estructura, organización y función de los Ácidos nucleicos

COMPOSICIóN QUÍMICA Y ESTRUCTURA

DEL ADN

FRIEDRICH MIESCHER EN 1871 AISLó DEL NÚCLEO DE LAS CÉLULAS DE PUS (GLOBULOS BLANCOS) UNA SUSTANCIA ÁCIDA RICA EN FóSFORO QUE LLAMó "NUCLEÍNA". EL NOMBRE DE ÁCIDO NUCLEICO PROCEDE DEL DE "NUCLEÍNA" PROPUESTO POR MIESCHER.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ADN

FRIEDRICH MIESCHER(1844-1895)

SUIZA


Albrecht Kossel y Phoebus LeveneDe los años 1885 a 1901 aislaron y nombraron los cinco componentes orgánicos de los ácidos nucleicos Adenina. Timina, Guanina, Citocina y Uracilo.

Albrecht Kossel(1853-1927)

Alemania

Phoebus Levene(1869-1940)Rusia-EUA


Cuando se realiza la hidrólisis completa de los ácidos nucleicos, se obtienen tres tipos de componentes principales:

1) Azúcar: Pentosas.2) Bases nitrogenadas: Púricas y

Pirimidínicas.3) Ácido fosfórico.


ADN ARN

AZUCARES DE LOS ÁCIDOS NUCLEÍCOS

ÁCIDOS FOSFÓRICO

GRUPO OH EN EL CARBONO

2 DE LA PENTOSA


BASES NITROGENADAS

1) LAS BASES PÚRICAS DERIVADAS DE LA PURINA (FUSIÓN DE UN ANILLO PIRIMIDÍNICO Y UNO DE IMIDAZOL) SON LA ADENINA(6-AMINOPURINA) Y LA GUANINA (2-AMINO-6-HIDROXIPURINA). 2) LAS PURINAS SE UNEN AL C1 DEL AZÚCAR MEDIANTE UN ENLACE N-GLUCOSÍDICO A TRAVÉS DEL N9 DEL ANILLO IMIDAZOL


BASES NITROGENADAS

1) LAS BASES PIRIMIDÍNICAS (DERIVADAS DE LA PIRIMIDINA) SON LA TIMINA (2,6-DIHIDROXI-5-METILPIRIMIDINA O TAMBIÉN LLAMADA 5-METILURACILO), CITOSINA(2-HIDROXI-6-AMINOPIRIMIDINA) Y URACILO (2,6-DIHIDROXIPIRIMIDINA)

2) LAS PIRIMIDINAS SE UNEN AL C1 DEL AZÚCAR MEDIANTE UN ENLACE N-GLUCOSÍDICO A TRAVÉS DEL N3 DEL ANILLO

1) LAS BASES NITROGENADAS QUE FORMAN NORMALMENTE PARTE DEL ADN SON: ADENINA (A), GUANINA (G), CITOSINA Y TIMINA (T) 2) LAS BASES NITROGENADAS QUE FORMAN PARTE DE EL ARN SON: ADENINA (A), GUANINA (G), CITOSINA (C) Y URACILO (U). POR TANTO, LA TIMINA ES ESPECÍFICA DEL ADN Y EL URACILO ES ESPECÍFICO DEL ARN

BASES NITROGENADAS

La unión de:Pentosa + Base nitrogenada = NucleósidoPentosa + Base nitrogenada + Ácido fosfórico = NucleótidoNucleótido + Nucleótido + Nucleótido + .... = Polinucleótido


LA TERMINOLOGÍA EMPLEADA PARA REFERIRSE A LOS NUCLEóSIDOS Y NUCLEÓTIDOS ES LA SIGUIENTE:

Base Nitrogenada Nucleósido Nucleótido

Adenina Adenosina Ácido Adenílico

Guanina Guanidina Ácido Guanílico

Citosina Citidina Ácido Citidílico

Timina Timidina Ácido Timidílico

Uracilo Uridina Ácido Uridílico

LOS NUCLEÓTIDOS SE UNEN ENTRE SI PARA FORMAR LARGAS CADENAS DE POLINUCLÉOTIDOS, ESTA UNIÓN ENTRE MONÓMEROS NUCLEÓTIDOS SE REALIZA MEDIANTE ENLACES FOSFODIÉSTER ENTRE LOS CARBONOS DE LAS POSICIONES 3’ DE UN NUCLEÓTIDO CON LA 5’ DEL SIGUIENTE


1) Los polinucleótidos son polímeros lineales de nucleótidos cuyos grupos fosfatos unen las posiciones 3´y 5´de azucares consecutivos. 2) Los grupos fosfatos son acídicos por lo que a pH fisiológico están cargadas negativamente. 3) Los nucleótidos están formados por un residuo de azúcar unido por el C1 a una base nitrogenada y a un grupo fosfato por el C5.


PROPORCIONES DE LAS BASES NITROGENADAS(REGLAS DE CHARGAFF)

Chargaff (1950) demostró que las proporciones de las bases nitrogenadas erandiferentes en los distintos organismos, aunque seguían algunas reglas. Estasreglas de Chargaff se cumplen en los organismos cuyo material hereditario esADN de doble hélice y son las siguientes:

1) La proporción de Adenina (A) es igual a la de Timina (T). A = T . La relación entre Adenina y Timina es igual a la unidad (A/T = 1).2) La proporción de Guanina (G) es igual a la de Citosina (C). G= C. La relación entre Guanina y Citosina es igual a la unidad ( G/C=1).3) La proporción de bases púricas (A+G) es igual a la de las bases pirimidínicas (T+C). (A+G) = (T + C). La relación entre (A+G) y (T+C) es igual a la unidad (A+G)/(T+C)=1.4) Sin embargo, la proporción entre (A+T) y (G+C) era característica de cada organismo, pudiendo tomar por tanto, diferentes valores según la especie estudiada. Este resultado indicaba que los ácidos nucleicos no eran la repetición monótona de un tetranucleótido. Existía variabilidad en la composición de bases nitrogenadas

Edwin Chargaff

MODELO DE LA ESTRUCTURA DEL ADN(Premio Nóbel en Fisiología y Medicina 1962)

James D. Watson

Francis H. C. Crick

Maurice H. F. Wilkins

Usando los datos obtenidos por Chargaff (1950), relativos a la composición de bases nitrogenadas en el ADN de diferentes organismos y en estudios de difracción de rayos X sobre fibras de ADN; determinan la estructura tridimensional o disposición espacial de las moléculas de ADN. Ellos propusieron un modelo de estructura para el ADN conocido con el nombre de Modelo de la Doble Hélice.

DNA-B

.

Las características del modelo son las siguientes:

1) El ADN es una doble hélice enrollada helicoidalmente “a derechas” (sentido dextrorso dextrÓgira). Algo parecido a dos muelles entrelazados.

2) Enrollamiento de tipo plectonémico: para separar las dos hélices es necesario girarlas como si fuera un sacacorchos

3) Cada hélice es una serie de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster en los que un grupo fosfato forma un puente entre grupos OH de dos azúcares sucesivos (posiciones 3’ de un azúcar y 5’ del siguiente).

4) Las dos hélices se mantienen unidas mediante puentes o enlaces de hidrogeno producidos entre las bases nitrogenadas de cada hélice. Siguiendo los datos de Chargaff (1959), la Adenina de una hélice aparea con la Timina de la hélice complementaria mediante dos puentes de hidrógeno. Igualmente, la Guanina de una hélice aparea con la Citosina de la complementaria mediante tres puentes de hidrógeno

.

Las características del modelo son las siguientes:

5) Las dos hélices por razones de complementaridad de las bases nitrogenadas son antiparalelas, teniendo secuencias de átomos inversas. Una hélice lleva la secuencia 5’P → 3’OH , mientras que la hélice complementaria sigue la secuencia de átomos 3’OH →5’P.

6) El diámetro de la doble hélice es de 20 A.7) Las bases nitrogenadas son estructuras planas perpendiculares al eje de la doble

hélice y están apiladas unas sobre otras a una distancia de 3,4 A. Cada 10 bases, cada 34 A se produce una vuelta completa de la doble hélice (360º).

8) Las bases se encuentran en sus configuraciones cetónicas, cumpliendo así las reglas de apareamiento A-T y G-C.

9) La secuencia de bases nitrogenadas puede ser cualquiera, no existe ninguna restricción

ALTERNATIVAS AL MODELO DE

LA DOBLE HÉLICE

ALTERNATIVAS AL MODELO DE LA DOBLE HÉLICEADN-B: ADN en disolución, 92% de humedad relativa, se encuentra en

soluciones con baja fuerza iónica se corresponde con el modelo de la Doble Hélice.

ADN-A: ADN con 75% de humedad, requiere Na, K o Cs como contraiones, presenta 11 pares de bases por giro completo y 23 A de diámetro. Es interesante por presentar una estructura parecida a la de los híbridos ADN-ARN y a las regiones de autoapareamiento ARN-ARN.

ADN-Z: doble hélice sinistrorsa o levógira (enrollamiento a izquierdas), 12 pares de bases por giro completo, 18 A de diámetro, se observa en segmentos de ADN con secuencia alternante de bases púricas y pirimidínicas (GCGCGC), debido a la conformación alternante de los

residuos azúcar-fosfato sigue un curso en zig-zag. Requiere una concentración de cationes superior a la del ADN-B, y teniendo en cuenta que las proteínas que interaccionan con el ADN tienen gran cantidad de residuos básicos sería posible que algunas convirtieran segmentos de ADN-Ben ADN-Z. Las posiciones N7 y C8 de la Guanina son más accesibles.

ALTERNATIVAS AL MODELO DE LA DOBLE HÉLICE

Palíndromos: Plegamiento o apareamiento de una hélice consigo misma. Elpalíndromo también es una figura gramatical que se lee igual en los dossentidos. Existe ADN palindrómico de hélice sencilla y de hélice doble. Enel palíndromo de doble cadena la secuencia de bases se lee igual endirección 5’ P → 3’OH en ambas cadenas.

Existen algunos virus cuyos ácidos nucleicos son de una sola hélice: el ADN delos fagos X174 y M13 es circular de hélice sencilla, sin embargo, se hacomprobado que una pequeña parte resiste la acción de enzimas que digierenespecíficamente ADN de hélice sencilla. Por tanto, estas regionesresistentes de ADN presentan complementaridad interna oautoapareamiento, formando ADN duplex o doble hélice, teniendosecuencias palíndrómicas. Una situación semejante se ha observado en elARN de hélice sencilla del bacteriofago MS2 (3569 ribonucleotidos y tresgenes). En este caso, el gen de la proteína de la cubierta del viruspresenta segmentos que tienen complementaridad interna (autoapareamiento)que se pliegan sobre si mismos formando horquillas (regiones de ARN dedoble hélice)

El ARN transferente (ARN-t) que transporta los aminoácidos y el ARNribosómico (ARN-r) que intervienen en el proceso de traducción, son ácidosribonucleicos de una sola hélice y también presentan autoapareamiento

ALTERNATIVAS AL MODELO DE LA DOBLE HÉLICE

LOS APAREAMIENTOS QUE OCUREN EN LA ESTRUCTURA DE DOBLE HÉLICE NO SATURAN TODAS LAS POSIBILIDADES DE LAS BASES DE ESTABLECER RECONOCIMIENTOS ESPECÍFICOS

LA TRIPLE HÉLICE DE ADN

N1

N3N9

N7

R

ON1

N3R

N N1N3R

H

O

O

NH

H

H

H

HN

H

H

N1

N3N9

N7

R

N

N1N3

R

O N1N3R

H

O

O

O

H

Me

H H

Me

N1

N3N9

N7

R

ON1

N3R

N

O

NH

H

H

H

HN1

N3

N7

N9R

O

NH H

H

N1

N3N9

N7

R

ON1

N3R

N

O

NH

H

H

H

H

N1

N3N9

N7

R

O

NH

H

H

N1

N3N9

N7

R

NN1

N3R

O

O

H

Me

H H

N1

N3N7

N9

R

NH

H

N1

N3N9

N7

R

NN1

N3R

O

N1

N3

R

H

O

O

OH

Me

H HMe

d(C+-G·C)

d(G-G-C)*

+

d(T-A·T) d(G-G·C)

d(A-A·T) d(T-A·T)*

POSIBLES TRIADAS DE BASES

Puentes de Hidrógeno Hoogsteen

LA TRIPLE HÉLICE DE ADN o ADN-H

"In vitro" es posible obtener tramos de triple hélice intercalando oligonucleótidos cortos constituidos solamente por pirimidinas (timinas y citosinas) en el surco mayor de una doble hélice. Este oligonucleótido se une a pares de bases A-T y G-C mediante enlaces de hidrógeno tipo Hoogsteen que se establecen entre la T o la C del oligonucleótido y los pares A-T y G-C de la doble hélice. No se sabe la función biológica del ADN-H aunque se ha detectado en cromosomas eucarióticos.

N1

N3N9

N7

R

NN1

N3R

O N1N3R

H

O

O

O

H

Me

H H

MeMM groove

m groove

mM groove

LA PRESENCIA DE LA TERCERA CADENA ROMPE

EL SURCO MAYOR EN 2 PARTES

REGIONES CAPACES DE DAR TRIPLE HÉLICE EN EL GENOMA HUMANO

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Length of the track

Pro

ba

bility (

%)

Human Genome

Promoters

UpStreams

DownStreams

Introns

Exons

Coding

ES POSIBLE INFLUIR EN LA FUNCIONALIDAD DEL DNA MEDIANTE LA FORMACION DE ESTRUCTURAS HIBRIDAS

DNA(T): ANTI-GENE & DNA-RNA: ANTISENSE

HéLICES CUADRUPLES O ADN-G (TETRAPLEXES)

"In vitro" se han obtenido cuartetos de Guanina (ADN cuadruplexo) unidas mediante enlaces tipo Hoogsteen, empleando polinucleótidos que solamente contienen Guanina (G). Los extremos de los cromosomas eucarióticos (telómeros) tienen una estructura especial con un extremo 3' OH de cadena sencilla (monocatenario) en el que se repite muchas veces en tandem una secuencia rica en Guaninas. Se piensa que el ADN cuadruplexo telomérico serviría para proteger los extremos cromosómicos de la degradación enzimática. Ejemplo de secuencia telomérica rica en guaninas (G): 5´P TTGGGTTGGGGTTGGGG...............TTGGGG 3'OH

SE FORMAN FUNDAMENTALMENTE EN SECUENCIAS RICAS EN POLIGUANINAS

CLAVES PARA LA ESTABILIZACIóNDE LOS TELóMEROS

UNA DE LAS DIANAS MÁS PROMETEDORAS EN TRATAMIENTO ANTINEOPLÁSICO

ESTRUCTURACRISTALINADEL ADN-G

EL GENOMA BACTERIANO ES UN NUCLEOIDE

EL GENOMA BACTERIANO ES UN NUCLEOIDE

1) Aunque en las bacterias no seobservan estructuras con lascaracterísticas morfológicas de loscromosomas eucarióticos, su genomase encuentra organizado en cuerposdefinidos. El material genético puedeser visto como un grupo bastantecompactado o una serie de gruposllamado nucleoide, que ocupaaproximadamente un tercio delvolumen de la célula2) Cuando células de E. coli sonlisadas las fibras de DNA sonliberadas en forma de lazos. El DNAen estos lazos no es encontrado enforma de doble hélice extendida si noque se encuentra compactadoasociado a proteínas

SUPERENROLLAMIENTO DEL ADN

¿ COMO SE PUEDE ENPAQUETAR TANTO ADN EN TAN POCO ESPACIO ?

EL SUPERENRROLLAMIENTO

La DNA Girasa o Topoisomerasa II, introduce superenrrollamiento negativo (elADN tuerce a lo largo de su eje en la dirección opuesta a la de la doblehélice, que es hacia la derecha); mientras que la ADN Topoisomera I,elimina el superenrrollamiento negativo por medio de un corte que permiteque el ADN regrese a su estado relajado.

Existen además las llamadas Girasas Inversas (producen superenrrollamientopositivo) en especie extremófilas como las Archaea.

1 2 3 4 5 6 7

Electroforesis en gel deagarosa 0.8% del plásmidopUC18 sometido a diferentesdosis de radiación gamma.Líneas 1-7, dosis de 0, 50, 100,150, 200, 300, 400 Gyrespectivamente.R: Forma relajada ocovalentemente abiertaL: forma linealC: forma superenrrollada ocovalentemente cerrada

L

R

C

DEFINICIÓN MOLECULAR DEL

GEN

DEFINICIÓN MOLECULAR DE GEN

UNA DEFINICIÓN SIMPLE DE UN GEN ES: “ AQUELLA UNIDAD DE

ADN QUE CONTIENE LA INFORMACIÓN PARA

ESPECIFICAR LA SÍNTESIS DE UNA ÚNICA CADENA

POLIPEPTÍDICA O RNA FUNCIONAL

1) El operón triptofano es un segmento continuo del cromosoma del E. coli que contiene 5 genes que codifican las enzimas necesarias para la síntesis paso a paso del triptofano

2) Todo el operón se transcribe a partir de un promotor y forma un mRNA largo continuo que contiene 5 genes (mRNA policistrónico)

3) El orden de los genes en el genoma bacteriano es paralelo a la función secuencial de las proteínas codificadas en la vía del triptofano.

ORGANIZACIÓN DE GENES, TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN EN PROCARIONTES

ESTRUCTURA DEL OPERON BACTERIANO

Regulación de la trascripción a partir del operón lac de E. coli.La región de control de la transcripción (≈ 10 pares de bases) incluye tres regiones de unión de proteínas: el sito CAP, que une la proteína activadora del catabolito, el promotor lac, que une el complejo RNA Polimerasa 70, y el operador lac, que une al represor lac.a) En ausencia de Lactosa se produce muy poco mRNA porque el represor lacse une al operador, inhibiendo la iniciación de la transcripción por la RNA Polimerasa 70. b) En presencia de Glucosa y Lactosa, el represor lac se une a la lactosa y se disocia del operador, permitiendo iniciar la transcripción a una frecuencia baja.c) La máxima transcripción del operón lac tiene lugar en presencia de lactosa y ausencia de glucosa. En esta situación el cAMP se incrementa en respuesta a la concentración baja de glucosa y forma el complejo CAP-cAMP, que se une al sitio CAP, donde interactúa con la RNA Polimerasa para estimular la velocidad de iniciación de la trascripción.

1) Los 5 genes que codifican las enzimas requeridas para la sÍntesis del triptofano en levadura (Saccharomyces cerevisiae) se encuentran en cuatro cromosomas distintos

2) Cada gen es transcripto a partir de su propio promotor para producir un transcripto primario que es procesado en un mRNA funcional que codifica una única proteína (mRNA monocistrÓnico). La longitud de los cromosomas de la levadura se mide en kilobases.

ORGANIZACIÓN DE GENES, TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN EN EUCARIONTES

PROCESAMIENTO DEL RNA PARA PRODUCIR mRNA FUNCIONAL EN EUCARIONTES

1) El gen de la β-globina contiene tres exones (rojos) codificadores de proteÍnas y dos intrones (azules) 2) Los intrones interrumpen la secuencia de codificaciÓn de proteÍnas entre los codones de los aminoÁcidos 31 y 32, y 105 y 1063) La transcripciÓn de los genes eucariontes codificadores de proteÍnas comienza antes de la secuencia que codifica el primer aa y se extiende mÁs alla de la secuencia del ùltimo aa, lo que da lugar a regiones no codificantes (gris). Estas regiones no traducidas (UTR) son retenidas durante el procesamiento4) En los extremos del mRNA son añadidos dos tipos de modificaciones diferentes. El casquete en el extremo 5’ y la cola de poliA en el extremo 3’.

ELIMINACIÓN ESPECÍFICA DE INTRONES SEGÙN EL TIPO DE CELULA DEL pre-mRNA DE FIBRONECTINA

EN FIBRIBLASTOS Y HEPATOCITOS

EL GEN DE LA FIBRONECTINA CONTIENE MÚLTIPLES EXONES. LOS EXONES EIIIB Y EIIIA (VERDES) CODIFICAN DOMINIOS DE UNIóN PARA PROTEÍNAS ESPECÍFICAS EN LA SUPERFICIE DE LOS FIBROBLASTOS. EL mRNA DE LA FIBRONECTINA PRODUCIDO EN LOS FIBROBLASTOS INCLUYE EIIIA Y EIIIB, MIENTRAS QUE ESTOS EXONES SON ELIMINADOS DEL mRNA DE LA FIBRONECTINA DE LOS HEPATOCITOS. EN ESTE DIAGRAMA LOS INTRONES (LÍNEAS NEGRAS) NO ESTÁN DIBUJADOS A ESCALA; LA MAYORÍA DE ELLOS SON MUCHO MÁS LARGOS QUE CUALQUIERA DE LOS EXONES.

EN LOS GENOMAS EUCARIONTES SE ENCUENTRAN UNIDADES DE

TRANSCRIPCIÓN SIMPLES Y COMPLEJASA) UNIDAD DE TRANSCRIPCIÓN SIMPLE: Unidad de transcripción que incluye una región que codifica una proteína, que se extiende desde el sitio de casquete 5’ hasta el sitio poli(A) 3’, y las regiones de control asociadas.

- Los intrones son eliminados durante el proceso de transcripción primaria, por lo tanto no aparecen en el mRNA monocistrónico funcional

- Las mutaciones en las regiones de control de la trascripción (a,b) pueden reducir o evitar la trascripción, disminuyendo o impidiendo la síntesis de la proteína codificada.

- Una mutación dentro de un exón (c) puede producir una proteína anormal con actividad disminuida o nula.

- Una mutación dentro de un intrón (d) que introduce un nuevo sitio de corte y empalme produce un mRNA con proceso de corte y empalme anormal, que codifica una proteína funcional


TRANSCRIPCIÓN SIMPLES Y COMPLEJAS

B) UNIDAD DE TRANSCRIPCIÓN COMPLEJAS:Las unidades de transcripción complejas producen transcriptos primarios que pueden procesarse de manera alternativa (arriba).

- Arriba: Si un transcripto primario tiene sitios de corte y empalmes alternativos, puede ser procesado en mRNA mensajero con los mismos exones 5’ y 3’, pero con distintos exones internos

- Medio: Si un transcripto primario tiene dos sitios poli(A) puede ser procesado en mRNA con exones alternativos

- Abajo: Si los promotores alternativos (f o g) están activos en diferentes tipos de células, el mRNA1, producido en un tipo de células en la cual festa activado, tiene un exón diferente (1A) del que tiene el mRNA2, el cual es producido en un tipo de célula en el cual g esta activado y donde se usa el exón 1B.


TRANSCRIPCIÓN SIMPLES Y COMPLEJAS

B) UNIDAD DE TRANSCRIPCIÓN COMPLEJAS:

- Las mutaciones en las regiones de control (a y b) y en las designadas c dentro de los exones compartidos por los mRNA alternativos afectan las proteínas codificadas por los mRNA procesados alternativamente

- En cambio, las mutaciones (designadas d y e) dentro de exones únicos de uno de los mRNA alternativamente procesados solo afectan la proteína traducida a partir de ese mRNA

- Para genes que se transcriben a partir de diferentes promotores en diferentes tipos de células (abajo), las mutaciones en diferentes regiones de control (f y g) afectan la expresión solo en el tipo de célula en la cual la región de control se activa

EL

Ex1

DE

Ex5

VER

Ex4

BOL

Ex3

AR

Ex2

INT

O1

INT

O2

INT

O3

INT

O4

EL

Ex1DE

Ex5VER

Ex4

BOL

Ex3

AR

Ex2

EL

Ex1DE

Ex5

AR

Ex2

EL

Ex1

DE

Ex5VER

Ex4

EL

Ex1

DE

Ex5

VER

Ex4AR

Ex2

ORGANIZACIÓN CROMOSÓMICA DE LOS GENES Y DEL

ADN NO CODIFICADOR

LOS GENOMAS DE NUMEROSOS ORGANISMOS CONTIENEN MUCHO ADN NO FUNCIONAL

DENSIDAD COMPARADA DE GENES EN REGIONES DE ≈ 80 Kb DEL ADN GENÓMICO HUMANO Y DE LA LEVADURA S. CEREVISIAE. a) En el diagrama del grupo de genes de la β-globina en el cromosoma 11 humano, los cuadros verdes representan los exones relacionados con el gen. Los exones cortados y empalmados juntos para formar un mRNA están conectados por púas similares a signos de intercalación. El grupo de genes de la β-globina humana contiene dos seudogenes (blanca); estas regiones están relacionadas con genes simil-globina funcionales, pero no se transcriben. Cada flecha roja indica la ubicación de una secuencia Alu, secuencia repetida abundante en el genoma humano.b) En el diagrama del DNA del cromosoma III de la levadura, los cuadros verdes indican marcos de lectura abiertos (ORF). La mayoría de estas secuencias codificadores de proteínas probablemente sean genes funcionales sin intrones. Nótese la proporción de secuencias no codificadoras, mucho mayor en el DNA humano que en el DNA de la levadura.

EL TAMAÑO DEL GENOMA PUEDE VARIAR GRANDEMENTE DE UN ORGANISMO A OTRO

HIV type 1 Virus 9 750 bp

Bacteria (E. coli) 4,600,000 million bp (Mbp)

Yeast 12 Mbp

Arabidopsis 150 Mbp

Banana 550 Mbp

Human 3 000 Mbp

Barley 5 500 Mbp

Wheat 17 000 Mbp

Fritillaria lily 130 000 Mbp

SOLO ENTRE EL 1.5-2 % DEL GENOMA HUMANO CORRESPONDE A SECUENCIAS

CODIFICADORAS DE PROTEÍNAS (EXONES)

EL TAMAÑO DEL GENOMA DE UN ORGANISMO NO ESTÁ DIRECTAMENTE RELACIONADO CON SU

COMPLEJIDAD BIOLÓGICA

LOS GENES CODIFICADORES DE PROTEÍNAS PUEDEN SER SOLITARIOS O PERTENECER A

UNA FAMILIA DE GENESGENES SOLITARIOS: AQUELLOS GENES QUE ESTAN REPRESENTADOS UNA SOLA VEZ EN EL GENOMA. ESTOS CONTITUYEN ENTRE EL 25-50 % DE LOS GENES QUE CODIFICAN PROTEÍNAS EN ORGANISMOS MULTICELULARESGENES DUPLICADOS: SON REGIONES CON SECUENCIAS CERCANAS, PERO NO IDENTICAS, QUE SUELEN LOCALIZARSE DE 5-50 BASES UNA DE OTRA. EN LOS GENOMAS DE LOS VERTEBRADOS LOS GENES DUPLICADOS CONSTITUYEN LA MIDAD DE LAS SECUENCIAS DE ADN QUE CODIFICA PROTEÍNAS.UN CONJUNTO DE GENES DUPLICADOS QUE CODIFICAN PROTEÍNAS CON SECUENCIAS DE AMINOÁCIDOS SIMILARES, PERO NO IDéNTICAS, SE LE DENOMINA FAMILIA DE GENES. ASÍ, LAS PROTEÍNAS HOMÓLOGAS CODIFICADAS, ESTRECHAMENTE RELACIONADA CONSTITUYE UNA FAMILIA DE PROTEÍNAS

DUPLICACIÓN DE GENES PRODUCIDA POR ENTRECRUZAMIENTOS DESIGUALES. Cada cromosoma parental (arriba) contiene un gen ancestral de β-globina que contiene tres exones y dos intrones. Diversas secuencias repetidas L1 homólogas no codificadoras se sitúan en los extremos 5’ y 3’ del gen de la β-globina. Los cromosomas parentales se encuentran desplazados entre sÍ, de manera que las secuencias L1 estén alineadas. La recombinación homologa entre las secuencias L1 genera un cromosoma recombinante con dos copias del gen de β-globina y un cromosoma con una deleción del gen. Mutaciones independientes posteriores en los genes duplicados pueden conducir a cambios leves en la secuencia que pueden dar como resultado propiedades funcionales levemente diferentes de las proteínas codificadas. El entrecruzamiento desigual también puede producir combinaciones raras entre secuencias no relacionadas.

GENES SOLITARIOS: LISOZIMA DE POLLO

FAMILIA DE GENES CON MÁS DE 100 COPIAS: PROTEÍNCINASAS, FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN INMUNOGLOBULINAS

FAMILIA DE GENES DE HASTA ALREDEDOR DE 30 COPIAS: PROTEINAS DEL CITOESQUELETO, PROTEÍNAS DEL SHOCK TéRMICO DE 70 kDa, CADENA PESADA DE LA MIOSINA, OLBUMINA DE POLLO, α y β-GLOBINAS DE LOS VERTEBRADOS

ALGUNOS EJEMPLOS DE GENES SOLITARIOS Y FAMILIA DE GENES

LOS GENES QUE CODIFICAN LOS rRNA APARECEN COMO REPETICIONES EN TANDEM. ESTAS SE DISTINGUEN DE LOS GENES DUPLICADOS DE LAS FAMILIAS DE GENES EN QUE LOS MÚLTIPLES GENES REPETIDOS EN TANDEM CODIFICAN PROTEÍNAS IDÉNTICAS O CASI IDÉNTICAS O RNA FUNCIONALES. LAS COPIAS APARECEN UNAS DESPUÉS DE OTRA, A LO LARGO DE UNA EXTENSIÓN DE ADN; Y ESTAS SON EXACTAMENTE SIMILAR A LAS OTRAS (ALTAMENTE CONSERVADAS).

TODOS LOS EUCARIOTES CONTIENEN 100 O MÁS COPIA DE GENES QUE CODIFICAN rRNA. TAMBIÉN APARECEN MÙLTIPLES COPIA DE tRNA Y DE GENES DE HISTONAS, PERO GENERALMENTE NO ORDENADOS EN TANDEM.

LOS GENES REPETIDOS EN TANDEM CODIFICAN rRNA o RNA RIBOSOMAL

1) LOS GENES rRNA ESTAN SEPARADOS POR REGIONES ESPECIADORA NO TRANSCRIPTA. 2) LAS REGIONES GENÓMICAS CORRESPONDIENTES A LOS TRES rRNA MADUROS ESTÁN SIEMPRE DISPUESTAS EN EL MISMO ORDEN 5’ 3’: 18S, 5,8S, 28S. 3) LOS rRNA 28S Y 5,8 S ASOCIADOS CON LA SUBUNIDAD RIBOSÓMICA (60S), EL rRNA 18S ASOCIADO CON LA SUBUNIDAD RIBOSÓMICA MENOR (40S) Y LOS rRNA MÁS PEQUEÑOS FUNCIONALMENTE EQUIVALENTE DE LOS EUCARIONTES SUPERIORES; ESTÁN CODIFICADOS POR UN ÚNICO TIPO DE UNIDAD DE TRANSCRIPCIÓN DE LOS PRE-rRNA.4) EN TODAS LAS CÉLULAS EL GEN DEL PRE-rRNA CODIFICA Y EL TRANSCRIPTO PRIMARIO CORRESPONDIENTE CONTIENE, REGIONES QUE SE ELIMINAN DURANTE EL PROCESAMIENTO Y SE DEGRADAN RÁPIDAMENTE5) TANTO LA SÍNTESIS COMO EL PROCESAMIENTO DEL PRE-rRNA SE PRODUCEN EN EL NUCLEOLO. ESTA ESTRUCTURA ES RESULTADO DE PROCESAMIENTO DEL PRE-rRNA Y EL ENSAMBLAJE DE LAS SUBUNIDADES RIBOSÓMICAS.

LOS GENES REPETIDOS EN TANDEM CODIFICAN rRNA o RNA RIBOSOMAL

AUNQUE LAS PORCIONES TRANSCRIPTAS DE GENES rRNA SON LAS MISMAS EN UN INDIVIDUO DADO, LAS REGIONES ESPACIADORAS NO TRANSCRIPTAS, ENTRE

LAS REGIONES TRANSCRIPTAS, PUEDE VARIAR.

1984 Primer trabajo de análisis comparativode secuencia en moléculas 5S rRNA(Stahl et al. Science 224:409-411).

1986 Se propone el análisis comparativo desecuencias en moléculas 16S y 23SrRNA (Olsen et al. Annu. Rev.Microbiol. 40:337-365).

1990 Se incorpora la técnica de PCR para laamplificación de la molécula 16S rRNA(Giovannoni et al. Nature 345:60-63).

1991 Primer trabajo aplicado a ambientemarino usando el análisis de secuenciaen la molécula 16S rRNA (Schmidt etal. J. Bacteriol. 173:4371-4378).

Análisis comparativo de secuencias de genes RNA ribosomal

Dominio

Árbol filogenético construido a partir de 1800 secuencias 16S rRNA de bacterias y algas disponibles en bases de datos, usando oligonucleótidos correspondiente a grupos superiores (Dominio, Reinos, Filun, Divisiones, Clases y ordenes)

Reinos

Filoo

Divisiones

Clases

Ordenes

Familias

Géneros

Especies Una nueva especie se define para un valor de similitud < 95 %

Árbol de la Vida

LOS ADN SATÉLITES SON SECUENCIAS SIMPLES REPETIDAS EN EL GENOMA

APARTE DE LOS GENES DUPLICADOS CODIFICADORES DE PROTEÍNAS Y DE LOS GENES REPETIDOS EN TANDEM, LAS

CÉLULAS CONTIENEN MÙLTIPLES COPIAS DE OTRAS SECUENCIAS DE ADN EN EL GENOMA DENOMINADO ADN

REPETITIVO.

ENTRE LOS TIPOS DE ADN REPETITIVO, EL ADN DE SECUENCIA SIMPLE CONSISTE DE REPETICIONES PERFECTAS O

CASI PERFECTAS DE SECUENCIAS RELATIVAMENTE CORTAS QUE REPRESENTAN ALREDEDOR DEL 3 % DEL GENOMA EN

HUMANOS.

EL ADN DE SECUENCIA SIMPLE SUELE TAMBIéN DENOMINARSE ADN SATELITE, NOMBRE DERIVADO DE LOS ESTUDIOS

INICIALES CON GRADIENTES DE ULTRACENTRIFUGACIÓN. EXISTEN DOS TIPOS: LOS MINISATÉLITES (BLOQUES

REPETIDOS DE 15 A 100 pb) Y LOS MICROSATÉLITES (BLOQUES REPETIDOS DE 1 Y 13 pb).

LOS DNA DE SECUENCIA SIMPLE SON MARCADORES CROMOSÓMICOS ÚTILES. Los cromosomas metafásicos humanos, teñidos con un colorante fluorescente se hibridaron in situ con DNA de secuencia simple particular marcado con un derivado fluorescente de la biotina. Cuando se visualizan bajo la luz de longitud de onda apropiada, el DNA aparece rojo y el DNA de secuencia simple hibridado aparece como una banda amarilla sobre el cromosoma 16, localizando por tanto esta particular secuencia simple en un sitio del genoma.

LA MAYORÍA DE LOS ADN DE SECUENCIAS SIMPLES SE CONCENTRAN EN LOS CENTRÓMEROS

Y TELÓMEROS DE LOS CROMOSOMAS

EL FINGERPRINTING DEL ADN DEPENDE DE LAS DIFERENCIAS EN LA LONGITUD DE LOS ADN

DE SECUENCIA SIMPLE1) DENTRO DE UNA ESPECIE, LAS SECUENCIAS DE NUCLEÓTIDOS DE UNIDADES REPETIDAS QUE COMPONEN LAS DISPOSICIONES EN TANDEM DE LOS DNA SATÉLITES ESTÁN ALTAMENTE CONSERVADAS ENTRE INDIVIDUOS. EN CAMBIO SON BASTANTE COMUNES LAS DIFERENCIAS EN EL NÙMERO DE REPETICIONES Y POR ENDE, EN LA LONGITUD DEL DNA SATÉLITE2) SE PIENSA QUE ESTAS DIFERENCIAS EN LONGITUD RESULTAN DEL ENTRECRUZAMIENTO DESIGUAL ENTRE REGIONES DENTRO DEL ADN SATELITE DURANTE LA MEIOSIS. COMO CONSECUENCIA DE ESTE ENTRECRUZAMIENTO DESIGUAL, LAS LONGITUDES DE ALGUNAS DISPOSICIONES EN TANDEM SON ÚNICAS PARA CADA INDIVIDUO

EL FINGERPRINTING DEL ADN DEPENDE DE LAS DIFERENCIAS EN LA LONGITUD DE LOS ADN

DE SECUENCIA SIMPLE

SONDAS PARA EL DNA MINISATéLITE PUEDEN REVELAR FRAGMENTOS DE RESTRICCIÓN ÙNICOS (FINGERPRINTING O HUELLAS DACTILOSCPÓCIAS DE ADN) QUE PERMITEN DISTINGUIR INDIVIDUOS. Las muestras de DNA de tres individuos (1,2 y 3) se sometieron a análisis de Southern Blot utilizando la enzima de restricción HinF1 y tres diferentes minisatélites marcados como sondas (líneas a,b y c). El ADN de cada individuo produjo un patrón de bandas únicos con cada sonda. Las condiciones de electroforesis pueden ajustarse para poder resolver para cada persona al menos 50 bandas con esta enzima de restricción. Se distingue con facilidad que las tres muestras no son idénticas.

Dendrograma de variedades de aguacate construidos sobre la base de descriptores microsatélites

Patrones microsatélites obtenidos para variedades cubanas de aguacatero usando combinación AM8.

EL ALTO NIVEL DE POLIMORFISMO

EXISTENTE EN LAS SECUENCIAS

MICROSATÉLITES PERMITE HACER ANÁLISIS DE DIVERSIDAD GENÉTICA

DE UTILIDAD EN EL MEJORAMIENTO

GENÉTICO DE PLANTAS

LOS ADN DE SECUENCIA SIMPLE SON ÚTILES PARA ESTIMAR LA DIVERSIDAD GENÉTICA

EL ADN MOVIL

ADEMÁS DE LOS ADN SATÉLITES, EXISTE UN SEGUNDO TIPO DE ADN

REPETITIVO QUE TIENEN LA CAPACIDAD POCO COMÙN DE

“MOVERSE” EN EL GENOMA, MOTIVO POR EL CUAL RECIBEN EL NOMBRE DE

ELEMENTOS MÓVILES DE ADN O ELEMENTOS TRANSPONIBLES. A DIFERENCIA DE LOS ADN

SATÉLITES, LOS ELEMENTOS TRANSPONIBLES SON REPETICIONES

DISPERSAS EN EL GENOMA

CLASIFICACIÓN DE ELEMENTOS MÓVILES EN DOS CLASES PRINCIPALES.a) los transposones de ADNeucariontes (naranja) se mueve a través de un intermediario de ADN, el cual es escindido del sitio donante. b) Los retrotransposones (verde) se transcriben primero a una molécula de ARN que luego es trascripta de manera inversa a DNA de hebra doble. En ambos casos, el intermediario del ADN bicatenario es integrado al ADN de sitio diana para completar el desplazamiento. Por lo tanto, los transposones de ADN se desplazan mediante un mecanismo de corte y pegado, mientras que los retrotransposones se mueven mediante un mecanismo de copia y pegado.

EL MOVIMIENTO DE ELEMENTOS MÓVILES INVOLUCRA AL ADN O A UN INTERMEDIARIO DE ARN

LOS ELEMENTOS MÓVILES QUE SE MUEVEN COMO “ADN” ESTÁN PRESENTES TANTO EN PROCARIONTES COMO EN EUCARIONTES

ESTRUCTURA GENERAL DE LOS SECUENCIAS DE INSERCIÓN (IS) EN BACTERIASLa región central, que codifica una o dos enzimas (Transposasas) requeridas para la transposición al nuevo sitio. Flanqueando a la región central, existe una repetición invertida de alrededor de 50 pb en cada extremo. Las secuencias de las repeticiones invertidas son casi idénticas, pero están orientadas en direcciones opuestas.

5’-GAGC-------GCTC-3’3’-CTCG-------CGAG-5’

Adicionalmente, cuenta con una secuencia de repetición directa de entre 5 y 11 pb dependiendo del elemento IS; y cuya secuencia depende de su sitio diana

SECUENCIAS DE INSERCIÓN BACTERIANAS

1) La transposición de un elemento IS es un evento raro que solo tiene lugar en una de 105-107 células por generación, dependiendo del elemento IS

2) Se conocen alrededor de 20 elementos IS en bacterias

3) Los elementos IS se trasponen más o menos de manera aleatoria, por lo que se entiende que sus secuencias dianas para la inserción pueden encontrarse en diferentes regiones del genoma

MODELO PARA LA TRANSPOSICIÓN DE SECUENCIAS DE INSERCIÓN BACTERIANA

LA TRANSPOSICIÓN DE N ELEMENTO IS ES SIMILAR AL FUNCIONAMIENTO DE “CORTAR Y PEGAR” EN UN PROGRAMA PROCESADOR DE TEXTO. LA TRANSPOSASA EJECUTA TRES FUNCIONES EN ESTE PROCESO:

1) Extrae el elemento IS del ADN donador2) Realiza cortes escalonados en una secuencia corta del ADN diana3) Liga los terminales 3’ del elemento IS a los extremos 5’ del ADN diana.

Por último, una ADN Polimerasa de la célula huésped llena los espacios de cada cadena y genera las repeticiones directas cortas que flanquean a los elementos IS y la Ligasa une los extremos libres.

LOS ELEMENTOS MÓVILES QUE SE MUEVEN COMO “ADN” ESTÁN PRESENTES TANTO EN PROCARIONTES COMO EN EUCARIONTES

EL ELEMENTO P DE DROSOPHILA MELANOGASTER, FUNCIONA COMO UN TRANSPOSÓN DE ADN, Y SE MUEVE MEDIANTE UN MECANISMO DE CORTE Y PEGADO SIMILAR AL UTILIZADO POR LAS SECUENCIAS DE INSERCIÓN BACTERIANAS.

ALGUNOS RETROTRANSPOSONES CONTIENEN LTR Y SE COMPORTAN

COMO RETROVIRUS INTRACELULARES

ESTRUCTURA GENERAL DE LOS RETROTRANSPOSONES CON LTR EN CéLULAS EUCARIOTAS1) La región central, que codifica todas la proteínas características de los retrovirus (Transcriptasa inversa e Integrasa), excepto las de la envoltura. 2) Flanqueando a la región central, existe regiones terminales largas (LTR) de entre 250 y 600 pb, que son repeticiones directas y específicas del elemento.3) Adicionalmente, cuenta con una secuencia de repetición directa de entre 5 y 10 pb dependiendo del elemento; y cuya secuencia depende de su sitio diana

1) la LTR de la izquierda funciona como un promotor que dirige a la ARN Polimerasa II de la célula huésped para iniciar la transcripción en el nucleótido 5’ de la secuencia R.2) Luego de transcripto el ADN Retroviral, la secuencia de ARN correspondiente al LTR de la derecha, dirige las enzimas para el procesamiento del ARN primario y para añadir una cola de poli(A) al extremo 3’ de la secuencia R.

GENERACIÓN DEL ARN GENÓMICO RETROVIRAL A PARTIR DE ADN RETROVIRAL INTEGRADO

SE PIENSA QUE UN MECANISMO SIMILAR

GENERA EL INTERMEDIARIO DE ARN

DURANTE LA TRANSPOSICIÓN DE LOS RETROTRANSPOSONES

MODELO DE LA TRANSCRIPCIÓN INVERSA DEL ARN GENÓMICO RETROVIRAL A ADN. En este modelo se genera una copia de ADN bicatenario a partir del genoma de ARN monocatenario de un retrovirus. 1) El ARN genómico se empaqueta en el viriÓn con tRNA celular específico del retrovirus hibridado con una secuencia complementaria denominada sitio de uniÓn del cebador (PBS).2) El ARN retroviral tiene una secuencia terminal corta R de repetición directa en cada extremo3) La reacción global la lleva a cabo la Transcriptasa reversa, la cual cataliza la polimerización. La RNasaH digiere la hebra de ARN del híbrido ADN-ARN.4) El proceso completo produce una molécula de ADN de doble hebra que es más larga que el ARN molde y tiene una repetición terminal larga (LTR) en cada extremo.Las diferentes regiones no se muestran a escala.

ESTRUCTURA GENERAL DE UN LINE, UNA DE LAS DOS CLASES DE TRANSPOSONES SIN LTR EN EL ADN DE MAMÍFEROS

1) La región central, presenta dos ORF. El más corto (ORF1), de ≈ 1 Kb, codifica una proteína de unión al ARN. El ORF2, de ≈ 4 Kb, codifica una proteÍna bifuncional con actividad transcriptasa y endonucleasa de ADN

2) Flanqueando a la región central, existe regiones ricas en A/T de tamaño variable. Adicionalmente en los extremos se encuentran las repeticiones directas del sitio diana que varia para diferentes sitios de inserciÓn en el genoma. Aunque la secuencia L1 completa es de 6 Kb de largo, en mÁs del 90 % de los sitios donde se halla este elemento movil estÁn ausentes cantidades variables del extremo izquierdo.

LOS RETROTRANSPOSONES NO VIRALES CARECEN DE LTR Y SE MUEVEN POR UN MECANISMO DISTINTO

EXISTEN DOS CLASES DE RETROTRANSPOSONES NO VIRALES:1) Elementos Dispersos Largos (LINE): Existen 3 familias principales en humanos (L1, L2 y L3) con mecanismos de transposición similares, pero que difieren en sus secuencias. Solo la familia L1 se transpone en el genoma humano contemporáneo. Estos elementos constituyen el 21 % del total del genoma humano.2) Elementos dispersos cortos (SINE): Con una longitud de ≈ 100 a 400 pb, estos retrotransposones no codifican proteínas, pero si la secuencia 3’ rica en A/T de los LINE. Los SINE son transcripto por la ARN Polimerasa III y se cree que las proteínas del ORF1 y ORF2 de los LINE median la transposición de los SINE

MECANISMO PROPUESTO DE LA TRANSCRIPCIÓN INVERSA E INTEGRACIÓN DE LOS LINE

1) Luego que ocurre la trascripción y modificación (poli(A)) del ARN LINE, los productos ORF1 y ORF2 se unen a este ARN formando un complejo que transporta el ARN al núcleo. ORF2 realiza cortes escalonados en el ADN cromosómico a cada extremo una secuencia rica en A/T.

2) La trascripción inversa del ARN LINE por medio de ORF2 se ceba mediante la secuencia rica en T, la cual se hibrida con la cola de poli(A) del RNA LINE

3) ORF2 transcribe de manera inversa el ARN LINE

MECANISMO PROPUESTO DE LA TRANSCRIPCIÓN INVERSA E INTEGRACIÓN DE LOS LINE

4 y 5) La trascripción de la hebra de ADN por la proteína ORF2 continúa, cambiando a la hebra de simple cadena cromosómica

6) Luego las enzimas celulares hidrolizan el ARN y extienden el extremo 3’ de la hebra superior de DNA cromosómico, remplazando la hebra de ARN LINE con ADN.

7) Por último, los extremos 3’ y 5’ de la hebra de ADN se ligan y se completa la inserción.

El proceso genera una repetición directa corta en el sitio de inserción debido a la escisión escalonada inicial de las dos hebras de ADN cromosómico.

ES PROBABLE QUE LOS ELEMENTOS DE ADN MÓVILES HAYAN TENIDO UNA INFLUENCIA SIGNIFICATIVA

SOBRE LA EVOLUCIÓN

1) Existen claras evidencias que indican, que en algunos organismos, los elementos móviles de ADN son responsables de un nivel importante de mutaciones espontáneas; como resultado de su inserción en un gen funcional. Por ejemplo: Drosophila (50 %), RatÓn (10 %), Hombre (0.1-0.2 %)

2) Las recombinaciones homólogas entre elementos de ADN móviles dispersos en todos los genomas ancestrales pueden haber generado duplicaciones de genes y otras reestructuraciones durante la evolución. Por ejemplo el gen de la β-globina

ES PROBABLE QUE LOS ELEMENTOS DE ADN MÓVILES HAYAN TENIDO UNA INFLUENCIA SIGNIFICATIVA SOBRE

LA EVOLUCIÓN

3) El entrecruzamiento desigual entre elementos móviles localizados dentro de los intrones de un gen pudo conducir a la duplicación de exones dentro de ese gen, proceso denominado combinación de exones. Dicho proceso pudo haber ocurrido durante la evolución de los genes que codifican el activador tisular del plasmógeno, el receptor Neu y el Factor de crecimiento epidérmico, que contiene un dominio EGF.

PROCESO DE MEZCLA DE EXONES (EXON SHUFFLING) A TRAVÉS DE RECOMBINACIóN ENTRE REPETICIONES DISPERSAS HOMÓLOGAS. La recombinación entre repeticiones dispersas de ADN en los intrones de genes separados produce unidades de transcripción con una nueva combinación de exones.

ES PROBABLE QUE LOS ELEMENTOS DE ADN MÓVILES HAYAN TENIDO UNA INFLUENCIA SIGNIFICATIVA SOBRE

LA EVOLUCIÓN

4) Tanto los transposones de ADN como los retrotransposones LINE pueden ocasionalmente llevarse secuencias flanqueantes no relacionadas durante el proceso de transposición.

PROCESO DE MEZCLA DE EXONES (EXON SHUFFLING) MEDIANTE TRANSPOSICIÓN.

a) Transposición de un exón flanqueado por transposones de DNA homólogo a un intrón de un segundo gen.

b) b) Integración de un exón con otro gen a través de la transposición LINE. Algunos LINE tienen señales poli(A) débiles. Si en tales casos, el LINE se encuentra en el intrón próximo a un gen, la transposición puede ocurrir a partir de la cola de poli(A) del gen.


SOBRE LA EVOLUCIÓN

5) Además de causar cambios en las secuencias codificadoras de genoma, la recombinación entre elementos móviles y la transposición probablemente desempeñaron un papel significativo en la evolución de secuencias reguladoras que controlan la expresión génica. Se sabe que las regiones amplificadoras pueden funcionar a largas distancias de decenas de cientos de bases. La transcripción de muchos genes se controla a través de los efectos combinados de varios elementos amplificadores


SOBRE LA EVOLUCIÓN

RESUMIENDO, LOS ELEMENTOS MÓVILES DEBEN HABER CONTRIBUIDO A LA EVOLUCIÓN DE ORGANISMOS SUPERIORES AL PROMOVER:

1) LA GENERACIÓN DE FAMILIAS DE GENES POR MEDIO DE LA DUPLICACIÓN DE GENES

2) LA CREACIÓN DE NUEVOS GENES POR MEDIO DEL PROCESO DE COMBINACIÓN DE EXONES

3) LA FORMACIÓN DE REGIONES REGULADORAS MAS COMPLEJAS QUE PROVEEN CONTROL MULTIFACéTICO DE LA EXPRESIÓN GENéTICA

ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DE LOS CROMOSOMAS

EUCARIOTES

1) Durante la interfase, cuando las células no se están dividiendo, el material genético existe en forma de un complejo de nucleoproteínas llamado CROMATINA, el cual esta disperso en la mayor parte del núcleo

2) El posterior plegamiento y compactación de la cromatina durante la mitosis produce los CROMOSOMAS METAFÁSICOS.

¿COMO SE ORGANIZAN LAS MOLéCULAS DE ADN DENTRO DE LAS CÉLULAS EUCARIONTES?

LAS PROTEÍNAS MÁS ABUNDANTES ASOCIADAS A LA CROMATINA SON LAS HISTONAS, UNA FAMILIA DE PROTEÍNAS BÁSICAS (RICAS EN AMINOÁCIDOS BÁSICOS CARGADOS POSITIVAMENTE), QUE INTERACTUAN CON LOS GRUPOS FOSFATOS DEL ADN CARGADOS NEGATIVAMENTE. LOS 5 TIPOS PRINCIPALES SON:H1: La secuencia de aminoácidos varía de un organismo a

otro. En algunos tipos de células (eritrocitos nucleados de las aves) es reemplazada por un tipo especial de histona, la H5.

H2A,H2B, H3 y H4: Sus secuencias de aminoácidos presentan notable similitud aún entre especies remotamente relacionadas.

EL ADN NUCLEAR DE LOS EUCARIONTES SE ASOCIA CON PROTEÍNAS PARA FORMAR

CROMATINA

LA CROMATINA EXTRAIDA EN LAS FORMAS EXTENDIDAS Y CONDENSADAS TIENE ASPECTOS MUY DIFERENTES EN LAS MICROFOTOGRAFÍAS ELECTRÓNICAS. a) la cromatina aislada en un buffer de baja fuerza iónica tiene una apariencia de “perlas de collar”. Las “perlas de collar” son nucleosomas (10 nm de diámetro) y el “collar” es el ADN que conecta (conector). b) La cromatina aislada en un buffer con una fuerza iónica fisiológica (0.15 M KCl, 0.004 M de Mg2+) aparece como una fibra condensada de 30 nm de diámetro.

LA CROMATINA EXISTE EN LAS FORMAS EXTENDIDA Y CONDENSADA

1) Un nucleosoma esta formado por un núcleo de proteínas con ADN enrollado alrededor de su superficie (147 pares de bases) que es “asegurado” por otra proteína (histona H1)

2) El núcleo es un hoctÁmero que contiene dos copias de cada una de las histonas: H2A, H2B, H3 y H4

3) El ADN conector puede alcanzar entre 15 y 55 pares de bases dependiendo de la especie.

ESTRUCTURA DE LOS NUCLEOSOMAS

ESTRUCTURA DEL NUCLEOSOMA SOBRE LA BASE DE CRISTALOGRAFÍA DE RAYOS X

MODELO ESPACIAL DE UN NUCLEOSOMA MOSTRADO DE FRENTE (IZQUIERDA) Y DE COSTADO (DERECHA). LA H2A ES AMARILLA, LA H2B ES ROJA, LA H3 ES AZUL Y LA H4 ES VERDE. LA COLUMNA VERTEBRAL DE AZÚCAR-FOSFATO DE

LAS HEBRAS DE ADN SE MUESTRA COMO TUBOS BLANCOS.

ESTRUCTURA DE LA CROMATINA CONDENZADA

1) CUANDO SE EXTRAE LA CROMATINA DE LAS CÉLULAS EN UN BUFFER ISOTÓNICO, LA MAYORÍA APARECE COMO FIBRAS DE 30 NM DE DIÁMETRO CONOCIDO COMOSOLENOIDE.

2) LA FIBRA DE 30 NM NO ES UN SOLENOIDE PERFECTO, SINO QUE PUEDEN EXISTIR REGIONES QUE SE DESPLIEGAN Y PLIEGAN

3) LA CROMATINA EN REGIONES QUE NO ESTA SIENDO TRANSCRIPTA, EXISTE PREDOMINANTEMENTE EN LA FORMA CONDENSADA DE SOLENOIDE Y EN ESTRUCTURAS PLEGADAS DE ORDEN SUPERIOR CUYA CONFORMACIÓN DETALLADA AÚN SE DESCONOCEN.

LA MODIFICACIÓN DE LAS COLAS DE LAS HISTONAS CONTROLA LA CONDENZACIÓN

DE LA CROMATINA

DIAGRAMA DE CINTAS DE LAS HISTONAS QUE MUESTRA LAS COLAS DE HISTONAS (ENTRE 11 Y 37 RESIDUOS AMINOACÍDICOS) NO VISIBLES EN LA ESTRUCTURA DE CRISTAL. COLAS N-TERMINALES DE H2A EN LA PARTE INFERIOR, COLAS C-TERMINALES EN LA PARTE SUPERIOR.1) Las lisinas de las colas N-terminal de las histonas son susceptible de acetilizaciones y desacetilaciones. En las formas acetiladas, la carga positiva del grupo amino se neutralizan, eliminando la interacción con grupos fosfatos del ADN. Por ende, mientras más acetiladas estén las histonas, menor será la probabilidad de que la cromatina forme fibras condesadas de 30 nm y posiblemente estructuras plegadas de orden superior

LA MODIFICACIÓN DE LAS COLAS DE LAS HISTONAS CONTROLA LA CONDENZACIÓN

DE LA CROMATINA

2) La magnitud de las acetilizaciones en las colas de las histonas además determina la resistencia relativa del ADN de la cromatina a la digestión mediante nucleasas. La cromatina condensada (solenoide) es mas resistente a la digestión por Dnasa I, que la cromatina extendida o en forma de “perlas de collar”.

3) En levaduras se ha demostrado que la activación de la transcripción requiere de la acetilación de las histonas de la cromatina. Se piensa que el control por acetilación de las histonas en regiones cromosómicas específicas, contribuye al control genético mediante la regulación de la interacción de las histonas con el ADN y del plegamiento de la cromatina en estructuras condensadas.

LAS PROTEÍNAS NO HISTONAS PROPORCIONAN UN ARMAZÓN ESTRUCTURAL PARA LOS BUCLES LARGOS DE CROMATINA

CUANDO SE TRATAN LAS CÉLULAS CON UN DETERGENTE SUAVE, PARA DISOCIAR LAS HISTONAS DEL ADN, LOS CROMOSOMAS SIN HISTONAS EN METAFASE REVELAN LARGOS BUCLES O ASAS DE ADN ANCLADOS A UN ARMAZÓN CROMOSÓMICO (ZONA OSCURA) COMPUESTO DE PROTEÍNAS NO HISTONAS, CON LA MISMA FORMA DEL CROMOSOMA METAFÁSICO

MODELO DE EMPAQUETAMIENTO DE LA CROMATINA Y DEL ARMAZÓN CROMOSÓMICO EN LOS CROMOSOMAS EN METAFASE1) En los cromosomas en interfase, largas extensiones de cromatina de 30 nm forman bucles hacia afuera de los armazones. En los cromosomas metafásicos, el armazón se pliegaadicionalmente para formar una estructura muy compacta cuya geometría precisa aún no se ha determinado.2) En experimentos se demostró que sondas marcadas, cuyas secuencias están separadas por millones de pares de bases en el ADN lineal,aparecen muy próximas entre sí en el núcleo (Regiones Asociadas con el Armazón o SAR)

LA CROMATINA CONTIENE PEQUEÑAS CANTIDADES DE OTRAS PROTEÍNAS ADEMÁS DE LAS HISTONAS Y DE LAS

PROTEÍNAS DEL ARMAZÓN

FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN

PROTEÍNAS QUE REGULAN LA REPLICACIÓN DEL ADN DURANTE EL CICLO CELULAR EUCARIONTE

PROTEÍNAS NO HISTONAS DE UNIÓN AL ADN CONOCIDAS COMO LAS HMG (high mobility group), LAS CUALES MUESTRAN ALTA MOVILIDAD ELECTROFORéTICA. CUANDO SE ELIMINAN LOS GENES QUE CODIFICAN PARA LAS HMG EN LAS CéLULAS DE LEVADURAS, SE ALTERA LA TRANSCRIPCIÓN NORMAL EN LA MAYORÍA DE LOS OTROS GENES ANALIZADOS.

LOS CROMOSOMAS EUCARIONTES CONTIENEN UNA MOLÉCULA LINEAL DE ADN

MORFOLOGÍA Y ELEMENTOS

FUNCIONALES DE LOS CROMOSOMAS

EUCARIOTES

EL NÚMERO, EL TAMAÑO Y LA FORMA DE LOS CROMOSOMAS EN METAFASE, CONSTITUYEN EL

CARIOTIPO, QUE ES DISTINTIVO DE CADA ESPECIE

EN METAFASE CADA CROMOSOMA SE HA REPLICADO Y COMPRENDE DOS CROMÁTIDAS HERMANASCADA UNA DE LAS CUALES CONTIENE UNA DE MOLÉCULAS DE ADN IDÉNTICAS. EL CENTRÓMERO DONDE LAS CROMÁTIDAS ESTÁN ADHERIDAS ES REQUERIDO PARA SU SEPARACIÓN AL FINAL DE LA MITOSIS. LAS SECUENCIAS TELOMÉRICAS ESPECIALES DE LOS EXTREMOS TIENEN LA FUNCIÓN DE EVITAR EL ACORTAMIENTO DE LOS CROMOSOMAS.

FORMA DEL CROMOSOMA METAFÁSICO

DURANTE LA METAFASE LOS CROMOSOMAS PUEDEN DISTINGIRSE POR LOS PATRONES DE BANDAS Y LA COLORACIÓN

Ciertos colorantes (Giemsa) tiñen selectivamente algunas regiones de los cromosomas y producen patrones de bandas especÍficos de cromosomas individuales.Las bandas G, se producen cuando se someten los cromosomas a calor suave o proteolisis y luego se tiñen con Giemsa. Estas bandas corresponden a grandes regiones del genoma humano que tienen un contenido muy bajo de G+C.

LA CUALIDAD DISTINTIVA DE ESTAS BANDAS PERMITEN IDENTIFICAR PARTES ESPECÍFICA DE UN CROMOSOMA Y LOCALIZAR LOS SITIOS

DE ROTURAS Y TRANSLOCACIONES CROMOSÓMICAS

DURANTE LA METAFASE LOS CROMOSOMAS PUEDEN DISTINGIRSE POR LOS PATRONES DE BANDAS Y LA COLORACIÓN

ALGUNAS TRANSLOCACIONES CROMOSÓMICAS ESTÁN ASOCIADAS CON TRASTORNOS GENÉTICOS Y TIPOS ESPECÍFICOS DE CANCER. POR EJEMPLO, EN CASI TODOS LOS PACIENTES CON LEUCEMIA MIELOIDE CRÓNICA, LAS CÉLULAS LEUCÉMICAS CONTIENEN EL CROMOSOMA FILADELFIA, UN CROMOSOMA 22 ACORTADO [der(22)] Y UN CROMOSOMA 9 ANORMALMENTE LARGO [der(9)]. ESTO ES EL RESULTADO DE UNA TRANSLOCACIÓN ENTRE LOS CROMOSOMAS NORMALES 9 Y 22. ESTA SE PUEDE DETECTAR MEDIANTE ANÁLISIS DE BANDAS (a) Y POR FISH MULTICOLOR (b).

LOS CROMOSOMAS POLITÉNICOS EN INTERFASE SURGEN POR AMPLICACIÓN DEL ADN

LAS GLÁNDULAS SALIVALES DE ALGUNAS ESPECIES DE INSECTOS CONTIENEN CROMOSOMAS EN INTERFASE AGRANDADOS QUE SON VISIBLES CON EL MICROSCOPIO ÓPTICO; Y QUE SE CARACTERIZAN POR UN GRAN NÚMERO DE BANDAS REPRODUCIBLES BIEN DEMARCADAS. ESTE PROCESO DENOMINADO POLITENIZACIÓN, TIENE LUGAR CUANDO EL ADN SE REPLICA REPETIDAMENTE, PERO LOS CROMOSOMAS HIJOS NO SE SEPARAN. EL RESULTADO, ES UN CROMOSOMA COMPUESTO DE MUCHAS COPIAS PARALELAS DE SI MISMO.

1) A medida que las células salen de la mitosisy los cromosomas condensados se desenrollan, ciertas secciones de los cromosomas permanecen teñidas de oscuro. Dichas áreas son conocidas como Heterocromatina; mientras que las porciones de cromatina con coloración clara se llaman Eucromatina.

2) La Heterocromatina aparece con mayor frecuencia -pero no exclusivamente- en los centrómeros y telómeros de los cromosomas y la mayor parte es DNA de secuencia simple

LA HETEROCROMATINA CONSISTE EN REGIONES CROMOSÓMICAS QUE NO SE DESENROLLAN

LAS SECUENCIAS DE LOS CENTRÓMEROS VARIAN ENORMEMENTE EN LONGITUD

COMPARACIÓN DE LA SECUENCIA CON DE LEVADURA Y EL ADN DE SECUENCIA SIMPLE DE DROSIPHILA. a) la secuencia consenso CEN de levadura, incluye tres regiones conservadas. La región II, aunque variable en secuencia, es bastante constante en longitud y rica en residuos A y T. b) Un DNA de secuencia simple Drosophila localizado cerca del centrómero tiene una unidad de repetición con cierta homologÍa con la secuencia consenso CEN de levadura, incluidas dos extensiones idénticas de 4 y 6 bp (rojo).

LA FIGURA MUESTRA UN LAZO EL CUAL ES FORMADO CUANDO EL EXTREMO PROTUBERANTE 3’OH DEL TELÓMERO (TTAGGG)nDESPLAZA A UNA MISMA SECUENCIA MAS ARRIBA EN EL TELóMERO.

HA ESTA REGIÓN SE UNEN PROTEÍNAS ESPECÍFICAS QUE PROTEGEN LOS EXTREMOS DE LOS CROMOSOMAS LINEALES DEL ATAQUE DE EXONUCLEASAS Y ASOCIAN LOS TELÓMEROS EN DOMINIOS ESPECÍFICOS DENTRO DEL NÙCLEO.

TELÓMEROS

2) SIN EMBARGO, COMO EL MOLDE DE LA HEBRA SEGUIDORA SE COPIA DE MODO DISCONTINUO, NO PUEDE REPLICARSE EN SU TOTALIDAD; DADO QUE CUANDO SE ELIMINA EL ÙLTIMO CEBADOR DE RNA, NO HAY UNA HEBRA EN LA DIRECCIÓN 5`SOBRE LA CUAL LA ADN POLIMERASA PUEDA POSISIONARSE PARA LLENAR LA HEBRA FALTANTE.

3) SIN LA EXISTENCIA DE ALGÚN MECANISMO ESPECIAL, LA HEBRA DE ADN HIJA RESULTANTE DE LA SÍNTESIS DE LA HEBRA CONDUCTORA SE ACORTARIA EN CADA DIVISIÓN CELULAR

1) A MEDIDA QUE LA ORQUILLA DE REPLICACIÓN SE ACERCA AL EXTREMO DE UN CROMOSOMA LINEAL, LA SINTESIS DE LA HEBRA CONDUCTORA CONTINUAHASTA EL FINAL DE LA HEBRA MOLDE DE ADN, COMPLETANDO UNA DOBLE HéLICE DE ADN HIJA

TELÓMEROS

EL PROBLEMA DEL ACORTAMIENTO DE TELÓMERO SE SOLUCIONA MEDIANTE UNA ENZIMA QUE AÑADE SECUENCIAS TELOMéRICAS EN LOS EXTREMOS DE CADA CROMOSOMA.

LAS TELOMERASAS CONTIENEN UNA MOLECULA DE ARN QUE SIRVE DE MOLDE PARA LA ADICIÓN DE DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS A LOS EXTREMOS DE LOS TELÓMEROS.

TELOMERASAS

MECANISMO DE ACCIÓN DE LA TELOMERASA

1) El extremo 3’ de hebra simple del telómero es extendido por la telomerasa por medio de un mecanismo de transcripción inversa usando como molde la secuencia del ARN contenido en el enzima

2) Las hebras del duplex de ADN-ARN resultante se deslizan una respecto a la otra, lo que conduce al desplazamiento de una región de la hebra de ADN telomérico y a la puesta al descubierto de parte de la secuencia del molde ARN

3 y 4) La secuencia telomérica de la hebra rezagada vuelve a ser extendida hasta la posición 35 por la telomerasa, y el duplex ADN-ARN sufre translocación e hibridación como antes

5) Se repite el proceso. El resultado neto evita el acortamiento de la hebra rezagada en cada ciclo de replicación de ADN

estructura, organización y función de los Ácidos nucleicos

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