Estructura del genoma humano Definiremos genes y genomas. Analizaremos los tipos de secuencias presentes en el genoma humano. Analizaremos su distribución y función. Describiremos algunas aplicaciones del conocimiento derivado de la estructura genómica.

El genoma El genoma es el contenido total de ADN de la célula. Incluye no sólo la porción codificante (genes) sino también las regiones intergénicas y los ADN repetidos. Los eucariotas tienen 2 o 3 genomas: Genoma nuclear Genoma mitocondrial Genoma plastido Generalmente “genoma” se utiliza para referirse al genoma nuclear. La genómica se dedica al estudio de los genomas.

El tamaño del genoma Valor C= Cantidad de ADN por genoma haploide PARADOJA DEL VALOR C : No existe correlación entre la cantidad de ADN de un organismo y su complejidad Distintos organismos tienen genomas de distinto tamaño

El genoma de cada especie se organiza en cromosomas con forma, tamaño y cantidad carácterísticos La cantidad, morfología y tamaño de los cromosomas de cada especie es característico Es independiente del tamaño del genoma.

Tamaño de los genomas y número de genes No existe correlación entre el tamaño del genoma y la cantidad de genes

Genómica comparada: la evolución de la función grupos funcionales de genes

El camino por delante

Estructura de un gen DEFINICION MOLECULAR Un gen es una secuencia de nucleótidos que contiene la información necesaria para la síntesis de un polipéptido o un ARN funcional. Se incluyen en esta definición operacional, la secuencia codificante del gen y las secuencias señaI adyacentes que indican el comienzo y fin de la unidad transcripcional. En procariotas y eucariotas la estructura de los genes es levemente diferente.

Las unidades transcripcionales procariotas y eucariotas tienen organizaciones diferentes En los procariotas genes funcionalmente vinculados están fisicamente asociados en operones. Un operón es una unidad reguladora formada por genes estructurales adyacentes que se transcriben como un ARNm policistrónico, que luego es procesado para dar lugar a productos proteicos diferentes. En los eucariotas los ARNm son monocistrónicos, pero están interrumpidos por secuencias no codificantes, denominadas intrones.

En los genomas eucariotas se encuentran unidades transcripcionales simples o complejas En los genomas eucariotas pueden existir unidades transcripcionales simples o complejas. La complejidad está dada por el procesamiento diferencial de intrones. Es posible obtener varios polipéptidos diferentes a partir de un mismo gen. Si bien existen 35000 genes en el genoma humano, se pueden generar muchas más proteínas diferentes.

Distintos organismos tienen diferente estructura genómica Los genomas procariotas son muy pequeños y compactos casi sin espacio entre los genes. El genoma de las levaduras contiene 6000 genes y es compacto. Los genomas de algunas plantas son muy grandes pero dominados por secuencias de ADN repetidas no funcionales. El genoma humano contiene aproximadamente 25.000 genes pero las regiones codificantes de estos genes ocupan solo un 3% del genoma. Existen muchas secuencias repetidas.

Complejidad del genoma La cinética de reasociación del ADN permite analizar la complejidad de un genoma Rotura del ADN en fragmentos de 300 pb Desnaturalización por temperatura Incubación a distintos tiempos para permitir la reasociación Medida del ADN no reasociado proceso lento limitante Reacción de 2° orden K2 encontrar secuencias complementarias proceso rápid zippering formación de cadenas largas de doble cadena k2 >>>>>>>>> k2 1 10,000 Secuencias repetidas reasocian rápidamente. Secuencias únicas reasocian lentamente.

Tres fracciones principales en el genoma eucariota Reasociación lenta Co x t1/2 ADN altamente repetido ADN de secuencia simple ADN satélite (10-15%) ADN moderadamente repetido repetidos intermedios (15-40%) ADN copia única (50-75%) Contiene la mayoría de los genes codificantes para proteínas

Tipos de ADN Repetido Repetidos dispersos Repetidos en tandem Unico que contiene genes Usados en identificación Repetidos dispersos Repetidos en tandem

Panorama General del Genoma Humano

ADN Satélite centromérico Largos trechos de ADN altamente repetido Consiste en secuencias cortas repetidas muchas veces, localizado en la región del centrómero de los cromosomas. Demostrable por hibridización sobre cromosomas (FISH)

ADN telomérico 100-1500 copias de tandem repeats cortos GGGATTGGGATT… Mantenido por un tipo especial de polimerasa, la telomerasa. La actividad telomerasa es necesaria para prevenir el acortamiento de los cromosomas

Minisatelites y Microsatelites: Marcadores moleculares Ambas son útiles para identificar individuos por DNA fingerprinting, puesto que la longitud de la región repetida es muy variable entre individuos.

VNTRs e identificación

Marcadores moleculares: mapeo de genes de enfermedades

Los repetidos dispersos son elementos transponibles Las secuencias son copiadas y se insertan en nuevos sitios del genoma por el proceso de transposición. Existen dos tipos básicos: Transposones (ADN como intermediario) Retrotransposones (intermediario de ARN) Algunos contienen las enzimas que median su propia transposición (autónomos). Otros dependen de las enzimas producidas en otra parte (no autonomos).

Distintos tipos de repetidos dispersos en el genoma

Esquema de un fragmento de ADN del genoma

Números del genoma

La densidad de genes no es homogénea Región del HLA de tipo III en el cromosoma 6p21.3 Gen de la distrofina en el cromosoma Xp21 La densidad de genes no es homogénea A: región del cromosoma 6 conteniendo el complejo HLA III (complejo MHC) B: gen de la distrofina (distrofia de Duchenne y Becker) Conceptos clave Los genes de la parte A tienen intrones (no representados) Hay genes de distinto “tamaño”

La densidad génica se correlaciona con el bandeo cromosómico 6p21.3 Xp21 Claras BANDA G Comparativamente ricas en GC Sensibles a la DNAsa Condensación tardía en el ciclo celular Replicación temprana Alta densidad génica Pobres en secuencias repetidas Oscuras BANDA R Oscuras Comparativamente ricas en AT Insensibles a la DNAsa Condensación temprana en el ciclo celular Replicación tardía Baja densidad génica Ricas en secuencias repetidas Claras

Los genes humanos varían enormemente en tamaño y cantidad de exones Tamaño y contenido exónico Conceptos En procariotas los genes son mas o menos homogéneos en tamaño En eucariotas hay gran variación El gran tamaño de algunos genes tiene implicancias funcionales (transcribir el gen de la distrofina lleva 16 hs) Existe correlación inversa entre tamaño y cantidad de intrones

Familias génicas Genes codificantes para productos idénticos repetidos en cluster (agrupados) o dispersos HISTONAS 11 clusters contienen los 60 genes de histonas. 2 clusters mayores en el cromosoma 6 y clusters menores incluyendo solo uno o dos subtipos.

rRNA 1 única unidad transcripcional repetida unas 50 veces en 5 clusters ubicados en los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22. El rRNA 5S codificado por varios cientos de genes en 3 clusters en el cromosoma 1. 5S

Genes codificantes para productos con alta homología agrupados en clusters Distintos genes del grupo se expresan en diferentes momentos del desarrollo o en distintos tejidos

Pseudogenes y fragmentos de genes En los clusters génicos son frecuentes los pseudogenes Copias defectuosas no funcionales de genes Pseudogenes no procesados (copias genómicas con intrones) Pseudogenes procesados (copias de regiones exónicas generadas por transcripción reversa) Fragmentos de genes truncados

Dos Cromosomas eXtraordYnarios!! Esto está muy aburrido!!! Tenes razón hablemos de sexo!!!

El cromosoma Y Uno de los cromosomas más pequeños Región Pseudoautosómica (recombinante de 3 MB) Region especifica (MSR) de 55MB no recombina con el cromosoma X gran región heterocromática Estructura particular con grandes repetidos palindrómicas familias de genes repetidos Porta genes vinculados con el desarrollo masculino y la fertilidad

El cromosoma X Cromosoma del grupo C Baja densidad génica (1336 genes en 155 MB) 99 genes (10%) expresados en testículo y asociados a tumores Rico en repetidos (56% vs 45% promedio) 29% LINE1 disperso, asociado a Silenciamiento 10% de las enfermedades mendelianas asigadas (OMIM) Compensación de dosis mediante inactivación de uno de los cromosomas X en las mujeres.

Propiedades por cromosoma Vallender et al. Nature Genetics (2005)37:343

Transcripción policistriónica ORGANIZACION GENERAL DEL GENOMA HUMANO GENOMA NUCLEAR GENOMA MITOCONDRIAL 2 genes rRNA 22 genes tRNA 13 genes proteinas Genoma mitocondrial Genoma compacto 16.6 Kb 97 % codificante Transcripción policistriónica Genoma Mitocondrial humano Conceptos clave: Genoma compacto sin espacio intergénico Pocos genes presentes insuficientes para explicar el funcionamiento del organelo La función mitocondrial depende de genes nucleares cuyos productos se importan a la mitocondria Con características bacterianas (transcripción policistrónica, sin regiones intergénicas) Con características propias (código genético propio, replicación por D loop)

Organización general del genoma humano Números comparados del genoma nuclear y mitocondrial Conceptos clave: El genoma humano comprende el nuclear y mitocondrial Desde el punto de vista organizacional y funcional son bien diferentes

El camino por delante