Estructura del genoma humano

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Juan Francisco Valenzuela Pérez
hace 5 años
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1 Estructura del genoma humano 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. 1

2 El genoma El genoma es el contenido total de ADN de la célula. 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. 2

3 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 3

morfología y tamaño de los cromosomas de cada especie

4 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. 4

5 Tamaño de los genomas y número de genes 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 Homo sapiens ???

6 Genómica comparada: la evolución de la función grupos funcionales de genes 6

7 7 El camino por delante

8 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. 8

9 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. 9

10 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. 10

Distintos organismos tienen diferente estructura genómica Los genomas procariotas son muy pequeños y compactos casi sin espacio entre los genes.

11 Distintos organismos tienen diferente estructura genómica Los genomas procariotas son muy pequeños y compactos casi sin espacio entre los genes. 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

Complejidad del genoma La cinética de reasociación del ADN permite analizar la complejidad de un genoma Rotura del ADN en fragmentos de 300 pb Desnaturalización por temperatura Incubación a distintos

12 Complejidad del genoma La cinética de reasociación del ADN permite analizar la complejidad de un genoma Rotura del ADN en fragmentos de 300 pb Desnaturalización por temperatura Incubación a distintos tiempos para permitir la reasociación Medida del ADN no reasociado proceso lento limitante Reacción de 2 orden proceso rápid zippering K2 encontrar secuencias complementarias formación de cadenas largas de doble cadena 10,000 1 k 2 >>>>>>>>> k 2 Secuencias repetidas reasocian rápidamente. Secuencias únicas reasocian lentamente. 12

$Tres fracciones principales en el genoma eucariota C o x t1/2 ADN altamente repetido ADN de secuencia simple ADN satélite (10-15%) ADN$

13 Tres fracciones principales en el genoma eucariota C o x t1/2 ADN altamente repetido ADN de secuencia simple ADN satélite (10-15%) ADN moderadamente repetido repetidos intermedios (15-40%) ADN copia única (50-75%) Contiene la mayoría de los genes codificantes para proteínas Reasociación lenta 13

14 Tipos de ADN Repetido Repetidos dispersos Repetidos en tandem Unico que contiene genes Usados en identificación 14

15 15 Panorama General del Genoma Humano

16 ADN Satélite centromérico Largos trechos de ADN altamente repetido Consiste en secuencias cortas repetidas muchas veces, localizado en la región del centrómero de los cromosomas. Demostrable por hibridización sobre cromosomas (FISH) 16

17 ADN telomérico copias de tandem repeats cortos GGGATTGGGATT Mantenido por un tipo especial de polimerasa, la telomerasa. La actividad telomerasa es necesaria para prevenir el acortamiento de los cromosomas 17

individuos por DNA fingerprinting, puesto que la

18 Minisatelites y Microsatelites: Marcadores moleculares Ambas son útiles para identificar individuos por DNA fingerprinting, puesto que la longitud de la región repetida es muy variable entre individuos. 18

19 19 VNTRs e identificación

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21 21 Marcadores moleculares: mapeo de genes de enfermedades

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Los repetidos dispersos son elementos transponibles Las secuencias son copiadas y se insertan en nuevos sitios del genoma por el proceso de transposición.

23 Los repetidos dispersos son elementos transponibles 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 enzimas producidas en otra parte (no autonomos). 23

24 24 Distintos tipos de repetidos dispersos en el genoma

25 Esquema de un fragmento de ADN del genoma 25

26 26 Números del genoma

27 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 Xp21 27

celular Replicación temprana Alta densidad génica Pobres en secuencias repetidas Comparativamente ricas en AT

28 La densidad génica se correlaciona con el bandeo cromosómico 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 28

29 29 Los genes humanos varían enormemente en tamaño y cantidad de exones

30 Familias génicas 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. 30

31 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 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 32

33 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 33

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35 Dos Cromosomas extraordynarios!! Esto está muy aburrido!!! Tenes razón hablemos de sexo!!! 35

El cromosoma Y Uno de los cromosomas más pequeños Región Pseudoautosómica (recombinante de 3 MB) Region especifica (MSR) de 55MB no recombina con el cromosoma X gran

36 El cromosoma Y Uno de los cromosomas más pequeños Región Pseudoautosómica (recombinante de 3 MB) Region especifica (MSR) de 55MB no recombina con el cromosoma X gran región heterocromática Estructura particular con grandes repetidos palindrómicas familias de genes repetidos 36 Porta genes vinculados con el desarrollo masculino y la fertilidad

29% LINE1 disperso, asociado a Silenciamiento 10% de las enfermedades mendelianas asigadas

37 Cromosoma del grupo C Baja densidad génica (1336 genes en 155 MB) El cromosoma X 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) Compensación de dosis mediante inactivación de uno de los cromosomas X en las mujeres. 37

38 Propiedades por cromosoma 38 Vallender et al. Nature Genetics (2005)37:343

39 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 39

40 Organización general del genoma humano GENOMA NUCLEAR 3300 Mb 23 (XX) 24 (XY) lineales 23 (n), 46 (2n) cromatina / 40 Kb Tamaño Cantidad de moléculas de ADN distintas Cantidad de moléculas de ADN / célula Organizacion estructural (prot. Asociadas) Cantidad de genes Densidad de genes 3% Porcentaje codificante en la mayoria 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 GENOMA MITOCONDRIAL 16.6 Kb 1 circular Varios miles libre 37 1/ 0.45 Kb 93 % Ausentes Casi ausente Mitocondrial Unidireccional, origen único para c/hebra Policistrónica No detectada Materna 40

41 41 El camino por delante

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