genética bioquímica ii definitivo
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Bioquímica IIBioquímica IICuarto BloqueCuarto Bloque
Bioquímica Genética Bioquímica Genética
Jesús F. Torres-Peraza MD PHD
¿Cual es el sustrato bioquímico de la información genética?
Al exponer a las bacterias de la cepa S (patógenas) al medio donde crecían las bacterias de la cepa R (no patógenas) se logró la transformación: Cambio de no patógenas a patógena (de R a S)
OJO: Ese cambio fue permanente y hereditario.
Conclusión: Existen moléculas (Sustancia Transformadora) en la cepa Lisa capaces de portar y transmitir la información hereditaria produciendo la transformación bacteriana
Experimento de Frederic Griffith
(1923)
Conclusión: “La sustancia transformadora”, la molécula que porta y transmite la información hereditaria es el ADN
¿Como se hereda?…..¿Cual es la composición de la sustancia?....¿cual es la estructura?.....¿que tipo de información guarda?
F. Crick
Watson-La molécula está compuesta por
la misma cantidad de A y T, así como de C y G. (relación A:T y C:G igual a 1)-El espacio ocupado por A-T es el mismo ocupado por C-G.
A
T
C
G
T
A C
G
Las bases A-T y las C-G siempre están pareadas.
Fotografía por Difracción de Rayos X del ADN. Tomada por Roselin
Franklin. Real Colegio de Londres. 1953.
DOBLE HÉLICE
Modelo de la doble hélice del ADN realizado en 1953 por los Drs.
Watson y Crick a sus 24 y 36 años de edad respectivamente.
F. Crick
Watson
Premio Nobel en Medicina y Fisiología
de 1962.
Doble hélice de ADNDos cadenas antiparalelas de polinucleótidos formadas por nucleótidos unidos por enlaces fosfodiester y unidas entre ellas por puentes de hidrógeno.
-Cada cadena tiene una columna externa constituida por Desoxiribosa y fosfatos.
-La orientación de las cadenas es antiparalela (3-5 y 5-3).
-Las bases nitrogenadas, unidas al carbono 1 de la Desoxiribosa, se unen en la región interna de la doble hélice mediante puentes de hidrógeno.
-Las cadenas son lineales.
Características: -Diez pares de bases por vuelta (3.4 nm)-Distancia entre bases: 0.34 nm)-El eje de la hélice pasa por los puentes de hidrógeno.-Presencia de SURCOS: Menor (1.2 nm) y Mayor (2.2 nm).-2 puentes de hidrógeno entre A-T y 3 entre C-G. (estabilidad de la cadena)
Bases Nitrogenadas
Purinas:
Adenina y Guanina
Pirimidinas:
Citosina y Timina
Apareamiento de una purina con una pirimidina
El código Genético: Un lenguaje de 4 letras y aproximadamente 20 palabras y miles de párrafos
ADN Proteínas
ADN como portador de la información genética¿Que tipo de información está codificada en el ADN?¿De que manera de traduce esa información?
ADN
Proteína
ARN
Transcripción
Transcripción Reversa
Traducción
Transcripción: Reproducción precisa en forma de ARN de parte del mensaje genético contenido en el ADN.
Transcripción reversa: Formación de ADN a partir de ARN (retrovirus)
Traducción: síntesis de proteínas, con una secuencia específica de aminoácidos, sobre la base del emnsaje genético codificado por el ARN
Replicación: Copia del ADN cromosómico o de ARN progenitor para formar moléculas de ADN o ARN hijas, respectivamente, con secuencias idéntica a la parental
REPLICACIÓN DEL ADN
El código Genético: Un lenguaje de 4 letras y aproximadamente 20 palabras y miles de párrafos para formar un libro.
Libros
Genes
En el caso de las proteínas, se requiere de un intermediario, el ARNm y también se requiere del ARNr y del ARNt para su procesamiento hasta la formación del producto.
Productos génicos: Proteínas y ARN estructurales y catalíticos.
Secuencias de ADN que contienen la información para codificar un producto génico.
Genes
NúcleoGEN
ARNm
ARNm
ProteínaARNr
ARNt
MATRIXADN
Unidades de longitud para la molécula de ADN-Debido a su carácter de doble hélice la longitud del ADN se expresa
en pares de bases (pb).
-1kb: 1000pb
-1Mb: 1000Kb: 1.000.000pb
-1Gb: 1000Mb: 1.000.000Kb: 1.000.000.000 pb
Cada célula humana diploide contiene 46 moléculas de ADN 46Mb, aprox. 5cm
Cada célula contiene 2 mt de ADN aprox.
Cada ser humano tiene 2 billones de células:
Equivale a:
100 vueltas a la tierra
7000viajes a la luna (ida y vuelta, todo incluido!!!)
13 viajes al sol ida y vuelta.
GENOMA HUMANO
Cada individuo posee un GENOMA, aunque se generaliza nombrando al Genoma humano.
La característica fundamental del ADN radica en su secuencia de nucleótidos….es única para cada individuo.
Conociendo la secuencia de bases del ADN conoceremos los genes de cada individuo……su GENOMA.
Sólo los gemelos idénticos comparten genoma. El resto poseen pequeñas variaciones de 1 nucleótido (Polimorfismos de una sola base: SNPs)…….Variación de una enzima en mas del 1% de la población.
Existen 1.4 millones de SNPs…….1 por cada 2Kb de secuencia: Gran variabilidad
James Watson, Abril 2003
Genoma HumanoADN
ADN Mitocondrial (0.0005%)
2 ARNr
22 ARNt
13 Proteína
s
ADN Nuclear (99.9995%)
Génico
Codificante (<5%)
Proteínas
No Codificante
Pseudogenes Fragmentos de genes
Intrones
Extra-Génico
Bajas repeticiones o Copia Única
Medianamente Repetitivo
Altamente Repetitivo
35.000 genes (menos del 5% del genoma nuclear):
23.2%: Control de la expresión, replicación y mantenimiento del genoma.
21.1%: Transducción de señales.
38.2%: Sistemas de transporte, plegamiento de proteínas, elementos estructurales.
17.5%: Funciones bioquímicas generales de la célula
ADN codificante
Gen de la proteína Tripsinógeno
Segmentos de ADN que tienen su correspondencia la secuencia de aa ininterrumpida del tripsinógeno.
EXONES
Los genes son discontínuos:
Poseen EXONES e INTRONES
El tamaño promedio de un gen humano es de 27.000pb, pero basados en el código genético (3pb:1aa) son necesario sólo 1.200pb para codificar una proteína promedio de 400aa. Exones e intrones.
Glu- Glu- Glu- Glu-Glu- Glu-
CAG-CAG-CAG-CAG-CAG-CAGSecuecia de ADN: 6 codones
Secuecia de aa: 6 aa
Esta relación no se cumple
Glu- Glu- Glu- Glu-Glu- Glu-
CAG-CAG-CAG-CCC-CCC-CCC-CAG-CAG-CAG Secuecia de ADN: 9 codones
Secuecia de aa: 6 aa
Exon
Intron
ARNm
Tripsinégeno
Gen (TRY4) del Tripsinógeno 30-40Kb
Pre-ARNm
NúcleoGEN
ARNm
ARNm
Proteína
El procesamiento del ARN puede no ser tan directo: Procesamiento Alternativo (Splicing)
Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 4
Pre-RNA
RNAm 1
Proteína 1
RNAm 2
Proteína 2
RNAm 3
Proteína 3
Genoma HumanoADN
ADN Mitocondrial (0.0005%)
2 ARNr
22 ARNt
13 Proteína
s
ADN Nuclear (99.9995%)
Génico
Codificante (<5%)
Proteínas
No Codificante
Pseudogenes Fragmentos de genes
Intrones
Extra-Génico
Bajas repeticiones o Copia Única
Medianamente Repetitivo
Altamente Repetitivo
ADN Génico NO CODIFICANTE
No expresadoPseudogenes: Son genes afuncionales. Pueden considerarse elementos resultantes de la evolución del genoma (el cual está sufriendo cambios continuamente). Productos de mutaciones.
Fragmentos de Genes: son aquellos genes que han perdido parte de sus extremos.
Genes truncados: Pequeñas regiones aisladas del interior de los genes.
Intrones: Secuencias intragénicas no transcritas…Se encuentran entre los exones, los cuales corresponden a los segmentos del gen que si posee la información que será traducida a proteína.
ADN Nuclear
Génico
Extra-Génico
Bajas repeticiones
o Copia Única
Medianamente Repetitivo
Altamente Repetitivo
Responsable del control de la Expresión
No codificante: Función desconocida
Dispersos TANDEM Satélite: Centrómero
Hasta 171 pb
100kb-MG
SINES
(alu)
LINES
Grupos de Genes: RNAr
Mini Satélite: Telómero
6-24 pb
0.1-20Kb
Micro Satélite: Repartido
1-4 pb
Menor de 150pbSINES: Elementos Nucleares Dispersos CortosLINES: Elementos Nucleares Dispersos Largos
ADN repetitivo….elementos móvilesAproximadamente entre el 60 y el 64% del genoma humano está constituido por regiones intergénicas. Función desconocida..ADN basura?
Medianamente Repetitivo
Dispersos TANDEM
Tipos
Dispersas: Una secuencia específica se repite n veces a lo largo del genoma en forma aparentemente aleatoria. Ejemplo: LINES, SINES, LTRs y Transposones.
-----CATGATTA------/-----CATGATTA------/-----CATGATTA------/------
TANDM o grupos: Secuencias de longitud variable que se repiten en grupo. Ejemplo: ARNr, Microsatélites, minisatélits.
-------CAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAG---------
Elementos Móviles
Estas secuencias son copiadas e insertadas en un nuevo sitio del genoma mediante un proceso denominado “trasnsposición”.Estos elementos siguen transponiendose (generándose) y pueden ser la causa de enfermedades genéticas, mutaciones de novo, variabilidad genética.
1 cada 200 nacimientos
Elementos móviles
SINES “Short interspersed element” (Elementos interdispersos cortos): Fragmentos de ADN cortos repetidos millones de veces en todo el genoma. En el humano, lo SINES tienen entre 100-300pb y se repiten 1.5 millones de veces. Representan aproximadamente el 13% del genoma. Ejemplo: Secuencia ALU.
LINES “Long interspersed element” (Elementos interdispersos largos): Fragmentod de ADN de gran tamaño repetidos miles de veces en todo el genoma. En el humano, lo LINES tienen entre 6.000-8.000pb y se repiten 850.000 de veces. Representan aproximadamente el 21% del genoma.
¿ Cual es la importancia biomédica de las secuencias ALU ?
Importancia biomédica de las secuencias ALU
1.- Evolución.
El fenómeno de TRANSPOSICIÓN juega un rol fundamental en la plasticidad del genoma.
Causa rearreglos cromosómicos, inserciones de ADN, mutaciones por deleciones, etc. ESTE PROCESO CONTRIBUYE A LA EVOLUCIÓN, en el caso de que el rearreglo tenga un efecto POSITIVO sobre el fenotipo.
¿ Cual podría ser el efecto NEGATIVO de la transposición ?
Neurofibromatosis. Aparición de tumoraciones no malignas en el trayecto de los nervios.
Autosómica dominante producida por el gen NF1.
Margaret Wallace y col., (Nature 1991) reportaron la inserción de una secuencia ALU en el gen de NF1, la cual causó la deleción del exón 5 del gen. Esta mutación fue de novo……
Importancia biomédica de las secuencias ALU
2.- Mutaciones
La retrotransposición está ocurriendo actualmente en la línea germinal humana.
Kazazian y col., 1988. Hemofilia de novo
3.-Medicina Forense:
Las secuencias ALU se utilizan para identificar ADN humano.
Importancia biomédica de las secuencias ALU
Medianamente Repetitivo
Dispersos
LINEs SINEs
TANDEM
Tipos
Bicicleta tipo tandem
Los genes de los ARNr (28s, 18s, y 5.8s) están repetidos más de 250 veces. Se encuentran 5 grupos de 50 genes. Están repartidos en los brazos cortos de los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22.
El gen del ARNr 5s está repetido cientos de veces. Se han encontrado tres grupos de más de 100 copias cada uno en el cromosoma 1.
Gran expresión de los ARNr….bajo el bajo control
NOTA: Las secuencias que codifican los diferentes tipos de ARN son genes. Fueron clasificados como “extragénicos” sólo para facilitar la explicación de las secuencias repetitivas del ADN.
TAMAÑO vs COMPLEJIDAD del genoma.
3.200Mb 35.000
12.1Mb
HUMANO
HONGO
Genoma No. de Genes
5.800
Si el tamaño genoma fuese proporcional al No de genes el hongo debería tener sólo 132 genes, sin embargo, tiene 5.800 genes.
El genoma del hongo es más compacto, más denso.
479 76
0.004
Densidad génica
Intrones x Gen
Hongo Mosca
3
3.4DNA repetitivo (%)
12
11
Humano
9
44
El grado de complejidad del organismo es inversamente proporcional al empaquetamiento del genoma.
El genoma del hongo es más compacto, más denso.
¿La molécula de ADN sigue este patrón ordenado para almacenar los diferentes tipos de secuencias?
Genes
LINES
GenesSecuencias de control
SINES
NO
Resumen de las Características Generales del Genoma Humano (Nuclear)
-Sólo un pequeño porcentaje (<5%) codifica para proteínas o ARN estructurales y catalíticos)
-Gran parte del genoma (45%) está formado por elementos móviles: LINES, SINES, Transposones.
-Los genes son grandes y discontinuos. Presencia de Exones e Introenes.
-Existe una proporción importante del genoma que se encarga del control de la expresión del AND codificante. Determinan el tiempo, espacio y magnitud de la expresión.
El genoma no es compacto y es altamente desordenado
Representación esquemática del genoma humano
Secuencias repetidas:
LINES
SINES
Control de la transcripción
Intrones
Genes
Genoma HumanoADN
ADN Mitocondrial (0.0005%)
2 ARNr
22 ARNt
13 Proteína
s
ADN Nuclear (99.9995%)
Génico
Codificante (<5%)
Proteínas
No Codificante
Pseudogenes Fragmentos de genes
Intrones
Extra-Génico
Bajas repeticiones o Copia Única
Medianamente Repetitivo
Altamente Repetitivo
Genoma Mitocondrial
¿ Por qué las mitocondrias tienen su propio genoma?
Hipótesis: Las mitocondrias evolucionaron de células prokariotas que fueron endocitadas por células eukariotas primitivas y se desarrollaron en simbiosis.
¿ Cómo se organiza el genoma mitocondrial ?
Una sola molécula de ADN circular de 16659pb localizada en la matriz mitocondrial.
Cientos de miles de copias por célula.
Productos génicos mitocondriales (37):
-13 proteínas (componentes del sistema de fosforilación oxidativa)
-24 genes para el aparato de síntesis proteica mitocondrial (22 ARNt y 2 ARNr)
ADN
ADN Nuclear ADN Mitocondrial
Nuclear Mitocondrial
Cadena Doble hélice lineal Doble hélice circular
No. de genes 35.000 genes 37 genes
Tamaño 3.200Mb 16.6 kb
ADN codoficante
3-5% 93%
Asociado a proteínas
Si: Histonas, forma cromatina No asociado a proteínas, no forma cromatina
Froma cromosomas
Si. 46 por cada núcleo diploide No. Cada célula tiene múltiples copias de la molécula de ADNmt.
Intrones Si No
Herencia Materna y paterna. Materna
Susceptibilidad
Menos susceptible a Mutaciones
Más susceptible a Mutaciones
Código genético
AUA: IsoleucinaAGA-AGG: ArgininaUGA: STOP.
AUA: MetioninaAGA-AGG: STOP.UGA: Triptófano
% codificante para ARN
5% 65% (24 de 37)
Los componentes proteínicos constituyentes de la cadena oxidativa son 80…pero la mitocondria codifica sólo 13
La mitocondria depende de proteinas codificadas por el genoma nuclear para garantizar sus funciones
La mitocondria no exporta sus productos génicos
El ADNmt tiene mayor susceptibilidad a sufrir mutaciones
-La mitocondria no dispone de sistemas eficientes de reparación.
-El ADNmt no está asociado a proteínas Histonas, por lo que podría estar menos protegido.
-El ADNmt está en la matriz mitocondrial, donde se produce gran cantidad de radicales libres como productos secundarios de la fosforilación oxidativa.LOS POLIMORFISMOS ACUMULADOS EN EL ADNmt SONN HASTA 17
VECES MAYORES QUE AQUELLOS ENCONTRADOS EN EL ADN NUCLEAR
Pero, ¿ cuan importante podría ser la mutación del ADN de una mitocondria, si la célula tiene miles de mitocondrias?
La mutación en el ADN de una mitocondria puede no acarrear modificaciones fenotípicas. Sin embargo, cuando se supera un umbral determinado ( 60% de mitocondrias con la misma mutación) se pueden presentar alteraciones fenotípicas directamente proporcionales al número de mitocondrias mutadas.
Enfermedades producidas por mutaciones en el ADN mitocondrial
Los órganos más afectados son aquellos que necesitan gran consumo de energía: Corazón, cerebro, músculo)
Sólo para el gen del CytB se han descrito 9 mutaciones
MELAS: (miopatía mitocondrial con encefalopatía, acidosis láctica y episodios similares al ictus). Se debe a una disfunción el complejo I de la cadena respiratoria mitocondrial debida a un cambio de bases en el par 3243 de la cadena pesada
MERRF: (epilepsia mioclónica, fibras rojas deshilachadas): se debe sobre todo a una mutación del gen que codifica el t-ARN de la lisina por un cambio de bases en la posición 8344 de la cadena pesada. Este cambio produce una disfunción del complejo V de la cadena respiratoria
NARP (neuropatía, ataxia, retinitis pigmentaria): se debe a una mutación del gen que codifica el complejo V de la cadena respiratoria (ATP-asa 6)
LHON (neuropatía hereditaria de Leber): se debe a multiples mutaciones en los genes que codifican el complejo I (NADH-deshidrogenasa)
Ejemplo de enfermedades producidas por mutaciones en el ADN mitocondrial
Las mutaciones presentes en el ADNmt materno pasan a la prole, mientras que las variaciones del ADNmt paterno no lo hacen.
Ambos sexos se pueden ver afectados por la mutación y expresar el fenotipo, pero se transmite la mutación sólo a través de la madre, es decir, se transmite cuando la madre es portadora de la mutación mediante un fenómeno de HETEROPLASMIA.
CigotoMitocondria
s
Mitocondria
s
Transmisión de las mutaciones mitodcondriales
Ejemplo: Suponiendo que se necesite el 60% de las mitocondrias con la mutación para expresar el fenotipo.
50%
Gameto con 75%
Individuo AFECTADO
Individuo SANO
Gameto con 25%
Dis
trib
ució
n
Hete
rop
lásm
ica
50%
Gameto con 50%
Individuo SANO
Individuo SANO
Dis
trib
ució
n
Hom
oop
lásm
ica
Mitocondria NormalMitocondria Mutada
¿Cómo se organiza físicamente el ADN?El genoma nuclear lo constituyen largas moléculas lineales de
ADN que se localizan en los CROMOSOMAS
Las células diploides tienen 23 pares: 46 cromosomas.
Cada cromátida contiene 1 molécula de ADN de aproximadamente 1.5 a 5cm
NOTA: estos son cromosomas metafásicos o mitóticos.
ADN CromosomaCromatinaCondensación
Cromatina: ADN asociado a proteínas (histonas y no histonas)
El grado de condensación se refiere a la relación enxistente entre la longitud de la molécula de ADN antes y después de sufrir el proceso de condensación.
Ejemplo: el cromosoma 1 mide sólo 5μm pero contiene una molécula de ADN de 5cm (500.000μm) aproximadamente.
5000.000
5= 100.000
El grado de condensación del ADN puede legar a ser de hasta 100.000
Grados de condensación de ADN
- +Primer grado de condensación: El Nucleosoma.
NUCLEOSOMA
Unidad básica elemental de la cromatina y los cromosomas, constituidos por un patrón regular de asociación del ADN con las proteínas Histonas, principal componente proteico del material genético en eucariotas.
Microfotografía electrónica
Nucleosomas
Generalmente se considera el nucleosoma como el segmento de ADN directamente relacionado con el núcleo de histonas
Constituido por 8 histonas y un segmento de ADN de 200pb.
El segmento de 146 pb del ADN da 1.6 vueltas alrededor de un núcleo de Histonas, mientras que las restantes 54pb conectan con el siguiente nucleosoma.
Cociente de Condensación = 6
HISTONAS
Núcleo octaméric
o
Histonas H2A, H2B, H3 y H4 forman el núcleo octamérico de Histonas
Las histonas tienen gran cantidad de Arginina y Lisina (aminoácidos básicos)
Se facilita la interacción con el ADN (acido).
La interacción entre el ADN y el núcleo de histonas no es estática. Puede ser modificada por la MAQUINARIA REMODELADORA DE LA CROMATINAEjemplo: Enzimas Acetilasas y Desacetilasas de histonas: Unen o quitan grupos acetil a aminoácidos como la Lisina.
PERMITE LA INTERACCIÓN CON COMPLEJOS PROTEICOS QUE PARTICIPAN EN LA REPLICACIÓN, REPARACIÓN Y CONTROL DE LA EXPRESIÓN.
Constituido por 8 histonas y un segmento de ADN de 200pb.
El segmento de 146 pb del ADN da 1.6 vueltas alrededor de un núcleo de Histonas, mientras que las restantes 54pb conectan con el siguiente nucleosoma: Segmento conector.
Cociente de Condensación = 6
Grados de condensación de ADN
- +Segundo grado de condensación: EL SELENOIDE.
Selenoide
Nucleosomas
La fibra de 11nm se enrolla en sentido levogiro dando lugar a una estructura más condensada.
Contiene 6 nucleosomas por vuelta.
La HISTONA H1 es necesaria para su formación.
Cociente de condensación:40
LA HISTONA H1 PARTICIPA EN LA FORMACIÓN DEL SELENOIDE
Las colas de las histonas tamién juegan un papel fundamenta: Interaccionan con nucleosomas vecinos (ADN e Histonas)
El grado de compactación del selenoide es variable y determina la accesibilidad al ADN
Tercer grado de condensación del ADN: Cromatina o cromosoma interfásico
Formación de lazos de superenrollamiento del selenoide.
Cada lazo está formado por 50-100 kb.
Generalmente hay un gen en cada lazo.
Grado de condensación: 50.000
Participa una Proteína Nuclear de Andamiaje.
La cromatina en la interfase puede tener grados variables de condensación
Eucromatina:
-Forma menos condensada.
-Mayoritaria en la interfase.
-Contiene genes que se expresan constitutivamente.
-Es accesible a las enzimas ADN y ARN polimerasas, factores de transcripción, etc.
Heterocromatina:
-Forma más condensada.
-Minoritaria en la interfase.
-Constitutiva (centrómero-telómero) vs Facultativa (genes)
Tinción de Klüver-Barrera
Corteza cerebral de rata
Heterocromatina
Eurocromatina
GRADOS DE CONDENSACIÓN DEL ADN
ADN (1)
Nucleosoma (6)
Selenoide (40)
Cromatina o
Cromosoma interfásico
(50.000)
Cromosoma Metafásico (100.000)
4to. Grado de condensación: El CROMOSOMA METAFÁSICOMayor grado de condensación: 100.000 veces.
Elementos básicos estructurales y funcionales de los cromosomas
-Centrómero
-Telómeros
-Orígenes de Replicación
Centrómero: Región del cromosoma mitótico en el cual están unidas las cromátidas hermanas. Está formado por secuencias repetitivas (ADN Satélite) aproximadamente de 171pb repetidas en tandem hasta alcanzar 0.9-1.2Mb. También se conoce como ADN alfoide.
Se asocia a un complejo multiproteico llamado Kinetoforo, el cual permite la propulsión de los cromosomas hacia las células hijas al final de la mitosis.
Telómeros: Región final de los cromosomas. Formado por secuencias de ADN repetitivas dispuestas en TANTEM (ADN minisatélite). Secuencias de TTAGGG (T2AG3) repetidas de 0.1 a 20kb.
-Permite la correcta replicación de las moléculas de ADN.
-Protege el cromosoma de daños producidos por los sistemas de reparación del ADN. Evita ser confundido con una cadena de ADN rota…..ESTABILIDAD DEL ADN.
-Localización de los cromosomas dentro del núcleo.
Orígenes de replicación: Zonas de la molécula de AN donde comienza el proceso de replicación del ADN. Hay varios orígenes de replicaión por cada cromosoma.
ESTABILIDAD DEL GENOMA HUMANO.
MUTACIONESMutación: Alteración de la secuencia del ADN de un individuo que se transmite por herencia a su descendencia
ADN nativo ADN alteradomutación
Todo el genoma es susceptible de sufrir mutaciones
Endógenas Exógenas
Errores de replicación
Errores de recombinación
Reparación inapropiada del ADN
Depurinación de nucleótidos
Deaminación de bases Nitrogenadas
Transposones y Retrotransposones
Agentes químicos
Agentes físicos (radiaciones)
Agenets biológicos
Tipos de Mutaciones
Sustitución de bases
Transiciones y TransversionesSustitución Silentes y no Silentes
Eventos de Conversión Génica (sustitución de múltiples bases)
Inserciones
De uno o pocos nucleótidos
Expansión de tripletes
Grandes inserciones
Deleciones
(Pérdida o eliminación)
De uno o pocos nucleótidos
Grandes Deleciones
Anormalidades cromósómicas
Numéricas
Estructurales
Sustitución de bases
Transiciones y TransversionesSustitución silentes y no silentes
Eventos de Conversión Génica (sustitución de múltiples bases)
Transiciones: Cuando una base púrica (A-G) se sustituye por otra base púrica (A-G) o cuando una base pirimidínica (C-T) se sustituye por otra base pirimidínica (C-T)
Ejemplos:
A G
G A
Purinas
C T
T C
Pirimidinas
Transversión: Cuando una base púrica (A-G) se sustituye por una base pirimidínica (C-T) y viceversa.
Ejemplos: (8 posibilidades)
A T
A C
Purinas
T G
T A
C A
C G
G T
G C
Pirimidinas
Silencionsas: El cambio de un nucleótido del triplete no modifica el amionoácido codificado. También llamadas sinónimas, neutrales o con sentido. Sólo las sustituciones pueden producir mutaciones sinónimas.
AGA AGG
Arginina Arginina
ADN nativo ADN mutado
NOTA: recordar que un aminoácido puede ser codificado por más de un codón. CCC, CCU, CCA y CCG codifican para el aa prolina.
Las sustituciones (además de las deliciones y las inserciones) pueden tener o no efecto sobre el producto génico: Mutaciones Silentes y No silentes.
Amnoácidos Codónes
Treonina
ACAACC Tercera letra dif.ACG
Leucina
CTA La primera letra dif.TTA
Arginina
AGA La primera letra dif.CGA
Posibilidades de Mutaciones SILENTES o SINÓNIMAS
No Silentes: El cambio de un nucleótido del triplete modifica el sentido (amionoácido) o el marco de lectura codificado. También llamadas mutaciones no silenctes, o con sentido falso, alterado o equivocado.
Alteración del sentido: Cambio del aa codificado
GAG GTG
Glutamato Valina
ADN nativo ADN mutado
Hemoglobina normal
Hemoglobina
mutada
Anemia falciforme
El cambio de un solo aminoácido repercute sobre la funcionalidad de la proteína
NOTA: No siempre el cambio de una aminoácido produce alteraciones funcionales de la proteína. MUTACIONS NO SINÓNIMAS CONDICIONADASEjemplo: El cambio de Aspartato por Glutamato, dos aa con gran similitud. Sin embargo las propiedades de la proteína se pueden modificar dependiendo de las condiciones del medio (variaciones del pH y de la Temperatura)
El cambio de un aminoácido en una región no activa de la proteína podría NO alterar su función, regulación ni localización: MUTACIONES NO SINÓNIMAS CONSERVATIVAS.
Las mutaciones no sinónimas o no silentes pueden además CAMBIAR EL MARCO D LECTRUA
Marco de lectura
Recordar que se “lee” de 3 en 3pb
Mutaciones NO SINÓNIMAS sin sentido
Introducción de un codón de inicio, terminación o de empalme inapropiados.
GEN A formado por dos exones y un intrón
Exon 1 Intrón Exon 2
Codón de Inicio
Empalme Empalme Codón de Stop
Mutaciones NO SINÓNIMAS sin sentido
Introducción o eliminación de un codón de inicio, terminación o de empalme inapropiados.
Exon 1 Intrón Exon 2
Codón de Inicio
Codón de terminación
(UAA, UAG, UGA)
Eliminación de las secuencias de
empalme
Proteína acortada, alargada y que expresa un intrón.
TAMBIÉN SE PUEDE PRODUCIR UNA SECUENCIA ABERRANTE: Alteración del marco de lectura
Cambio de O por I
UNI MAS UNO SON DOSUNI
UNO MAS UNO SON DOSGen SUMA
Proteína 1 + 1 = 2
UNI STOP
STOP
+ 1 = 2Proteína Mutada
Nuevo codón de inicio: Mutación sin sentido
Codón de inicio
Inserción de una letra una letra
UUN OMA SUN OSO NDO
Proteína
? ? ? ? ?
UNI STOP
Codón de inicio
Deleción de una letra una letra NO
MASU NOS OND OSS
Proteína ? ? ? ? ?
UNI TOP
Codón de inicio
Alteración del marco de lectura por Deleciones e Inserciones
UNO MAS UNO SON DOSGen SUMA
Proteína 1 + 1 = 2
UNI STOP
No siempre se produce alteración del marco de lectura por deleciones o inserciones
UNO MAS SON DOSGen SUMAmut
Proteína -1 aa
1 + = 2
UNI STOP
UNO MAS SON DOSGen SUMAmut
Proteína + 1 aa 1 + = 2
UNI STOP
Inserción o deleción múltiplo de 3
UNO UNO
1 1
Mecanismos de producción y reparación de las mutaciones
1.-Errores durante la replicación del ADN. 1/109
Siempre se replica en dirección 5 al 3.
No se han encontrado enzimas que sinteticen ADN en sentido 3 al 5.
REPLICACIÓN NORMAL
5
3
5
3
5
3
Replicación del ADNParticipan las siguientes enzimas: (Conducente o continua) Helicasa,
ADN polimerasa o (Retardada) Helicasa, Primasa, ADN polimerasa y Ligasa
Apareamiento normal de bases
¿ Que son las formas TAUTOMÉRIAS ?
Variaciones que sufren las bases nitrogenadas por migraciones de un átomo de hidrógeno hacia una forma más inestable. Las formas tautoméricas formar dupletes con otra base diferente a la que normalmente le corresponde.
Forma Tautoméric
a
Adquiere propiedade
s de
Aparea con
A* (imina) G C
G* (Enol) A T
C* (Imina) T A
T* (Enol) C G
A T
G C
C G
T C
Par normal
A* C
G* T
C* A
T* G
Par Anormal
Se produce una distorción de la doble hélice
Forma enólica de timina
Forma enólica de guanina
Timina
Guanina
Cambio espontáneo y Reversible
1.- Cuando el nucleótido se une por primera vez a la enzima.
2.- Cuando el nucleótido se une al sitio activo.
3.- Cuado el nucleótido se ubica el extremo 3`del polinucleótido que se está sintetizando.
La ADN Polimerasa realiza 3 CORRECCIONES DE PRUEBA (proofreading)
Formas tautomérias
La ADN Polimerasa posee actividad exonucleasa 3 al 5… 3ª Correctora de prueba
Despurinación de Nucleótidos: Implica la ruptura del enlace glucisídico entre la base y la desoxiribosa y la pérdida posterior de un residuo de guanina o adenina del DNA, con la formación de un sitio AP (abásico)
Una célula de mamífero pierde de forma espontánea alrededor de 10.000 purinas de su DNA durante un tiempo de generación de 20 horas a 37ºC.
ES EL DAÑO MÁS FRECUENTE QUE PUDE SUFRIR EL ADN: 10.000 purinas por ciclo celular Producido por ROS, Rayos X y gamma
El problema está si no se repara: Cualquier base se puede aparear. La siguiente replicación originaría la mutación.
El mecanismo de reparación consiste en la Corrección DEL SITIO AP
AP endonucleasa y
Exonucleasa
ADN polimerasa y
ADN Ligasa
ADN con sitio
DESPURINADOMecanismos de Reparación:
Excisión de Base
El sitio AP es reconocido por la AP edonucleasa
Desaminación de bases. Pérdida de un grupo amino de las bases nitrogenadas. Causadas también por ROS
Desaminación de bases. Apareamiento anormal de las bases desaminadas
Base Normal
Base Desamina
da
Aparea con
A Inosina C
G Xantina T
C U A
5-metil C Timina A
TNo se
desamia
C
G
U
G
U
A
C
G
T
AC T
Mutación
A
T
I
T
I
C
A
T
G
C
G
C
X
C
X
T
G
C
A
T
A G
G A
Mutación
Mutación
Algunas bases C están metilados: 5-metil-Citosina. Los nucleótidos 5-metil citosina desaminados (Timina) NO SON RECONOCIDOS COMO ANORMALES ya que la timina es estructuralmente normal
Cada Nucleótido Desaminado es reconocido un enzima GLUCOSIDASA específica, la cual lo reconoce y lo escinde
Normal Desaminada Enzima
A InosinaInosina ADN Glucosidasa
G XantinaXantina ADNGlucosidasa
C UraciloUracilo ADN Glucosidasa
5-metil C Timina No tiene
Mecanismo de reparación de la Desaminación: Excisión de base. Participan las enzimas Glicosidasas de ADN
Rompen el enlace glicosídico generando una desoxiribosaabásica
C
El mecanismo consiste en producir un Stio AP: Excición de bases.
¿ En que consiste el mecanismo ?
Creación y reparación de un sitio abásico
AP endonucleasa y
Exonucleasa
Uracil ADN Glicosidasa
ADN polimerasa y
ADN Ligasa
Base DEPURINADA
Base DESAMINADA
Rep
ara
ció
n d
el sit
io
ab
ásic
o
Excis
ión
de B
ase
Rep
ara
ció
n d
e la
Desam
inació
n
La AP endonucleasa reconoce los sitios AP
Pro
du
cció
n d
el
sit
io a
básic
o
Los sitios AP pueden ser producto de la Enzima reparadora o pueden ser por agentes dañinos
Corrige bases Desaminadas
Uracil ADN Glicosidasa
Las enzimas Glicosidasas son muy específicas: Para Uracilo, Xantina, Hipoxantina.
NOTA IMPORTANTE:
Si el ADN tuviese Uracilo en vez de Timina NO SE PODRÍAN CORREGIR LAS DESAMINACIONES DE CITOCINA
Recordar que Citocina desaminada = Uracilo
Los nucleótidos 5–Metil Citocina se desaminan a 5–Metil Uracilo, pero estos no son reconocidos por la glicosidasa. Potencial peligro de mutación en secuencias donde esté metilada la citocina
Mecanismo de reparación: EXCISIÓN
DE NUCLEÓTIDOS
Dímeros de Pirimidinas
Producidos por LUV
Bases Oxidadas
Poducidas por ROSEndonucleasa
Helicasa
ADN polimerasa y
ADN Ligasa
Agentes alquilantes
Reversión directa del daño
Eliminación de residuo unido mediante la unón covalente a la enzima reparadoraM
E C
A N
I S
M O
D
E
R E
P A
R A
C I
Ó
N
D
A
Ñ O
A
L
A D
N
Agente alquilante
Nucleótidos Modificados Covalentemente
Transferasas: Enzimas muy específicas para cada molécula y nucleótido
CH3
+Enzima
+Enzima
CH3
ADN
ADN
Metil-Guanina Metil transferasa
La enzima no se recicla
ROS
Rayos X
Rayos Gamma
Excición de Bases
ROS
Rayos X
Rayos Gamma
Despurinación
(esto ya es un sitio abásico)
Excición de Bases
Producción del Sitio AP
Corrección del Sitio AP
M E
C A
N I
S M
O
D E
R
E P
A R
A C
I Ó
N
D
A Ñ
O
A L
A
D
N
Producción del Sitio abásico
Desaminación
LUV
Dímeros de Pirimidinas
Excición de Nucleótido
Eliminación de la Secuencia mutada
Síntesis de la Secuencia mutada
M E
C A
N I
S M
O
D E
R
E P
A R
A C
I Ó
N
D
A Ñ
O
A L
A
D
N
Agente alquilante
Nucleótidos Modificados Covalentemente
Corrección Directa
Agente alquilante
Corrección Directa
Agente alquilante Los sistemas
anteriores están diseñados para reconocer BASES ALTERADAS ESTRUCTURALMENTE.
Son incapaces de reconocer errores del apareamiento ya que son bases sin anormalidades estructurales
Corrección Directa
Transerencia del grupo quimico a la Transferasa
Reparación de las bases mal apareadas
La primera dificultad está en reconocer cual de las dos hebras es la parental, es decir la ORIGINAL.
Si se reconoce la hebra hija como parental la mutación perdurara
Sólo debe repararse la hebra hija
M
M
M
MM
¿ Como reconocer la hebra parental de la hebra hija ?
M M
M MM
La metilación de ADN se realiza en secuencias específicas CATG
C A T G
G T A C
M
M
G T A C
M
C A T G
M
G T A C
C A T G
Enzima: Hemimetilasa de ADN
La metilación de la hebra hija es retardada, por lo que se puede diferenciar por pocos minutos la hebra hija de la parental
M
M
El proceso de reparación de la bases mal apareadas lo inician las proteínas MutS y MutL
M M
M MS
L
M MS
L
Mal apareaiento
Actividad Endonucleasa
1
2
3
M M
Bases mal apareadas (continuación)
MM
Helicasa
Exonucleasa
ADN Polimerasa + ADN Ligasa
MM
Segmento reparado y metilado
4
5
6
M M
Otras sustancias que causan daños al ADN
5-Bromuro de Uracilo: similar a la timina pero con un átomo de Bromo. Se aparea con Guanina. Produce transiciones de T-C.
T
A
BU
A
G
A
T
ABU
BU
C
G
Tipos de Mutaciones
Sustitución de bases
Transiciones y TransversionesSustitución Silentes y no Silentes
Eventos de Conversión Génica (sustitución de múltiples bases)
Inserciones
De uno o pocos nucleótidos
Expansión de tripletes
Grandes inserciones
Deleciones
(Pérdida o eliminación)
De uno o pocos nucleótidos
Grandes Deleciones
Anormalidades cromósómicas
Numéricas
Estructurales
5
3
5
3
5
3
Deslizamiento de la ADN Polimerasa durante la Replicación del ADN
Inserción-Deleción en secuencias repetitivas
Lazo en hebra hija
Inserción
Lazo en hebra molde
Deleción
Replicación Replicació
n
El deslizamient
o puede ocurrir tanto en la hebra molde como
la hebra nueva
Las secuencias microsatélites y pequeñas secuencias en tandem son puntos calientes para deleciones e
insercions.
GCC ATT TTT GGC CTT
GCC ATT TT G GCC TT
Deleción de un T en el gen CFTR
Fibrosis Quística
GAT TCT TAT CTT ATG ACCXerodermia Pigmentosa
GAT TCT TAT G ACC
Deleción de la secuencia CTTAT del gen XPAC, no múltiplo de 3
CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG
GTC GTC GTC GTC GTC GTC GTC GTC
n: 8
n: 8
5 3
3 5
Expansión de Tripletes CAG
El loop se estabiliza hasta la siguiente replicación produciendo: Inserciones de 3 tripletes CAG
CAG CAG CAG
CA
G
CA
G
GTC GTC GTC GTC GTC GTC GTC
CAG
CAG CAG
El desplazamiento de la ADN Polimerasa forma un loop (lazo) de la hebra hija y luego continúa la síntesis de ADN
5 3Polimerasa
n: 11
n: 8
Deslizamiento de la hebra hija
New_htt.avi
Normal Huntington
Degeneración selectiva de las neuronas estriatales de proyección
Por encima de 37 repeticiones CAG en el gen de la proteína Huntingtina se produce la Enfermedad de Huntington
Enfermedad de Huntington
CAGNormal
CAG-CAG-CAGMutada
Las secuencias de repeticiones CAG son muy inestables
A partir de un umbral de repeticiones se producirá la
expansión o deleción de tripletes
Los gametos presentan casi en el 100% alteraciones con
respecto a las células germinales progenitora
En la enfermedad de Huntington ocurre expansión de tripletes de Padre a Hijo, mientras que de
Madre a hijo es menos frecuente, e incluso puede ocurrir acortamiento del segmento CAG
Recombinación General u Homóloga
Intercambio de material genético entre un par de secuencias homólogas de manera recíproca.
Pueden ser cromátidas hermanas (replicas de la misma molécula de ADN) o cromosomas homólogos (Dos cadenas de ADN: materna y paterna)
Ejemplo de recombinación homóloga
Ambas cadenas de ADN fueron modificadas
Recombinación y Conversión GénicaEjemplo de Recombinación Homóloga
Ambas moléculas son donante y receptor ya que ocurre un intercambio recíprocoLas secuencias donde se forma el quiasma cromosómico han de poseer gran similitud
Quiasma
La secuencia de ADN donde se unen ambas moléculas se denomina HETERODUPLEX
Segmento con una hebra materna y la
complementaria paterna o viceversa
Ruptura de la doble hélice
Endonucleasa 5`limitada
Apareamiento del cromosoma roto con el intacto
Síntesis de AN
Apareamiento
Resolución por corte y unión
Formación del heteroduplex (Sinapsis génica). Comienza produciendo una ruptura de la doble hélice. RecA
Síntesis de AN
Apareamiento
Resolución por corte y unión
Unión de Holliday
Modelo de Holliday de recombinación homóloga
La recombinación puede acarrear mutaciones si ocurre en secuencias génicas: recombinación alélica o intragénica: Produce genes de fusión los cuales pueden ser afuncionales
También puede producir deleciones e inserciones
Puede además ocurrir erroneamente entre dos cromosomas no homólogos: RECOMBINACIÓN HETERÓLOGA
Recombinación homóloga desigual: entre dos cromosomas homólogos
Recombinación homóloga desigual: entre dos cromátidas hermanas
Punto de partida: Alineación incorrecta de las cadenas de ADN involucradas en la recombinación
Aunque el fenómeno de Recombinación puede producir mutaciones (deleciones e inserciones) participa además en procesos fisiológicos:
-Aumento de la variabilidad genética (Al final de la meiosis cada cromosoma posee genes paternos y maternos)
-Corrección de la ruptura de las hebras de ADN
-Corrección de daños durante la replicación (Interrupciones de la ADN Polimerasa)
Reparación de la ruptura de la DOBLE cadena de ADN
Secuencia perdida
Molde del cromosoma homólogo
Exonucleasa
Ligasa
Unión por extremos no homóloos
ATM detecta la doble ruptura y activa la maquinaria de RH
Unión por extremos homólogos
-Corrección de daños durante la replicación (Interrupciones de la ADN Polimerasa)
Reparación Recombinatoria de la Replicación
Ambas cadenas de ADN fueron modificadas
La Conversión Génica es el proceso mediante el cual se transfiere una determinada secuencia desde un locus/alelo donante a una locus/alelo aceptor por un mecanismo parecido al de la recombinación, de manera no recíproca.
Recombinación
Conversión Génica
Sólo la cadena de ADN aceptora fue modificada
En la Reconversión Génica también se forma un heteroduplex, sólo que las secuencias no son totalmente idénticas (a diferencia de la RH)
Es Necesario el empleo de un mecanismo de reparación del mal apareamiento para que ocurra la conversión.
Célula con un par de cromosomas homólogos
Recombinación homóloga
Zona de reconversión génica
La Conversión Génica rompe con las reglas de la segregación
50% 50%
Alelo Pat. Alelo Mat.
Célula con un par de cromosomas homólogos
Recombinación homóloga
Zona de reconversión génica
La Conversión Génica rompe con las reglas de la segregación
100%
Alelo Pat. Alelo Mat.
Reconversión
Conversión inter-alélica
Conversión Génica
Sólo la cadena de ADN aceptora fue modificada
Conversión Génica como origen de mutaciones
Conversión inter-locus
Conversión Génica
Transferencia de una secuencia de un locus a otro, por mal apareamiento entre cromátidas hermanos o no hermanas
Conversión Génica como origen de mutaciones
Donante: Pseudogen CYP21A
Hiperplasia Suprarenal congénicta: Deficiencia de la enzima Esteroide 21 hidroxilasa
Aceptor: Gen CYP21B
Transferencia de una secuencia del pseudogen CYP21A hacia el Gen CYP21B. Esto ocurre de un locus a otro, por mal apareamiento (Recombinación desigual) entre cromátidas hermanos o no hermanas
Tanto el CPY12A como el CPY21B están flanqueados por secuencias repetidas en Tandem, lo cual facilita el apareamiento entre las cromátidas hermanas o no hermanas
Conversión génica
Mecanismo de Corrección SOS
Mecanismo capaz de continuar la replicación incluso cuando la hebra molde tiene anormalidades las cuales en condiciones normales boquearían el proceso de replicación (sitios abásicos, dímeros de timidina).
Utilizado cuando el daño del ADN es muy grande y la célula no tiene ninguna
alternativa
Dado que la hebra molde no es normal y hay gran probabilidad de producir errores
Este sistema normalmente está Silenciado o reprimido por la expresión continua del Represor LexA, el cual
controla la expresión de las polimerasas de la respuesta SOS
Existen proteínas que responden a situaciones de stress celular (calor, agentes ROS) y activan los mecanismos SOS….la ATM y
la p53
Respuesta de la p53: Guardiana del genoma
Mecanismos:
-Modulación del ciclo celular (puntos de chequeo).
-Activación los mecanismos de reparación.
-Inducción de la apoptosis (si el daño es irreprable)
Otros problemas relacionados a la Replicación: CORTAMIENTO TELOÉRICO DE LAS MOLÉCULAS DE
ADN
Durante la replicación se emplean Primers de ARN
3`5`
ARN
3`5`
Primasa
Esto ocurre en los 2 extremos del cromosoma
Acortamiento de la molécula de ADN produciendo un segmento 3`libre
La horquilla de replicación crece en dos sentidos
5
3
3
3
3
Origen de replicación
5
5
5
55
55Los extremos
3`están desapareado
s
Primer de ARN de la hebra retardada
El acortamiento se debe a que el final de los cromosomas lineales no hay espacio para el primer de ARN del último
fragmento de Okazaki
5
53
3
3
3
3
Acortamiento de los telómeros con cada replicación
TTAGGG
Al llegar al punto crítico la célula muere por activación de la P53……..Apoptosis
¿ Como evita la célula el acortamiento excesivo de los cromosomas?
TELOMERASA
Ribonucleoproteína (Enzima ADN Polimerasa dependiente de ARN)
Encargada del alargamiento de los telómeros….en los segmentos 3`desapareados. Esta segmento es rico en “G”. TTAGGG
3`
5`3`
5` TTAGGG TTAGGG TTAGGG
AATCCC AATCCC
3`
5`
Tiene actividad de Transcriptasa Reversa: Sintetiza ADN basado en una secuencia de ARN. La secuencia de ARN es complementaria a la de los segmentos desapareados. Secuencia del ARN: AAUCCC
Mecanismo de acción de la Telomerasa
1- Unión del ARN de la enzima (molde) a parte de la secuencia terminal rica en G)
2.- Alargamiento del extremo 3`del ADN
3.- Translocación de la enzima: Se mueve hacia el nuevo extremo 3`sintetizado
Síntesis de ADN en el extremo 3`utilizando un molde de ARN (AAUCCC)
13
2
Mecanismo de acción de la Telomerasa
Secuencia nueva (alargamiento del 3`)
La activación de la telomerasa permite a las células germinales y troncales (células madre) “no envejezcan” y se multipliquen indefinidamente. Ejemplo: Células madre
hematopoyéticas.¿ En cual caso una célula somática presenta actividad de la
Telomerasa ?
El organismo ha de garantizar la presencia de células madre durante toda la vida. “No envejecen”
Auto-renovación
Las células tumorales “no envejecen”. También presentan la Telomerasa activada.
La activación de la p53 dependiente de los telómeros no se da en las células tumorales ni las células madre ya que los telómeros se mantienen largos.
Potenciales dianas para las patologías neoplásicas: Cáncer.
Potenciales dianas para la inmortalización de líneas celulares.
¿ Por qué escapan del envejecimiento las células que
presentan la telomerasa activa ?
Estructura y función de los telómeros
-Las zonas cercanas a los telómeros no se transcriben: Silenciamiento génico (sólo organismos inferiores)
-Estabilización del ADN. Evita que el parte final de una molécula de ADN sea identificada como una ruptura de la doble hebra.-Mantiene los cromosomas en el núcleo
Formación del Lazo-T:Triple hebra de ADN
Asociaión con proteínas no histonas TRF 1 y 2
Formación de la caperuza protectora
Gen: Secuencia de ADN que contiene la información capaz de cofidificar un producto génico.
Productos Génicos
Proteínas
ARNARNr
ARNt
ARNi
Genes tipo1 y tipo 3: Transcritos por la ARN polimerasa I y III respectivamente. ARNr y ARNt
Genes tipo2: Transcritos por la ARN polimerasa II. ARNm para todas las proteínas y para las RNP particiapantes en el splicing (snRNP).
Mecanismos de control de la expresión génica
La expresión génica se controla cualitativa y cuantitativamente
Estas dos células poseen la misma información genética.
¿ Que hace la diferencia ?
La expresión génica es diferencial y/o específica, temporo-espacialmente
Mecanismos de control de la expresión génica
Control transcripcional
Control del procesamiento del ARNControl del transporte y localización del ARN
Control de la traducción
Control de la estabilidad y degradación del ARN
Control de la actividad de la proteína
Control transcripcional
Hebra 5`-3`:
Tiene sentido (codifica)
No se traduce por la ARN polimerasa
Hebra 3`-5`:
Antisentido (no codifica)
Se traduce por la ARN polimerasa
CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG Hebra 5`-3`:GTC GTC GTC GTC GTC GTC GTC GTC GTC Hebra 3`-5`:ARN polim
CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG ARNm
Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Proteína
Además de las secuencias codificantes existen secuencias no codificantes que modulan la expresión……ELEMENTOS EN
CIS
Promotores: Combinación de secuencias de ADN localizadas “río arriba” (hacia el extremo 5`) inmediatamente al gen (200pb)
Componentes del Promotor: Región Proximal, Región central y Región Distal del Promotor
Core o elemento central del Promotor: dirige el complejo basal de transcripcón. Si no están presentes elementos reguladores, permite la expresión constitutiva del gen.
Secuencias o elementos proximales: Modulan la transcripción basal. Pueden ser POTENCIADORES o SILENCIADORES (modulan la expresión basal iniciada por la región central)
Secuencias o elementos distales: aprox. 1Kb. Modulan la transcripción basal en respuesta a estímulos externos.
gen
+1 +50-50-200-1000
Core o elem.
Central
Elem. proximal
Elem. Distal o de respuesta
Potenciadores o
Silenciadores
1.-Ensamblaje de la ARNpolimerasa con sus
mediadores
2.-Atracción/repulsión, Unión, Modificación
(activación/desactivación) y
Posicionamiento en el promotor
Cada uno de estos elementos permite la interacción del
ADN con proteínas que modifican o
regulan la actividad del maquinaria transcripcional
Silenciadores: Disminuyen
Potenciadores:Aumentan
1.- Unión de TBP (proteína activara) a la caja TATA.
2.- Unión del FT TAF II y la ARN polimerasa al core del promotor (INR).
3.- Inicio del proceso transcripcional
Modulación de la maquinaria transcripcional por los elementos del
promotor
Remodelación de la cromatina por parte de la
maquinaria transcripcional
La maquinaria transcripcional es capaz de modificar la posición de
los nucleosomas y el grado de Metilación del ADN y de
Acetilación de las histonas: Algunos factores de transcripción
se asocian con Acetilasas o desacetilasas de histonas
Cerrada: Inactiva
Abierta:
Activa
Activa: Acetilada y desmetilada
Inactiva: Desacetilada y metilada
El grado de metilación del ADN y de acetilación de las histonas es uno de los principales mecanismos de
control de la expresión génica
Control epigenétic
o
Algunos patrones de metilación se
heredan
IMPRONTA
Genes con impronta paterna
Durante la gametogénesis
masculina el gen con impronta
paterna es metilado
El alelo paterno será silenciado, no se expresa, está
IMPRONTADO
Genes con impronta materna
Durante la gametogénesis femenina el gen
con impronta materna es
metilado
El alelo materno será silenciado, no se expresa, está
IMPRONTADO
Hacer un diagrama del “pedigree”de una gen con impronta materna y uno con
impronta paterna
1.- Unión de TBP (proteína activara) a la caja TATA.
2.- Unión del FT TAF II y la ARN polimerasa al core del promotor (INR).
3.- Inicio del proceso transcripcional
Factores de transcripción básicos
gen
+1 +50-50-200-1000
Core o elem.
Central
Elem. proximal
Elem. Distal o de respuesta
Potenciadores o
Silenciadores
1.-Ensamblaje de la ARNpolim sus mediadores
2.-Atracción/repulsión, Unión, Modificación
(activación/desactivación) y
Posicionamiento en el promotor
Cada uno de estos elementos permite la interacción del
ADN con proteínas que modifican o
regulan la actividad del maquinaria transcripcional
Silenciadores: Disminuyen
Potenciadores:Aumentan
Factores de transcripción basales: todos los genes (constitutivos e inducibles)
Factores de transcripción regulables: Genes inducibles.
Factores de transcripción para genes regulables
Responden a estímulos externos (hormonas hidrofílicas, hormonas hidrofóbicas, neurotransmisores)
Clasificación Estructural
Cierre de Leucina
Dedos de Zinc
Hélice-giro-hélice
Hélice-lazo-hélice
CREB (CRE-binding protein)
Factor de transcripción expresado constitutivamente, el cual controla los genes regulados por el elemento de respuesta CRE. Tipo: cierre de leucina.
CRE: Ciclic-AMP Response Element
PI3K/AKT PKA P38 MAPK CaMKII
CREB
AP-1
Factor de transcripción de tipo cierre de leucina
Se une al elemento de Respuesta TRE
Dependiente de la PKC
AP-1 está formado por el dímero FOS/JUN. FOS y JUN son genes inducibles dependientes de PKC
PKC
CREB P-CREB
FOS/JUN
Fos/Jun gen
FOS/JUN
Genes de respuesta lenta
Tiroxina Hidroxilasa
NR1, GluR2, D2, Neurofilamentos
Factores de transcripción activados por ligandos
Ligandos
Esteroideos
No Esteroideos
Corticoides
Andrógenos
Estrógenos-Progesterona.
Hormona TiroideaVit. D
Ac. Retinoico
Estructura: Dedos de Zinc. Homodímeros.
Corresponde a receptores intracelulares (citoplasmáticos o nucleares) con propiedades de factor de transcripción.
Núcleo
Recep Esteriode
o
Factores de Transcripción activados por Esteroides
Recep Esteriode
o
HSP70
HSP90
Inactivo
EST
EST
ESTActivo
Mecanismo de acción anti-inflamatorio de los esteroides.
Inducción de la expresión de un inhibidor del NFKβ (un factor de transcripción de genes pro-inflamatorios)
Esteroide
Receptor de
EsteroideIKβ2
Promotor del gen del IKβ2
NFKβ (gen pro-inflamatorio)
Núcleo
Factores de Transcripción activados por ligandos no Esteroideos
Recep Hor.Tiroide
a
H.TActivo
(heterodímero)
H.T
Recep Hor.Tiroide
a
Recep Hor.Tiroide
a
Inactivo (monómero
)
H. Tiroidea
Ac. Retinoco
Procesamiento del ARN primario o nuclear: Maduración del ARN
PoliA polimersa
5`guanosil transferasa +S-adenosil metionina
metil transferasa
Las modificaciones 5` 3`del ARN tienen como objetivo
Estabilidad de ARN (impide la acción de ARNasas)
Facilitan el transporte nuclear
Facilitan la traducción
Splicing de intrones
Eliminación de lo intrones empleando los PUNTOS DE AJUSTE
5`: G-ppp-X X X X AG GUAAGU CAG G X X X X A A A A A A A
Modificaciones post-transcripcionales del ARN
Formación de la caperuza y la cola PoliA
Splicing de intrones
Edición del ARN
Splicing de intrones
Eliminación de lo intrones empleando los PUNTOS DE AJUSTE
5`: G-ppp-X X X X AG GUAAGU A CAG G X X X X A A A A A A A
5`: G-ppp-X X X X AG G X X X X A A A A A A A- 3`
Pre-ARN o ARN
núclearARN
maduro
Doble ataque nucleofílico catalizado por snRNP
Short nuclear Ribonucleoproteins
Splicing alternativo
Permite generar diferentes proteínas a partir de un único gen
Isoformas de una proteína
Especificidad de tejido, célula y/o momento
El splicing puede ser modulado
Activado
Desactivado
El procesamiento del ARN puede no ser tan directo: Procesamiento Alternativo (Splicing)
Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 4
Pre-RNA
RNAm 1
Proteína 1
RNAm 2
Proteína 2
RNAm 3
Proteína 3
Edición del ARN inmaduro
Inserción
Deleción
Sustitución
De nucleótidos del ARN
Se modifica la secuencia de nucleótidos del pre-ARN: Cambio de aa, modificación de sitios de ajuste,
modif. de sitio de poliadenilación, cambio del marco de lectura
Ejemplo de sustituciones
Adenima Inosina
Citocina Uracilo
Uracilo Citocina
GluR2: Cambio de 1 aa. Cambio de la permeabilidad al
Calcio Apolipoproteína: Aparición de una secuencia de terminación
prematura
La edición del ARN de la subnidad GluR2 (GluR-B) de los receptores AMPA modula la permeabilidad
selectiva al Calcio
Al igual que el splicing, la EDICIÓN del ARN permite que el proteoma sea más complejo que el genoma.
Especificidad temporo-espacial (El % de ARN editado difiere de célula a célula)
Control de la localización del ARN
Transporte directo hacia el sitio específico: Necesita la asociación a proteínas citosólicas (citoesqueleto)
Transporte por difusión aleatoria: Necesita proteínas que lo estabilicen y lo protejan de ARNasas. Las proteínas Chaperonas
o protectoras estarán ubicadas en el sitio específico de traducción
Regulación de la expresión mediante Proteínas que se unen a las regiones URL
URL: Un-Translated Región
IRE: Iron response element
La activación de la Aconitasa (dependiente de
hierro) inhibe la traducción del ARNm
Modulación la traducción y/o la estabilidad del ARN
En auscencia del complejo Aconitasa-hierro se favorece la traducción del ARNm
Ferritina Ferritina
IRE-BP inactiva (Mucho hierro:
Represor inactivo)
IRE-BP activa (bajo hierro:
Represor Activo)
Se ha demostrado que los niveles de hierro modulan la expresión de ferritina sin modificar la síntesis de su ARNm.
Estabilidad de ARN
odos los ARNm citoplasmáticos son susceptibles de ser degradados por diferentes mecanismos
Desadenilación
ARN antisentido
ARN de interferencia
Ribozimas
Mecanismos de
degradación del ARN
Modulación por elementos de respuesta
Desadenilación
30
75
Mecanismo: Remoción secuencial de la cola poliA y de la Caperuza 5`
Cuando se alcanza el
umbral de 30 A, el ARNm
se hace susceptible a ARNasas
IRE-BP inactiva (poco hierro:
Protector inactivo)
La activación de la Aconitasa (dependiente de hierro) protege el ARNm de la degradación, lo
que favorece su expresión
En auscencia del complejo Aconitasa-hierro se favorece la degradación del ARNm, lo que
disminuye su expresión
Receptor de
Transferrina
IRE-BP activa (mucho hierro:
Protector activo)
La estabilidad del ARNm puede ser modificada por señales extracelulares, a través de elementos de
respuesta
NOTA: El complejo Aconitasa-hierro representa el ejemplo típico de mecanismo post-transcripcional control de la expresión génica en respuesta a estímulos externos
(concentración de hierro)
Es interesante recordar que los niveles de Hierro modulan la expresión de la Ferritina y del receptor de Transferrina por
mecanismos diferentes
Hierro
+ Recp. Transferrina (por disminución de la degradacion del ARNm)
- Ferritina (por inh. de traducción del ARNm)
RibozimasMolécula de ARN cuya secuencia y estructura le confiere actividad catalítica o autocatalítica. Ejm.: Permite degradar otras moléculas de ARN
ANR antisentido
ARN monocateriano que se une por complementareidad al ARNm diana e impide su traducción por la maquinaria de síntesis proteica
ARN de interferencia (ARNi)
Mecanismo de silenciamiento génico que reconoce cadenas de ARN bicateriano.
Mecanismo de defensa contra cadenas de ARN exógenas o dañinas (ARN viral y/o retrotransposones).
A diferencia del mecanismo del ARN antisentido, en el mecanismo de silenciamiento por ARNi participan enzimas específicas: DICER y el complejo RISC-Argonauta
ARN largo de doble cadena (dsRNA)
ARN corto de doble cadena
(siRNA) o micro (miRNA)
DICER
ARN antisentido corto de cadena simple
RISC+ Argonauta (degrada la hebra sentido)
Unión por complementareidad al ARNm diana
ARNm diana cortado en pequeños segmentos
21-23 pb
Premio Nobel de 2006 por el descubrimiento del silenciamiento génico mediado por ARN de doble cadena.
Andrew Fire Craig Mello
ARN antisentido
ARN de interferencia
Modificaciones post-Traduccionales
Ruptura proteolítica
Glicosilación
Fosforilaión
Acilación
Oxido-Reducción
Splicing de proteínas (inteínas)
Degradación
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