Organización de genomas eucariontes – El genoma humano 2011

Genoma: complemento génico total de un organismo procarionte o eucarionte, el total de DNA que estos poseen (codificantes y no codificantes). Hablamos del DNA total, no solo de sus genes. Además del genoma del nucleo, incluimos el extranuclear: mitocondrias y cloroplastos. Es importante porque hay genes en las mitocondrias que son causantes de enfermedades.

Características del genoma nuclear humano:- Tamaño haploide: 3 x 10^9 de pares de bases nucleotídicas- Nº de genes codificantes (genes encargados de la información de una proteína o un RNA) estimados: 25000.- Tamaño promedio de genes conocidos: 27000 pb (alta variación). ¿de qué depende esta variación en el tamaño

de los genes? De los intrones sobretodo.- DNA codificante representa menos del 2% del DNA total. Así mismo, más del 98% del DNA total corresponde a

DNA no codificante. Este está formado principalmente por distintos tipos de secuencias de DNA repetidas.

Respecto al tamaño del genoma, si miramos a lo largo de la escala evolutiva, desde los más primitivos (bacterias a arqueas) hasta mamíferos, vemos que el hombre tiene alrededor de 109 pares de bases. Pero llama la atención que protistas como las amebas (unicelular) tenga muchas más pares de bases. En términos de complejidad, uno pensaría que el genoma de un mamífero seria mayor, pensando complejidad como numero de proteínas distintas.

Comparemos una levadura, que tiene un genoma pequeño; una mosca, con un genoma bastante mayor, y un mamífero como el hombre. El número total de genes va en aumento desde la levadura al humano, lo mismo pasa en el tamaño genómico. Sin embargo, la densidad en la levadura es mayor; sus genes están más cercas unos de otros, que en el humano. También el numero de intrones por gen es menor en la levadura que en los otros dos. También, el porcentaje de genoma no codificante en el hombre es mayor que en los otros seres vivos.

¿Cómo se estructura el genoma?Va siguiendo el ciclo celular, el que se repite constantemente. Nosotros podemos observar el genoma en interfase, o en los cromosomas mitóticos. En un núcleo, tenemos cromatina condensada y no condensada. La condensada está más cerca de la membrana nuclear. Cuando tiene que transcribir, la cromatina se descondensa y se interna hacia el interior del núcleo y se pone en contacto con la maquinaria transcriptiva. Después puede volver a su estado condensado. Solo en ese estado descondensado puede transcribir.

Cuando el genoma se condensa para la división lo hace en cromosomas. En un cariotipo humano se puede hacer un bandeado G, resultando de esto que se vean bandas claras y oscuras específicas para cada par de cromosomas. Los patrones de bandeo en los homólogos son idénticos. En los sexuales encontramos diferencias en el bandeo y en el tamaño también. Pero los autosomas se caracterizan porque el patrón de banda G es exactamente igual, y son repetitivos en todas las células del cuerpo (los patrones de bandeo del cromosoma 1 van a ser los mismos en todos los tejidos del cuerpo). Esto es importante porque nos está indicando que es una forma natural de

organización de la cromatina. La cromatina se organiza en forma de bandas claras y oscuras alternadas a lo largo de todos los cromosomas. G- es bandas claras y G+ es bandas oscuras.

Podemos aplicar sondas, especificas para cada cromosoma, y unir cada soma a un color distinto. Esto sirve por ejemplo cuando se sospecha que un embrión humano puede tener síndrome de Down. Se hace un examen al feto, en el que se toma algo de sus células amnióticas y se hibridan esos núcleos con sondas para cromosoma 21. Si hay 3 señales en el núcleo, indica que el niño va a tener la enfermedad.

Los cromosomas no pierden nunca su individualidad. Si usáramos las sondas en un núcleo interfásico veríamos un mosaico de colores. Si se a que corresponde cada color puede saber a qué territorio corresponde cada cromosoma. Cada cromosoma tiene un territorio nuclear que le es específico. Ojo, No necesariamente los cromosomas homólogos estén uno al lado del otro. El fenómeno kissing1 da origen a interacciones que no son homólogas, por estar cerca en sus territorios nucleares.

La organización de los genes en el cromosoma humano

Por ejemplo, el cromosoma 22, en su brazo largo se tomo un sector y se amplió 10 veces para ver cuántos genes hay. En ese pequeño sector hay 40 genes aprox. Si tomamos otro pedazo y lo ampliamos, encontramos 4 genes, separados por segmentos que no son genes. Y ahora si ampliamos un gen, podemos ver la organización de este.

Tenemos elementos regulatorios (promotor que da inicio de la transcripción) y a lo largo del gen nos encontramos con los exones, separados por segmentos largos, los intrones. Al transcribir tendremos un RNAm que al traducirlo nos dará una proteína que luego se va a plegar.

Elementos funcionales del genoma humano- Genes codificantes para proteínas - Genes codificantes de RNA (ribosomal, de transcripción, mensajero, snrNA)- Regiones de regulación de la transcripción: promotores, enhancer, silenciadores, regiones controladores de

locus. Estas son regiones funcionales, mas no codificantes.- Elemento conservados no incluidos en las categorías anteriores.

Tipos y proporciones de los distintos tipos de DNA del genoma humano:

Lo importante del mapa es fijarse en el DNA extragenómico, específicamente en el DNA repetido disperso y el repetido agrupado.

*Clustered repeats: DNA repetido agrupado

1 Algo así dijo, el punto es que están tan cerca los cromosomas como si se fueran a besar :pukerainbows:

DNA repetido disperso: Encontramos dos familias: SINES: dentro tenemos la familia “Alu”. En general esta familia tiene origen viral. Nuestras células son parasitadas por varios microorganismos. A veces los virus nos dejan una parte de su genoma el que se incorpora al nuestro. Entones nos encontramos con restos de genomas de virus o bacterias que se incorporan. En SINES la secuencia repetida es corta. Alu corresponde al 7% del genoma humano

LINES: Estas provienen de retrovirus., que nos han dejado su material genético (RNA en este caso). Aquí la secuencia repetida es larga.

Además ésta se diferencia de la Sines en la composición nucleotídica (ver tabla).

En las bandas G corresponden a un 13-18% de ellas, y corresponden al 17% del genoma humano.

Estos genomas tienen la propiedad de amplificar e ir expandiéndose con el tiempo. También tienen la capacidad de saltar de un cromosoma al otro, o de un sector a otro. Esto lo hacen mediante un mecanismo de transposición.

Transposición: corte de un segmento de DNA de un sector del genoma y su inserción en un sector genómico distinto. Participan enzimas transposasas. Permiten corte y sellado de los segmentos de DNA que experimentan transposición.

Las LINES exclusivamente experimentan retrotransposición: transcriben un segmento del genoma en una molécula de RNA. El segmento transcrito experimenta retrotranscripcion. (RNA -> DNA). Y luego insertan ese DNA en algún sector del genoma. Participan la enzima transcriptasa reversa y transposasas. La SINES puede hacer esto, pero tiene que usar la maquinaria transcriptiva de la otra familia.

El retrotransposon (una secuencia repetida en el LINES) primero se transcribe como RNA. Actúa ahora la transcriptasa reversa. El DNA resultante se reintegra, en el mismo cromosoma generando otro transposon, o puede insertarse en otro sector del genoma.

DNA repetido agrupado (en clusters): tenemos diferentes tipos:Satélite clásico: se ubica en el centrómero Su función es estructural, formar centrómeros.Minisatélite: dos tipos, telomérico e hipervariable. Su función es formar telómeros. El hipervariable se encuentra en regiones cercanas al telómero.

Microsatélite: no se le conoce función por ahora. Es muy variable, por lo que se usa como marcador genético. Ubicado a lo largo de los cromosomas.

Para detectar DNA satélite clásico se aplica técnica FISH con una sonda para alfa-dna centromérico. Se ve un punto en cada cromosoma. Para detectar DNA minisatélite telomérico humano mediante FISH con una sonda marcada con flourocromo; Se verán dos puntitos porque cada cromosoma tiene dos extremos. Los microsatélites se utilizan para las muestras de paternidad, identificación de cuerpos, etc.

¿Cómo se amplifica el DNA repetido agrupado? Lo hace por crossing over desigual. Si los homólogos están ligeramente desfasados se produce esto. Por último, recordar que la función del DNA repetido agrupado es estructural.

Tipos de DNA y proporciones en el genoma humano

Localización de los distintos tipos de DNA repetido en el cromosomaQuedan fuera de esto el DNA ribosomal, que codifica para el RNA ribosomal. Este está puesto en los brazos cortos de los cromosomas llamados nucleolares.

¿Qué representan las bandas claras y oscuras en los cromosomas? ¿Por qué el genoma se organiza en estos paquetes?Cuando se tratan los cromosomas con un fluorocromo (que tiene afinidad específica por algún tipo de base), se van a fluorescer los sectores que son ricos en esos pares de bases. Si se hace la comparación con la banda G, se observa que los sectores que fluorescen corresponden a las bandas claras. En conclusión, las bandas claras son ricas en GC. Si se usa un fluorocromo con afinidad a AG, fluorecen las bandas oscuras.

En la etapa S, se producen dos peaks de replicación, separados por un periodo de pausa. Este periodo se denomina pausa 3c. Si se hace una sonda con DNA en S temprano (SE), se localiza en las bandas G-.Entonces las bandas G- son ricas en GC y replican en S temprano. Las bandas G+ replican en S tardío.

Pasando a otro tema, podemos ver un histograma en el que encontramos cinco fracciones distintas de DNA, llamados isocoros2. Estos difieren en su cantidad de GC, así como también en sus densidades de flotación. Dentro de estos isocoros, encontramos livianos y pesados. H3, que es la fracción más pesada corresponde al 4,8% del genoma, y contiene el 28.2% del total de los genes. Esto quiere decir que los genes no están distribuidos homogéneamente en el genoma. ¿Dónde se ubican H3? En las regiones subteloméricas.Principales características estructurales y funcionales de los compartimentos genómicos G+ y G-

Variabilidad genómica:El genoma no es estable, cambia en el tiempo. Es polimórfico, está formado por numerosas secuencias de DNA que varían entre los individuos. Estas variaciones son la base molecular de la individualidad génica, el sustrato molecular del proceso evolutivo, la causa de fenotipos complejos, de patologías y de las predisposiciones a adquirirlas.

Para analizar la variabilidad genómica, la dividimos en dos tipos:1. Variaciones Producidas por mutaciones o repeticiones:

1.1 Polimorfismo de nucleótidos simples: Son mutaciones puntuales que afectan a un solo nucleótido. Existen millones descritos para el genoma humano, comprenden al 0,1% del genoma humano. Los alelos de este polimorfismo son cosmopolitas: están presentes con diferentes frecuencias en individuos de todos los continentes. Estos polimorfismos son marcadores que permiten mapear genes en los cromosomas.

1.2 Microsatélites (SSR – short sequence repeats): aquí se estudia la diferencia de repeticiones en los alelos. Por ejemplo si tenemos un microsatelite formado por un dinucleotido, este puede repetirse 13 veces en un alelo 1, o 7 veces para un alelo 2.

1.3 Minisatelites1.4 Variación en el número de copias

2. Variaciones producidas por reordenamiento genómicos:2.1 Duplicación de segmentos en el genoma: Estos segmentos pueden ser intracromosomicos o intercromosomicos.

2 Isocoros: fragmentos largos de DNA que muestran una composición de base uniforme. Definición encontrada en internet. En esta parte de la clase me volé asi que porfa complementen para que se entienda):

2.2 Inserciones o deleciones, e inversiones de segmentos del genoma: puede ser inserción de un mismo genoma, o una inserción de un virus. Una inserción/deleción causa un corrimiento del marco de lectura. Se puede invertir 180º, también produce alteraciones del marco de lectura.

3. Variación en el número de copias o CNVsEstos CNVs son reordenamientos genómicos que involucran repeticiones en tándem de extensos segmentos del genoma, que pueden involucrar a numerosos genes, y que están presentes en número variable. Abarcan hasta 3000 genes, los que por alguna razón se repiten en el genoma. Al alterar las dosis normales de los genes comprendidos en estos reordenamientos, se producirían cambios en la expresión de los genes. Así, se cree que estos cambios estarían relacionados con la penetrancia génica, las distintas severidades de algunas patologías y las distintas susceptibilidades a enfermedades. Copias extras de un segmento genómico se traducen en aumento de la expresión de los genes contenidos en ese segmento.

C.S