McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma B IOLOGÍA.

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1 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 1. Introducción al estudio de la biología celular y molecular Naturaleza de los genes y el genoma Capítulo 10 10.1 Concepto del gen como unidad de la herencia 10.2 Cromosomas: portadores físicos de los genes 10.3 Naturaleza química de los genes 10.4 Estructura del genoma 10.5 Estabilidad del genoma 10.6 Secuenciación de genomas: las huellas de la evolución biológica PERSPECTIVA HUMANA: Enfermedades que resultan de la expansión de repeticiones de trinucleótidos Aplicación de los análisis genómicos a la medicina VÍAS EXPERIMENTALES: Naturaleza química de los genes

2 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.1 Sinopsis de los descubrimientos más importantes de la naturaleza del gen. Cada uno se analiza en este capítulo.

3 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.2 Sucesos que ocurren después de la fecundación del nematodo Ascaris, tal y como lo notificaron las investigaciones clásicas del siglo xix. Los gametos masculino y femenino contienen dos cromosomas. La fusión de los núcleos del esperma y del huevo (llamado pronúcleo) en el citoplasma del huevo (entre e y f) produce un cigoto que contiene cuatro cromosomas. El segundo cuerpo polar que se muestra en el apartado a es un producto de la meiosis previa, como se describe en la sección 14.3. (Imagen tomada de T. Boveri, Jenaische Zeit 22:685, 1888.)

4 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.3 Cromosomas homólogos. Esquema de Sutton de los cromosomas homólogos del saltamontes macho, vinculados durante la profase meiótica para formar bivalentes. Se observan once pares de cromosomas homólogos (a-k) y un cromosoma X no pareado. (Imagen tomada de W. S. Sutton, Biol. Bull. 4:24, 1902. Boletín del Biological Laboratory (Woods Hole, Mass.) Copyright 1902. Reproducida con permiso del Marine Biological Laboratory en formato de libro de texto vía copyright Clearance Center.)

5 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.4 Mosca de la fruta Drosophila melanogaster. Fotografía de una hembra silvestre y un macho con una mutación que produce ojos blancos. (Cortesía de Stanley J. P. Iyadurai.)

6 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.5 Las moscas de la fruta tienen cuatro pares de cromosomas homólogos, uno de los cuales es muy pequeño. Los dos cromosomas homólogos diferentes son los que determinan el sexo. Como en los seres humanos, las moscas de la fruta macho son XY y las hembras XX.

7 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.6 Visualización de los sitios de entrecruzamiento. Los cromosomas humanos se entrelazan durante la meiosis, como se observa en esta micrografía de las células meióticas de un lirio. Los puntos en los que se cruzan los homólogos se denominan quiasmas (flechas) y, como se analiza en el capítulo 14, son los sitios donde ocurre el entrecruzamiento en una etapa más temprana. (Imagen tomada de A. H. Sparow. Annals of the New York Academy of Sciences, 1508,1951. Material utilizado con autorización de John Wiley & Sons.)

8 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.7 El entrecruzamiento proporciona el mecanismo para intercambiar alelos entre los cromosomas materno y paterno. (a) Representación simplificada de un entrecruzamiento sencillo en un heterocigoto de Drosophila (BbWw) en el cromosoma número 2 y los gametos resultantes. Si alguno de los gametos entrecruzados participa en la fecundación, la descendencia presentará un cromosoma con una combinación de alelos que no estaba presente en un solo cromosoma de las células de los progenitores. (b) Formación bivalente (tétrada) durante la meiosis que muestra tres posibles intersecciones del entrecruzamiento (quiasmas, indicados con flechas rojas).

9 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.8 Cromosomas gigantes politénicos de insectos larvarios. (a) Los cromosomas gigantes politénicos de la glándula salival de una larva de la mosca de la fruta muestran varios miles de bandas distintas teñidas de color oscuro. Éstas se han identificado como los loci de genes particulares. El recuadro muestra que los cromosomas politénicos constan de varias cadenas individuales de DNA. Las bandas teñidas sobre los cromosomas corresponden a los sitios donde el DNA está compactado de modo más denso.. (a: con autorización de Andrew Syred/Photo Researchers, Inc.)

10 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.8 Cromosomas gigantes politénicos de insectos larvarios. (Continuación) (b) Micrografía electrónica de barrido de un cromosoma politénico gigante procedente de una larva de Chironomus que muestra la expansión de sitios específicos para formar una “esponja”. Los cromosomas expandidos son sitios donde se transcribe el DNA (b: con autorización de Terry D. Allen y Claus Pelling, J. Cell Science, cubierta del vol. 93 parte 4, 1989; reproducida con autorización de the Company of Biologists, Ltd.)

11 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.9 Estructura química del DNA. (a) Modelo de un nucleótido de DNA que contiene la base timina; la molécula es 5’- monofosfato de desoxitimidina (dTMP). La jaula similar a una red representa la densidad electrónica de los átomos que forman la molécula. (b) Estructura química de un nucleótido de DNA que contiene la base adenosina; la molécula es 5’- monofosfato de desoxiadenosina (dAMP). Un nucleótido se compone de un nucleósido unido a un fosfato; la porción del nucleósido de la molécula (p. ej., desoxiadenosina) está encerrada por la línea punteada. ( a: imagen tomada de Arnon Lavie et al., Nature Str. Biol. 1997;4:604; 1997. Reimpresa con autorización de Macmillan Publishers Limited.)

12 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.9 Estructura química del DNA. (Continuación) (c) Estructura química de un pequeño segmento de una cadena sencilla de DNA que muestra los cuatro nucleótidos.

13 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.10 La doble hélice. (a) Representación esquemática de la doble hélice del DNA. (b) Modelo de espacios llenos de la forma B del DNA. (b: cortesía de Nelson Max, Lawrence Livermore, National Laboratory y el Department of Energy.

14 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.10 La doble hélice. (Continuación) (c) Pares de bases de Watson y Crick. El modelo original mostraba tanto el par A-T como el G-C con dos enlaces de hidrógeno; el tercer enlace de hidrógeno en el par G-C fue identificado después por Linus Pauling. (d) Micrografía electrónica de un DNA liberado de la cabeza de un bacteriófago T2. Esta molécula de DNA lineal (nótense los dos extremos libres) mide 68  m de longitud, es cerca de 60 veces más larga que la cabeza del fago en la cual está contenida. (c: figura 28.6 de la página 854 de Voet & Voet, Biochemistry, 2E: copyright 1995, John Wiley & Sons, Inc. Material reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc.; d: con autorización de A. K. Kleinschmidt. et al., Biochim Biophys. Acta 691;861, 1962 y de Elsevier.)

15 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.11 Tres funciones necesarias del material genético. (a) El DNA debe contener la información que codifica las características hereditarias. (b) El DNA debe reunir la información que dirige su propia duplicación. (c) El DNA debe alojar la información que dirige el ensamble de proteínas específicas.

16 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.12 DNA superenrollado. ( a, b) Micrografías electrónicas que muestran diferencias de conformación entre una molécula circular relajada de un fago de DNA (a) y el mismo tipo de molécula en un estado superenrollado (b). (c) Cuando una mezcla de moléculas de DNA SV40, relajadas o superenrolladas, se somete a electroforesis en gel, la forma superenrollada del DNA altamente compactado (en la base del gel) se mueve con mucha mayor rapidez que la forma relajada. Las moléculas de DNA se visualizan por tinción del gel con bromuro de etidio, una molécula fluorescente que se inserta en la doble hélice. (a y b: cortesía de James C. Wang; c: tomada de Walter Keller, Proc. Nat’l. Acad. Sci. USA 72:2553, 1975.)

17 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.13 DNA desenrollado. La molécula del DNA de la izquierda está desenrollada; es decir, tiene un promedio de 10 pares de bases por vuelta de hélice. Una molécula desenrollada de manera espontánea asume una conformación superenrollada negativa, como se muestra a la derecha.

18 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.14 DNA topoisomerasa. (a) Modelo que ilustra la acción de la topoisomerasa I humana. La enzima (amarilla) ha cortado una de las cadenas de DNA (paso 1), la cual gira alrededor del enlace fosfodiéster en la cadena intacta. La cadena cortada vuelve entonces otra vez a resellarse. (Nota: el dibujo muestra una topoisomerasa de tipo IB; las enzimas de tipo IA encontradas en bacterias actúan por un mecanismo diferente.) (a: imagen reimpresa con autorización de Macmillan Publishers Ltd: D. A. Koster et al., Nature 434:671, 2005; copyright 2005.)

19 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.14 DNA topoisomerasa. (Continuación) (b) Este modelo molecular basado en cristalografía de rayos X muestra la acción de la topoisomerasa II, una enzima dimérica formada por dos mitades idénticas. En el paso 1, la enzima se unió al segmento G- DNA, llamado así porque forma la compuerta (Gate) a través de la cual pasará el segmento T-DNA (o DNA transportado). En el paso 2, la enzima dimérica hidrolizó dos moléculas de ATP y presentó un cambio de conformación al acercarse los dos dominios de ATPasa. En el paso 3 se separó el segmento G, y el segmento T pasó a través de la “compuerta” abierta. En esta fase, los extremos “nítidos o segmentados” del segmento G están unidos por enlaces covalentes a la enzima. En el paso 4 se reúnen de nuevo los dos extremos del segmento G y el segmento T sale a través de la compuerta C. (b: Imagen reimpresa con autorización de Macmillan Publishers Ltd: J. M. Berger et al., Nature 388:231, 1997; copyright 1997.)

20 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.14 DNA topoisomerasa. (Continuación) (c) Tipos de reacciones que catalizan las topoisomerasas. La parte 1 ilustra las reacciones de superenrollamiento y relajación; la parte 2 las reacciones de anudación y desanudación; la parte 3 las reacciones de formación de cadenas y desconcatenación. (d) Micrografía electrónica de un par de moléculas de DNA circulares interconectadas (concatenadas). Las moléculas de este tipo se acumulan en bacterias que carecen de una topoisomerasa específica. (d: imagen tomada de Nicholas Cozzarelli, Cell Vol. 71, portada #2, 1992; con autorización de Elsevier.)

21 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.15 Desnaturalización térmica del DNA. Se muestra una curva de desnaturalización térmica para el DNA del bacteriófago T6 nativo en 0.3 M de citrato de sodio. La separación de las cadenas del DNA ocurre en límites muy estrechos de temperatura, en particular en los DNA simples de virus pequeños. La temperatura que corresponde a la mitad del incremento de la absorbancia se denomina Tm. (Imagen tomada de J. Marmur y P. Doty, J. Mol. Biol. 3:593, 1961; © 1961. Journal of Molecular Biology by Academic Press. Imagen reproducida con autorización de Academic Press en formato de libro de texto por copyright Clearance Center.)

22 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.16 La cinética de la renaturalización de los DNA virales y bacteriano. Las curvas muestran la renaturalización de cadenas seccionadas de DNA de dos virus (MS-2 y T4) y una bacteria (E. coli). (La formación de DNA de cadena doble se grafica contra C0t, que es un término que combina dos variables: la concentración inicial de DNA (C0) y el tiempo de incubación (t). Una solución con elevada concentración de DNA incubado por breve tiempo tiene la misma C0t, que una de baja concentración incubada en un lapso mayor; ambas muestran el mismo porcentaje de DNA renaturalizado.) El tamaño del genoma, es decir, el número de pares de bases de nucleótidos presentes en una copia de toda la información genética del organismo, se indica con las flechas cerca de la escala numérica superior. La forma de cada curva de renaturalización es muy simple y muestra una sola pendiente. Sin embargo, el tiempo de renaturalización es muy diferente y depende de la concentración de fragmentos complementarios, que a su vez dependen del tamaño del genoma. Cuanto más grande sea éste, menor es la concentración de fragmentos complementarios en la solución y mayor el tiempo necesario para concluir la renaturalización.

23 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.17 Gráfica idealizada de la cinética de la renaturalización del DNA eucariota. Cuando se permite que el DNA de cadena simple se reúna, pueden distinguirse casi siempre tres clases distintas de fragmentos, reconocibles por la repetición de sus secuencias dentro del genoma: fracción de DNA muy repetida, fracción de DNA moderadamente repetida y fracción de DNA no repetida (copias únicas). (Nota: ésta es una gráfica idealizada: las tres clases de secuencias no están separadas con claridad en una curva de renaturalización real.)

24 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.18 Identificación genética. En esta técnica, que se emplea de forma amplia para determinar la identidad de un individuo a partir de la muestra, el DNA se digiere mediante tratamiento con nucleasas específicas (llamadas endonucleasas de restricción, descritas en la sección 18.12) y los fragmentos de DNA se separan mediante electroforesis en gel, con base en su tamaño. La localización de los fragmentos de DNA en el gel que contienen secuencias específicas de DNA se determina con sondas marcadas de secuencias complementarias a las que se buscan. Los fragmentos de DNA que se unen a estas sondas varían en longitud de una persona a otra debido a la presencia de números variables de repeticiones en tándem cortas (STR) en el genoma. Los laboratorios de medicina forense analizan alrededor de 13 loci de STR que se sabe que son altamente polimórficos. La probabilidad de que dos individuos puedan tener STR idénticas en este locus es astronómicamente pequeña. Los perfiles de DNA que se muestran en esta figura se emplearon en un caso criminal en el cual el presunto culpable enfrentó la acusación de apuñalar y dar muerte a una joven mujer. Las manchas de sangre en los pantalones y la camisa del acusado se compararon con muestras estándar conocidas de sangre de la víctima y el acusado. El DNA de las manchas de sangre encontradas en la ropa del presunto asesino no coincidió con sus propias muestras sanguíneas, pero sí con las de la víctima. Los carriles 1, 2, 3, 9 y 10 son muestras testigo de DNA que sirven como puntos de control de calidad; el carril 4 tiene DNA de la sangre del acusado [A]; en el pozo 5 se agregó DNA de las manchas de sangre de los pantalones del acusado; los carriles 6 y 7 contienen DNA de las manchas de sangre de la camisa del acusado; y en el pozo 8 se agregó DNA de la sangre de la víctima [V]. Con la aparición de técnicas de amplificación (p. ej., PCR) pueden ser utilizadas muestras minúsculas de DNA para estos estudios. (Cortesía de Orchid Cellmark, Princeton, New Jersey.)

25 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.19 Hibridación fluorescente in situ y localización de DNA satélite. (a) Pasos para llevar a cabo la hibridación fluorescente in situ. En esta técnica, ciertos nucleótidos de la sonda de DNA se unen con enlaces covalentes a una pequeña molécula orgánica, casi siempre biotina. Después de la hibridación, la localización del DNA marcado con dicha molécula unida puede visualizarse al tratar la preparación con avidina fluorescente, una proteína que se une a la biotina con una gran afinidad. Los cromosomas en estas preparaciones suelen aparecer en rojo debido a que se han contrateñido con yoduro de propidio.

26 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.19 Hibridación fluorescente in situ y localización de DNA satélite. (Continuación) (b) Localización de DNA satélite en el centrómero de los cromosomas humanos. La ubicación del DNA satélite marcado con biotina se revela por la fluorescencia amarilla, la cual contrasta con el fondo rojo de los cromosomas. La fluorescencia aparece sólo en el sitio donde está constreñido cada cromosoma, lo cual señala la localización del centrómero. ( b: tomada de Huntington F. Willard, Trends Genet. 6:414, 1990, con autorización de Elsevier.)

27 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Perspectiva Humana Figura 1 Secuencias trinucleotídicas repetidas y enfermedades en seres humanos. La línea superior muestra un gen generalizado que se transcribe en un mRNA con varias porciones distintas, incluida una porción 5’ no codificadora llamada región no traducida 5’ (5’ UTR, 5’ untranslated region), un exón codificador que transporta información para la secuencia de aminoácidos del polipéptido, y una porción 3’ no codificadora (3’ UTR). Los intrones en el DNA (fig. 11.29) no se representan en el mRNA maduro. La localización general de los trinucleótidos causantes de cada una de las cuatro diferentes enfermedades (síndrome de cromosoma X frágil, ataxia de Friedreich, enfermedad de Huntington y distrofia miotónica) se indican por la localización de cada pirámide. También aparece el número de repeticiones causantes de los estados, normal (rojo), de portador (naranja) y de enfermedad (amarillo) de cada trastorno en el gen. Los genes que ocasionan las anomalías tipo I, como la HD, no exhiben el estado intermedio de “portador” en el cual un individuo posee un alelo inestable pero no está afectado. (Imagen reimpresa con permiso de Macmillan Publishers Ltd: J-L Mandel, Nature 386:768, 1997; copyright 1997.)

28 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.20 Localización cromosómica de una secuencia de DNA no repetida. Estos cromosomas mitóticos se prepararon a partir de una célula de ratón en división y se incubaron con una solución purificada de DNA, marcada con biotina, que codifica a una de las proteínas de laminina nuclear (laminina B2), que a su vez es codificada por un gen no repetido. La localización del DNA marcado aparece con puntos brillantes. El gen de laminina está presente en los homólogos del cromosoma 10. Cada uno de ellos contiene dos copias del gen debido a que el DNA se replicó antes de que las células entraran en mitosis. (Imagen tomada de Monika Zewe et al., cortesía de Werner Franke, Eur. J. Cell Biol. 56:349, 1991. con autorización de Elsevier.)

29 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.21 Una muestra de cultivos agrícolas que son poliploides. En la fotografía se muestra aceite de semilla de colza, pan de trigo, cuerda de sisal, granos de café, plátanos, algodón, papas y maíz. (Imagen tomada de A. R. Leitch e I. J. Leitch, Science 320:481, 2008; copyright © 2008, reimpresa con autorización de AAAS.)

30 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.22 El entrecruzamiento desigual entre los genes duplicados suministra un mecanismo para generar cambios en el número de genes. (a) El estado inicial mostrado tiene dos genes relacionados (1 y 2). En un individuo diploide, el gen 1 de un homólogo se puede alinear con el gen 2 del otro homólogo durante la meiosis. Si ocurre entrecruzamiento durante esta mala alineación, la mitad de los gametos pierde un gen 2 y la otra adquiere un gen 2 adicional. (b) Conforme el entrecruzamiento desigual continúa durante las divisiones meióticas en generaciones subsecuentes, evoluciona de modo gradual una secuencia de ordenamientos de DNA repetidos en tándem.

31 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.23 Una vía para la evolución de los genes de la globina. Los exones se muestran en verde y los intrones en café. Los pasos evolutivos se señalan en el diagrama y se analizan en el texto. Los ordenamientos de los genes de las globinas α y β de los cromosomas humanos 16 y 11 (mostrados en azul sin sus intrones en el paso 7) son los productos de varios cientos de millones de años de evolución. Como se discute en el capítulo 2, la molécula de hemoglobina posee dos pares de cadenas polipeptídicas, uno de ellos es siempre un miembro de una subfamilia de la globina α y el otro par es siempre un miembro de una subfamilia de la globina β. Las combinaciones específicas de globinas α y β se hallan en diferentes estados del desarrollo. Las cadenas de dichas globinas observadas en la hemoglobina de fetos, embriones y adultos se indican en la figura.

32 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.24 Manifestaciones visibles de la transposición en el maíz. De manera característica, los granos de maíz tienen un color uniforme. Los puntos de este grano son resultado de la mutación de un gen que codifica una enzima implicada en la producción de pigmentos. Las mutaciones de este tipo pueden ser muy inestables y se originan o desaparecen durante el periodo de desarrollo de un solo grano. Estas mutaciones inestables aparecen y desaparecen como resultado del movimiento de elementos transponibles dentro y fuera de estos genes durante el periodo de desarrollo. (Cortesía de Venkatesan Sundaresan, Cold Spring Harbor Laboratory.)

33 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.25 Transposición de un transposón bacteriano por un mecanismo de “corte e inserción”. Como se señala en el texto, los dos extremos del transposón bacteriano Tn5 están flanqueados por secuencias repetidas (segmentos de color naranja). Los dos extremos quedan en íntima cercanía con la dimerización de un par de subunidades de la transposasa (esferas naranjas). Ambas cadenas de la doble hélice se cortan en cada extremo, lo cual escinde al transposón como parte del complejo con una transposasa. Un DNA blanco “captura” al complejo transposón-transposasa y el transposón se inserta de esta manera para producir una pequeña duplicación que flanquea el elemento transpuesto. (Nota: no todos los transposones de DNA se mueven por este mecanismo.) (Imagen tomada de D. R. Davies et al., Science 289:77, 2000; © 2000, reimpresa con permiso de AAAS.)

34 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.26 Vías esquemáticas en el movimiento de los elementos transponibles. (a) Los transposones de DNA se mueven por medio de una vía de corte e inserción, cuyo mecanismo se demuestra en la figura 10.25. Alrededor de 3% del genoma humano consiste en transposones de DNA, ninguno de los cuales es capaz de experimentar transposición (es decir, todos son reliquias del genoma como resultado de la actividad ancestral).

35 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.26 Vías esquemáticas en el movimiento de los elementos transponibles. (Continuación) (b) Los retrotransposones se mueven por medio de una vía de copiado e inserción. Los pasos incluidos en la retrotransposición suceden en el núcleo y el citoplasma y requieren numerosas proteínas, incluidas las del hospedador. Más de 40% del genoma humano está formado por retrotransposones, pero sólo algunos de éstos (p. ej., de 40 a 100) son capaces quizá de sufrir transposición. Se conoce más de un mecanismo de retrotransposición.

36 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.27 Comparaciones de genomas. Entre las células eucariotas cuyos genomas ya se conocen, el número de genes codificadores de proteínas (barras azules) varía desde unos 6 200 en la levadura hasta 57 000 en las manzanas; se cree que los vertebrados tienen alrededor de 20 000. (El gran número de genes en la manzana refleja una duplicación relativamente reciente del genoma en su totalidad.) Un dato muy interesante es que los incrementos manifiestos en la complejidad de los organismos no se reflejan en aumentos impresionantes en el número de genes. Por ejemplo, no se acompañan de cambios importantes en el número de genes que codifican proteínas, fenómenos como: (1) la transición de eucariotas unicelulares, como las Chlamydomonas, a animales multicelulares más sencillos como las esponjas, ni (2) la transición de invertebrados a vertebrados. Aunque el número de genes codificadores de proteínas varía poco entre las células eucariotas, la cantidad de DNA en un genoma (barras rojas) cambia mucho, alcanza valores de 90 000 millones de pares de bases en algunas salamandras (se desconoce el número real de genes de estos anfibios). Mbp = millones de pares de bases (million base pairs).

37 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.28 Duplicación del gen de amilasa durante la evolución humana. En los resultados mostrados, un par de cromosomas homólogos de un chimpancé (a) o un humano (b) se hibridaron con sondas de color rojo y verde que se unen a distintas porciones del gen AMY1. Éste codifica la enzima amilasa salival, que digiere el almidón. El número de copias del gen AMY1 en cada cromosoma se revela por el número de veces que se repiten las sondas fluorescentes. El chimpancé tiene una copia del gen AMY1 en cada cromosoma (o sea, una copia por genoma), mientras que los seres humanos tienen varias copias. El número de copias varía en el genoma humano, como se ilustra aquí por el hecho de que uno de los dos cromosomas homólogos de este individuo tiene 4 copias del gen y el otro posee 10. Este es un ejemplo de una variación en el número de copias (pág. 417). Además, el número de copias del gen AMY1 en los genomas de una población humana determinada tiende a relacionarse con la cantidad de almidón en la dieta de sus integrantes. Esta correlación sugiere que el número de copias del gen AMY1 ha cambiado con la selección natural. (Imagen reimpresa de George H. Perry et al. Cortesía de Nathaniel J. Dominy, Nature Gen. 39:1257, 2007; reimpresa con autorización de Macmillan Publishers Ltd.)

38 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Figura 10.29 Variantes estructurales. (a) Representación esquemática de los principales tipos de polimorfismos genómicos que involucran un segmento significativo de un cromosoma (p. ej., miles de pares de bases). La mayor parte de estos polimorfismos es demasiado pequeña para detectarse en el examen microscópico de cromosomas, pero se identifica con facilidad cuando se determina el número o la ubicación cromosómica (o ambas cosas) de genes individuales. (b) A la izquierda está un cromosoma humano 9 normal y a la derecha un homólogo que contiene una gran inversión que incluye el centrómero del cromosoma (flecha). La inversión, que es claramente visible al microscopio, se encuentra en 1 a 3% de la población. (b: imagen reimpresa con autorización de C. Lee, Nature Gen. 37:661, 2005; reimpresa con autorización de Macmillan Publishers Ltd.)

39 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Perspectiva Humana Figura 1 El genoma se divide en bloques (haplotipos). La línea superior muestra un segmento hipotético de DNA que contiene varios SNP (cada uno de ellos se indica con un círculo negro). Este segmento particular consiste en cinco haplotipos separados por cortas secuencias de DNA muy variables. Cada haplotipo ocurre como un pequeño número de variantes. De los mostrados aquí existen de tres a seis variantes. Cada una de ellas se caracteriza por un grupo específico de SNP, indicado por los círculos de color. Todos los SNP de una variante de un haplotipo particular están dibujados en el mismo color para indicar que se heredaron como un grupo y que se encuentran juntos en diferentes miembros de la población. Cada persona representada en la parte inferior de la ilustración tiene una combinación específica de haplotipos en sus dos cromosomas. Algunas variantes de haplotipos se encuentran en diferentes grupos étnicos y otras poseen una distribución mucho más limitada.

40 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Vías Experimentales Figura 1 A la derecha se observan colonias coalescentes formadas por neumococos virulentos de tipo S y a la izquierda colonias pequeñas con neumococos no virulentos de tipo R. Como se describe más adelante, las células de estas colonias S en particular son el resultado de la transformación de bacterias R por DNA de los neumococos del tipo S muertos por calor. (Imagen tomada de O. T. Avery, C. M. Macleod y M. Mccarty, J. Exp. Med. 79:153; 1944. Reproducida con autorización de the Rockefeller University Press.)

41 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Vías Experimentales Figura 2 Esquema del experimento que llevó a cabo Griffith cuando descubrió la transformación bacteriana.

42 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Vías Experimentales Figura 3 Micrografía electrónica de una célula bacteriana infectada por bacteriófagos T4. Se observa cada fago unido por medio de sus fibras de la cola a la superficie externa de la célula bacteriana, mientras que las cabezas de fagos apenas formados se ensamblan en el citoplasma de la célula hospedadora. (Lee D. Simon/Photo Researchers, Inc.)

43 McGraw-Hill Interamericana Editores Todos los derechos reservados. B IOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 10. Naturaleza de los genes y el genoma Vías Experimentales Figura 4 Experimento de Hershey-Chase que muestra que las células bacterianas infectadas con DNA de fago marcado con P32 (moléculas de DNA en rojo) se etiquetan de forma radiactiva y producen progenie de fagos marcada. En cambio, las células bacterianas infectadas con fagos que contienen proteína marcada con S35 (cubiertas de fago rojas) no se marcan de manera radiactiva y producen sólo progenie sin marcas radiactivas.