ESTRUCTURA DEL ADN Y CLASIFICACION DE LAS SECUENCIAS DEL GENOMA HUMANO

Estructura del ADN 1953 James Watson y Francis Crick

Descubriendo la estructura del ADN Imagen del ADN de Rosalind Franklin “Regla de Chargoff” A = T & C = G

Experimento de Avery, McLeod y McCarty (1944) Descubriendo la estructura del ADN Experimento de Avery, McLeod y McCarty (1944)

Experimento de Avery, McLeod y McCarty (1944) Descubriendo la estructura del ADN Experimento de Avery, McLeod y McCarty (1944) EL PRINCIPIO TRANSFORMADOR ERA EL ADN, QUE CONTIENE LA INFORMACION GENÉTICA NECESARIA PARA LA SÍNTESIS DE LA CÁPSULA BACTERIANA. EXTRACTO

Estructura del ADN ADN = Acido DesoxiriboNucleico azúcar fosfatos base nitrogenada

4 BASES: AZUCAR: GRUPO FOSFATO ADENINA GUANINA CITOSINA TIMINA DESOXIRIBOSA GRUPO FOSFATO (CARGA -)

BASES NITROGENADAS PIRIMIDINAS: 1 ANILLO PURINAS: 2 ANILLOS UNIÓN PUENTE DE HIDRÓGENO

AZÚCARES RNA VS. DNA RNA AZÚCAR = RIBOSA DNA AZÚCAR = DESOXIRIBOSA

GRUPOS FOSFATOS ENLACE DE ALTA ENERGÍA

Cadenas polinucleotídicas

Puentes de hidrógeno

DECODIFICANDO EL GENOMA HUMANO: LA ENCICLOPEDIA DE LA VIDA El 14 de abril de 2003 se anunció la terminación exitosa del Proyecto Genoma Humano 4 bases o «letras» (A, T, C y G)

4 bases o «letras» repetidas 3 mil millones de veces y agrupadas en libros o «cromosomas»

CLASIFICACION DE LAS SECUENCIAS DEL GENOMA HUMANO Clase Longitud Nro. de copias en el genoma % genoma GENES QUE CODIFICAN PROTEINAS 1.Genes solitarios 2.Genes duplicados o divergentes en familias génicas   1 2-1000 ≈15% GENES QUE CODIFICAN ARNr, ARNt E HISTONAS REPETIDOS EN TANDEM Variable 20-300 0,3% ADN REPETITIVO 1. ADN de secuencia simple 2. Repeticiones intercaladas a) Transposones b) Retrotransposones 3. Pseudogenes procesados 1-500 pb 2-3 Kb 100-8000pb 300.000 ~1 millon 1-100    3% 40% ≈0,4%  ADN ESPACIADOR NO CLASIFICADO  Variable  No aplica  ≈25% 30% 70%

EL NÚMERO DE GENES ENCONTRADO FUE MENOR AL ESPERADO 20.500

Variaciones entre el contenido de genes y el tamaño del genoma Especie Tamaño del genoma (Mb) Número de genes Candidatus Carsonella ruddii 0,15 182 Streptococcus pneumoniae 2,2 2300 Escherichia coli 4,6 4.400 Saccharomyces cerevisiae 12 5.800 Caenorhabditis elegans 97 19.000 Arabidopsis thaliana 125 25.500 Drosophila melanogaster (mosca) 180 13.700 Oryza sativa (arroz) 466 45-55.000 Mus musculus (ratón) 2500 29.000 Homo sapiens (ser humano) 2900 27.000

DE ACUERDO A SU FUNCIÓN CODIFICANTES De elementos propios Proteínas, ARNr, ARNt De elementos accesorios Transposones, Retroposones NO CODIFICANTES De función estructural ADN satélite y telomérico De función regulatoria Promotores, enhancer, etc. De función desconocida ADN intergénico

DE ACUERDO AL GRADO DE REPETICION Tipo Denominación Características De alta repetición ADN satélites 106 copias De moderada repetición Retroposones Transposones Familias génicas ADN telomérico ADN minisatélite ADN microsatélite LINEs, SINEs, Pseudogenes procesados 10-104 copias o más 10-102 copias ARNr18S, ARNr28S, ARNt, etc: 102 copias (TTTAGGG)n: 104 copias Muy polimórfico: 102-103 copias (CA)n; (TG)n Muy polimórfico: 105 copias De secuencia única Genes de proteínas ADN intergénico no repetido Copia única = estructura génica Función desconocida

LAS REPETICIONES PUEDEN ESTAR… EN TÁNDEM INTERDISPERSAS

En Tándem… CLASE NÚMERO DE BASES REPETIDAS NÚMERO DE COPIAS O REPETICIONES LOCALIZACION ADN satélite 5 a 171 106 Centrómero ADN telomérico 6 104 Telómero ADN minisatélite 6 a 24 102- 103 Telómeros, En todos los cromosomas ADN microsatélite 1 a 4 105 En todos los cromosomas

Repeticiones interdispersas: Transposones y Retroposones

ADN móvil Moderadamente repetidas. Dispersas a lo largo del genoma de procariotas y eucariota. Tamaño variable (100 - 1000000 pb). Transposición. Inútiles para el organismo huésped.

Elementos transponibles o móviles Aprox. 40% del genoma humano. Amplificación permanente. Su transposición pueden contribuir al desarrollo de enfermedades. Todos los genomas eucariotas tiene elementos móviles. Mutagénico por su capacidad de insertarse y generar recombinaciones homólogas desiguales.

En 1950 Barbara McClintock descubre los elementos transponibles Ac controla la transposición de Ds y si Ds no está presente, se expresa el color de la aleurona del maíz. Activator (Ac) Dissociator (Ds) Unidades de control, o elementos reguladores.

Tipos de ADN repetitivo interdisperso

Transposones y Retroposones

Transposones o genes saltarines: “Los elementos transponibles que se mueven a través de un intermediario de ADN se conoce como transposones”.

Transposones o genes saltarines: Aprox. 0,3 Kb. Extremos con secuencias denominadas ITR (Inverted Terminal Repeats). Codifica para una enzima transposasa. Existen 20 secuencias de inserción diferentes. Clasificación: Simples Compuestos

Transposones Simples, Elementos o secuencias de inserción (IS):

Transposones Compuestos (Tn): Poseen información en la zona central para resistencia a antibióticos como el cloranfenicol, kanamicina, o la tetraciclina. Sirven para la transferencia de información entre bacterias.

2 MÉTODOS DE TRANSPOSICIÓN

Transposones

Retroposones: “Los elementos transponibles que se mueven a través de un intermediario de ARN se denomina retroposones” por su similaridad con el mecanismo de replicación de retrovirus.

Retroposones LTR (Long Terminal Repeats)≈ virus No LTR: LINE SINE

Retroposones

Elementos LINEs (Long Interspersed Elements) Tienen 6,4kb y se repiten 10.000 veces. Se encuentran en zonas del genoma ricas en A + T. Transcritos por ARNpol. II. 2 Marcos de lecturas abiertos (ORF): ORF1: Proteína de unión al ARN. ORF2: Transcriptasa y endonucleasa. Numerosas mutaciones y truncamientos llevaron a que solo el 0,01% de los LINEs sean funcionales. En humanos hay 3 tipos de LINEs: L1, L2, L3.

LINEs: Mecanismo de transcripción e integración

Elementos SINEs (Short Interspersed Elements): Secuencias Alu Secuencias de aprox. 300 nt. Transcriptos por RNApol III. Denominadas Alu porque son reconocidas por esta enzima de restricción. Se ubican en regiones ricas en G + C. El total de las secuencias Alu ocupan el 5% del genoma humano. Comparten homología con la secuencia de 7SL ARN, componente de la “Partícula de Reconocimiento Señal”. No codifica proteínas.

Consecuencias de las secuencias Alu en el genoma humano Inserción de Alu en el intrón 5 del gen NF1 = Neurofibromatosis I. Inserción de Alu en genes factor VIII y IX = Hemofilia A y B Inserción de Alu en el gen CLCN5 = enfermedad de Dent (alteración del canal de Cloro).

nueva copia Alu

La recombinación de secuencias repetitivas Alu es causante de: Hipercolesterolemia familiar, Enfermedad de Fabry (insuficientes cantidades de una enzima llamada alfa-galactosidasa A), Enfermedad de Sandhoff (de la flia. de gangliosidosis 2: almacena y sobrecarga el organismo en gangliósidos), Enfermedad de Tay-Sachs (alteración de metabolismo lipídico), Deficiencia ADA (cataliza la deasaminación irreversible de adenosina y 2'-deoxyadenosina a inosina), Hyperlipoproteinemia tipo I, etc

LOS PSEUDOGENES Genes incompletos y -aparentemente- no funcionales. - Presentes en familia de genes α y β-globinas humanas. Los pseudogenes procesados se encuentran en cromosomas diferentes de sus contrapartes funcionales, carecen de intrones y reguladores determinados, a menudo terminan por una serie de adenina. Pueden ser copias completas o incompletas de un gen o combinaciones de varios genes. Se cree que se han producido  en un proceso de tres pasos: copia de DNA hacia mRNA, el splicing del transcrito primario, para eliminar los intrones, y luego convertir el mRNA de nueva cuenta en DNA a través de un proceso de retrotranscripción. Este proceso se cree que ha creado la “familia L1 de pseudogenes” [3]. Otras teorías mencionan a los retrovirus como medios de transporte de los pseudogenes entre diferentes organismos. Los pseudogenes no procesados generalmente se encuentran en clusters de secuencias funcionales similares en el mismo cromosoma. Generalmente tienen intrones y  secuencias reguladoras asociadas. Su expresión suele evitarse mediante un codón o codones de stop  “fuera de lugar”. Puede haber otros cambios de la secuencia “original” como deleciones, inserciones y mutaciones puntuales. Alguna forma de mRNA puede o no ser traducida dependiendo del daño que exista al gen. Se cree que estos han surgido por duplicación de genes, lo que produce una copia exacta del gen. La copia extra puede acumular mutaciones, sin dañar al organismo dado que  tendría la copia original completamente funcional [3]. La hipótesis de la duplicación de genes en la evolución, sugiere que con el paso del tiempo las mutaciones al azar pueden producir un nuevo gen con nuevas funciones, mediante el uso del gen duplicado mientras se conserva la función del gen original [4]. - Se parecen a las secuencias LINEs. - Presentes en genes de inmuglobulinas y β-tubulina.

NO TAN «ADN BASURA» Por mucho tiempo la comunidad científica pensó que los pseudogenes al no codificar para un elemento  difusible  eran  una parte muerta de nuestro DNA, pero esto estaba por mucho equivocado. En descubrimientos recientes se pudo constatar que algunos pseudogenes tienen funciones muy importantes; tal es el caso del pseudogen PTENP1, “hermano” del gen PTEN, un gen supresor de tumores. El pseudogen PTENP1 no codifica ninguna proteína y se pensaba que no servía para nada. Pero recientemente se descubrió que esto no es así, se ha descubierto que PTENP1 protege a PTEN de la actividad de los microRNA que regulan su actividad. El pseudogen PTENP1 se transcribe en pseudo-mRNA, pseudo RNA mensajeros, que se presentan como reclamos potenciales para los miRNA (micro RNA) asociados a PTEN. Estos señuelos consumen copias de los miRNAs, reprimiendo la expresión de PTEN y mejorando su actividad como supresor de tumores. El pseudogen PTENP1 protege a su homólogo PTEN de la degradación, permitiendo que realice su función como gen supresor de tumores.

Gen egoísta??... …o fuente de variabilidad genética??

Probablemente los “elementos de ADN” tuvieron influencia significativa en la Evolución…

VARIABILIDAD DEL GENOMA Polimorfismos Cambios en la secuencia del ADN que ocurre con una frecuencia relativamente elevada, en general en más del 1% de la población. Existen distintos tipos de polimorfismos, y si bien originan una variabilidad genética normal, algunos de ellos pueden afectar la estructura o expresión de una proteína, y por ende, tener una consecuencia biológica. Es allí donde radica la importancia médica del estudio y comprensión de los polimorfismos genéticos.

Polimorfismos de secuencia: Genes HLA Polimorfismos de longitud: Mini y Microsatélites Polimorfismos de nucleótido único (SNPs) Son los más frecuentes y pueden asociarse a determinadas enfermedades o respuestas a fármacos.

VARIABILIDAD DEL GENOMA Mutaciones Cambios en la secuencia del ADN que ocurre en general en menos del 1% de la población. Son producto de errores, es decir, no originan una variabilidad genética normal.

CONSECUENCIAS DE LAS MUTACIONES EN LA SÍNTESIS PROTEICA Mutación Silenciosa: Tripletes que codifican el mismo aminoácido. Ej: AAG(Arg) CGG (Arg) Mutación Cambio de Sentido: Tripletes que codifican para aminoácidos de distinto tipo. La proteína pierde su función. Mutación Sin sentido: Aparece un triplete de STOP. Ej: CAG(Gln) UAG (STOP) Mutación Cambio de marco de lectura: Adición o deleción de un único par de nucleótidos o de varios pares de nucleótidos, siempre que no sean múltiplos de tres. Mutación sin Cambio de marco de lectura: Adición o deleción de un único par de nucleótidos o de varios pares de nucleótidos, siempre que sean múltiplos de tres. Mutación de Terminación retrasada: Se pierde un triplete de STOP.