Anatomia del genoma (III) PDF

Tema 1 (III) Anatomia del genoma (el genomes procariota i eucariota) - El genoma procariota - Anatomia del genoma eucariota - DNA nuclear i organular - DNA repetitiu - Genotip. F...

Tema 1 (III) Anatomia del genoma (el genomes procariota i eucariota) - El genoma procariota - Anatomia del genoma eucariota - DNA nuclear i organular - DNA repetitiu - Genotip. Fenotip. Dominància Atès el caràcter no lucratiu i la finalitat exclusivament docent i eminentment il·lustrativa dels materials disponibles en aquest espai virtual, els professors s'acullen a l’article 32 de la Llei de Propietat Intel·lectual vigent respecte de l’ús parcial d'obres alienes com ara imatges, gràfics, texts o altre material utilitzat en els diferents recursos docents presents en aquest Campus Virtual.  Anatomia del genoma (III) Els genomes procariota i eucariota ü A un nivell superior en l’escala evolutiva li correspon un contingut més gran de DNA  Anatomia del genoma (III) Mida del genoma d’alguns eucariotes  Anatomia del genoma (III) Els genomes procariota i eucariota ü Paradoxa del valor C: no hi ha relació directa entre la mida del genoma i el número de gens. ü Una gran quantitat del DNA eucariota no codifica per cap producte gènic. ü Hi ha una relació inversa entre la complexitat de l’organisme i la densitat gènica (nombre de gens / mida del genoma): quan més simple és un organisme més densitat gènica presenta.  Anatomia del genoma (III) Els genomes procariota i eucariota  Anatomia del genoma (III) El genoma procariota: compactació del DNA d’Escherichia coli ü El genoma és una molècula única de DNA de gran mida (4.6 · 106 pb), molt compactada i condensada en una zona central del citoplasma cel·lular. ü L’estructura del genoma es coneix com a NUCLEOIDE: és una doble hèlix circular unida a proteïnes formant 500 llaços o dominis d’unes 10 Kb cadascun. ü Les proteïnes són similars a les histones d’eucariotes, petites i generalment bàsiques (HU, 19 kDa). ü Aquesta estructura en dominis: – Protegeix la informació gènica – Augmenta el grau de compactació de la molècula.  Anatomia del genoma (III) Genoma eucariota ü Compactació: superenrotllament i unió a proteïnes (cromatina). ü El grau de compactació del DNA varia en funció de les fases del cicle cel·lular: – El màxim nivell d’empaquetament del DNA és el cromosoma, visible en el nucli en metafase. – Quan les cèl·lules estan en interfase, el DNA està menys condensat. ü Els cromosomes i la cromatina estan formats per DNA, proteïnes i una petita porció d’RNA. Cicle cel·lular  Anatomia del genoma (III) Condensació del DNA  Anatomia del genoma (III) Graus de compactació de la cromatina ü Eucromatina: Regions de cromatina amb un grau d’empaquetament baix, no visibles al microscopi òptic. El DNA es pot replicar i transcriure, és accessible. ü Heterocromatina: Regions de cromatina molt més empaquetada (10000 x), visible al microscopi òptic i no activa transcripcionalment. Potser de dos tipus: Constitutiva: sempre amb el màxim nivell de compactació i és transcripcionalment inactiva (centròmers, telòmers). Facultativa: cromatina que no sempre està tant compactada. Quan no està compactada, pot haver transcripció, expressió gènica (en un moment donat o en un determinat teixit).  Anatomia del genoma (III) Histones ü Són les principals proteïnes, molt conservades evolutivament, constituents de la cromatina en els eucariotes. ü Estabilitzen l’estructura del DNA ajudant a compactar-lo. ü Són proteïnes petites i bàsiques, carregades positivament a pH fisiològic, que interaccionen electrostàticament amb els fosfats del DNA. Tenen alt contingut en Lys i Arg. ü Segons la fase del cicle cel·lular pateixen modificacions químiques què alteren la càrrega elèctrica i regulen el grau de condensació del DNA i la transcripció: metilacions, acetilacions, fosforilacions, ADP-ribosilacions, glicosilacions, sumoïlació, ubiquitinació... ü Hi ha 5 tipus principals d’histones: H1, H2A, H2B, H3, H4.  Anatomia del genoma (III) Nucleosoma !! Els nucleosomes són complexos formats per l’associació d’histones amb el DNA. !! Està format per un nucli proteic (octàmer d’histones centrals format per 2 molècules dels tipus H2A, H2B, H3 i H4) sobre el qual s’enrotlla el DNA, i per la histona H1 (histona d’unió) que interacciona amb el DNA adjacent al nucleosoma però no forma part de l’octàmer (actua com a grapa subjectant l’estructura).  Anatomia del genoma (III) Estructura del genoma eucariota: fibra de 10 nm !! Són les fibres que formen els nucleosomes (connectats entre si per fragments de DNA). !! Hi ha 1 nucleosoma per cada aproximadament 200 pb. Podem distingir: ! El DNA nucli (core), DNA (de 146-147 pb) superenrotllat negativament (dóna "1.7 voltes a l’octàmer d’histones); és un DNA de mida força constant en totes les espècies. ! El DNA nexe (linker), DNA que connecta els nucleosomes, de longitud variable (20-60 pb). !! Aquestes fibres (10 nm) proporcionen un empaquetament del DNA de 6 vegades superior al de la doble hèlix.  Anatomia del genoma (III) Estructura del genoma eucariota: fibra de 30 nm ü La fibra de 10 nm s’enrotlla sobre ella mateixa amb la intervenció de la histona H1. ü El grau d’empaquetament és d’unes 40-100 vegades respecte la doble hèlix. ü S’han proposat diversos models per explicar com s’associen els nucleosomes en la fibra de 30 nm: el model del solenoid i el model zig-zag.  Anatomia del genoma (III) Estructura del genoma eucariota: fibra de 30 nm “cues” N-terminals octàmer d’histones Model zig-zag !! Les cues N-terminals de les histones de l’octàmer resten cap a l’exterior són necessàries per a formació de la fibra de 30 nm.  Anatomia del genoma (III) Estructura del genoma eucariota: fibra de 30 nm !! Les cues N-terminals de les histones de l’octàmer poden ser modificades químicament, desestabilitzant la fibra de 30 nm, i permetre la transcripció gènica.  Anatomia del genoma (III) Modificació d’histones per acetilació Herraez., A. Biología molecular e ingeniería genética. 2012. 2ª Ed. Elsevier ü Epigenètica: Estudi de les modificacions químiques de la cromatina (metilació del DNA, modificació d’histones) i de regulació de l’expressió gènica mitjançant RNAs d’interferència que es transmeten a la descendència sense alterar l’estructura primària del DNA (seqüència de nucleòtids) i que poden afectar l’expressió de gens, el desenvolupament, la predisposició a patir malalties, etc. ü L’epigenètica promou diversitat morfològica i funcional de cèl·lules que tenen un mateix genoma.  Anatomia del genoma (III) Factors epigenètics Nutrició Hàbits (tabaquisme) Estrès Climatologia Contaminants Fàrmacs Radiacions Patró epigenòmic en el DNA Canvis hereditaris en l’expressió J. J. Lee et al. Laboratory Investigation (2014) 94, 822–838 dels gens ü Els canvis epigenètics presenten estabilitat meiòtica: àvies fumadores transmeten als seus néts predisposició a l’asma bronquial. Conseqüències ü Les circunstàncies vitals de 2 generacions anteriors (dieta, entorn on fenotípiques van créixer, malalties que van patir) poden afectar als descendents.  Anatomia del genoma (III) Nivells superiors de compactació de la cromatina !! Durant la interfase les fibres de 30 nm semblen formar llaços o bucles (20-100 Kb) i superenrotllaments lligats a una matriu proteica no histona (esquelet nuclear o cromosòmic). !! Aquesta estructura compacta més el DNA i sembla que permet distribuir els gens en unitats transcripcionals.  Anatomia del genoma (III) Nivells superiors de compactació de la cromatina ü El DNA en les regions del cromosoma que s’estan replicant o transcrivint es presenta poc (fibra de 10 nm) o nul·lament (DNA nu) compactat.  Anatomia del genoma (III) Cromosoma X heterocromàtic en mamífers Lewin. Genes. Fundamentos. 2012. 2ª ed. Editorial Médica Panamericana. ü En els mamífers, per igualar el nivell d'expressió dels gens del cromosoma X en els dos sexes, un dels dos cromosomes X femenins és inactiu: està totalment condensat en forma de heterocromatina (facultativa).  Anatomia del genoma (III) Cromosoma metafàsic (forma condensada del cromosoma) ü Durant la metafase, el DNA que ja s’ha replicat es condensa en heterocromatina adquirint l’aspecte típic dels cromosomes visibles al microscopi òptic. ü Cada cromosoma presenta dos estructures en forma de bastó, les cromàtides. ü Cada cromàtida és una fibra de heterocromatina superenrotllada. ü El cromosoma: – Compacta el DNA – Estabilitza les molècules de DNA i les protegeix de l’entorn cel·lular – Permet la transferència segura a les cèl·lules filles de tota la informació codificada. – Organitza la informació continguda en el DNA, facilitant l’expressió gènica.  Anatomia del genoma (III) Centròmers i telòmers ü Centròmer: Lloc d’unió del cromosoma a les fibres del fus mitòtic. Lloc d’unió de les cromàtides germanes. ü Telòmers: Seqüències dels extrems dels cromosomes associades a proteïnes que participen en l’estabilitat i manteniment de la integritat estructural. Asseguren la replicació completa dels extrems dels cromosomes lineals.  Anatomia del genoma (III) Genoma humà !!Genoma nuclear humà diploide (cèl!lules somàtiques): –! 46 cromosomes lineals (22 parells de cromosomes homòlegs més els cromosomes sexuals X i Y). !!Genoma nuclear humà haploide (cèl!lules sexuals): –! 3.2 ! 109 pb distribuïts en 23 cromosomes lineals. Fig 1.1 Bioquímica Médica, 5a ed., Elsevier 2019 !!Genoma mitocondrial humà: –! 16.5 ! 103 pb en una molècula circular. –! 37 gens per molècula (13 proteïnes, 22 tRNA i 2 rRNA). –! Moltes còpies per cèl!lula.  Anatomia del genoma (III) Manteniment estructural dels cromosomes: proteïnes SMC  Anatomia del genoma (III) Proteïnes SMC en eucariotes: cohesines, condensines i kleisina ü Cohesines: Implicades en la unió de cromàtides germanes en la replicació i en el manteniment de la unió durant la compactació en la metafase (procés essencial per a la correcta segregació dels cromosomes en la divisió cel·lular). Formen una anell amb la kleisina, què es pot expandir o contraure per hidròlisi d’ATP. ü Condensines: Essencials per a la condensació dels cromosomes durant la mitosi.  Anatomia del genoma (III) Genoma extranuclear en mitocondris i cloroplasts  Anatomia del genoma (III) Comparació del genoma eucariota amb el d’E. coli E. coli – Pràcticament la totalitat del DNA és codificant i de còpia única. – Els gens estan disposats de manera contigua. Hi ha molt poc DNA no codificant entre els gens. – Els gens són continus, no estan fragmentats. Eucariotes – El DNA té moltes seqüències repetides i la majoria d’aquestes repeticions no codifiquen cap producte gènic. – La majoria dels gens són de còpia única. – Els gens estan separats uns dels altres per llargues seqüències intergèniques de DNA no codificant. – Els gens estan interromputs per llargs fragments de DNA no codificant (introns); no són continus.  Anatomia del genoma (III) Genoma procariota: molts gens procariotes estan agrupats en operons Control de l’expressió DNA mRNA Regulador permeasa transacetilasa !! Els operons són agrupacions de gens amb funcions relacionades, que es regulen i s'expressen conjuntament. !! Expressen un mRNA comú que donarà lloc a diferents proteïnes (policistrònic). !! Ex.: l’operó de la lactosa està format per 3 gens estructurals (z, y, a) i un gen regulador dels gens estructurals (i).  Anatomia del genoma (III) Tipus funcionals de DNA en els cromosomes eucariotes ü DNA codificant de proteïnes i RNAs: exons, introns, UTRs, pseudogens. ü DNA intergènic: DNA repetitiu dispers (retrotransposons LINEs, SINEs i LTRs, i transposons de DNA) i DNA repetitiu agrupat i altres (satèl·lits, microsatèl·lits, minisatèl·lits).  Anatomia del genoma (III) Tipus funcionals de DNA en els cromosomes eucariotes  Anatomia del genoma (III) Característiques dels gens ü En els gens (eucariotes i procariotes) distingim: – Una seqüència estructural, que es transcriu i codifica per a RNAs o proteïnes. – Seqüències reguladores, que controlen la transcripció de les seqüències estructurals. ü Els gens eucariotes són gens fragmentats formats per: – Exons: són les seqüències codificants del gen (50-200 pb) que es troben en el RNAm madur. DNA codificant. – Introns: seqüències no codificants del gen de mida variable (0,5-5 Kb) que no es troben en el RNAm madur. DNA no codificant.  Anatomia del genoma (III) Genoma: DNA codificant ü Cadena codificant, amb sentit. ü Cadena no codificant, motlle (template) de la transcripció. ü La cadena codificant del gen té la mateixa seqüència que l’RNA producte de la transcripció. ü Es numera la cadena codificant del gen a partir de l’extrem 5’. El nucleòtid 1 del gen és el primer nucleòtid que es transcriu. ü En la majoria dels gens eucariotes la seqüència de nucleòtids del DNA no és col·lineal amb la de l’RNA madur ni amb la dels aminoàcids: existeixen seqüències transcrites però no traduïdes, els introns.  Anatomia del genoma (III) Genoma eucariota  Anatomia del genoma (III) Gens eucariotes ü Seqüències que codifiquen per un producte gènic: tots els tipus de RNAs i de proteïnes de l’organisme. ü Tenen un locus determinat en els cromosomes. ü En el genoma haploide trobem: – Gens de còpia única: no repetits que codifiquen per a la majoria de les proteïnes. – Gens moderadament repetits (famílies gèniques clàssiques) que codifiquen per a RNAs (tRNA, rRNA) i algunes proteïnes (histones). – Famílies multigèniques.  Anatomia del genoma (III) Gens multicòpia codificants: família gènica clàssica Herraez., A. Biología molecular e ingeniería genética. 2012. 2ª Ed. Elsevier ü Els gens d’alguns RNAs (rRNA, tRNA) i d’algunes proteïnes (histones) estan agrupats en unitats de repetició (~5,8 Kb per a les histones), disposades en tàndem. ü Tots els gens són funcionals. S’expressen totes les repeticions amb mRNA independents. ü Codifiquen productes que es necessiten en molta quantitat i que s’han de sintetitzar ràpidament en un determinat moment del cicle cel·lular.  Anatomia del genoma (III) Família multigènica ü Conjunt de gens relacionats evolutiva i funcionalment. Codifiquen per a proteïnes amb funcions relacionades i es disposen agrupats freqüentment en la mateixa regió del cromosoma (cluster). ü Exemple: hemoglobina. Essent gens funcionals, no s’expressen tots alhora sinó alternativament en diferents estadis del desenvolupament. Pseudogèn: gen mutat que ha perdut la capacitat de codificar una proteïna funcional. ü La presència de pseudogens en les famílies multigèniques és el resultat de com s’han originat, a partir d’un gen ancestral per processos de duplicació-mutació-selecció.  Anatomia del genoma (III) Família multigènica: hemoglobina en humans !! Embrió (sac vitel!lí): Hb Gower I (majoritària; !2"2), Hb Gower II (#2"2), Hb Portland I (!2$2), Hb Portland II (!2%2) !! Fetus (fetge i melsa): Hb F (majoritària; #2$2) !! Adults (medul!la òssia): Hb A (majoritària; #2%2); Hb A2 (minoritària): #2&2 !2"2 #2$2 (Hb F) #2%2 (Hb A) © 2004 John Wiley & Sons, Inc. Voet Biochemistry 3e Page 1443  Anatomia del genoma (III) Polimorfisme gènic ü Variant genètica comuna en la població, estable i heretable. ü Un locus és polimòrfic quan la variabilitat afecta a més de l’1% de la població. ü El 75 % del genoma codificant és monomòrfic: gens únics sense variabilitat entre individus, que defineixen l’espècie i les seves característiques morfològiques. La resta, 25 %, és polimòrfic. ü El polimorfisme pot tenir o no efectes fenotípics. ü El polimorfisme amb efecte fenotípic pot ser: Polimorfisme fisiològic: alçada, color dels ulls, grup sanguini. Polimorfisme de susceptibilitat a malalties: càncer, Alzheimer, malalties metabòliques,.... Polimorfisme de predisposició a patir addiccions o dependències: a fàrmacs, drogues, alcohol, tabac,...  Anatomia del genoma (III) Pseudogens processats !! Còpies de DNA a partir d’RNAs madurs, sintetitzades per transcripció inversa (transcriptasa inversa), que s’han integrat en el genoma. !! Són gens silenciosos que no es poden expressar perquè no tenen regions promotores funcionals (regió de control de l’expressió).  Anatomia del genoma (III) Transcriptasa inversa: una polimerasa de DNA amb motlle d’RNA !! És una polimerasa de DNA que utilitza RNA com a motlle. La transcriptasa inversa està present en: ! Retrovirus ! Retrotransposons LTR ! Telomerasa  Anatomia del genoma (III) DNA repetitiu ü DNA dispers per tot el genoma seguint una distribució aparentment azarosa. ü DNA agrupat: són repeticions d’unitats disposades en tàndem. DNA satèl·lit: repeticions d’unitats altament repetitives (centenars de milers de pb) agrupades en regions del genoma, com telòmers i centròmers. Són repeticions en tàndem d’unitats de 5-200 pb. Minisatèl·lits: repeticions en tàndem d’unitats de fins a 25 pb que ocupen fins a 20 kb. Microsatèl·lits: repeticions en tàndem d’unitats de fins a 13 pb que ocupen fins a 125 pb. Molts microsatèl·lits tenen gran polimorfisme entre individus d’una espècie i fins-i- tot entre els 2 cromosomes homòlegs d’un individu. El DNA minisatèl·lit i microsatèl·lit és molt polimòrfic: presenta molts canvis en el nombre de repeticions entre individus i fins-i-tot en la seqüència. S’utilitzen com a “emprentes” de DNA per proves forenses i de paternitat.  Anatomia del genoma (III) DNA dispers repetitiu: “Gens accesoris” !! Són seqüències moderadament repetides (2-100.000) i disperses en el genoma que aparentment no tenen funcions clares per a l’organisme. !! Són gens integrats en el genoma per transposició a partir d’una còpia d’RNA per transcripció inversa: –!Pseudogens processats –!Elements mòbils o TRANSPOSONS: ! Retrotransposons LINEs ! Retrotransposons SINEs ! Retrotransposons LTR (similars a retrovirus) ! Transposons de DNA  Anatomia del genoma (III) Conceptes bàsics de genètica ü Cromosomes homòlegs (vs. cromosomes heteròlegs): cromosomes morfològicament idèntics i que contenen els mateixos gens. ü Cromosomes autosòmics (vs. cromosomes sexuals): cromosomes no implicats en la determinació del sexe. ü Un locus genètic és la posició definida que ocupa un gen (o una seqüència no codificant) en un cromosoma. ü Al·lel: variant gènica que pot presentar la que la seqüència d’un gen en la població. ü Polimorfisme gènic: existència en un locus de dos o més al·lels alternatius per a un determinat gen. ü Genotip: constitució genètica d’un organisme. Conjunt d’al·lels presents en tots els cromosomes d’un individu o espècie. ü Genotip per a un determinat locus d’un gen: parell d’al·lels presents en aquell locus en els cromosomes homòlegs. Herraez., A. Biología molecular e ingeniería genética. 2012. 2ª Ed. Elsevier ü Fenotip: manifestació externa del genotip. Conjunt de caràcters observables (morfològics, bioquímics, moleculars) resultat de l’expressió del genotip i de la interacció de l’organisme amb el medi extern. ü Fenotip per a un determinat caràcter: caràcter observable resultat de l’expressió d’un parell d’al·lels i de la interacció de l’organisme amb els factors ambientals.  Anatomia del genoma (III) Conceptes bàsics de genètica !! Un homozigot per a un determinat caràcter o gen, té al!lels idèntics en un determinat locus del parell de cromosomes homòlegs. !! Un heterozigot per a un determinat caràcter o gen, té al!lels diferents en un determinat locus del parell de cromosomes homòlegs. !! Al!lel dominant: la seva presència es manifesta sempre en el fenotip. !! Al!lel recessiu: es manifesta únicament en homozigosi. !! Dominància: fenotip que es manifesta sempre en l’heterozigot. El fenotip no permet distingir entre l’homozigot i l’heterozigot. !! Dominància incompleta (semi dominància): el fenotip de l’heterozigot és intermedi al dels respectius homozigots. !! Codominància: el fenotip de l’heterozigot expressa simultàniament els dos fenotips dels respectius homozigots.