Genoma humano: genes y ADN

Genoma humano

• El genoma es la información genética total del ADN en células eucariotas.
• Un gen es un fragmento de ADN para codificar un producto final, como una proteína o ARN.
• Las células eucariotas contienen 20.000-23.000 genes en 24 cromosomas (22 autosomas, 1 X, 1 Y).

Organización del genoma humano

• El genoma mitocondrial es ADN extracromosómico en mitocondrias

• Es pequeño, bicatenario, circular, compacto y similar al bacteriano

• Consta de 37 genes, de los cuales el 93% son regiones codificantes que se transcriben a ARN y proteínas.

• El genoma nuclear es grande, bicatenario, lineal y mayoritario (99%)

• Compuesto de 46 genes organizados en 22 pares de cromosomas autosómicos y 1 par sexual

• Solo menos del 5% es codificante

• Los exones son codificantes y los intrones no, traduciéndose los exones en proteínas

• Entre el 1.3% y el 3.5% del ADN celular son exones

Tipos de secuencias de ADN dentro del genoma nuclear:

ADN génico (37%)

• Relacionado con genes
• Hay dos subtipos: codificante y no codificante

ADN codificante

• Exones (1.5%, codifica proteínas)

ADN no codificante

• Intrones: segmentos de ADN no codificantes que se transcriben con exones, pero no se traducen
• Regiones UTR: no traducidas 5'-UTR o 3'-UTR
• Pseudogenes, genes truncados y fragmentos génicos (35.5%, codifican para proteínas)

ADN extragénico (63%)

• No tiene genes ni función, ni codifica proteínas ni contiene elementos funcionales
• Hay dos subtipos: ADN repetido y ADN no repetido

ADN repetido (55%)

• En tándem (10%):
  • ADN satélites: repeticiones que ocupan regiones de cientos de Kb, asociadas a regiones heterocromáticas
  • Minisatélites: 6-100 pb
  • Microsatélites: 2-5 pb
• Disperso (45%):
  • Transposones
  • Retrotransposones: LTR o no-LTR (LINEs, SINEs, SVA)

ADN no repetido y de copia única

• Falta mucha información

Genoma nuclear

ADN extragénico repetido en tándem

• Secuencias repetidas de miles a millones de veces, identificadas mediante ultracentrifugación en gradiente de densidad de cloruro de cesio

• Permite separar 2 zonas de ADN por densidad.

  • Mayoritario: ADN principal, con alta densidad y absorbancia
  • Minoritario: ADN satélite, con baja densidad y absorbancia.
    • El ADN satélite tiene distinta densidad que la principal
    • Es inexistente en procariotas, y más denso en humanos, por su mayor contenido de guanina y citosina
    • No tiene genes, contiene heterocromatina asociada a los centrómeros

• Las secuencias alfoides, en humanos, son secuencias de 171 pb de ADN satélite

• Se encuentran en el centrómero y se repiten para completar una región de 3x10^6 pb

• No se transcriben

• La técnica de hibridación in situ (FISH) aísla una fracción de ADN y marca radiactivamente las zonas complementarias que se unen por complementariedad de bases

• Si se centrífuga el ADN satélite, salen 3 bandas: la mayoritaria, microsatélites y minisatélites

• La cantidad de copias varía entre individuos

• El polimorfismo genético es una variante genética en el ADN entre individuos de la misma especie que se encuentra en >1%.

ADN extragénico repetido disperso

• Se corresponde con los transposones
• ADN parasito, que parasitan funciones celulares para sobrevivir
• Se comportan como virus ó "jumping genes".
• Insertan al azar en diferentes lugares de la secuencia con función incierta
• Hay 2 tipos:
  • Clase 1 o retrotransposones (42% del genoma humano)
  • Clase 2 o transposones (3% del genoma humano)

Clase 1 o retrotransposones (42% del genoma humano)

• Copia y pega, aumenta la cantidad de ADN, necesitando promotores.
• Presentan un mecanismo de retrotransposición, se transcriben a ARN y copia a ADN complementario por transcriptasa inversa, insertandose finalmente en el genoma de la célula huésped

Se dividen en 2 subtipos

• Transposones LTR: similares a retrovirus y tienen genes típicos de retrovirus (“retrovirus endógenos” o ERV)

  • Se transponen poco y se consideran ADN fósiles (ej: HERV-K)

• Transposones no LTR: son los más numerosos y no tienen repeticiones largas (LTR) en los extremos

  • Se suelen mover

• LINES (20%): las más numerosas, con secuencias autónomas, transcriptasa inversa y retrotransposición

• SINES (13%): secuencias no autónomas que requieren transcriptasa inversa de una LINE

• SVA (9%): secuencias no autónomas que requieren transcriptasa inversa de una LINE, relacionados con procesos oncológicos

Clase 2 o transposones (3% del genoma humano)

• Corta y pega, y no genera más ADN
• Mecanismo de transposición conservadora, requieren una transposasa, codificada por el transposón
• La mayoría son fósiles inactivos en humanos

ADN génico codificante: exones

• Un gen es la región del genoma que contiene información necesaria para la síntesis de una molécula funcional
• Incluye una secuencia codificante, es decir, se transcribe y/o traduce en un elemento funcional.
• Copias únicas (la mayoría).
• Pueden ser genes de copia única, o genes funcionales multicopia (familias génicas).

Componentes de la estructura de un gen humano:

• Unidad transcripcional: exones, intrones y regiones UTR
• Zonas reguladoras: zonas de unión a proteínas y ARN (promotor principal)
• Promotor: sitio reconocido por la ARN polimerasa en el extremo 5' del gen
• ORF: marcos de lectura abiertos, secuencias de ADN entre un codón de inicio y uno de terminación

Genes multicopia: familias génicas

• ADN repetitivo codificante organizado por homología de secuencia, obtenidos por duplicaciones de un único gen ancestral
• Pueden aparecer de dos maneras: formando agrupaciones o con genes dispersos

Formando agrupaciones:

• Familias génicas clásicas (en tándem): copias idénticas del mismo gen, como histonas, ARNr, ARNt y ARNsn
• Familias multigénicas con genes agrupados: homología menor, con pseudogenes, genes truncados y fragmentos de genes (globinas)

Con genes dispersos

• Numero pequeño de repeticiones esparcidas por todo el genoma (actina, ferritina...)

ADN no codificante

• Intrones Puede estar en forma de secuencia única o de multicopia (familias multigénicas) A partir de una copia de un gen pueden surgir copias no funcionales mediante diferentes mecanismos:

• Genes truncados: copias incompletas de un gen

• Fragmentos génicos: porción interna de una secuencia génica

• Pseudogenes: copias inactivas, no funcionales de un gen

• Los pseudogenes pueden originarse en un codón fin extra

• Los genes humanos tienen una gran diversidad de tamaños y en la organización exón-intrón

• La familia de secuencias repetidas Alu surgió por retrotransposición del gen que codifica para la secuencia 7S

Proyecto genoma humano y genómica

• Se estudia la estructura y función del genoma completo (o genómica)

• Comenzó en 1990 en EEUU, buscando marcadores de ADN con nuevos objetivos revisados en 1998

• Se terminó el 1er borrador de la secuenciación completa en 2003.

• Se continuó el desarrollo de tecnologías de secuenciación.

• Se estudió la variación y los polimorfismos del genoma humano.

• Se desarrolló la tecnología de genómica funcional: Craig Venter secuenció al azar y a gran escala fragmentos de cADN de bibliotecas de tejidos.

• Se desarrolló la genómica comparada: se estudiaron los genomas de distintas especies.

• Se le dio importancias a las implicaciones éticas, legales y sociales.

• Se desarrollaron herramientas bioinformáticas.

• Menos del 2% de la secuencia es codificante.

• Existen entre 20.000 y 23.000 genes.

• Alrededor del 50% es ADN repetitivo.

• 1 gen equivale a 100 kb.

• El tamaño medio de un gen humano es de 20-30 kb.

• Un gen presenta 7-8 exones.

• Un exón tiene alrededor de 150 pb.

• G + C = 41%.

• Los genes están presentes en zonas ricas en G+C.

• Existe una gran variación genética interindividual, diferentes susceptibilidades a enfermedades y a fármacos

• Hay diferencias dentro y entre grupos étnicos, y el proyecto 10.000 genomas (HapMap) estudia los SNPs más frecuentes

• Los sufijos -oma indican un conjunto de determinadas sustancias, y los -ómica indican cuál es la ciencia que los estudia

Ciencias genéticas

• Genómica estructural y funcional (estudio del genoma): secuencias de ADN
• Transcriptómica (estudio del transcriptoma): secuencias y patrones de expresión de los transcritos (ARNs)
• Proteómica (estudio del proteoma): secuencias y patrones de expresión de las proteínas
• Metabolómica (estudio del metaboloma): moléculas o metabolitos presentes en una célula

Proyecto 100.000 genomas

• Búsqueda de base genética en pacientes con enfermedades raras y cáncer en sus familias
• Se lanzó en Reino Unido, a finales de 2014

Genoma mitocondrial

• Las mitocondrias se originaron como bacterias aerobias fagocitadas por células primitivas anaerobias

• Su genoma es pequeño y poco conocido, polimórfico y con alta velocidad de mutación

• Alta velocidad de mutaciones,no hay recombinación de genomas parentales

• Presente en poliploidía

• Los códigos genéticos modificados se heredan por vía materna

• El genoma mitocondrial es circular y bicatenario

• La mayoría de los genes se localizan en una cadena

• Las proteínas sintetizadas en mitocondrias son parte del complejo de transferencia de electrones que requieren también proteínas del genoma nuclear

• El tamaño del genoma mitocondrial es menor que el del genoma nuclear, tiene solo 37 genes

• 13 dan lugar a proteínas (ARNm), 22 dan lugar a ARNt y 2 dan a ARNr

• Al separar las 2 hebras, la hebra H es más pesada y contiene más guanina, y la hebra L contiene más citosina

• La hebra H tiene 2 genes para ARNr, 14 para ARNt y 12 para proteínas, y L contiene 8 genes para ARNt y 1 para proteínas

• El ADNmt no está superpuesto, y está optimizado, ya que el 93% del genoma mitocondrial codificante

• OXPHOS → proteínas que sirven para la fosforilación oxidativa (las 13)