Flujo de Información Genética: De la Transcripción a la Traducción PDF

Universidad Católica de Cuenca Facultad de Medicina MATERIA BIOLOGIA MOLECULAR Y GENETICA “EL FLUJO DE INFORMACION GENETICA: DE LA TRANSCRIPCION A LA TRADUCCION” Prof. Desireé Revilla Lcda. En Biología Pura...

Universidad Católica de Cuenca Facultad de Medicina MATERIA BIOLOGIA MOLECULAR Y GENETICA “EL FLUJO DE INFORMACION GENETICA: DE LA TRANSCRIPCION A LA TRADUCCION” Prof. Desireé Revilla Lcda. En Biología Pura MgSc. en Genética: Mención Genética Humana Especialista en Medicina Genómica M.Sc. Análisis Biológico y Diagnóstico de Laboratorio  Temas y secciones a revisar en los textos. TEMA: Flujo de la información TEXTO Nro 1: BIOLOGIA CELULAR Y TEXTO Nro 2. CONCEPTOS DE genética: Transcripción y MOLECULAR DE GERALD KARP 8va GENETICA DE KLUG 10ma Edición. Traducción Edición. Capitulo 11: El Dogma central: del DNA Capitulo 13: El código genético al RNA y la proteína. y la transcripción. 11.1 Relación entre genes, proteínas y RNAs 13..8 La transcripción sintetiza ARN sobre 11.2. Papel de las RNAs Polimerasas en la el molde de DNA transcripción 13.10 Las RNA polimerasas dirigen la 11.3 Revisión de la transcripción en Bacterias síntesis de RNA. y Células eucariotas. 13.11 Transcripción en eucariotas Transcripción: 11.5 Síntesis y estructura del mRNA Eucariota. Difiere de la transcripción en procariotas. 11.7 Procesamiento del mRNA Eucariota. 13.12 las regiones codificantes de los Síntesis de RNA 11.10 RNA de Interferencia genes eucariotas están interrumpidas por 11.12 RNAs Pequeños: miRNAS, siRNAs y secuencias intercaladas.. piRNAs. GENETICA TECNOLOGIA Y 11.3 CRISPR y otros RNAs no codificantes SOCIEDAD: Silenciamiento de genes basado en ácidos nucleicos (RNAs de interferencia).  Temas y secciones a revisar en los textos. TEMA: Flujo de la información TEXTO Nro 1: BIOLOGIA TEXTO Nro 2. CONCEPTOS DE genética: Transcripción y CELULAR Y MOLECULAR DE GENETICA DE KLUG. 10ma edición. Traducción GERALD KARP 8va edición Capitulo 11: El Dogma central: del Capitulo 13: El código genético y la DNA al RNA y la proteína. transcripción. 11.14 Decodificación de la información 13.1. El código genético Utiliza bases genética. ribonucleotidicas como letras. 11.15 Decodificando los codones: el 13.4 El diccionario del Código Revela varios papel de los RNAs de transferencia. patrones interesantes entre los 64 codones. Traducción: 11.16 Traducción de la información genética: Iniciación 13.5 El código genético es casi universal 13.7 Diferentes puntos de iniciación crean Síntesis de 11.17 Traducción de la Información genética: Elongación y Terminación. genes solapados. Capitulo 14: Traducción y proteínas proteínas 11.18 Vigilancia y Control de Calidad del mRNA. 14.1 la traducción del mRNA depende de los ribosomas y de los RNA de transferencia 11.19. Polirribosomas 14.2 La traducción del mRNA puede dividirse en 3 pasos. 14.3 Estudios de alta resolución han revelado muchos detalles acerca de los ribosomas procariotico funcionales.  Traducción Transcripción RNAm Proteínas DNA  FLUJO DE LA INFORMACION GENETICA “EL FLUJO DE INFORMACION GENETICA: DE LA TRANSCRIPCION A LA TRADUCCION” DEFINICION MOLECULAR DEL GEN: ▪ “En términos moleculares, es una unidad de herencia que regula el carácter de un rasgo particular ”. ▪ “En términos moleculares, un segmento de DNA que contiene la información para un solo polipéptido o molécula de RNA, incluidas las regiones transcritas, pero no codificantes”. ▪ “En términos Moleculares un gen es una secuencia entera de DNA- que incluye, exones, intrones y regiones de control transcripcional – necesarias para la producción de un polipéptido funcional o RNA”. ▪ “Unidad física fundamental de la herencia, cuya existencia se puede confirmar por variantes alélicas y que ocupa un lugar especifico en el cromosoma. Secuencia de DNA que codifica un único polipéptido”  “EL FLUJO DE INFORMACION GENETICA: DE LA TRANSCRIPCION A LA TRADUCCION”. ▪ La información contenida en la secuencia de los nucleótidos de un gen es convertido en función biológica útil en dos grandes pasos: TRANSCRIPCION Y LA TRADUCCION. ▪ El flujo de la información genética es unidireccional ▪ La información codificada en la secuencia de un GEN es TRANSCRITO en una molécula intermediaria de RNA ▪ La información contenida en el RNA mensajero (mRNA) es traducida en una secuencia de aminoácidos ▪ En los eucariotas los mRNA no son usados directamente para la traducción. Tienen que sufrir un proceso llamado SPLICING TRANSCRIPCION. ▪ En este proceso una secuencia de nucleótidos de una de las cadenas de DNA es transcrita en una molécula de RNA (RNA mensajero, mRNA). ▪ La hélice de doble hélice se abre por un conjunto completo de proteínas. ▪La cadena de DNA en la dirección 3´a 5´ (cadena molde), sirve como plantilla para la transcripción de DNA a RNA, esta reacción es catalizada por la RNA polimerasa ▪ El RNA es sintetizado en la dirección 5´ a 3´ TRANSCRIPCION: algunos RNAs producidos por las células. TRANSCRIPCION: Tipos de RNA TRANSCRIPCION: Tipos de RNA  SINOPSIS DE LA TRANSCRIPCION EN CELULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS. “La frecuencia con que se transcribe un gen esta regulada de manera estricta y puede varia dependiendo del gen y de la situación prevalente”. Las RNA polimerasas tienen una función correctora conocida como “EDICION” Las enzimas encargadas de la transcripción en células tanto Procariotas como Eucariotas se denominan “RNA POLIMERASAS DEPENDIENTES DE DNA o solo RNA POLIMERASAS”. La secuencia de RNA es complementaria de una de las cadenas de DNA (PLANTILLA O MOLDE). El sitio de la molécula de DNA donde se une la RNA Polimerasa se llama “PROMOTOR”. El promotor determina cual de las dos cadenas de DNA se transcribe. Las RNA Polimerasas necesitan de “FACTORES DE TRANSCRIPCION”. SINOPSIS DE LA TRANSCRIPCION EN CELULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS. Transcrito de RNA RNA DNA Cadena Molde  TRANSCRIPCION EN BACTERIAS. Las bacterias como E. coli contienen RNA polimerasa de un solo tipo. Necesitan de una molecula adicional para sintetizar RNA, esa molécula se llama “FACTOR SIGMA” “Cuando la RNA polimerasa se une al factor sigma, la transcripción ocurre en sitios específicos del genoma”. Este factor aumenta la afinidad de la RNA polimerasa para unirse a los sitios promotores del DNA.  TRANSCRIPCION EN BACTERIAS. Los promotores bacterianos se localizan en la región de una cadena de DNA que precede al sitio de inicio de la síntesis de DNA Secuencia Consenso -35 en la dirección 3´ “TTAGACA” “Caja Pribnow” -10 en la dirección 3´, identifica el nucleótido preciso que activa la transcripción Las células bacterianas poseen diferentes factores Sigma que reconocen distintas secuencias promotoras. Ejm: “FACTORES SIGMA QUE ACTIVAN GENES EN RESPUESTA AL CALOR”. La finalización de la transcripción ocurre en secuencias especificas de nucleótidos ”Secuencia de Terminación”, la RNA poli. Se libera sin ningún factor adicional TRANSCRIPCION EN BACTERIAS.  En algunos casos el RNA es retrotranscrito en DNA La transcripción procede de manera en como lo explica el DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA MOLECULAR, con el DNA sirviendo como molde para la síntesis de RNA En ciertos casos el proceso es revertido: EL RNA SIRVE COMO MOLDE PARA SINTESIS DE DNA, este proceso se llama TRANSCRIPCION REVERSA y la enzima clave para este proceso se llama TRANSCRIPTASA INVERSA. Retrovirus pueden llevar a cabo este proceso ejemplo Virus del VIH TRANSCRIPCION Y PROCESAMIENTO DEL RNA EN CELULAS EUCARIOTAS. Las Células eucariotas tienen 3 transcriptasas distintivas en sus núcleos, cada una de ellas esta encargada de sintetizar un grupo diferente de moléculas de RNA. En el caso de las células procariotas hasta el momento se sabe que poseen una sola RNA polimerasa. Lo cual es otra diferencia entre células procariotas y eucariotas  TRANSCRIPCION Y PROCESAMIENTO DEL mRNA EN CELULAS EUCARIOTAS. “La comprensión de la transcripción en eucariotas avanzo mucho con la publicación en 2001 con la estructura cristalográfica por rayos X de la RNA polimerasa II de levaduras a cargo de Roger Kornberg de la Universidad de Stanford.” La transcripción en células Eucariotas necesita de una gran variedad de proteínas conocidas como “FACTORES DE TRANSCRIPCION”. Los factores de trasncripcion pueden ser GENERALES o ESPECIFICOS. IMPORTANTE: “Los factores generales de la transcripción son necesarios para el inicio de la síntesis del RNA en todos los promotores, mientras que los factores específicos de la transcripción se sintetizan o activan en tejidos determinados en un momento concreto”  TRANSCRIPCION Y PROCESAMIENTO DEL mRNA EN CELULAS EUCARIOTAS. Existe una secuencia consenso llamada CAJA TATA Participa una proteína de unión a caja TATA o (TBP) TRANSCRIPCION Y PROCESAMIENTO DEL mRNA EN CELULAS EUCARIOTAS. COMPLEJO DE PREINICIO TRANSCRIPCION Y PROCESAMIENTO DEL mRNA EN CELULAS EUCARIOTAS. INICIO DE LA TRANSCRIPCION TRANSCRIPCION Y PROCESAMIENTO DEL mRNA EN CELULAS EUCARIOTAS  CARACTERISTICAS DE UN mRNA MADURO: BETA-GLOBINA humana Previene que el extremo 5´del mRNA sea degradado por las exonucleasas 1. Casquete de Dirige el transporte del mRNA del núcleo al citoplasma 7 Metil- Es importante en el inicio de la TRADUCCION. Guanosina: Para que se realice el empalme de EXONES, existe un complejo macromolecular llamado ESPLICEOSOMA 2. Empalme de exones En el extremo 3´ del mRNA contiene residuos de Adenina (Poli A) Sirve como punto de reconocimiento para procesar el 3. Adición de la extremo 3´ cola Poli-A Evitan la degradación prematura por exonucleasas  RNA de Interferencia (RNAi) “La interferencia por RNA es un fenómeno natural en el cual los RNA de doble cadena (dsRNA) conduce a la DEGRADACION de mRNA que tienen secuencias idénticas.” Se piensa que la función principal del RNAi es bloquear la replicación de virus y restringir el movimiento de los elementos genéticos móviles. Existen algunas aplicaciones clínicas del RNAi: por ejemplo el ONPATTRO (Patisiran), utilizado en la amiloidosis transtiretina. RNA de Interferencia (RNAi): siRNA y miRNA 1. El gen que tiene la información del microRNA es transcrito por la RNA polimerasa II y genera un Pri-miRNA 2. El Pri-miRNA es procesado por DROSHA+DGCR8, este complejo realiza corte en el Pri-miRNA, dando lugar al Pre-miRNA (aprox. 70pb) que luego es transportado desde el núcleo al citoplasma. 3. En el citoplasma el Pre-miRNA es procesado a miRNA, esto se logra gracias al complejo DICER+TRBP. 4. Este miRNA de doble cadena se carga en el complejo RISC+Argo 1, durante este proceso solo una de las cadenas se queda en el Complejo, este RNA servirá de guía para indicarle al complejo cual es el RNA objetivo que debe ser bloqueado. 5. El resultado de la unión de un miRNA con un mRNA es la detención del proceso de la TRADUCCIÓN  CARACTERISTICAS y FUNCIONES DE LOS RNA de Interferencia (RNAi): siRNA y miRNA. microRNAs (miRNAs): Pueden detener el proceso de traducción Su función principal es reguladora de la miRNA expresión génica La complementariedad de bases con el RNA objetivo no es perfecta Muchos de los miRNAS se unen a la región 3 UTR de los mRNA RNAs de interferencia pequeños (siRNAs): Dirigen el corte de los RNAs de virus (plantas) siRNA y elementos genéticos móviles (transposones y retrotransposones). Mantienen la estabilidad del genoma Presentan complementariedad perfecta con su RNA objetivo  Aplicaciones Biomédicas: Onpattro (Patisiran) para el tratamiento de Amiloidosis transtiretina (ATTR) “La amiloidosis transtiretina es una enfermedad causada por una mutación en el gen que codifica la proteína TRANSTIRETINA, esta proteína normalmente esta involucrada en el transporte de VITAMINA A.” ▪ En la amiloidosis transtiretina (ATTR), la mutación causa que la proteína se empaquete de manera inadecuada, lo cual causa su acumulación en las células del SISTEMA NERVIOSO y EL CORAZON, causando neuropatías y enfermedades cardiacas. ▪En Agosto del 2018 la FDA aprobó el biológico Patisiran cuyo nombre comercial es Onpattro, este medicamento ha demostrado disminuir la producción de proteína anómala Transtiretina. ▪Patisiran es un RNA pequeño de interferencia cuyo objetivo es el mRNA que codifica para la proteína transtiretina https://www.youtube.com/watch?v=dHw0yOYOrbo  RNAs Relacionados a proteínas PIWI: piRNAs. “Cuando los elementos génicos móviles saltan en el genoma de una célula somática solo se vera afectada esa célula y sus células hijas. Sin embargo si el gen saltarín afecta a células de la línea germinal, existe el riesgo de que cada célula del individuo se vea afectada”. Las células de la línea germinal expresan una clase distinta de RNAs llamados RNA relacionados a proteínas PIWI, estos RNAs pueden suprimir el movimiento de los Elementos transponibles. Si las proteínas PIWI son eliminadas, aumenta la actividad de los elementos genéticos móviles.  CRISPR-Cas9 y Otros RNAs no codificantes. Dr. Francis Mojica MICROBIOLOGO CRISPR: Clustered regularly interspaced short palindromic repeats. El sistema CRISPR-Cas9 es mecanismo “inmunológico bacteriano”, capaz de cortar segmentos de DNA bacteriano. “Las secuencias virales se obtienen de los virus que invadieron a los ancestros de las bacterias y su presencia en el genoma bacteriano constituye una memoria de los ataques previos” El locus CRISPR se transcribe como una molécula de RNA guía se procesan y se cargan en una proteína llamada Cas9. La Cas9 usa el RNA como una guía para localizar secuencias especificas de DNA dando lugar al corte de DNA. Actualmente el sistema CRISPR-Cas9 se ha desarrollado para trabajar en células eucariotas CRISPR-Cas9 Otros RNAs no codificantes.  TRADUCCION ❖ La Traducción se refiere al proceso por el cual la secuencia de nucleótidos del mRNA es usado para construir una cadena de aminoácidos (polipéptido), a partir de la información codificada en el DNA. ❖ La traducción ocurre en un MARCO DE LECTURA el cual es definido por el INICIO DE LA TRADUCCION (CODON AUG en el mRNA). ❖ La traducción involucra además dos tipos de RNA (RNA de transferencia; tRNA) y (RNA ribosómico; rRNA), el tRNA decifra los codones del mRNA. ❖ Cada aminoácido tiene su propio set de tRNA, el cual se une al aminoácido y el cual lo lleva en el extremo del polipéptido en crecimiento ❖ Cada tRNA tiene una región llamada ANTICODON el cual es COMPLEMENTARIO AL CODON DEL mRNA  TRADUCCION Y CODIGO GENETICO: “CARACTERISTICAS” ▪ EL Código Genético esta escrito de manera lineal utilizando como letras las bases ribo-nucleotídicas de la molécula de mRNA. ▪ Cada “palabra” del mRNA tiene tres letras ribo-nucleotídicas. Denominadas CODONES, cada grupos de tres especifica un aminoácido. ▪ El código genético es degenerado, esto significa que un es codificado por mas de un codón. Es asi para los 18 de los 20 aminoácidos ▪ El código genético contiene señales de INICIO y FIN unos codones determinados son necesarios para iniciar y terminar la transcripción. ▪ Pueden existir 3 marcos de lectura (Genes solapantes, en algunos casos particulares) ▪ El código genético no UTILIZA NINGUNA PUNTUACIÓN INTERNA. No tiene comas ▪ No es solapado. ▪ El código genético es casi UNIVERSAL.  Diferentes PUNTOS DE INICIO crean genes solapados “Un único mRNA tiene varios puntos de inicio” Fago Phi-174 Su genomas es de 5386 nucleótidos. Lógicamente Codifican 1786 aminoácidos. Generan 5 o 6 proteínas. Genes Solapados Sin embargo este fago puede sintetizar 9 proteínas a partir de mas de 2300 aminoácidos!!!. Como es posible esto!!! “CODIGO GENETICO CASI UNIVERSAL y DEGENERADO” ESTRUCTURA DE tRNA Se estima que en las células eucariotas hay 60 tipos de tRNA. El tRNA esta codificado por tDNA repetido varias veces y estas repeticiones varían entre organismos. En seres humanos se estima que el nro. de genes para RNAt es de 1300 La RNA polimerasa III transcribe los RNAt, RNAr 5S Pueden tener ribonucleótidos con bases nitrogenadas poco frecuentes ESTRUCTURA DEL RNARIBOSOMICO. Componente principal de los ribosomas El 80% de RNA de una célula corresponde al RNA ribosómico. El transcrito primario del RNAr sufre procesamiento y maduración. Los nucleolos funcionan como organelos productores de RIBOSOMAS. Sobre su estructura se unen varias proteínas para dar lugar al ribosoma. “Los RNAs Ribosómicos forman estructuras complejas. Están formados por una sola hebra de RNA con numerosas regiones helicoidales resultante de emparejamiento intracatenarios de bases”.  TRADUCCION: Estructura del Ribosoma El ribosoma cuenta con tres sitios llamados A, P y E EL SITIO P: centro P o Peptidilo es donde se localiza la reacción catalizada por RNAr 23S y donde se observa la elongación de la cadena polipeptídica. El SITIO A: Centro A o Aminoacilo es el lugar por el cual el AMINOACIL – tRNA entra al complejo traduccional, para después transferiri este aminoácido al peptidil tRNA y generar el enlace peptídico. El SITIO E: Centro de Eliminación es por donde saldrá del complejo ribosomal el tRNA una vez que lo dejo en la cadena polipeptídica. TRADUCCION  FASES DE LA TRADUCCION 1. Complejo de Iniciación: Comprende mRNA, un Ribosoma y un tRNA. También se requieren de determinados factores de iniciación: IF1, IF2, IF3 etc. 2. Proceso de Elongación: Se necesita factores de ELONGACION, que permiten el alargamiento de la cadena polipeptidica 3. Terminación: Cuando se alcanza uno de los tres codones de parada (UAA, UGA o UAG), la traducción se detiene “LA TRADUCCION EN EUCARIOTAS OCURRE FUERA DEL NUCLEO DE LA CELULA EN EL RIBOSOMA QUE SE ENCUENTRA EN EL CITOPLASMA” TRADUCCION: Polirribosomas RESUMEN DEL FLUJO DE LA INFORMACION GENETICA ALGUNOS ANTIBIOTICOS Y SUS TARGETS TERAPEUTICOS  CIPROFLOXACINA RIFAMPICINA GENTAMICINA ERITROMICINA Inhibidor de la DNA Girasa Inhibidor de la RNA Inhibidor de la Subunidad 30S Inhibidor de la Subunidad 50S bacteriana (TOP II) Polimerasa en el Ribosoma, bloqueo de la en el Ribosoma, bloqueo de la síntesis de proteína síntesis de proteína Vigilancia del RNA y Control de Calidad. “Debido a que los codones de parada pueden formarse rápidamente, uno puede esperar un aumento de los CODONES de parada dentro de la secuencia codificante”. Las mutaciones de este tipo se las conoce como MUTACIONES SIN SENTIDO, las cuales han sido estudiadas por décadas y son responsables del 30% DE LOS DESORDENES HEREDITARIOS HUMANOS. Los codones de terminación prematuros pueden ser introducidos durante el Splicing. Control de calidad: destrucción de mRNA mediada por secuencias sin sentido a través del COMPLEJO UNION DE EXONES (EJC) Este complejo se mantiene unido al mRNA hasta que sea totalmente traducido: Esto protege a las células de la producción de proteínas sin función, esto se debe a que destruyen el mRNA en los cuales uno o mas exones han sido empalmados de manera incorrecta. Vigilancia y Control de Calidad de los mRNA en Células Eucariotas