M. Beato La cultura y la vida Debat al CCCB 17 de Octubre Del genoma al cuerpo

Transcripción

1 M. Beato La cultura y la vida Debat al CCCB 17 de Octubre 2011 Del genoma al cuerpo

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3 γνοστι τε αυτϖν Inscripción en el frontispicio del templo de Delfos: Conócete a ti mismo Los humanos nunca siguieron este consejo tan al pie de la letra como cuando decidieron esclarecer la secuencia de su propio genoma

4 Cuando en 2004 se publicó la secuencia del genoma humano se transmitió la idea de que conocíamos la secuencia de todos sus nucleótidos, y que lo único relevante eran los genes que codifican para RNA mensajero y proteínas, el código genético, mientras que el resto de la secuencia era junk DNA, es decir, DNA basura, incoherente e inerte. Ahora sabemos que no sólo hay partes del genoma cuya secuencia ignoramos, sino que la parte de la secuencia que conocemos oculta información reguladora compleja y conservada entre especies que aun no entendemos. Parte de esta secuencia codifica RNAs que juegan un papel importante a múltiples niveles. Además el modo cómo el DNA se empaqueta en la cromatina del núcleo celular y cómo se metila sin cambiar su secuencia obedece un segundo código epigenético que funciona regulando el acceso a la información reguladora.

5 El reto de la biología postgenómica es entender cómo el genotipo establece el fenotipo Genotipo Información genómica DNA? Se transmite de generación a generación Fenotipo Estructura/forma función: Proteínas, RNA y otras macromoléculas Se establece de nuevo en cada generación

6 Del genotipo al fenotipo el camino es complejo mrna proteína TATTTTTGCAGGCGGCGTAGCCCCTGGAACTCCATCAGCGGCCATGATCATG? lab Dfd Scr Antp Ubx Abd-A Abd-B

7 El DNA se representa como una texto lineal de nucleótidos ( TATCCGATCGGTATTCGG ), un código en dos dimensiones, pero esta sugestiva metáfora es engañosa. El DNA no es un código binario de ceros y unos, sino que tiene una estructura química tridimensional y dinámica. Por tanto, no es sólo genotipo, información, sino que también es parte del fenotipo, que interacciona con las proteínas y el RNA para convertir su propia información en fenotipo.

8 Estructura química del DNA surco mayor surco menor surco mayor fosfato d-ribosa bases puente de hidrógeno

9 Tipos de información contenida en el genoma 1. Información que codifica RNAm y proteínas. Genes clásicos: Exones. Código Genético: 3 nucleótidos = 1 aminoácido 1 Gen(DNA) >> 1 RNAm >> 1 Proteína El concepto clásico del gen como una secuencia de DNA que codifica para un RNAm y una proteína es obsoleto, pero no ha sido aun reemplazado.

10 La gran mayoría de los genes humanos están formados por cortas secuencias de DNA, los exones, que codifican partes de proteínas y representan menos del 2% del genoma humano. Los exones están separados por intrones, largas secuencias que no codifican proteínas. Al transcribir el DNA para dar lugar al RNA mensajero (RNAm) la célula puede combinar los exones de modo variable y así ensamblar múltiples RNAms y múltiples proteínas a partir de un solo gen. Muchas regiones del genoma que no codifican para proteínas generan RNAs que no son usados como mensajeros pero que participan en regular la síntesis de RNAm y de proteínas. El hallazgo de estos RNAs no-codificantes ha revolucionado nuestra comprensión de la información genómica y de cómo se regula su expresión. Así pues, resulta difícil definir un nuevo concepto de gen y seguimos usando el concepto clásico con ciertas limitaciones. La complejidad de un organimo no depende de su número de genes, sino del modo de usarlos en múltiples combinaciones. Las instrucciones para el uso variado de los genes también están inscritas en el genoma.

11 Tipos de información contenida en el genoma 1. Información que codifica RNAm y proteínas. Genes clásicos: Exones. Código Genético : 3 nucleótidos = 1 aminoácido < 2% 2. Información reguladora de la expresión génica y de la replicación del DNA. Combinaciones de múltiples cortas secuencias de pares de bases. Es leída por proteínas de unión a DNA La información reguladora representa menos del 1% del genoma humano

12 Las proteínas leen la información reguladora del DNA contactando los pares de bases desde el surco mayor Surco mayor Surco mayor Surco menor Surco menor Par T - A Par C - G

13 Tipos de información contenida en el genoma 1. Información que codifica RNA y proteínas. Genes clásicos: Exones Código Genético : 3 nucleótidos = 1 aminoácido < 2% 2. Información reguladora. Cortas secuencias de pares de bases. Leída por proteínas de unión a DNA <1% Sin embargo, el 5% del genoma humano es conservado entre especies. 3. Información topológica. Propiedades conformacionales de la secuencia. Organización en nucleosomas.

14 El DNA de cada cromosoma de un color diferente Nucleo de una célula humana 2 metros de DNA en una esfera de 8x10-6 m de diámetro

15 El DNA del núcleo celular está empaquetado en cromatina DNA fibra de cromatina nucleosoma núcleo celular

16 Estructura del nucleosoma Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006

17 Hay una quinta histona en el nucleosoma, la histona H1, cuyo dominio globular (H1GD) sella el DNA nucleosómico. H1 compacta la fibra de cromatina H1GD Happel & Doenecke (2009) Gene

18 El modo cómo el DNA se enrolla alrededor del cilindro de histonas y cómo se compacta en la fibra de cromatina depende de la tendencia de su secuencia para deformarse, curvarse, en una dirección determinada. Esta propiedad está inscrita en la secuencia de dinucleótidos y refleja la distinta flexibilidad de los pares de bases consecutivos para desviarse de su situación estandard en la doble hélice

19 A B C Parámetros de cuerpos rígidos que describen la geometría de la doble hélice de DNA. Definen la relación entre: (A) las bases complementarias (B) los pares de bases consecutivos (C) los pares de bases y el eje de la doble hélice

20 Distintos alfabetos para los varios códigos del DNA Código Genético a d a CH 3 T A Código Regulador d a a C G Código Topológico d: donador a: aceptador

21 Tipos de información contenida en el genoma 1. Información que codifica por RNA y proteínas. Genes clásicos. Código genético: 1 triplete (3 nucleótidos) = 1 aminoácido 2. Información reguladora. Cortas secuencias de pares de bases. Leída por proteínas de unión al DNA 3. Información topológica. Propiedades conformacionales de la secuencia. Organización en nucleosomas 4. Otras informaciones. Redes génicas. Dominios de cromatina. Programas morfogenéticos y metabólicos.

22 Redes génicas reguladoras

23 Espacio fásico & Atractores

24 Kr Gt Rel Prot Conc A-P Position (%) Adaptar el modelo a los datos bcd cad w 11 w 12 w 21 w 22 w 1N w 2N Kr gt w N1 w N2 w NN Mjolsness, Sharp & Reinitz (1991). JTB 152: Reinitz & Sharp (1995). Mech Dev 49:

25 Expresión de Hb/Eve en embriones Estadío 0/1 2 Concentración relativa de proteína A P Posición (%) Yogi Jaeger, CRG

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27 Organización de Genomas non-coding para proteínas o RNAs clásicos (ribosomal, trna, snrna) Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006

28 La epigenómica extiende el potencial informativo del DNA Genómica: Secuencia de nucleótidos Genes Secuencias reguladoras Código topológico Lazadas reguladoras Redes génicas Epigenómica: Modificación del DNA Metilación de CpG Modificaciones de las histonas histone code Acetilación de lisinas Metilación de lisinas Metilación de argininas Fosforilación de serinas

29 H3 H3 H4 H4 H2A H2B H2A

30 Sitios de modificación en las colas de las histonas Las colas de las histonas son plataformas de señalización Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006

31 Ciertas proteínas reconocen modificaciones de las colas de las histonas Bromodomain H3 H3 K Ac Chromodomain H4 H4 K 9 Met H2A H2B H2A

32 El código de las histonas y la memoria epigenética -Múltiples vías de transmisión de señal convergen en los encimas que modifican las colas de las histonas, los cuales generan patrones específicos de acetilación, metilación, ubiquitinación y fosforilación de lisinas, argininas y serinas. -Estas modificaciones son reconocidas por proteínas que influencian la estructura de la cromatina y modulan el acceso de las proteínas reguladoras al DNA. -Algunas de estas modificaciones son transmitidas de célula a célula y de generación en generación a través de su asociación con cambios en la metilación del DNA. -Este código epigenético influencia la lectura del mensage genómico y modula la expresión génica de modo en parte heredable de célula madre a célula hija.

33 Metilación de CpG 5 3 mc---g p p G---Cm 3 5

34 Citosina no metilada Memoria epigenética Replicación del DNA Metilación Metilación no reconocida por la metilasa de mantenimiento

35 pore nuclear Membrana nuclear Eucromatina Distinto grado de condensación de la cromatina Nucleolo Heterocromatina

36 Eucromatina y Heterocromatina genes potencialmente activos secuencias repetidas no codificantes Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006 información accesible información restringida

37 Metilación del DNA durante la diferenciación de las células primordiales de la linea germinal

38 Metilación del DNA tras la fertilización

39 Alteraciones epigenéticas en cáncer Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006

40 IHEC = International Human Epigenome Consortium Lanzamiento 2011 Epigenoma, la llave para medicina y biología

41 DNA Ciclo informacional genoma/epigenoma Proteínas Información codificante Información reguladora Información topológica Redes génicas mrna Código genético (trinucleótidos) Código regulador (pares de bases) Cromatina (dinucleótidos) Dominios de cromatina (LCR) Epigenética Encimas y otras Proteínas reguladoras Histonas, HMGs modificaciones covalentes Aisladores, CTCF, DMT

42 Conclusiones: -El genoma contiene la información para fabricar todas las proteínas y RNAs del organismo, así como las instrucciones para usarlos de modo combinatorio y dar lugar a las distintas células del cuerpo modulando su su función. -El modo como estas instrucciones se implementan es interactivo con el entorno, que actúa sobre la expresión génica a través de las modificaciones epigenéticas transmisibles de célula a célula. -La epigenética introduce un nivel biográfico y personal en el genoma que limita el determinismo biológico.