Estructura del genoma humano. El genoma. El genoma de cada especie se organiza en cromosomas con forma, tamaño y cantidad carácterísticos

Transcripción

1 Estructura del genoma humano El genoma El genoma es el contenido total de ADN de la célula 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 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 1 2 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 3 4

2 Tamaño de los genomas y número de genes Genómica comparada: : la evolución de la función No existe correlación entre el tamaño del genoma y la cantidad de genes ORGANISMO Tamaño del genoma (millones de pares de base) Genes genes de función desconocida Fecha de finalización Escherichia coli (16%) 1996 Neisseria meningitidis Vibrio cholerae (29%) 2000 Saccharomyces cerevisiae Caenorhaditis elegans Drosophila melanogaster (55%) 2000 grupos funcionales de genes Homo sapiens ??? 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. 7 8

3 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 genes en el genoma humano se pueden generar muchas más proteínas diferentes 9 10 Distintos organismos tienen diferente estructura genómica En eucariotas superiores abunda el ADN no funcional Los genomas procariotas son muy pequeños y compactos casi sin espacio entre los genes El contenido de ADN celular no se correlaciona con la filogenia La cantidad de genes tampoco guarda relación. En eucariotas superiores existe abundante ADN no codificante 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 genes pero las regiones codificantes de estos genes ocupan solo un 3% del genoma. Existen muchas secuencias repetidas 11 12

4 Complejidad del genoma Cinética de reasociación del ADN genómico humano La cinética de reasociación del ADN permite analizar la complejidad de un genoma Rotura del ADN a fragmentos de 300 pb Desnaturalización por temperatura Incubación a distintos tiempos para permitir la reasociación Medida del ADN no reasociado 10,000 proceso lento limitante Reacción de 2ª orden K2 encontrar secuencias complementarias k 2 >>>>>>>>> k 2 1 proceso rápid zippering formación de cadenas largas de doble cadena Secuencias repetidas reasocian rapidamente Secuencias únicas reasocian lentamente C o t 1/2 = 1 / k 2 % DNA reasociado C o t 1/2 k 2 = constante de segundo orden C o = concentración de ADN t 1/2 = tiempo medio de reacción C o t 1/2 rápido(repetidos) C o t 1/2 I I I I I I I I I log C o t intermedio (repetido) Fracciones obtenidas: reasociación rápida reasociación intermedia reasociación lenta lento (copia única) Tres fracciones principales en el genoma eucariota Tipos de ADN Repetido Repetidos dispersos C o x t1/2 ADN altamente repetido ADN de secuencia simple ADN satélite (10-15%) Repetidos en tandem ADN moderadamente repetido repetidos intermedios (15-40%) ADN copia única (50-75%) Contiene la mayoría de los genes codificantes para proteínas Reasociación lenta Unico que contiene genes Usados en identificación 15 16

5 ADN Satélite Largos trechos de ADN altamente repetido Consiste en secuencias cortas repetidas muchas veces, localizado en la región del centrómero de los cromosomas. Demonstrable por hibridización sobre cromosomas (FISH). ADN telomérico ADN Telomerico consiste en copias de tandem repeats cortos GGGATTGGGATT Mantenido por un tipo especial de polimerasa, la telomerasa. La actividad telomerasa es necesaria para prevenir el acortamientode los cromosomas Minisatelites y Microsatelites: : Fingerprinting VNTRs e identificación Ambas son útiles para identificar individuos por DNA fingerprinting, puesto que la longitud de la región repetida es muy variable entre individuos

6 21 Marcadores moleculares: mapeo de genes de enfermedades 22 Los repetidos dispersos son elementos transponibles Son elementos transponibles (móviles) en el genoma 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 Distintos tipos de repetidos dispersos en el genoma Panorama General del Genoma Humano 23 24

7 Panorama General del Genoma Humano El genoma humano en números Genes localizados por cromosoma 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 Xp

8 La densidad génica se correlaciona con el bandeo cromosómico Los genes humanos varían enormemente en tamaño y cantidad de exones 6p21.3 Xp21 Claras BANDA G oscuras Comparativamente ricas en GC Sensibles a la DNAsa Condensación tardía en el ciclo celular Replicación temprana Alta densidad génica Pobres en secuencias repetidas Comparativamente ricas en AT Insensibles a la DNAsa Condensación temprana en el ciclo celular Replicación tardía Baja densidad génica Ricas en secuencias repetidas Oscuras BANDA R claras Familias génicas 1. 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 31 32

9 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 Ubicación tipo de secuencias en las fracciones de reasociación del ADN humano El gen en el genoma 35 36

10 Dos Cromosomas extraordynarios!! Esto está muy aburrido!!! Tenes razón hablemos de sexo!!! La casa de los espejos y los archivos X El cromosoma Y: mucha basura y una región macho-específica Skaletsky et al. Nature(2003)v423 p825 Skaletsky et al. Nature(2003) v423 p825 La secuencia que une los sexos Ross et al. Nature(2005)434:325 15% 20 % 65% 39 40

11 Niveles de expresión, deleciones y patología 156 transcriptos 78 codificantes para proteínas 27 proteínas diferentes Origen evolutivo de los genes en la región macho-específica del Y Evolución independiente de genes específicos de sexo, vinculados con fertilidad. Existe recombinación intracromosómica en los repetidos, dando lugar a conversión génica Dadas las frecuencias, se calcula que cada varón ha convertido 600 pb Marshal-Graves TIG(02) v18p Características del cromosoma X El origen de los cromosomas sexuales 1098 Pobre en genes (1098) Baja densidad génica 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) Comparación de cromosomas humanos con los del pollo Origen de los cromosomas sexuales hace 300 millones de años, a partir de autosomas. Xp homólogo a 1 pollo Xq homologo a 4 pollo Z y W pollo homólogos a 9 humano

12 Propiedades por cromosoma GENOMA NUCLEAR ORGANIZACION GENERAL DEL GENOMA HUMANO GENOMA MITOCONDRIAL 2 genes rrna 22 genes trna 13 genes proteinas Genoma mitocondrial Genoma compacto 16.6 Kb 97 % codificante Transcripción policistriónica 45 Vallender et al. Nature Genetics (2005)37: Organización general del genoma humano El camino por delante GENOMA NUCLEAR GENOMA MITOCONDRIAL 3300 Mb 23 (XX ) 2 4 (XY) lin ea le s 23 (n), 46 (2n) cromatina / 40 Kb Tamaño Cantidad de m oléculas de AD N distintas Cantidad de m oléculas de AD N / célula Organizacion estructural (prot. Asociadas) Cantidad de genes Densidad de genes 3% Porcentaje codificante en la m ay oria de los genes mayoritario Universal Bidireccional, origenes multiples Monocistrónica Al menos 1 vez para cada par de cromosomas Mendeliana para autosomas y X, Paterna para Y Intrones ADN repetido Uso de código genético Duplicación Transcripción Recombinación Herencia 16.6 Kb 1 circular Vario s m ile s libre 37 1/ 0.45 Kb 93 % Ausentes Casi ausente Mitocondrial U nidire cc io nal, o rige n únic o para c /he bra Policistrónica No detectada Materna 47 48