Modificación de Histonas y Transcripción

• Tema 2 trata sobre los genomas vegetales y su regulación.

Genoma nuclear: el ADN cromosómico (2.1)

• El tamaño del genoma varía más en plantas que en otros eucariotas.
• Subdividido en cromosomas, cuyo número varía entre 2 y 500 dependiendo de la especie.
• El número de cromosomas es similar entre especies relacionadas, con 12 cromosomas en coníferas.
• Las ganancias o pérdidas de cromosomas pueden ocurrir por defectos en la meiosis o mitosis.
• La poliploidía causa la duplicación del genoma ancestral o combinación de genomas de diferentes especies.
• La masa del ADN en picogramos es diferente del tamaño en pares de bases.
• El genoma básico o "valor C" se refiere a los Mbp de ADN del núcleo base de cromosomas (haploide, 1C).
• El tamaño del ADN varía entre 120 Mbp en Arabidopsis thaliana y 130,000 Mbp en Fritillaria assyriaca.
• La cromatina está formada por ADN y proteínas (histonas), lo que permite una mayor compactación.
• Los nucleosomas son el primer nivel de compactación.
• El core del nucleosoma contiene ADN (146 pb: 80 pb por vuelta) e histonas (octámero) 2X (H2A+H2B+H3+H4).
• La región linker contiene ADN (20-35 pb) e histona H1.
• La fibra tiene un diámetro de ~11 nm y las cuentas miden ~200 bp
• La fibra corresponde al segundo nivel de compactación (30 nm) donde la cadena de nucleosomas se empaqueta sobre sí misma.
• Los loops corresponden al tercer nivel de compactación (300 nm) organizándose en una estructura de proteínas no histónicas.
• La eucromatina está relajada en loops con una transcripción de genes muy activa.
• La heterocromatina posee un empaquetamiento adicional con proteínas no histónicas y una baja expresión génica o genes silenciados.
• En la interfase pueden diferenciarse la eucromatina y la heterocromatina
• Los cromosomas metafásicos se dan por el empaquetamiento adicional de los loops de eucromatina.
• Los centrómeros y telómeros corresponden a la estructura de los cromosomas:
  • Formados por heterocromatina constitutiva con secuencias repetitivas.
  • Expresan pocos genes y siempre están compactados.
  • Mantienen la integridad del cromosoma y la separación de las cromátidas durante la mitosis
• Los telómeros son secuencias de ADN repetitivas (TTTAGGG en la mayoría de las plantas >105)
  • Forman repliegues en los extremos de los cromosomas.
  • Previenen el acceso de la maquinaria de reparación y el acortamiento causado de los telómeros.
• La telomerasa es una ribonucleoproteína que funciona como RT-polimerasa.
  • Utiliza su subunidad de ARN como molde para la síntesis de ADN, generando secuencias repetitivas.
  • Mantiene la longitud de los telómeros.
  • Las mutaciones en las subunidades de la telomerasa pueden provocar el acortamiento de los telómeros (250-500 pb por ciclo) y después de 6 generaciones, la pérdida de viabilidad.
  • Promueve la división celular y previene la fusión de los extremos
  • El gen de la telomerasa está implicado en el incremento del número de cromosomas durante la evolución.
• Los centrómeros incluyen:
  • Regiones repetidas cortas (178 pb en Arabidopsis).
  • Se asocian con proteínas específicas como la histona específica del centrómero CenH3
  • La unión centromérica a la histona H3 es esencial para la segregación cromosómica.
• Los centrómeros se encargan de la interacción con el huso mitótico (cinetocoro) y la separación adecuada de los cromosomas.
• Los centrómeros de las plantas se caracterizan por tener genes que se transcriben, regulados por factores de transcripción (Myb,...)
  • Contienen retrotransposones característicos de zonas de heterocromatina.
  • Poseen regiones "knobs" (nódulos, ~ neocentrómeros) que corresponden a regiones de heterocromatina en maíz y especies afines.
  • Los "knobs" contienen repeticiones en número y localización variable, y en regiones ricas en genes.
• Los "knobs" sirven de unión al huso mitótico mediante cinesinas de unión preferente que actúan antes de que se forme el cinetocoro.
  • En unión al huso mitótico:
    • Mantienen los bloques unidos.
    • Controlan la expresión de genes próximos.
    • Pueden prevenir la recombinación en estas zonas de heterocromatina.
  • Se relacionan con el cambio en el número de cromosomas durante la evolución.
• Los transposones (elementos móviles del genoma) generan mutaciones y cambios en la secuencia al saltar o insertarse.
  • Descubiertos por Barbara McClintock durante sus estudios de la biosíntesis de antocianinas del grano de maíz.
  • Estructuras flanqueadas por repeticiones terminales largas (LTRs) con genes para su transposición (transcriptasa inversa o transposasa).
• Existen dos tipos principales de transposones:
  • Tipo I: "Copiado y pegado" o retrotransposones.
  • Tipo II: "Cortado y pegado" o transposones de ADN
• Ambos tipos de transposones pueden ser autónomos (equipados con toda la maquinaria para la transposición) o no autónomos (defectivos; necesitan enzima en trans).
• Aplicación de transposones en biología molecular para generar mutantes para identificar la función de YFG.
  • Es más ventajoso utilizar transposones no autónomos para generar mutaciones estables a través de la inserción de estos.
• Los transposones (elementos móviles del genoma) intervienen en:
  • Generar de mutaciones.
  • Rotura de cromosomas.
  • Duplicaciones (recombinación ectópica)
• Los retrotransposones generan efectos deletéreos por la presión selectiva para limitar el movimiento de transposones que causan mutaciones deleterias.
• Los retrotransposones se localizan en regiones de heterocromatina y regiones intergénicas.
• La expansión del tamaño del genoma de cereales es regulado por mecanismos específicos que controlan su activación (silenciamiento).

Regulación de los genes nucleares (2.2)

• Los genes nucleares son regulados por una gran variedad de RNAs que son transcritos a partir de ellos.
• Estos RNAs se sintetizan por la acción de las RNA polimerasas.
• Entre los RNAs transcritos se encuentran los: tRNAs, mRNAs, rRNAs, snRNAs, miRNAs, siRNAs
• Los RNAs ribosomales (rRNAs) son codificados por polisistrones repetidos cientos de veces en el genoma.
  • En el nucleolo (RP-I): genes están agrupados en cientos (10% del genoma nuclear; 8% en Arabidopsis thaliana).
  • Copias en tandem de los genes 28S, 18S, 5.8S producen un transcrito policistrónico 45S que es procesado antes de ensamblarse
  • Con el 5S (gen extranucleolar RP-III) para formar las subunidades de los ribosomas.
• Los mRNAs son genes eucariotas dispersos por el genoma nuclear.
  • Región codificante: ATG/STOP
  • Intrones: Splicing: exón-intrón (uniones GU----AG)
    • En eudicots: alto contenido de A y T en los intrones.
  • Regiones reguladoras: 5'-UTR, 3'-UTR
    • Promotores de varios cientos a varios miles de pb.
    • Enhancers/silencers
• Regulacion transcripcional es el principal elemento regulador de la expresión de los genes eucariotas.
• Las secuencias que regulan el inicio de la transcripción incluyen:
  • Maquinaria de Transcripción Basal
    • RNAPOI II (RP2)
    • posicionar la RNA II en el lugar de la transcripcion
  • General Transcription Factors (GTFs):
    • posicionan la ARN polimerasa II.
    • abren la doble cadena.
    • controlan el paso de iniciación a elongación.
• La unión de TF en elementos cis en la zona promotora influencia la tasa de transcripción, pudiendo actuar como activadores o represores.
• De manera similar pueden actuar elementos que se unen a mayor distancia del inicio de transcripción. y tambien pueden ser: Activadores: potenciadores o enhancers or Represores: silenciadores o silencers"

Factores de transcripción (TF)

• A menudo clasificados por sus dominios de unión al ADN o de interacción proteína-proteína.
• A menudo organizados en amplias familias génicas (que contienen muchos miembros altamente conservados) en eucariotas.
• Cada planta tiene varios TF que son específicos o se han expandido en plantas (relacionados con su metabolismo/desarrollo).

Regulación epigenética (2.3)

• Es cualquier cambio en la expresión de un gen que es estable y heredable, y se produce sin la presencia de cambios en la secuencia del ADN.
• Incluyen: modificaciones convalentes del DNA, modificaciones de las histonas, y RNAs no codificantes (miRNAs y siRNAs).
• Describe el fenómeno en que células u organismos genéticamente idénticos expresan diferencialmente sus genomas causando diferencias fenotípicas.
• Incluyen:
  • Silenciamiento de unos de los cromosomas X en todas las células de las hembras de animales.
  • Silenciamiento de transposones en plantas.
  • Regulación de las transiciones en desarrollo y en respuesta a situaciones de estrés.
  • Regulación por impronta (“imprinting”) y silenciamiento génico en trans: paramutación.
• Marcas epigenéticas: metilación del ADN.
  • La metilación de citosinas en el ADN es catalizada por las metiltransferasas (MET).
  • La metilación de citosinas puede ser simétrica (CG, CHG) o asimétrica (CHH), y las diferentes metiltransferasas tienen diferente especificidad.
  • MET1 (METHYLTRANSFERASE1) cataliza la metilación de los sitios 5'-CG-3' e induce el silenciamiento de transposones e impronta.
  • CMT3 (CHROMOMETHYLASE 3) cataliza la metilación de los sitios 5'-CHG-3' y enlazado a H3K9me2.
  • DRM 1 y DRM 2 (DOMAINS REARRANGED 1 y 2) catalizan la metilación de los sitios 5'-CHH-3' e interviene con elementos RNA-directed DNA methylation (RdDM) pathway/ siRNAs

Este cuestionario abarca modificaciones de histonas y su impacto en la transcripción génica. Explora la metilación, acetilación y fosforilación, así como su influencia en la estructura de la cromatina y la expresión génica. Evalúa la comprensión de las marcas epigenéticas y su correlación con la actividad transcripcional.