizacin cromosmica preferencial Composicin nucleotdica

LINEs Line-1 6 a 8 Kbp 850.000 (560) Bandas G+ AT

Alu 100 a 300 pb 1.500.0000 (360) Bandas GGC

Transposones y retrotransposonesEfectos sobre la estructura de los genes

F. rubripes 365 mB 31,000 genes Comparacin de las secuencias genmicas del gen de la Hantingtonina humana y de Fugu. Ambos genes contienen 67 exones. El gen humano es 7,5 veces ms grande que el de Fugu (180.000 v/s 24.000 pb). Esto se debe a la gran cantidad de retrotransposones presentes en los intrones del gen humano.

Distribucin de los elementos repetidos dispersos en el genoma

LINEs SINEs

Las inserciones Alu son ms frecuentes en las regiones ricas en GC. Los LINEs son ms frecuentes en las regiones ricas en AT

Recapitulemos: un cromosoma eucarionte contiene

DNAs repetidos dispersos

Genes ribosomales

Genes codificantes DNAs repetidos agrupados

La real magnitud de nuestras diferenciasIdentidad entre secuencias humanasEntre un 99,98 y un 99,92% de identidad existe entre los humanos. Esto significa que dos individuos cualesquiera difieren entre ellos en 600.000 a 2.400.000 pb. Cerca de 2,1 millones de polimorfismos de nucletido simple (SNPs) han sido descritos. Esto es 1 cada 1250 pb en promedio.

La real magnitud de nuestras diferenciasIdentidad entre chimpanc y secuencias humanas

En promedio existen menos de 150 millones de pb de diferencia entre chimpanc y humano.

La totalidad de los clones de Chimpanc presentan ms de un 95% de identidad con la secuencia humana.

GENOMA HUMANO




22 genes de rRNAs

13 protenas

40%




Fragmentos de genes

Intrones


Repetidos dispersos

El Genoma Mitocondrial

La Mitocondria

EL DNA mitocondrial

Euglenagracilis

Tamao de genomas mitocondriales de diversos organismos vivos

Nmero y tipo de genes presentes en el DNA mitocondrial de algunos organismos vivos

Cantidad relativa de DNA organelar en algunas clulas y tejidos

Algunas diferencias entre el Cdigo Gentico Universal y el Mitocondrial

Codon UGA AUA CUA AGA

AGG

}

Hiptesis endosimbitica

Organizacin del DNA mitocondrial humano

El mtDNA se transmite por va materna

Componentes de la cadena respiratoria: aporte mitocondrial y nuclear

Caractersticas generales de las enfermedades mitocondriales Baja eficiencia en la reduccin del O2 a H2O Baja eficiencia en la recuperacin del poder reductor: NADH y FADH2 Disminucin marcada y progresiva en la produccin de ATP Aumento en la produccin de radicales libres Aumento de las mutaciones somticas Presencia de formas normales y mutadas de mtDNA (heteroplasma)

Tejidos afectados por mutaciones en el mtDNA

Clasificacin de las enfermedades segn su origen molecularCLASE I: Mutaciones en el DNA nuclear en los genes de las protenas que forman la cadena de transporte de electrones en genes relacionados con la replicacin, transcripcin y traduccin del mtDNA en genes relacionados con el importe de protenas a mitocondria CLASE II: Mutaciones puntuales en el DNA mitocondrial que afectan a los genes de las protenas de la cadena de transporte de electrones codificadas en el mtDNA que afectan los genes que codifican los tRNAs mitocondriales.

Clasificacin de las enfermedades segn su origen molecular

CLASE III: Deleciones y duplicaciones en el DNA mitocondrial Deleciones de varias kilobases que involucran a varios genes en el mtDNA Insercin de un fragmento duplicado del mtDNA CLASE IV: Defectos genticos no definidos

Algunas mutaciones puntuales en el mtDNA asociadas a enfermedades

LHON (Neuropata ptica hereditaria de Leber)

Un nmero importante de pacientes presentan mutaciones puntuales en: G3460A, G11768A, T14184C, A14495G.

Mutaciones en el tRNA de leucina asociadas a enfermedades

MERRF (Epilepsia mioclnica y enfermedad de las fibras rojas rasgadas)

Succinato deshidrogenasa 90% de los pacientes presentan G8344A o T8356C en el gen mitocondrial tRNAlys

Citocromo c oxidasa

Segregacin replicativa de una mutacin mitocondrial heteroplsmica

Umbral de expresin fenotpica

Modelo de evolucin multiregional

Milford Wolpoff

Modelo Out of Afrca

Christopher Stringer

Evidencia mitocondrial para la existencia de una EVA africana

Modelo migracional propuesto en base a polimorfismos de mtDNA

clase genoma humano

Documents