Estructura y Función de los Genes Humanos PDF

Tema 3 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 1 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.1 Ideas y preguntas clave. 3.2 El dogma central: DNA → RNA → proteína. 3.3 Expresión génica. 3.4 Variación de la expresión génica y su importancia en medic...

Tema 3 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 1 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.1 Ideas y preguntas clave. 3.2 El dogma central: DNA → RNA → proteína. 3.3 Expresión génica. 3.4 Variación de la expresión génica y su importancia en medicina. 2 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.1 Ideas y preguntas clave El conocimiento, cada vez más profundo, de la estructura y la función de los genes y los cromosomas ha sido posible gracias a los grandes avances de la genética molecular y la genómica, proporcionando, a su vez, un enfoque genético y genómico de la medicina. ¿De qué manera se contiene la información genética en el genoma humano? ¿Cuál es el proceso por el que la información genética se hace asequible a la célula? ¿Existen variaciones en la expresión génica? Si las hay, ¿tienen relevancia clínica? 3  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.2 El dogma central: DNA→ RNA → proteína La codificación de información en el genoma humano es interpretada a través de procesos que permiten la expresión de todas las características bioquímicas, celulares, morfológicas y clínicas observables, que conjuntamente constituyen el fenotipo. Aunque en el genoma humano haya ~20000 genes codificantes de proteínas, 20000 proteínas no son suficientes para explicar toda la diversidad funcional observada en las células humanas. 4  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.2 El dogma central: DNA→ RNA → proteína Esta diversidad observada en la expresión del genoma se debe a dos circunstancias: Los ~20.000 genes humanos codifican un número mucho mayor de proteínas, denominado en conjunto proteoma. Esta diversidad se consigue mediante el procesamiento alternativo de exones, y mediante la existencia de modificaciones postraduccionales de las proteínas sintetizadas. Las proteínas individuales no actúan por sí mismas, sino que establecen complicadas redes en las que participan muchas proteínas distintas y RNA reguladores. La naturaleza combinatoria de las redes de proteínas genera una diversidad incluso mayor de posibles funciones celulares. 5  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.2 El dogma central: DNA→ RNA → proteína En el genoma hay genes que codifican proteínas (azul) y genes que codifican RNAs que no se traducen (rojo) que participan en la regulación génica. Las proteínas se relacionan entre sí formando redes que regulan las funciones celulares, que a su vez determinan el fenotipo del organismo. 6  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.2 El dogma central: DNA→ RNA → proteína Los genes no se distribuyen de forma homogénea en el genoma. En A, número de genes en cada una de las regiones indicadas en el cromosoma 11. En B, ampliación de la región indicada en la que hay 5 genes de receptores olfatorios y 5 de globinas. En C, los 5 genes de globinas. 7  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica El procesamiento alternativo de exones (alternative splicing) permite obtener proteínas diferentes a partir de un mismo gen. 8 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Baldwin et al. Front Physiol. 2013 Oct 11;4:284. 9  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Código genético La traducción de un mRNA procesado se inicia siempre en un codón de metionina. El codón de la metionina (el codón iniciador, AUG) establece el marco de lectura del mRNA; cada codón que le sigue se lee por turno para establecer la secuencia de aminoácidos de la proteína. 10  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Un marco o pauta abierta de lectura es la secuencia comprendida entre un codón de iniciación (ATG) y el primer codón de parada (TAG, TGA o TAA). 11  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Transcripción del genoma mitocondrial El genoma mitocondrial presenta su propio sistema de transcripción y de síntesis de proteínas. El genoma mitocondrial (16,5 kb) es transcrito por una RNA polimerasa especializada (codificada en el genoma nuclear) que reconoce dos secuencias promotoras, una para cada cadena del genoma circular. Cada cadena se transcribe en su totalidad y los RNAs transcritos mitocondriales son procesados para generar los diferentes mRNAs, tRNAs y rRNAs mitocondriales individuales. 12 Gen de la β-globina humana. En mayúsculas, secuencias exónicas y en minúsculas secuencias intrónicas. Sobre las secuencias exónicas se muestra la secuencia de aminoácidos. 13 Elementos importantes: Promotor Sitios unión Factores Transcripción (fondo azul intenso) Sitio inicio transcripción 5’UTR (región 5’ no traducible). ATG, metionina inicial Exones. Intrones. Secuencias consenso ayuste: inicio de intrón (gt) y final de intrón (ag) Codón STOP 3’UTR (región 3’ no traducible). Señal de poliadenilación (AATAAA). 14  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica La expresión génica está controlada por mecanismos epigenéticos, que suponen modificaciones químicas en el propio DNA (metilación de citosinas) o en las proteínas asociadas (acetilación de histonas). 15  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica La metilación de citosinas reprime la expresión génica. La acetilación de histonas la promueve. Las alteraciones epigenéticas están catalizadas por enzimas y no suponen un cambio en la secuencia del DNA. No son mutaciones. 16  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Los genes localizados en los autosomas presentan dos copias: una en el cromosoma heredado de la madre y otra en el cromosoma heredado del padre. En la mayor parte de los genes autosómicos ambas copias se expresan y generan un producto (expresión bialélica). Sin embargo, en algunos casos las dos copias del gen presentan niveles de expresión diferentes. Son casos de desequilibrio alélico. Y en algunos casos la expresión es monoalélica, de modo que solo una de las dos copias del gen se expresa, mientras que la otra permanece silenciada. 17  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.2 El dogma central: DNA→ RNA → proteína Expresión Desequilibrio Expresión equilibrada alélico monoalélica Kukurba et al. PLoS Genet. 2014 May 1;10(5):e1004304. 18  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Desequilibrio alélico en la expresión génica El 5-20% de los genes autosómicos del genoma presenta desequilibrio en la expresión génica, que puede ser debida a diferencias en el grado de metilación de sus promotores, lo que causa una diferente afinidad de los factores de transcripción. 19  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Expresión génica monoalélica La expresión monoalélica de un gen puede tener diversas causas: Reordenación somática y exclusión alélica Se produce en los genes que codifican inmunoglobulinas (anticuerpos), que se expresan en linfocitos B como parte de la respuesta inmunitaria. Los anticuerpos se componen de dos cadenas pesadas y dos ligeras, codificadas por un número relativamente pequeño de genes que, durante el desarrollo del linfocito B, sufren un proceso de reordenación somática que implica el corte y pegado de secuencias de DNA en las células precursoras de linfocitos (no en otras células) para reordenar los genes en células somáticas con el fin de generar la enorme diversidad de anticuerpos. 20  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Expresión génica monoalélica Reordenación somática y exclusión alélica Las reordenaciones de DNA que codifica las cadenas pesada y ligera se producen a lo largo de muchos cientos de kilobases, pero implican sólo a uno de los dos alelos de la cadena pesada y a uno de los alelos de la cadena ligera, que se eligen al azar en cualquier linfocito B determinado. Para cada tipo de cadena (pesada y ligera) de las inmunoglobulinas, ambos alelos (reordenado y no reordenado), se transcriben a mRNA, pero solo el mRNA que procede del alelo reordenado se traduce a polipéptidos funcionales. Por tanto, la expresión de los mRNA maduros para las subunidades de las cadenas pesada y ligera de inmunoglobulinas es exclusivamente monoalélica. 21 La recombinación somática permite obtener gran diversidad estructural en anticuerpos (y en receptores de linfocitos T). 22  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Expresión génica monoalélica Reordenación somática y exclusión alélica 23  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Expresión génica monoalélica Expresión monoalélica aleatoria Se produce por regulación epigenética. Un ejemplo es el de la familia de genes de receptores olfatorios (OR), de los que hay 400 funcionales en el genoma humano. En este caso, sólo un único alelo de uno solo de los genes de la familia OR se expresa en cada neurona sensorial olfatoria. Los muchos cientos de copias adicionales de la familia del OR permanecen reprimidos en esa célula. De un 5 a un 10% de los genes autosómicos están sometidos a expresión monoalélica aleatoria de este tipo. Una vez establecido el patrón de expresión monoalélica, se transmite a las células hijas. En casos de expresión monoalélica aleatoria, tanto el gen heredado del padre como el heredado de la madre pueden ser los sometidos a represión. 24  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Expresión monoalélica aleatoria Evidencia de expresión monoalélica aleatoria en el gen Cap2 (Adenylyl cyclase-associated protein 2). Eckersley-Maslin & Spector. Trends Genet. 2014 Jun; 30(6): 237–244. 25  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Expresión génica monoalélica Impronta genómica La impronta genómica es un fenómeno que afecta a unos 100 genes con funciones en el desarrollo embrionario y de la placenta. Esto da lugar a la expresión monoalélica de un gen o, en algunos casos, de múltiples genes de la región del genoma sometida a impronta. En la impronta genómica, la elección del alelo que se expresa no es aleatoria y está determinada únicamente por su origen parental. La impronta se produce por modificaciones epigenéticas en la línea germinal de los progenitores en localizaciones específicas en el genoma. Se produce durante la gametogénesis. El mecanismo epigenético suele ser la metilación: existen Regiones con Metilación Diferencial (DMR) o Dominios de Metilación Diferencial (DMD). 26  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica La metilación se produce en citosinas dentro de promotores, y causa una reducción de la afinidad de factores de transcripción por el promotor. 27  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Hay casos de impronta recíproca. El factor de crecimiento tipo insulina 2 (IGF2) y H19 son genes improntados de forma recíproca que están presentes en el mismo locus del cromosoma 11. Mientras IGF2 codifica un factor de crecimiento, H19 se trascribe formando un RNA de cadena larga no codificante (lncRNA) que es supresor de crecimiento. IGF2 solo está activo en el alelo paterno, mientras que H19 se activa solo en el alelo materno, de M P M P modo que se mantiene el crecimiento celular normal. En las personas con síndrome de Beckwith- Wiedemann, el alelo materno del gen IGF2, que normalmente está silenciado, se activa generando expresión bialélica de IGF2, lo que conduce al desarrollo de tumores. Es un caso de pérdida de impronta (loss of imprinting o LOI) 28  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica La expresión de IGF2 y H19 es mutuamente excluyente debido a una región del cromosoma 11 que se sitúa entre IGF2 y H19, que es una región de control de impronta (ICR) que contiene un dominio de metilación diferencial (DMD). Renfree et al. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013; 368: 20120151. 29  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica En posición 3’ respecto a H19 se sitúan una región potenciadora de la transcripción (enhancer) Si DMD/ICR no está metilado en citosinas (arriba), el enhancer activa la expresión de H19. Al mismo tiempo, el factor de transcripción CTCF se une a DMD/ICR y “aísla” a IGF2 del efecto potenciador del enhancer. Renfree et al. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013; 368: 20120151. 30  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Si DMD/ICR está metilado, H19 no puede transcribirse. Al mismo tiempo, la metilación de DMD/ICR impide la unión del factor CTCF. En ausencia de CTCF, IGF2 no está aislado del enhancer y su transcripción se activa. Por este motivo, la metilación de la región DMD/ICR activa la expresión de IGF2 y reprime la de H19, mientras que la desmetilación de DMD/ICR activa la expresión de H19 y reprime la de IGF2. Renfree et al. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013; 368: 20120151. 31  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica En caso de pérdida de impronta (loss of imprinting), tanto el cromosoma 11 paterno como el materno están metilados en DMD/ICR y como consecuencia H19 no se expresa en absoluto e IGF2 se expresa a partir de los dos cromosomas 11. Model of loss of imprinting of IGF2, H19 and methylation of the H19 promoter in Wilms' 32 tumor. | Learn Science at Scitable (nature.com)  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Durante la gametogénesis la impronta genómica presente en las células somáticas se “borra” mediante eliminación de las modificaciones epigenéticas, y se vuelve a establecer de nuevo de acuerdo con el sexo de la persona que produce los gametos. Hay genes silenciados en cromosomas procedentes de hombres y otros genes silenciados en cromosomas procedentes de mujeres. 33  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Impronta genómica En los genes “improntados”, la copia procedente de uno de los progenitores es inactiva y la procedente del otro progenitor es activa. La impronta genética puede dar lugar a patologías en algunos casos: 1) Cuando existe una deleción o mutación en el cromosoma que contiene el gen activo. El gen del otro alelo no puede suplir su función, porque está inactivado, y por tanto va a existir una repercusión fenotípica. 34  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Impronta genómica 2) Cuando ambas copias de un cromosoma o de un segmento cromosómico proceden del mismo progenitor, en un caso de disomía uniparental, y eso afecta a regiones del genoma sometidas a impronta genómica. Si la persona afectada tiene las dos copias del gen inactivadas, aparecerá patología Si la disomía uniparental es resultado de la duplicación de un solo cromosoma, con lo que los dos cromosomas son idénticos, se habla de isodisomía. Normal Disomía Si los dos cromosomas son los dos homólogos del uniparental mismo progenitor, se trata de heterodisomía. materna 35  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica La disomía uniparental tipo heterodisomía puede producirse por un fenómeno de “rescate” de una trisomía producida por una no disyunción meiótica anterior. La disomía uniparental tipo isodisomía se produce por rescate de monosomía mediante duplicación de un mismo cromosoma. 36  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Inactivación del cromosoma X La base cromosómica para la determinación del sexo da lugar a una diferencia de dosis entre varones y mujeres típicos con respecto a los genes del cromosoma X. En las mujeres se produce la inactivación de uno de los dos cromosomas X en las células, durante la primera semana de la embriogénesis. Es un mecanismo de compensación de dosis que produce el silenciamiento epigenético de la mayoría de los genes en uno de los dos cromosomas X. 37  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Inactivación del cromosoma X En las células femeninas normales, la elección del cromosoma X que se va a inactivar es aleatoria y se mantiene a continuación en cada estirpe clonal. Por lo tanto, las mujeres son un mosaico con respecto a la expresión génica ligada al cromosoma X; algunas células expresan alelos del X heredado del padre, pero no del X heredado de la madre, mientras que otras células hacen lo contrario. Este patrón en mosaico de la expresión génica distingue la mayoría de los genes ligados al cromosoma X de los genes con impronta, cuya expresión se determina estrictamente por su origen parental. 38 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Inactivación del cromosoma X 39  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Inactivación del cromosoma X El cromosoma X inactivado forma el corpúsculo de Barr en el núcleo interfásico. 40  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Centro de inactivación del cromosoma X y gen XIST La inactivación del cromosoma X se produce muy pronto en el desarrollo embrionario femenino, y la determinación de qué cromosoma X se inactivará es una elección aleatoria sometida al control de un locus complejo denominado centro de inactivación del cromosoma X (XIC). Esta región contiene un gen que codifica un RNA no codificante (ncRNA) llamado XIST (inactive X [Xi]–specific transcript, o transcrito específico del X inactivo). XIST se expresa solo a partir del cromosoma X; es silente desde el punto de vista transcripcional en el X activo tanto en las células masculinas como femeninas. 41  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.3 Expresión génica Centro de inactivación del cromosoma X y gen XIST El producto del gen XIST es un ncRNA largo (17 kb) que se mantiene en el núcleo en estrecha asociación con el cromosoma X inactivo. 42  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS 3.4 Variación de la expresión génica y su importancia en medicina La expresión regulada de los genes codificados en el genoma humano implica una serie de complejas interrelaciones entre diferentes niveles de control, incluida la dosis génica apropiada (controlada por mecanismos de replicación cromosómica y segregación), la estructura de los genes, el empaquetamiento de la cromatina y la regulación epigenética, la transcripción, el corte y empalme del RNA y, para los loci codificantes de proteínas, la estabilidad del mRNA, la traducción, el procesamiento de proteínas y la degradación proteica. Para algunos genes las fluctuaciones en el nivel de producto génico funcional son de escasa importancia. Para otros genes, cambios menores en el nivel de expresión pueden tener consecuencias clínicas muy importantes. 43  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS Enfermedades relacionadas con la impronta genómica Síndrome de Prader-Willi y síndrome de Angelman. Están relacionadas con alteraciones (p. ej. deleciones cromosómicas) en regiones afectadas por el fenómeno de impronta genómica en el cromosoma 15. 44  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS El síndrome de Prader-Willi (SPW) es un síndrome genético poco frecuente del neurodesarrollo relacionado con la impronta genómica, caracterizado por hipotonía grave y problemas en la alimentación neonatal, hiperfagia, riesgo de obesidad grave durante la infancia y edad adulta, dificultades de aprendizaje, y trastornos de la conducta o problemas psiquiátricos graves. El síndrome de Angelman (SA) también está relacionado con la impronta y se caracteriza por presentar retraso del desarrollo, discapacidad intelectual y epilepsia, en otros síntomas. El SPW se debe a alteraciones en la región genómica 15q11-13 del cromosoma 15 heredado del padre, mientras que el SA debe a alteraciones de la misma región, pero en el cromosoma 15 materno. 45  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS En la región genómica 15q11-13 hay una serie de genes que solo se expresan en el cromosoma 15 heredado del padre, y dos genes que solo se expresan en el cromosoma 15 materno. Si la región 15q11-13 del cromosoma paterno se pierde por deleción, se produce el SPW, porque algunos de los genes perdidos por el cromosoma 15 paterno están sometidos a impronta y no pueden ser expresados por el cromosoma 15 materno. De modo similar, si se pierde por deleción la región 15q11-13 del cromosoma 15 materno se produce el SA, porque los genes sometidos a impronta perdidos no pueden ser expresados por el cromosoma 15 paterno. 46  ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS En la imagen de abajo, las flechas azules (parte superior) indican expresión génica exclusiva del cromosoma 15 paterno, y las flechas amarillas (parte inferior), indican expresión génica exclusiva del cromosoma 15 materno. Los asteriscos rojos indican las metilaciones en la región de control de impronta. Estas metilaciones solo se producen en el cromosoma 15 materno. El SPW se debe sobre todo a la pérdida de expresión de una serie de RNAs no codificantes (SNORD116 e IPW), que regulan la expresión de otros genes. La causa específica del SA es la pérdida de expresión de UBE3A, que codifica una enzima ubiquitina ligasa. 47 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES HUMANOS paterna (3-7%) 48