Modificaciones Epigenéticas en el DNA. Bibliografía: Watson Molecular Biology of the Gene

Transcripción

1 Modificaciones Epigenéticas en el DNA Bibliografía: Watson Molecular Biology of the Gene

2 Cuatro bloques de nucleótidos construyen el ADN en todos los cromosomas

3 Los bloques que construyen el ADN se encuentran en largas cadenas Cadena de ADN Secuencia de ADN: El orden de los nucleótidos en la cadena del ADN se llama secuencia

4 El Genoma humano contiene cerca de 3 mil millones de nucleótidos Célula 3 mil millones de nucleótidos podrían escribirse en 200 directorios de 1000 páginas cada uno

5 Cada individuo contiene una secuencia única de ADN Secuencia de ADN variante 1 Célula Célula Secuencia de ADN variante 2

6 Cada individuo contiene una secuencia única de ADN Nuestra diferencias radican en sólo el 0.1 % de nuestra secuencia de ADN - Las secuencias de ADN en cualquier persona tienen una identidad del 99.9 % Secuencia de ADN variante 1 - Existe una diferencia por cada 1,000 nucleótidos Secuencia de ADN variante 2 - En total 3 millones de diferencias en nucleótidos

7 Los Genes pueden ser prendidos y apagados - El ADN se organiza en Genes. - Dependiendo del momento y del tipo celular, la información contenida en ciertos genes se decodifica para construir proteínas.

8 Organización de la cromatina Transcripción NO SI (i) Contactos frecuentes en módulos de cromatina (TADs) (ii) Contactos poco frecuentes en módulos de cromatina (iii) Contactos muy raros entre módulos de diferentes cromosomas Colores diferentes representan cromosomas distintos Hübner et al., 2013

9 El DNA eucarionte se compacta en diferentes tipos de Cromatina Eucromatina Heterocromatina La Eucromatina es transcripcionalmente activa La Heterocromatina es electrodensa y es transcripcionalmente inactiva

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11 Organización descrita en Libros de texto: Primary 11-nm DNA core nucleosome polymers assemble into 30-nm fibers that further fold into 120-nm chromonema, 300- to 700-nm chromatids, and, ultimately, mitotic chromosomes. Basado en: The hierarchical folding model is based on the in vitro structures formed by purified DNA and nucleosomes and on chromatin fibers observed in permeabilized cells from which other components had been extracted. Diseño experimental: To visualize and reconstruct chromatin ultrastructure and 3D organization we developed ChromEMT, which combines electron microscopy tomography (EMT) with a labeling method (ChromEM) that selectivity enhances the contrast of DNA. A fluorescent dye binds to DNA, and upon excitation, catalyzes the deposition of diaminobenzidine polymers on the surface, enabling chromatin to be visualized with OsO 4 in EM. Conclusión: chromatin is a flexible and disordered 5- to 24-nm-diameter granular chain that is packed together at different concentration densities in interphase nuclei and mitotic chromosomes. The overall primary structure of chromatin polymers does not change in mitotic chromosomes, which helps to explain the rapid dynamics of chromatin condensation and how epigenetic interactions and structures can be inherited through cell division.

12 Cromatina Eucromatina Segmentos del cromosoma que no son visibles durante la telofase e interfase, sólo en metafase Regiones menos compactas Heteromatina Segmentos del cromosoma que se tiñen fuertemente y permanecen visibles prácticamente durante todo el ciclo celular. Regiones supercondensadas. Regiones que se condensan y se descondensan. Mayor densidad génica Mayor actividad transcripcional. Hay pocos genes en estas regiones Secuencias repetitivas de DNA, regiones no transcribibles en el genoma. Baja actividad transcripcional.

13 Heterocromatina Constitutiva NO se expresa. Incluye secuencias cortas repetidas (DNA satélite). Papel estructural en el cromosoma Facultativa Puede ocupar cromosomas enteros inactivos en un tipo celular, y expresados en otro P. ej. Compensación de dosis del cromosoma X Centrómeros y Telómeros.

14 Heterocromatina Constitutiva en los centrómeros Cromátida Cinetocoro Microtúbulos Región centromérica del cromosoma Cromosoma metafásico Regiones repetitivas de DNA ( pb)n Sitio de unión de las fibras del huso mitótico. 1% al 3% de la secuencia de un genoma. Su posición varía en los distintos cromosomas.

15 Heterocromatina Constitutiva en los Telómeros Se requieren para la replicación y estabilidad de los cromosomas. Telómero Célula Son secuencias repetidas de DNA. En humanos: -TTAGGG- que se repite entre 250-1,500 veces. Cromosoma Los telómeros se encuentran en los extremos de los cromosomas. Contienen una única secuencia de ADN repetida muchas veces Telómero La secuencia repetida varía entre especies. La mostrada aquí es de Tetrahymena 2009 Nature Education

16 Qué necesito para tener un cromosoma eucarionte estable? Telómeros Centrómero Cromosoma Secuencias únicas (genes) Secuencias Repetidas dispersas Múltiples Orígenes de replicación 2009 Nature Education

17 En la transcripción los genes contenidos en el ADN es copiado a una molécula de ARN por complejos proteicos (complejos o maquinaria de transcripción). Flujo de la información Genética

18 Cómo funciona la cromatina para la activación de genes? Marcas Epigenéticas: 2009 Nature Education - Metilación de Citosina en contexto CGCGCGCG - Modificaciones de Histonas Acetilación Metilación Fosforilación Ubiquitinación SUMOilación Factores de transcripción

19 La Eucromatina es transcripcionalmente activa La interacción del ADN con el núcleo de histonas es dinámica Inaccesibilidad para la maquinaria de la transcripción pb Collar de Perlas Fibra 30nm Pearson Education. Inc La naturaleza dinámica de la cromatina está dada por las modificaciones de las Histonas que promueven su relajamiento o compactación

20 Otras proteínas reconocen las marcas epigenéticas (complejos remodeladores de cromatina) y facilitan los cambios necesarios para que los factores de transcripción actuen Proteína 1 to Even te en frecu Sitio de unión Proteína 1 Sitio de unión Proteína 2 Even to raro Proteína 2

21 Las modificaciones ocurren en los extremos Nterminal de la histonas Enzimas específicas son las responsables de las modificaciones en las histonas. Fibra 30 nm N-terminal Histonas

22 La acetilación es la modificación covalente más común en las histonas Acetiltransferasa HAT Maquinaria transcripcional Activación de la transcripción Silenciamiento Genético HDAC Desacetilasas Acetilación en N-terminal de histonas La acetilación provoca la neutralización de los residuos básicos en las histonas, disminuyendo las interacciones iónicas

23 El lenguaje epigenético de las Histonas

24 Interpretación del Lenguaje de Histonas: (A) MM RK 24 M lp KS 910 AAA MvrlM I rl K RK K A M YI? M RKS K M r K 79 Modificación Interpretación (B) modification state "meaning" M N 9 Formación de Heterocromatina, Silenciamiento heterochromatin formation, gene silencing MA rl KK 49 Expresión de genes gene expressron PA tl SK Expresión de genes gene expresston M I K 27 silencing of Hox genes, X chromosome inactivation Inactivación de cromosoma X

25 Dinámica del lenguaje de Histonas: Escribir Borrar Leer Acetilasas Metilasasa Fosforilasas Desacetilasas Desmetilasasa Fosfatasas Remodeladores de Cromatina

26 La metilación de citosinas en el DNA La metilación de citosina en contexto CpG es marca de silenciamiento de genes Metilación en el DNA DNMT: DNA Metil transferasa

27 Durante la replicación de DNA la metilación se hereda a las cadenas nuevas Metilación de novo Metilación de mantenimiento

28 Los grupos Metilo provienen del ciclo de Folatos

29 Herencia Epigenética Suplemento de ácido fólico

30 Herencia Epigenética GENÉTICA: Herencia debida a la secuencia de bases nitrogenadas en el DNA. EPIGENÉTICA: Herencia debida a la modificación química de bases nitrogenadas, de histonas, remodelación de cromatina, entre otros.

31 El Epigenoma conforma la estructura física del genoma El epigenoma condensado inactiva genes, provocando que no se puedan leer El epigenoma descondensado activa genes, al ser accesibles facilmente

32 Diferentes conjuntos de genes se encuentran activos en diferentes tipos celulares