Información en los seres vivos El fenotipo se correlaciona con el genotipo Dogma central: ADN - ARN - proteínas - rasgos Estable y transmisible Puede ser copiada y diseminada Capacidad de modificación Mutación Recombinación Sexo (intercambio de material genético)

Del genotipo al fenotipo Material genético (ADN) Genes Proteínas Estructura molecular Función Rasgos Bacterias Plantas Animales Hongos

Almacenamiento de la información genética: estructura del ADN

Estructura del genoma de los organismos procariotas Contienen un único cromosoma de estructura circular Básicamente ADN desnudo Mayoría de la secuencia de ADN compuesta por genes E. coli- 4.6 Mb ~87% --- 4288 genes

Estructura del genoma de los organismos eucariotas Material genético almacenado en el núcleo Organizado de forma compleja en varios cromosomas de estructura linear ADN asociados a proteínas (histonas y no histonas): fibras de cromatina

En los eucariotas la información genética se reparte en un nº variable de cromosomas

Complejidad del genoma eucariota Parte del genoma de los organismos eucariotas no codifica para proteínas: ADN altamente repetitivo, centrómeros, ADN satélite, telómeros (5% del genoma humano) ADN moderadamente repetitivo, SINEs, LINEs, ARNr y VNTRs (30% del genoma humano) Los organismos eucariotas contienen secuencia no codificante (no traducida a proteína) incluso dentro de la secuencia génica

Replicación del ADN

El ADN se replica en dirección 5’ – 3’ OH Extremo ·3’ Extremo 5’ P A T P O O P T A P O OH C P P P P G O OH C P Extremo 5’

Replicación del ADN

Video replicación del ADN http://www.youtube.com/watch?v=zmu9OPuXj-k&feature=related

El ADN contiene la información para producir las proteínas de un organismo

Naturaleza química de las proteínas La unidad básica de la proteína es el aminoácido, existen 20 aminoácidos distintos Los aminoácidos están unidos covalentemente mediante enlaces formando cadenas (polipéptidos)

Proteínas Las proteínas son la clase más versátil de macromoléculas en la célula Existen 20 amino ácidos diferentes que forman parte de las proteínas Gran variedad de características químicas Pueden sufrir muchas modificaciones bioquímicas que alteran o regulan su función Llevan a cabo la mayoría de las funciones celulares

Niveles de organización de las proteínas

Flujo de la información genética para generar proteínas ADN Código de 4 letras Largas moléculas con miles de genes Proteína Código de 20 letras Moléculas de tamaño discreto

(RT) TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN

Estructura los genes eucariotas

Transcrito

El “splicing” tiene lugar en el “spliceosome” http://www.youtube.com/watch?v=FVuAwBGw_pQ

Transcripción Proceso complejo que implica varios pasos La ARN polimerasa sintetiza un molécula de ARN monocatenario usando como molde la secuencia de una de las cadenas de ADN El inicio de la transcripción está regulado por factores de transcripción que reconocen secuencias normalmente situadas justo antes del punto de inicio de la transcripción (extremo 5’) Existen secuencias que indican el final de la transcripción, al ARN recién sintetizado se le añade una secuencia de adeninas, la denominada cola poli A

(RT) TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN

Video síntesis de proteínas http://www.youtube.com/watch?v=FNqmh4PoMPQ

Flujo de información, de la secuencia geníca a la proteína

Regulación del flujo de la información genética ADN Pre-ARNm ARNm Proteína Proteína activa Transcripción Splicing Traducción Modificaciones post-traduccionales Cromatina ADN-B ADN-Z Estabilidad Nivel principal de regulación Splicing alternativo Transcripciónal Post-transcripción Post-Traduccional

Splicing alternativo Hace referencia a variaciones en la forma de combinar exones que generan diversas formas de una proteína El splicing alternativo de pre-ARNm es un importante mecanismo de regulación de la expresión de genes en eucariotas superiores. Regulación cualitativa Explica por ejemplo la existencia de aproximadamente 1.000.000 de anticuerpos diferentes en humanos a pesar de que el genoma humano contiene únicamente unos 30.000 genes

“Splicing alternativo” Result in slightly different action of muscle Fig 24.4 – Alternate splicing of transcripts from the rat troponin T gene. Only 3 of the possible 64 different mRNAs are shown. Fig 24.4 Alternate splicing of transcripts from the rat troponin T gene.

Genes expressed that lead to female development Genes expressed that lead to male development Fig 24.5 Alternate splicing of transcripts from the Sex-lethal gene in male and female Drosophila. Fig 24.5 Alternate splicing of transcripts from the Sex-lethal gene in male and female Drosophila.

Bioinformática Las nuevas tecnologías de secuenciación permiten secuenciar el genoma completo de un organismo Se está generando una enorme cantidad de datos ¿Cómo analizar todos estos datos? Bioinformática Fusión de las ciencias de la computación con la ciencia genómica Desarrollo de nuevas herramientas para analizar datos

Contig 190 25703 - 32806 atgctctttaccatgcaattcaccactcgatccaccgtggcctcgcccgagcagcagcaccaacaccaacagcgcagtatctcgtactcggatatcgaacttggtcttgagcgcatcagctctcgcgacagcaatggcagctccaactttacgcacagagcctatcctccaccgctatctcagcaatatgacgacacatccaccaactcctttcattcatcgcagccagacatcacagcctcttcttcaactttgtcgtctcgcctcgtgagcgccaactactcccgtcctcggttcgagcatgcgcacactcaaccacccacacccgaccaagaccgctccagctccggctccggctccggctccggctctcgctcctactttcccgccaactcgcattccgactctttgcccggtcccagcactcatagcatcagcccttcctttgacgaggacgaactccgtcagatcatgtcgcacattccagctaaccaagccacgtccagctcggatggcgatgtaggcaaggccgtccagtctgccaaccatcaggacatcagtccgttcctcttccagagcgagaacgcagctcccttttcctcctcccactccaaccgtaccagtgtcaatccatccgcagcctcgaccgccagcccgtcgacttcggcggcaaccaggacacgtccgcgcgggggcaccaacgcctcgcagtacaacaccctagacactagcttcggtagcatcgatcggcctggcctttcttcttcccgctctcagtattcattgcgcccacagaccccaccctcggcgtccacttccactagcactctcaacggctccaaggacacgcacgcttctgccgtcaagaagacgcgcaatccgttcggctttctcaaaaagaagtcctcggcccactcaaatgcttcctcgaatcaccccacgcgccacgacatcggctcggtctcttcgctctcgtcgcgctacggtcccaacgcggcggccaacgtcaatccgatgcgcccacctgcctggctcgataatcactgcacacttgccaactccaactcgccttcttcggcttcgctgcgctctcactaccaccagcctcctgcctcttcgaatccccctccttggcagaaccccctcgtgtctcgtgcagactcgactccttccgccatgagtctcgaagatgaggtcgaggctgagcatcatctcaagaaggaccctcgcaagcgcatcaaaggcgttcgccatcaccttgcaaagaccaccaagcccggcgaggacgccgactcggcacgcgaccctgcctttgcagcccagagccagtccatcgaacaagaggtcgaactctcgttggacatgaactttgaccagctcgatgactttgtcgacaccaacgcagcgcgccagcggctccagggctcgatcactgagtctgccagtccttccgagcatcgctcaccaaacggaagcgaagccggcgtgtatcgctcgccatccccttcccagactcccattgccgaacgccagacttcggtcacttctaccgtcgaatctccctcgcacgcctcggaagcctcgctcgcaccctcgggctctctgcgaaccccgagtcgcactactgcgtctacctctacctcgtccgcttccaccgtactcagcgaccgtcttccttcgcaggtcaacatgcttcctcgcaatagcgtccccaggctcagcctagccgagatgcaaaactaccagtcgctccgtaaactctcgaacaacctcatcgacatgtcccagacgcaaaacccttccgctatgggcgcatcctaccgccgcggatccatcgcagccgcccaagcacctgtcgacgcgcctcagctaggtgtcgctcctcgtactgactctgagctctccgatcgcaaggacagcgtagtctctacccacagcatgcgctccaaccatagcggcatctcgcccaagacctcatacgccaacctgcccagtgtcattcaggagcgtcagaagccggctactgcacttccctccgccgcgaattggacatcatccatcaccagagacaaaacggccaatggacatgctgaccacgcctaccaatttccgcccgcaactgagtatcagtccaacttgctgctcagcgtgcgcaagtcgagtgccagctcggggcaggagcctagctccagctggatggctcccgacagttgggccgtacaaccggacaagatgcgcgactatcttcgcgacgataatgtcggcgaggaggaagacgacgacgacgaccagcaccaagccagagccgctttggccaccgatggcaagaggcgcggttccagctccggtatcagctcgacgcatgcatcgagcatgttccgcacctcatccaccgaccctttcaagaagactgcctcgcttgctggctcacgtcgcggcacggacgactcggtcgatccgctcaccgctttgcctccattgccaggctccaagtcggtggacgaggcagcagccaacaaggtcgatgtactccagcagaccaataatctcgctcaatcggctctggtgcaacagcagtctcaatcccagaaccaccaccagcccagccccaacgtccgtcccacctcgagaggcggtgctggtgcccacatgtttgcctccgccggcgcttccgctgcagcagctgctgcgggcaagcttggtttacatcgtccatctaaacatcgtatgaacgcgcgacccaataccgcaggctccgttggtgcgacccgaccttccaccaccacgctcggctcgaccctctcggcagaggacgacacaagcatcaacggctccatccgacgcgacggccatccgctcaagcgctccgcaactgccaacacgaacaacgccacgggaactttgcctcgcaaccacttcatccgcgtctacaagacggacggcacctttgcaacgctctcgtgctcactcgtctcgacggcaaacgaagtacagacaatcctcgcgcgcaagagcctcaccaccgaatcggccgcatacaggctttttgtgcgggacaagggctccgagagaccgctggggatctcggacaagccttctcagctccagcgtcgtcgtctcattcaggcaggctacaccgagaacgatggcttggaagatatgggcagagacgatttgtcatacctgcttcgcttcgtctttcgccccgacagtgttcccaccttcgactcggaatccatcggccacagcgagcacacattccagcatctcgatctgcacagccgcaatctcgaaatggtgcccatctttctgtataagcatgccgactggattgttagcctcgatctgtcaggcaatcccatgtctgatcttccgctcgactttgtacagctctgttcaagcctgcgaactctgcgactctcaaacttggcgctcaagcgcatcccgcaaagtgtccggcacagcgaaaccttgacgcacctcgacgtatccaacaatcgaattgtcgagctcgcgcatgtcagtctcgatcttattccggagctcatgtcgctcaaggtgcaaaacaatcgtctctttgacttgccctcatacttttccagcatcagcacgctgaggaacctcaacatctctaacaaccgctttgaagaattccccaaggtcatctgcgacgtcccttcgctggtcgatcttgatgtgtcattcaattcgatcactgaattgcccgccgaaatcgccaacctcatcaacttagagcgcttcatcctagccggcaacgagctggaaaagctgccggacagcatgagcgagctcgtcagcttgcgcaccatcgacctgcgtcgtaacaaggtgcaggacgtttcgtcgctgcttggtcttccacgccttcaaaacatccaggccgagagcaacaacatcaagtcgtttgaagctacactgggtccgcaactcactcaggtcgagctcggtcgcaacccactcagcaaggtgcgcatcgctgctctcaccacgtgcgatctcacctcgctcgacctgtcgtcgaccaacatgacgcggctcgaggaaggtctcttcccgcagctgcctgcgctcgtcaagctgacgctcgatggcaatcagctcgttgtgctgcccgacacgctcggagacttgaagcgactcgagatgctatcatgcagcaacaatctgcttgctaccctccccgagtcgatcggtgatctcaaggcgctcaaggagctgcttgtgcacaacaacaacctcaaaacgcttccacagaccttgtggctctgcgagagcctcgcacacatcaatctcagctccaacttgctcgaatcgttcccagcagtgcctgacattcgcaccgatgcttccgttggagatgcggctgcagctgccggcacttcggccgttatcgctgcacgaaagggatctacaagctcgtcgctgacgcacaggtctaacactggtggcgccaatgggaacatcaatctctctacgccctccgaggtctttgtggcgccgctctcgctcagcctgcagaagctgcgtctgggagacaatcgtctaggcgatgacgttttcagtgtcctgtccgagctcacctcgctcgaggtgctcaacctcagcttcaacgagatctttgagattcccgattttagtctccagacgctcaccaagctgcgtgagctatacatcagtggtaatcagcttagcacgattccttccgacgatcttgtggtgctacaagagctgcgcatcctccacctcaactgcaacaagctcactactctccccaccgaacttggcaagctcaagaagctcgccaacctggatgtcggtaataacgtgctcaagtacaacattgccaattggcattacgactggaactggaacatgaacccggagctacgctacctcaacctttccggcaacacgcgtctcgagatcaagaccaagctgagcgatatgggcttcacgcgcaagtccaacatctcggactt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Terminología Genoma: conjunto de ADN de un organismo Transcriptoma: población total de ARNm en una condición determinada Proteoma: población total de proteínas en una condición determinada Interactoma: descripción de todas las interacciones que tienen lugar entre moléculas Metaboloma: descripción de todos los reactivos/productos/enzimas implicados en metabolismo ORFeoma/predictoma: descripción de todas las proteínas potenciales codificadas por el genoma. Genoma anotado Secretoma: descripción de todas las proteínas secretadas codificadas por el genoma

Fig 21.17 Annotated, sequence-based map of an 8-mb segment of DNA at the tip of human chromosome 1. Fig 21.17 Annotated, sequence-based map of an 8-mb segment of DNA at the tip of human chromosome 1, assembled by researchers at Celera Genomics. The top line gives distances in mb. The next three panels show predicted transcripts from one strand of DNA (the “forward strand”), whereas the bottom three panels show transcripts specified by the other strand of DNA (the “reverse strand”). The middle three panels give the G:C content, the positions of CpG islands, which occur upstream of genes, and the density of single nucleotide polymorphisms (SNPs), respectively. The annotation key below the map of chromosome 1 shows the components of the map, the color code for gene product functions, and the color codes for G:C content and SNP density. © 2003 John Wiley and Sons Publishers

Fig 15.18 A single gene may produce a family of closely related polypeptides by using alternate pathways of exon splicing.

Genomas bacterianos Un gran número de genomas bacterianos secuenciados Mycoplasma genitalium – 580,070 bases Mycobacterium tuberculosis- 4.4 Mb E. coli- 4.6 Mb ~87% --- 4288 genes ~30% bien caracterizado ~38% función desconocida Espacio promedio entre genes – 118 bp 0.7% elementos repetitivos no codificantes ~11% elementos reguladores o de función desconocida

Genoma de levadura Sacchromyces cerevisae 16 cromosomas – 12 Mb 5885 genes codificantes de proteínas (1 gene/~2100 bp) 140 genes ARNr 275 genes ARNt 40 genes ARNsn Principal diferencia con procariotas Redundancia genética Múltiples copias de genes y secuencias no codificantes Útil para estudair evolución de secuencias

Genoma de C. elegans Primer organismo multicelular secuenciado 97 Mb Relativamente poca cantidad de ADN repetitivo 19,099 genes (1 gene/~5100 bp) Mismo # de proteínas que llevan a cabo funciones básicas de la célula Muchos genes específicios de organismo multicelulares Señalización intercelular 43% similitud con proteínas humanas

Genoma de Drosophila melanogaster 180 Mb ~30% heterocromatina centromérica 97% de eucromatina secuenciada 13.601 genes # de genes de copia única similar al de C. elegans Contiene ~180 genes similares a 290 human genes humanos implicados en enfermedades Drosophila un buen modelo para estudiar enfermedades

Genoma de Arabidopsis thaliana 125 Mb baja cantidad de elementos repetitivos ~26,000 genes 70% se encuentran duplicados o forman parte de familias de genes ~15,000 genes claramente diferenciados

Proyecto Genoma Humano 2.95 Gb de 3.2 Gb es eucromatina >90% de eucromatina secuenciada ~1% de secuencias codifican proteínas Se predicen entre 30.000 y 35,000 genes # poco elevado: Levaduras - 6,000 genes Drosophila - 13,000 genes C. elegans - 19,000 genes A. thaliana - 26,000 genes

Genes en genoma humano Exones 1.1 % Intrones ~24% Regiones intergénicas 74% Tamaño promedio de genes – ~7 kb Número promedio de intrones - 10 Solo 94 de 1.278 familias de proteínas son específicas de vertebrados Genes implicados en procesos bioquímicos básicos parece que evolucionaron solo una vez y se han mantenido de bacterias a levaduras y a mamíferos

Genoma humano 60% de proteínas predecidas son similares a otras secuencias Principales diferencias con gusanos/moscas Complejidad de las proteínasComplexity of proteins Más dominios/proteína y nuevas combinaciones de dominios Aparición de nuevas funciones en dominios ya existentes

Fig 21.19 Pie chart showing homology of predicted human proteins to proteins of other species for those where homologues were detected by computer searches of the public databases. Fig 21.19 Pie chart showing homology of predicted human proteins to proteins of other species for those where homologues were detected by computer searches of the public databases. © 2003 John Wiley and Sons Publishers

Fig 21.18 Functional classification of the 26,383 genes predicted by Celera Genomics’ first draft of the sequence of the human genome. Each sector gives the number and percentage of gene products in each functional class in parentheses. Note that some classes overlap: a proto-oncogene, for example, may encode a signaling molecule. Fig 21.18 Functional classification of the 26,383 genes predicted by Celera Genomics’ first draft of the sequence of the human genome. © 2003 John Wiley and Sons Publishers