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
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
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
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
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 4.6 4289 720 (16%) 1996 Neisseria meningitidis 2.3 2025 2000 Vibrio cholerae 4.0 3885 1163 (29%) 2000 Saccharomyces cerevisiae Caenorhaditis elegans 13.5 6241 1997 97 18891 1998 Drosophila melanogaster 137 13601 7600 (55%) 2000 Homo sapiens 3300 35000??? 2000 5
Genómica comparada: : la evolución de la función grupos funcionales de genes 6
7 El camino por delante
Estructura de un gen DEFINICION MOLECULAR Un gen es una secuencia de nucleótidos que contiene la información necesariaparala 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
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
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 35000 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. 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 35.000 genes pero las regiones codificantes de estos genes ocupan solo un 3% del genoma. Existen muchas secuencias repetidas. 11
En eucariotas superiores abunda el ADN no funcional 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. 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. 13
Cinética de reasociación del ADN genómico humano C o t 1/2 = 1 / k 2 k 2 = constante de segundo orden C o = concentración de ADN t 1/2 = tiempo medio de reacción 0 rápido(repetidos) Fracciones obtenidas: -reasociaciónrápida % DNA reasociado 50 100 C o t 1/2 C o t 1/2 C o t 1/2 I I I I I I I I I log C o t intermedio (repetido) - reasociación intermedia -reasociaciónlenta lento (copia única) 14
Tres fracciones principales en el genoma eucariota C o x t1/2 Reasociación lenta 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 15
Tipos de ADN Repetido Repetidos dispersos Repetidos en tandem Unico que contiene genes Usados en identificación 16
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). 17
ADN telomérico ADN Telomérico consiste en 100-1500 copias de repetidos cortos en tándem GGGATTGGGATT Mantenido por un tipo especial de polimerasa, la telomerasa. La actividad telomerasa es necesaria para prevenir el acortamiento de los cromosomas. 18
Minisatelites y Microsatelites: : Fingerprinting Ambas son útiles para identificar individuos por DNA fingerprinting, puesto que la longitud de la región repetida es muy variable entre individuos. 19
20 VNTRs e identificación
Marcadores moleculares: mapeo de genes de enfermedades 21
Los repetidos dispersos son elementos transponibles 22 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 enzimas producidas en otra parte (no autonomos).
23 Distintos tipos de repetidos dispersos en el genoma
24 Panorama General del Genoma Humano