Tema 2: Estructura y función de los genes. Introducción. La información genética es muy importante porque dirige el funcionamiento de la célula, determina la apariencia externa de un organismo y sirve de unión entre generaciones de todas las especies. Hay muchísimos orgánulos en la célula que tienen relación con el material genético, por ejemplo las mitocondrias poseen DNA mitocondrial y todo este se hereda de la madre porque es la única que nos aporta una célula completa. Hay muchos orgánulos con material genético. Nuestra información genética está codificada en una macromolécula: el DNA. Antes se creía que el material genético estaba en las proteínas debido a la diversidad de estas y a la sencillez del DNA. El DNA en todos los organismos eucariotas está en forma de cromatina, no libre sino íntimamente unido a distintos tipos de proteínas, jugando un papel muy importante las histonas. La compactación del DNA en cromosomas es enorme pero también muy organizada porque a la hora de la división tiene que quedar la mitad del material genético en cada célula hija. El cariotipo hace referencia a una foto de los cromosomas ordenados por tamaño, siendo el primero el más grande y los últimos los más pequeños. Ahora se ha descubierto que el 21 es menor que el 22 pero como
siempre se han ordenado de la misma manera, lo mantienen. Nuestro cariotipo es 2n lo que quiere decir que tenemos dos cromosomas de cada tipo, tenemos dos copias de los 23 cromosomas, uno de nuestro padre y uno de nuestra madre. Los cromosomas que no son sexuales se llaman autosomas, y a aquellos que comparten número se llaman cromosomas homólogos. Los homólogos no son iguales ya que uno proviene de nuestra madre y otro de nuestro padre. Los genes están situados linealmente en los cromosomas y dentro de dos cromosomas homólogos ocupan la misma posición, están a la misma altura. Las distintas formas de un gen se llaman alelo. El concepto de locus hace referencia a la localización de un gen y loci a varias localizaciones. Un gen puede tener muchas formas distintas, es decir muchos alelos, no tienen por qué ser dos, pero nosotros como mucho podemos tener dos alelos distintos porque tenemos solo dos formas para cada gen, uno en cada cromosoma homólogo. Todos los cromosomas tienen muchos nucleótidos, el cromosoma 1 tiene 250 millones y el 21 tiene 50 millones. La técnica que se usa para estudiar los cromosomas humanos es la de de bandas G y para hacer un cariotipo tenemos que realizar una técnica de bandas G en metafase porque es en ese momento cuando los cromosomas se ven bien separados y en el ecuador. Nosotros tenemos 46 hebras de DNA. Estructura de DNA. El DNA y el RNA son macromoléculas portadoras de información El DNA tiene que tener las siguientes características. El DNA es una molécula muy simple y estable tiene que ser capaz de almacenar información. Replicación: si no la hubiera, en las divisiones disminuiría el número de cromosomas. Expresar la información. Variación por mutación: porque esta no siempre es mala, y permite la evolución y la variabilidad genética para mejorar la adaptación al ambiente por ejemplo.
Estas características son importantes para la transmisión de la información pero no solo de generación en generación sino también entre las células de un mismo organismo. Teoría de Watson y Crick. Cuando Watson y Crick formularon la teoría de la doble hélice en 1953 tenían los siguientes datos: Que el DNA era el material genético. Que había la misma cantidad de A y T y de G y C. Que existía una periodicidad de 3,4 A y que la estructura del DNA era algún tipo de hélice. La estructura que propusieron es de una doble hélice dextrógira antiparalela muy estable (lo tiene que ser para mantener correctamente la información), pero a la vez es lo suficientemente dinámica para poder replicarse y volver a recuperar su estructura. Tiene un surco menor y uno mayor donde se van a unir proteínas necesarias para la función del DNA. Hay 10 bases en cada vuelta y cada vuelva son 3,4 nm. El diámetro del DNA tal cual es de 2 nm. También explicaron que la complementariedad de bases era algo importantísimo en la genética. Atendiendo a los tipos de enlaces que se establecen entre las bases nitrogenadas en el DNA podemos observar diferentes tipos como por ejemplo: CpG: no se refiere a la unión de citosina y guanina mediante puentes de hidrógeno, sino a la unión covalente de estas. Sería DNA en el que la citosina y la guanina están unidas mediante estos enlaces especiales. CG: sí que nos referimos a la unión por puentes de hidrógeno. En este caso estaríamos ante una hebra de DNA común. En el DNA al igual que en las proteínas podemos observar diferentes estructuras:
Estructura primaria: que hace referencia a la secuencia de bases. De esta depende toda la información genética. Estructura secundaria: que hace referencia a la doble hélice dextrógira que propusieron Watson y Crick. Estructura terciaria: que hace referencia a la compactación del DNA en forma de cromosomas con las proteínas necesarias. Nuestro objetivo ya no es solo poder entender la estructura primaria del material genético, sino que tiene que ir más allá y debemos llegar a entender bien su estructura tridimensional. La información genética está en la secuencia, cuando hablamos de un gen estamos haciendo referencia a la secuencia de nucleótidos. Con la secuencia podemos entender un gen. GEN. Estructura primaria: hace referencia a la secuencia de bases. Instrucciones: escritas en un alfabeto químico compuesto por 4 caracteres. Orden de las bases: en la secuencia, forma de almacenar la información. Establece la información. Secuenciación: las bases nitrogenadas que forman un gen puestas en el orden correcto una detrás de otra. Para leer las secuencias: al final y al principio de los cromosomas tenemos los telómeros que son secuencias repetitivas no codificantes. Son necesarias porque en cada división mitótica se pierde un trocito del inicio y del final de los cromosomas y si no existieran los telómeros iríamos perdiendo los genes y con ello la información genética. Su función por tanto es proteger los extremos de los cromosomas. Los genes, a su vez, tienen intrones y exones, los exones hacen referencia a la secuencia codificante y los intrones están en medio y no codifican proteínas. En la maduración de RNA se van eliminando los intrones. El DNA se lee de tres en tres, en codones. Cada uno de los codones da a un aminoácido. Si perdemos un solo nucleótido de una secuencia influiría lugar
mucho porque cambia el marco de lectura y daría lugar a una proteína totalmente diferente. Si el cambio se produce al principio del gen el problema es mucho más grave porque cambiaría la proteína totalmente. REPLICACIÓN DEL DNA: En la replicación tenemos una tasa de 1 error entre 1 millón lo que equivale a 3000 errores en una sola replicación y es por ello que muchos organismos han desarrollado sistemas de corrección de errores. Si no eliminamos los errores y la célula los acumula terminará muriendo por apoptosis o en el caso de que este mecanismo falle provocará un tumor. La replicación es el proceso catalizado por encimas más exacto que se conoce, porque si no es exacto la célula muere. ETAPAS DE LA REPLICACIÓN: Inicio de la replicación: comienza en puntos determinados del genoma: orígenes de replicación (OR) y es bidireccional. o Hay entre 20-25.000 orígenes de replicación. o Velocidad 0.5-5 kb/minuto. o Hay un patrón específico para cada cromosoma y para cada región. Hay genes que se replican tempranamente. Hay algunos que son más necesarios para la célula, los llamados constitutivos o housekeeping se expresan en todos los tejidos y son necesarios para que las células empiece a funcionar. Siempre se replican los primeros, se sigue un orden. Elongación. Terminación PROYECTO GENOMA HUMANO: Fue un proyecto de colaboración internacional para cartografiar y secuenciar más de 3200 millones de nucleótidos que componen el genoma nuclear humano. Algunos datos de nuestro genoma: o o La información contenida en nuestro genoma llenaría una torre de libros de 61 m de alto. Si leyéramos nuestro genoma a una velocidad de una base por segundo durante 24 h al día, tardaríamos en leerlo de manera completa un siglo.
o Existen cerca de 2 m de DNA en cada una de nuestras células empaquetado en un núcleo de unos 0,005 mm. o Si uniéramos todas las moléculas de DNA que tiene un organismo en fila, sería 20 veces la distancia de la tierra al sol. De un solo individuo. El proyecto genoma humano empezó a mediamos de los años 80 porque querían saber los efectos de los niveles bajos de radiación ambiental para la enfermedad humana. Como no sabían la secuencia de DNA de una persona no podían saber esos efectos, por ello se hizo un consocio y a partir de los 90 se comenzó este proyecto. El genoma humano en genes: o o o o Cada mil nucleótidos hay una diferencia de 1 nucleótido (SNP) entre individuos no relacionados. El genoma humano tiene unos 3.000.000.000 pb. Lo que equivale a aproximadamente 25.000 genes. Cerca del 97% de nuestro genoma no presenta una función conocida. Estructura del genoma humano y variación interindividual. El DNA de cada persona tiene una secuencia única, el orden de las bases es único. La mayoría del genoma humano es nuclear, pero hay un tanto por ciento muy pequeño del genoma humano que es mitocondrial y que vamos a estudiar más adelante. Dentro del genoma nuclear tenemos varios subtipos del mismo: Genes y secuencias relacionadas (30%).Este a su vez de divide en: o DNA codificante (5%). Aquel que codifica para proteínas. o DNA no codificante (95%). No codifica proteínas. Dentro de este tipo de DNA encontramos: Los intrones, secuencias relacionadas con los genes ya que casi todos los genes tienen tanto exones como intrones pero estos últimos son eliminados durante la maduración del mrna. Pseudogenes que son aquellos que aparentemente son genes ya que contienen intrones, exones e incluso un marco de lectura abierto pero que carecen de algo imprescindible para la transcripción del mismo, la región promotora a la que se unen DNA polimerasa y factores de transcripción para dar comienzo al proceso. DNA extragénico que supone el 70%. Antes como no se conocía la función de este DNA se creía que no servía para nada, y se denominaba DNA basura, pero estudios recientes demuestran su importancia como marcador y para el estudio de determinadas enfermedades genéticas. Es DNA repetitivo, que puede serlo en mayor o en menor medida pero que en general es altamente repetitivo. El ADN repetitivo se puede encontrar tanto en el
DNA codificante como en el no codificante pero es mucho más abundante en este último. Quizás el único ejemplo de ADN repetitivo codificante que merece la pena reseñar es el correspondiente al ADN ribosomal, que se concentra en los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos (13, 14, 15, 21 y 22) y está formado por tres genes que dan lugar a los tres ARN ribosomales de 5,8S, de 18S y de 28S. Los tres genes están juntos formando un bloque que mide unas 13 kilobases. Estos bloques se encuentran repetidos unas 50 veces, separados entre sí por un espaciador intergénico que mide unas 30 kilobases. En conjunto, el ADN ribosomal ocupa un tamaño de unas 2 Megabases. En el ADN no-codificante, tanto intragénico (es decir, intrones y otras regiones nocodificantes relacionadas con genes) como extragénico, podemos encontrar diversos tipos de elementos repetidos. En general, se trata de una secuencia de ADN que se repite en el genoma cientos o miles de veces. GEN. Definición. En un principio se utilizaba la definición en la que se dice que el gen es el material genético que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína. Sin embargo recientemente se ha sabido que el DNA codifica para más cosas que no solo proteínas, por lo que la definición que se acepta ahora es la siguiente: Es una secuencia de DNA única que contiene la información para la producción de un producto funcional, sea un polipéptido o una molécula de RNA funcional. Los genes codifican para diferentes productos funcionales y todo esto está estrictamente regulado. Intrones y exones. El número de exones que hay en la especie humana es muy amplio, de media un gen tiene 6 o 7 exones pero también hay genes enormes con unos 60 70 exones. Lo típico de un gen humano son los exones, intrones y las regiones reguladoras. Sin embargo, los genes que codifican histonas no tienen intrones. Estos genes están muy conservados en la evolución, e incluso los genes que las codifican en distintas especies son prácticamente iguales. Este hecho tiene mucha importancia porque son las estructuras en las que empieza el empaquetamiento del DNA. Están tan conservados porque a pesar de que sí que se pueden producir mutaciones, si estas se producen la célula muere y los cambios no se pueden transmitir. Distribución de los genes en los cromosomas.
Hay más genes en las bandas claras de los cromosomas porque los genes, sobre todo los constitutivos, tienen que estar expuestos para poder ser transcritos. El cromosoma que más genes tiene es el 1 mientras que el que menos tiene es el Y. Uno de los cromosomas muy ricos en genes es el 19 a pesar de su pequeño tamaño, es por ello que no podemos encontrar una trisomía de este cromosoma porque no sería viable. La que si se da mucho es la del cromosoma 21 porque es el más pequeño y contiene por tanto pocos genes, si es viable Síndrome de Down. Secuencia de DNA. Por convención la secuencia siempre se anota en la dirección 5-3 de una de las hebras. A la hebra molde se le llama hebra sin sentido y a la hebra que no se copia se le llama con sentido porque va a ser igual que la hebra que se está formando. Con esta dirección nos estamos refiriendo a la del mrna que se está formado es decir, a la de la hebra con sentido. La hebra molde puede ser cualquiera de las dos del DNA, por eso es una forma muy importante de hablar, siempre en dirección 5 3 de la hebra con sentido que no es la molde. Cuando hablemos del extremo 5 de un gen hacemos referencia a las secuencias situadas en el extremo 5 de la hebra con sentido. Las secuencias en dirección 5 se llaman upstream y son secuencias que flanquean el gen en la región 5 de la hebra con sentido. Las secuencias en dirección 3 serían las denominadas downstream o aguas abajo y nos referimos también a la hebra con sentido. Producto final de un gen. El producto final de un gen puede ser una proteína o un RNA. Hay RNA que se encarga de la producción de proteínas como el RNA mensajero que no es un producto final sino que dará lugar a proteínas como producto final. Los otros productos finales que puede dar un gen son el RNA ribosomal y el RNA transferente. El RNA transferente y el ribosomal son muy estables, y sin embargo el mrna es muy inestable y tiene una
vida media muy corta (en algunos casos de 1 minuto) y tiene que estar muy protegido, como de hecho lo está por ejemplo por la cola de polia. Una característica del RNA ribosomal es la localización del gen que lo codifica. Los genes que lo codifican en la especie humana están localizados en los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos humanos (aquellos cromosomas que tienen un brazo mucho más largo que el otro), en el 13, 14, 15, 21, 22. Todos los genes en esta localización codifican RNA ribosomal. Es la única pérdida cromosómica que es compatible con la vida, podemos perder un brazo corto y no pasa nada porque todos codifican para el mismo RNA. Otro de los productos finales es el RNA telomerasa que está implicado en la replicación de los extremos de los cromosomas. Es un proceso normal de envejecimiento celular el hecho de que se vayan acortando los telomeros cada vez más en las divisiones celulares. En las células embrionarias por ejemplo esto no puede pasar. Para ello hay unas proteínas especiales y una enzima que es la telomerasa a la que se acopla un RNA pequeño que es el que forma el molde para que la telomerasa forme los telómeros y así no perdamos nada. Hay muchos más productos funcionales del DNA. Prácticamente todo el DNA relacionado con genes es DNA no codificante y el producto final de muchísimos genes son RNA, tanto RNA cortos, como los RNA largos no codificantes. Los cortos llevan delante una s de short. Hay dos tipos de RNA cortos: snrna (RNA cortos nucleares) que ayudan al proceso de maduración del mrna para eliminar los intrones. Actúan de forma activa, catalítica. scrna (RNA cortos citoplásmicos) son importantes en lo que se refiere a la protección del mrna en el citoplasma para que llegue bien a los ribosomas. Hay otros RNA que estudiaremos por la importancia en las funciones normales del ser humano y también en los procesos de enfermedad. Los RNA interferentes son pequeños (sirna) estos salen al citoplasma se unen a un complejo proteico y se encargan de romper el mrna. Es un mecanismo de regulación de la expresión génica. Los microrna son otro tipo de RNA producto de DNA no codificante que disminuyen la expresión de un gen al unirse a la región.
DNA EXTRAGÉNICO. Es la mayoría del genoma y lo más importantes son los moderada o altamente repetitivos porque representan el 70%. Hay dos tipos de este DNA que son los: Dispersos: significa que ese elemento que está repetido está disperso por todo el genoma. La misma unidad repetitiva está dispersa por todo el genoma. o Largos. Se llaman así porque tienen unas 6 kb. Dentro de estos hay una familia que es muy importante que se llama L1 y en el genoma humano hay unos 100.000 elementos L1 que tiene cada uno unos 6400 pb. LINE. o Cortos. Que son aquellos que tienen menos de 500 pb. Una familia importante de estos es la familia Alu es la más importante en humanos es una secuencia no tan grande, de unos 200-300 pb y está flanqueada en cada extremo por secuencias repetidas de 7 a 20 pb. Son unos 500.000 dispersos por el genoma humano. Se llaman Alu porque hay una secuencia para la endonucleasa de restricción que son enzimas muy importantes que usan las bacterias para luchar contra los fagos. No las tenemos nosotros. Pero tienen una característica muy importante que nos sirven para estudiar el DNA ya que cortan el DNA en secuencias palindrómicas y son muy específicas cada una para una secuencia única. Se llama Alu porque corta esta encima de restricción en él. Las secuencias repetidas flanqueadas son importantes porque es lo que va a permitir la característica de que son transponibles, son elementos que se pueden mover por el genoma. Muchas de las delecciones y mutaciones que se ven en cáncer están en secuencias Alu porque es más fácil que ocurran en estas. Los elementos genéticos transponibles como ya hemos dicho son grupos de unidades genéticas que pueden moverse por el genoma. Si la secuencia
transponible se inserta dentro de un gen darán lugar a variaciones fenotípicas, darán lugar a enfermedades. Hubo un caso clínico de un niño con hemofilia por inserción de un LINE. Tándem: repetición en tándem quiere decir que está localizado en una región de un cromosoma y está repetido seguido. Los elementos transponibles han tenido mucha importancia en la evolución. Los L1 son también retrotransposones, (son los únicos de los que se sabe un poco como se mueven en el genoma) se llaman así porque funcionan como los retrovirus. Son secuencias de DNA que no se suelen transcribir, están regulados sobre todo por fenómenos epigenéticos para que no se transcriban. Pero a veces si se transcriben y dan lugar a RNA pero también parte de la secuencia del L1 da lugar a una enzima retrotranscriptasa. Esta hace que del RNA se forme el cdna (complementario), este ya no tiene intrones y es muy estable. Este cdna es el que luego se integra en un nuevo sitio. Dentro de los elementos en tándem vamos a ver: DNA satélite. El ADN satélite está formado por la repetición de una secuencia de ADN (altamente repetitiva) miles de veces en tandem, es decir unas copias pegadas a otras. Un tipo de ADN satélite muy importante es el ADN alfoide ó Satélite alfa, en el que la secuencia repetida tiene un tamaño de 171 nucleótidos, y que forma parte del ADN de los centrómeros de los cromosomas humanos. No es un marcador. o Secuencias repetitivas de DNA situadas en bloques desde mil a 1 millón de repeticiones. o Es heterocromatina y están localizados en regiones centroméricas. o Son repeticiones y la unidad de repetición es de 171 pb. (bloques de 3 millones de pb) o No se transcriben. Esto hace que podamos identificar los centrómeros y son específicos de la especie humana. Esto hace que podamos identificar los centrómeros y también con estas secuencias podemos diferenciar los centrómeros del resto de cromosomas. DNA minisatélite: son repeticiones en tándem de número variable. El ADN de tipo Minisatélite está formado por secuencias de 6-25 nucleótidos que se repiten en tándem hasta dar un tamaño total entre 100 nucleótidos y 20 kb. Un ejemplo de ADN Minisatélite es la repetición que forma los telómeros de los cromosomas humanos, en los que el hexanucleótido (TTAGGG) se repite miles de veces en tándem dando lugar a bloques de 5-20 kb de tamaño. DNA microsatélite. Estos dos últimos, sobre todo el microsatélite se utilizan como marcadores genéticos. También son repeticiones en tándem de número variable.
Este es importante porque hace referencia a la huella genética, es lo que actualmente se utiliza como marcador genético en medicina forense y en diagnóstico de paternidad. Son unidades muy pequeñas de 2 a 7 pb que se repiten en bloques. Son polimórficos en la población, lo que quiere decir que son variables, no la secuencia sino el número de repeticiones. Varía incluso dentro de la misma persona ya que nosotros tenemos 2 cromosomas de cada número y en cada uno de ellos puede haber distinto número de repeticiones, podríamos tener en uno de los cromosomas 1 6 repeticiones y en el otro 8. El polimorfismo es el número de repeticiones y esto es lo que decimos que es la huella genética. En medicina forense para reconocer a alguien se utilizan muchos microsatélites localizados en diferentes cromosomas, no solamente uno. Estos microsatélites solo nos servirán como marcadores genéticos si hay mucha variabilidad en la población, si en la mayoría el microsatélite es igual, no nos proporciona información. Vamos a estudiar dos casos de diagnóstico de paternidad:
Caso 1: Queremos saber si el hijo número cuatro es hijo de sus padres 1 y 2. Vemos que el padre tiene en el cromosoma 6 (en este caso) dos microsatélites (uno en cada cromosoma) uno de 16 pb y otro de 14 pb. La madre tiene uno de 7 pb y otro de 5 pb. La hermana vemos que sí que es hija de ambos porque sus microsatélites coinciden con los de sus padres, ya que se hereda un cromosoma de cada uno, y por tanto el hijo que está en el mismo caso también es hijo de ambos. Caso 2: En este caso vemos que el individuo número cuatro no presenta el mismo microsatélite que su padre y sí que coincide uno con el de su madre, por lo que según esta prueba sí que es hijo de su madre pero no de su padre. Para poder afirmarlo tendríamos que hacer muchas más pruebas con muchos más
microsatélites, porque puede que se haya producido una mutación en la replicación que dé lugar a esta diferencia. La variación que hay en el genoma humano son los SNP. Los LINE y los SINE también producen variabilidad pero no afectan al genotipo de las personas. Los que tienen importancia funcional son los SNP, pero también puede haber delecciones e inserciones que son variables en los individuos y que sí que afectan al genotipo. Los SNP son variaciones en un nucleótido y hay 10.000.000 de variaciones. Al igual que con los microsatélites, como tenemos dos cromosomas de cada, en cada uno podemos tener un SNP diferente. Por lo tanto, a pesar de que el genoma humano ha rebelado que todos los seres humanos somos idénticos en un 99%, existe variación gracias a: Los SNP. Estos son muy importantes en la mayor o menor predisposición a ciertas enfermedades así como la respuesta a diferentes fármacos. Las inserciones o delecciones de algunos nucleótidos. La inserción o delección de miles de nucleótidos que dan lugar a variaciones estructurales. La duplicación o multiplicación de segmentos de DNA de más de 1000 nucleótidos que se llama copy- number variation. Genoma humano. El genoma humano se divide en mitocondrial y nuclear. Las características principales del genoma mitocondrial es que la herencia es exclusivamente materna y el número de mitocondrias es variable (al azar) en la célula (ya que en la mitosis el reparto de estas no es equitativo). Esto es importante a la hora de comprender enfermedades que tengan su origen en el genoma mitocondrial. El término de heteroplasmia hace referencia a que células no tendrán la mutación en el ADN en todas las las
mitocondrias. Esto no solo ocurre en las células germinales, sino también en somáticas. Al dividirse la célula por mitosis, como ya hemos dicho, el reparto de mitocondrias no será equitativo por lo que dará lugar a células que presenten la mutación mitocondrial en muchas de sus mitocondrias (grave), en pocas (leve) o incluso que lo presente en tan pocas que ni siquiera se manifieste. Hay expresividad variable. Aquí es importante destacar el término umbral que hace referencia a la cantidad mínima mitocondrias mutadas que tiene que tener una célula para presentar la enfermedad. El umbral va a variar dependiendo de muchos factores como por ejemplo el tejido en el que estemos. Otra cosa que tenemos que saber del DNA mitocondrial es que la tasa de mutación de este es 10 veces mayor que el del DNA nuclear por lo que es más frecuente presentar enfermedades de este tipo. Esto es así porque las mutaciones en el DNA mitocondrial no tienen mecanismos de reparación como el DNA nuclear, por lo que todas las mutaciones que se producen se mantienen, no se arreglan. Al igual que en el DNA nuclear, la enfermedad puede ser familiar cuando se da en la estirpe germinal pero también vamos a tener mutaciones en células somáticas y en este caso si hay suficiente número de mitocondrias mutadas dará lugar a una enfermedad esporádica.