Características generales de los genomas procariotas Hay , Ejercicios de Genética

¡Descarga Características generales de los genomas procariotas Hay y más Ejercicios en PDF de Genética solo en Docsity! En la siguiente tabla nos encontramos genomas bastante pequeños, como en el caso de Mycoplasma genitalium. En general, el organismo modelo es Escherichia coli, que ha sido la primera bacteria con la que se empezó a trabajar a nivel genético. Su genoma es de 4,64 millones de nucleótidos, teniendo unos 4000 genes. El número de genes no es proporcional al tamaño del genoma. Ya que, en el caso de los humanos, el tamaño del genoma es 1000 veces más grande que el de E. coli, pero solo tiene 10 veces más genes. Características generales de los genomas procariotas Hay 3 características fundamentales del genoma de procariotas: 1. Los genomas de procariotas tienen pocas secuencias no codificantes (al igual que los genomas de orgánulos en células eucariotas) y la mayoría de las secuencias no están repetidas. 2. La existencia de secuencias repetidas es muy infrecuente, aunque hay algunos ejemplos, como las secuencias de inserción (IS). Sin embargo, su nivel de repetición no es comparable, en absoluto a las secuencias con alto número de copias que se encuentran en los genomas eucariotas. 3. Los genes de procariotas no suelen tener intrones y se considera que son secuencias no fragmentadas, en comparación con la estructura característica de los genes eucariotas con intrones y exones. Secuencias codificantes: aquellas implicadas en la síntesis de proteínas y RNAs. Comparación de 50Kb de varios genomas M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 1 | 40 En la imagen se muestras detalles de 50 mil nucleótidos de cuatro tipos de genomas: Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, humanos y maíz. Leyenda: en amarillo están señaladas las secuencias repetidas, en azul las secuencias codificantes (genes) y en verde los pseudogenes (recuerdan a la función de los genes, sin embargo, no se pueden transcribir ni traducir a proteínas). Cada nombre señalado que aparece es un gen codificante de proteínas. Los espacios en blanco son secuencias intergénicas. En Escherichia coli y Saccharomyces cerevisiae tenemos unas pocas secuencias repetidas y bastantes secuencias codificantes. En humanos y maíz tenemos todo lo contrario, muchas secuencias repetidas y pocas secuencias codificantes. Genoma de E. coli • Tamaño de 4,6 Mb con 4.289 genes • 89% del genoma corresponde a secuencias codificantes, entre las que se encuentran 122 genes de RNAs, 7 correspondientes a rRNA • 51% GC • Transcripción y traducción en el mismo compartimento • Unidades de transcripción policistrónicas • Múltiples secuencias de profagos integradas en el genoma • Secuencias de inserción (u otros elementos transponibles) dispersas por el genoma • Transferencia horizontal posible Estructura de genes procariotas I. Gen de proteína única (monocistrón) M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 2 | 40 A partir de una única secuencia se puede obtener varios péptidos. En este caso, a partir de una región transcriptora obtenemos tres polipéptidos. Tenemos una sola región reguladora para los tres cistrones (cajas) que funcionan como un solo gen. Cuando se transcribe, obtenemos un largo RNAm en el cual se observan tres zonas a las que se pueden unir tres ribosomas independientes, ya que hay tres codones START y tres codones STOP. Al traducirse, pueden unirse los tres ribosomas, de manera que se obtiene como producto tres polipéptidos diferentes. Dentro de un policistron/operón tenemos genes cuyo producto proteico interviene en el mismo tipo de ruta metabólica. Es un sistema que permite producir la misma cantidad de péptidos para una ruta metabólica. De manera que el sistema se autorregula. Un ejemplo típico de E. coli es el operón lactosa, el primer operón que se descubre, que contiene tres genes implicados en la conversión del disacárido azúcar lactosa en sus unidades de monosacáridos glucosa y galactosa. Cuando la lactosa está disponible, enciende el operón; los tres genes se expresan juntos, dando como resultado una síntesis coordinada de las enzimas que utilizan lactosa. Este es el ejemplo clásico de regulación de genes en bacterias. M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 5 | 40 Estructura de genes procariotas III. Genes de tRNA y rRNA (30S) Después de la transcripción, se genera un largo RNAm que madura generando puntos de corte (señalado en la imagen con flechas azules). De una vez, tenemos la síntesis de cinco RNAs diferentes (rRNA y tRNA). Nos encontramos con la misma estructura en el genoma mitocondrial circular. A partir de ambas hebras se obtienen dos RNA largos que dan lugar a diferentes compuestos. Función de los genes en procariotas Llama la atención la zona gris en el que está implicado un 27% de genes de los que no se conocen la función. Se espera que muchos de ellos se puedan utilizar para interés humano. Características de los genomas de eucariotas • Los genomas son mucho más grandes (recordar la paradoja del valor C). Ejemplo: el genoma humano es 1.000 veces más grande que el de E. coli pero solo tiene 10 veces más genes que E. coli • Hay muchas secuencias repetidas no codificantes M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 6 | 40 • La proporción de secuencias codificantes es reducida • Existen familias génicas: genes codificantes repetidos con función diversa • Los genes normalmente son monocistrónicos y están fragmentados (intrones y exones) • Hay gran cantidad de secuencias reguladoras EVOLUCIÓN: BARAJEO DE EXONES En el genoma de eucariotas, y también en el de humanos, existen diversos ejemplos de un fenómeno que se ha postulado como motor para la aparición de nuevos genes a partir de otros ya existentes: el “barajeo” de exones. Para comprender el fundamento de esta hipótesis, es necesario indicar que la mayoría de las proteínas están formadas por dominios estructurales y que cada uno de estos dominios está compuesto por un conjunto de aminoácidos que han sido codificados por una serie contigua de nucleótidos en el DNA (simplificando, cada dominio habrá sido codificado por un exón). Además, cada dominio de una proteína suele tener una función, así que podríamos representar una proteína como una especie de “mecano”, resultado de unir un conjunto de piezas (dominios) en un orden determinado. Como el orden de los aminoácidos queda determinado por la secuencia de nucleótidos que existe en el gen, el mismo símil podemos trasladarlo a nivel de DNA: un gen sería el resultado de unir un conjunto de piezas (exones) en un orden concreto. De esta manera, la duplicación de secuencias del DNA (exones) y el reordenamiento de estos, podría producir genes nuevos, estructuralmente diferentes y con nuevas funciones, a partir de estructuras más sencillas previamente existentes. Conocimiento actual sobre el genoma humano • 41% CG de media (los datos no son de ningún humano real; encontramos discrepancias, solo 99% igual (caucásicos). Con asiáticos, hay más de medio millón de diversidad de genoma). • Amplia variación en el contenido GC según las zonas del genoma (por ejemplo, desde 33,1% a 59,3% ). • El contenido GC está correlacionado con la tinción de Giemsa; la posición de los genes está también correlacionada. • La densidad de genes correlaciona con un contenido superior de GC. Detalles actuales sobre los cromosomas humanos M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 7 | 40 En la siguiente figura, se observan una especie de tres curvas que han permitido clasificar las secuencias en función de la cantidad de repeticiones. Se ve que hay una primera parte que corresponde a secuencias que reasocian/renaturalizan a valores de tiempo muy rápidos, porque están muchísimas veces repetidas (hay cientos de miles de copias); después hay una zona con una curva intermedia que corresponde a DNA de repeticiones moderado, que se reasocia a valores de tiempo más tardíos y, finalmente, se observa una última curva que nos indica que hay una proporción del genoma que le cuesta mucho terminar de reasociar, que corresponde a secuencias grandes y que no están repetidas. Secuencias repetidas en el genoma humano • Las secuencias repetidas que no codifican proteínas llegan a ser el 50% del genoma humano • Son de varios tipos: • Repeticiones en tándem que forman bloques de algún tipo de secuencia M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 10 | 40 • Transposones de DNA • Pseudogenes procesados • Secuencias repetidas simples • Duplicaciones segmentales Repeticiones en tándem en el centrómero DNA satélite El DNA satélite humano está constituido por configuraciones muy grandes de DNA de repetición tándem. La unidad repetida puede ser una secuencia simple (sólo unos cuantos nucleótidos de largo) o alguna compleja en moderada proporción. Nos encontramos un conjunto de bloques con puntas de flechas (dando indicación de sentido de transcripción); cada bloque tiene unos 171 bp; cada cajita de color son secuencias diferentes. Estos bloques de secuencias se repiten. El DNA satélite integra la mayor parte de las regiones heterocromáticas del genoma y se encuentra de manera notoria en la cercanía de los centrómeros (heterocromatina pericentromérica). Cuando la unidad repetida es muy corta, la composición de bases de las unidades repetidas, y asimismo la composición total de bases del DNA satélite, puede variar de forma sustancial del DNA genómico total. Como resultado, ha sido posible separar de la masa de DNA tres DNA satélite humanos, los satélites I, II y III, mediante centrifugación de gradiente de densidad boyante. Cada clase de satélite incluye varias familias diferentes de secuencias de DNA de repetición tándem (subfamilias satélite), algunas de las cuales se comparten entre distintas clases. DNA satélite altamente repetitivo El satélite alfa (o DNA alfoide) consiste en repeticiones tándem de una unidad repetida de 171 pb y constituye el mayor volumen de la heterocromatina centromérica. La divergencia alta de secuencias entre miembros individuales de la familia DNA alfoide significa que existen subfamilias específicas para cada uno de los cromosomas humanos. M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 11 | 40 Aún es necesario aclarar la función precisa del DNA satélite. El DNA centromérico de cromosomas humanos consiste en buena medida de varias familias de DNA satélite. De ellas, sólo se sabe que el satélite a se encuentra en todos los cromosomas y sus unidades repetidas contienen con frecuencia un sitio de enlace para una proteína centrómera específica, CENP-B. Se ha demostrado que las configuraciones satélites alfas clonadas diseminan centrómeros nuevos en células humanas, lo cual indica que el satélite alfa ejerce una acción importante en la función del centrómero. ¡Las cuatro secuencias repetidas en tándem (tabla de arriba: DNA satélite) se pueden modular/ combinar entre sí! Secuencias de repetición/centroméricas de otros organismos (A) El centrómero del cromosoma III de S. pombe consiste en secuencias repetidas dg y dh alrededor de una región central única flanqueada por repeticiones imr invertidas; (B) Los centrómeros humanos se componen principalmente de matrices en tándem de repeticiones de ADN α- satélite que abarcan varias megabases. Una región central (sección derecha) está compuesta de motivos de orden superior específicos de cromosomas compuestos de repeticiones α-satélite relacionadas, y está flanqueada por repeticiones más heterogéneas y desordenadas intercaladas por LINE y SINE (sección izquierda). (C) Los centrómeros de Arabidopsis muestran largas series de 180 satélites de tipo intercalados por retrotransposones LTR y repeticiones 106B derivadas de LB. M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 12 | 40 M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 15 | 40 Identificación individual mediante VNTRs Al ser zonas polimórficas, se pueden utilizar como marcadores mendelianos. Nombre de “código de barras”. Resultado de electroforesis mirando un DNA cortado por un enzima o dos; tres individuos y se ve que hay diferentes tamaños (kb, muy grandes, no es PCR). La misma muestra da lugar a diferentes resultados. Se trata ver si coinciden marcas, bandas para determinar quién el padre, asesino, ladrón, etc. M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 16 | 40 DNA microsatélite (STR) • STR: Short Tandem Repeat • Secuencias de 2-6 bp, repetidas en tándem un número variable de veces • Son muy polimórficas en la población • Se utilizan como caracteres mendelianos codominantes para identificación y para filiación • Normalmente se analizan mediante PCR • Los marcadores STR que se utilizan para análisis poblacionales, no tienen efecto fenotípico M. Alexandra DoduTema 4: Anatomía de los genomas procariotas y eucariotasGENÉTICA MOLECULAR Página 17 | 40