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Material de estudio A. Resumen: Organización genética Ramo: Biología Molecular Profesor: Dr. Yusser Olguín Introducción La naturaleza hereditaria de todo organismo vivo está definida por su genoma, que es una larga secuencia de ácido nucleico que contiene la información necesaria para construir u...

Material de estudio A. Resumen: Organización genética Ramo: Biología Molecular Profesor: Dr. Yusser Olguín Introducción La naturaleza hereditaria de todo organismo vivo está definida por su genoma, que es una larga secuencia de ácido nucleico que contiene la información necesaria para construir un organismo. Un genoma incluye todo el conjunto de cromosomas de un organismo, compuesto por moléculas de ADN que contienen numerosos genes. Aunque el genoma no realiza funciones por sí mismo, su secuencia de ácidos nucleicos determina las características hereditarias. Los genes son las unidades funcionales del genoma y consisten en secuencias de ADN que ocupan ubicaciones específicas en los cromosomas, conocidas como loci genéticos, determinando características particulares en un organismo. Un gen es una secuencia dentro del ácido nucleico que codifica una proteína específica. El número de genes varía entre los diferentes organismos, desde aproximadamente 500 genes en micoplasmas hasta 40,000 genes en humanos. Los genes contienen la información necesaria para construir y mantener las células de un organismo. Genes Los genes son las unidades funcionales del genoma, y constituyen las unidades hereditarias formadas por secuencias de ADN que ocupan una ubicación específica en un cromosoma, conocida como locus genético. Cada gen es una secuencia de ácido nucleico que codifica una única proteína. Los diferentes organismos pueden tener un número variable de genes, desde alrededor de 500 en micoplasmas hasta aproximadamente 40,000 en seres humanos. Cada molécula de ADN del genoma puede contener un gran número de genes, y estos genes son responsables de la información necesaria para construir y mantener las células del organismo. Los organismos poseen muchos genes que corresponden a diversos rasgos biológicos como el color de ojos, el tipo de sangre, la susceptibilidad a enfermedades, y los miles de procesos bioquímicos básicos que componen la vida. Además, los genes pueden existir en formas alternativas llamadas alelos, que son diferentes versiones de un gen que se encuentran en el mismo locus. Cada individuo hereda dos alelos para cada gen, uno de origen paterno y otro de origen materno. Los alelos determinan las variaciones de las características en los organismos. En el contexto de la función genética, los genes codifican para ARN, y en las regiones codificadoras de proteínas, el ARN se utiliza para dirigir la producción de proteínas. En algunos casos, el ARN es el producto funcional final, como en los genes de ARNr y ARNt. En resumen, los genes son fundamentales para la herencia y la función biológica en todos los organismos vivos. ADN no codificante El ADN no codificante se refiere a las secuencias de ADN que no codifican para secuencias de proteínas. En eucariotas, un porcentaje mayor del genoma es ADN no codificante. La proporción de ADN no codificante en un organismo varía significativamente entre diferentes especies. Gran parte del ADN no codificante no tiene una función biológica conocida, por lo que a menudo se denomina "ADN basura". Sin embargo, muchos tipos de secuencias de ADN no codificante están involucrados en la regulación de la transcripción y traducción de secuencias que codifican proteínas. Muchas secuencias no codificantes tienen funciones no determinadas. Aproximadamente el 98% del genoma humano es no codificante, lo que significa que no codifica secuencias de proteínas. La complejidad evolutiva de un organismo está relacionada con el tamaño total del genoma y la cantidad de ADN no codificante, aunque existen excepciones. Por ejemplo, el genoma del pez globo (Takifugu rubripes) es solo una octava parte del tamaño del genoma humano, sin embargo, tiene un número comparable de genes. Existen varios tipos de ADN no codificante: Genes de ARN funcional no codificante: Secuencias de genes que no se traducen en proteínas, como los genes de ARNr, ARNt y microARN. Elementos reguladores Cis y Trans: Secuencias que controlan la expresión génica, como secuencias promotoras y potenciadoras en eucariotas, y secuencias de unión de proteínas represoras en procariotas. Intrones: Regiones no codificantes de un gen, que son secuencias intermedias de un ARNm y no se traducen en proteínas. Pseudogenes: Secuencias de ADN relacionadas con genes conocidos que han perdido su capacidad de codificación de proteínas o genes que ya no se expresan en la célula. Secuencias de ADN repetitivo y telómeros: También son secuencias no codificantes que juegan roles estructurales y organizacionales en el genoma. Las secuencias de ADN no codificante desempeñan funciones importantes en la biología, como la regulación de la expresión génica, la estructura de los cromosomas, la función del centrómero y el reconocimiento de homólogos en la meiosis. Además, las variantes genéticas que causan enfermedades pueden encontrarse en el ADN no codificante. Secuencias de ADN repetitivas Las secuencias de ADN repetitivo se dividen en dos categorías principales: secuencias de ADN altamente repetitivas y secuencias de ADN moderadamente repetitivas. Secuencias de ADN altamente repetitivas Son secuencias cortas de nucleótidos que se repiten miles de veces en todo el genoma. Constituyen más del 50% del ADN de los mamíferos. Estas secuencias también se conocen como repeticiones de secuencias simples (SSR) o repeticiones en tándem cortas (STR). Se localizan principalmente en las regiones de heterocromatina alrededor del centrómero y telómero. Comprenden aproximadamente el 3% del genoma humano. Las funciones postuladas de estas secuencias incluyen roles estructurales u organizacionales, apareamiento de cromosomas, participación en el cruce o recombinación, o pueden ser ADN basura. Secuencias de ADN moderadamente repetitivas Estas secuencias de ADN consisten en aproximadamente 10–10^5 copias por genoma. Se encuentran en todo el eucromatina. Su tamaño promedio es de aproximadamente 300 pares de bases. Se clasifican en: Microsatélites/mini satélites (VNTR, repeticiones en tándem de número variable, huellas dactilares de ADN) ADN repetitivo disperso, principalmente elementos transponibles (LINEs y SINEs). Los genes redundantes para histonas y ARNr y genes de proteínas también son secuencias moderadamente repetitivas. Muchas secuencias génicas moderadamente repetitivas funcionan como reguladores génicos. Una gran parte del ADN moderadamente repetitivo consiste en elementos transponibles o elementos móviles de ADN. Los LINEs y SINEs, que son retrotransponibles, tienen un papel significativo en la función y evolución genómica. Elementos nucleótidos intercalados largos (LINEs) El genoma humano contiene alrededor de 868,000 LINEs, que representan casi el 17% del genoma. Los elementos LINE-1 (L1) son una familia prominente de LINEs. Estos elementos L1 son secuencias de ADN que varían en longitud desde unos pocos cientos hasta 9,000 pares de bases. Elementos nucleótidos intercalados cortos (SINEs) Son secuencias cortas de ADN, de aproximadamente 100–400 pares de bases. Los elementos Alu son un ejemplo de SINEs, que representan alrededor del 10.6% del ADN total en humanos. La mutagénesis insercional por SINEs y LINEs en mamíferos está relacionada con enfermedades como la hemofilia y ciertos tipos de cáncer ADN satélites El ADN satélite está compuesto por secuencias de ADN altamente repetitivas que se encuentran principalmente en las regiones heterocromáticas de los cromosomas, cerca de los centrómeros y telómeros. Este tipo de ADN suele tener una densidad de flotación diferente a la del resto del ADN celular debido a su composición nucleotídica, siendo rico en A–T y menos denso que el ADN rico en G–C. Las longitudes de las secuencias de ADN satélite pueden variar desde unos pocos hasta varios miles de pares de bases, y se encuentran abundantemente en el cromosoma Y MiniSatélites También llamados "repeticiones en tándem de número variable" (VNTR). Son secuencias de ADN moderadamente repetitivas que tienen entre 9 y 100 pares de bases, aunque usualmente repiten alrededor de 15 pares de bases. Se encuentran en las regiones de eucromatina de vertebrados, hongos y plantas. MicroSatélites Son secuencias de ADN repetitivas moderadamente cortas, con repeticiones de entre 2 y 6 pares de bases. El genoma humano contiene al menos 30,000 microsatélites situados en la eucromatina. La cantidad de copias varía dentro de una población, con tamaños medios de alrededor de 10 a 100 repeticiones. Los microsatélites pueden ocurrir dentro de unidades de transcripción y están asociados con al menos 14 tipos diferentes de enfermedades neuromusculares cuando se expanden Funciones y aplicaciones Los estudios de hibridación in situ han localizado los ADN satélites en regiones específicas de los cromosomas, mayormente cerca del centrómero y en los telómeros. Los patrones de bandas de los ADN satélites pueden utilizarse para identificar diferencias en la longitud de las secuencias minisatélites entre diferentes individuos, lo que forma la base de la huella genética de ADN Secuencias únicas El genoma eucariota consiste en ADN que es único en secuencia. El genoma humano codifica aproximadamente 100,000 proteínas. Las regiones de codificación promedio de un gen (los exones) consisten en alrededor de 2,000 pares de bases de ADN que son únicas en secuencia. Menos del 14% de ese ADN es único. La mayoría de las secuencias de codificación están interrumpidas por secuencias no codificantes o intrones. La longitud total de los intrones generalmente es mucho mayor que la longitud total de los exones. Las secuencias que regulan la expresión génica también representan algunas de las secuencias únicas. La cantidad real de ADN que codifica productos génicos funcionales probablemente sea menor del 3% del ADN genómico total. Los genes que están representados solo una vez en el genoma haploide se llaman genes solitarios. Valor de Cot – cinética de renaturalización del ADN Los estudios sobre la cinética de reasociación del ADN desnaturalizado térmicamente han revelado que el ADN eucariota, a diferencia del ADN procariota, contiene muchas secuencias de bases repetidas. La medición de la tasa de renaturación puede proporcionar información valiosa sobre la complejidad de una molécula. La complejidad de una molécula será menor que su longitud total si todas las secuencias son repetitivas; por otro lado, la complejidad será igual a la longitud total si todas las secuencias son únicas, es decir, que aparecen solo una vez en el genoma El ADN puede ser fragmentado en pequeños fragmentos y luego desnaturalizado calentando la solución por encima de la temperatura de fusión (Tm) del ADN. Esta solución de ADN monocatenario puede renaturarse enfriándola a aproximadamente 25°C por debajo de Tm. La cinética de renaturación se puede medir de varias maneras. Un método es seguir la absorbancia de la solución a 260 nm. A esta longitud de onda, el coeficiente de absorción del ADN bicatenario es aproximadamente un 40% menor que el del ADN monocatenario. Esta disminución en la absorción se llama "hipocromicidad". Otra técnica se basa en el hecho de que el ADN bicatenario se une a columnas de hidroxiapatita, mientras que el ADN monocatenario pasa a través de ellas La tasa a la que las secuencias de ADN desnaturalizadas por calor en solución se renaturan depende de la concentración de ADN, la temperatura de reasociación, la concentración de cationes y la viscosidad (generalmente no es un factor si el ADN está libre de contaminantes). La cinética observada de la reasociación del ADN es una reacción bimolecular: A+B → D donde A y B son ADN monocatenarios complementarios, D es la doble hélice reasociada y K es la constante de velocidad para la asociación. La tasa de renaturación del ADN desnaturalizado se expresa como: 𝑑[𝐴] = −𝑘[𝐴][𝐵] 𝑑𝑡 donde k es una constante de segundo orden. Dado que [A] = [B] para el ADN dúplex,  𝑑[𝐴] = −𝑘[𝐴]2 𝑑𝑡 Integrando ambos lados, 1 1 = + 𝑘𝑡 [𝐴] [𝐴]0 donde [A]0 es la concentración inicial de A. Es conveniente medir la fracción f de cadenas no apareadas: [𝐴] ∫= [𝐴]0 De las ecuaciones anteriores, 1 ∫= 1 + [𝐴]𝑘𝑡 0 Los términos de concentración en estas ecuaciones se refieren a secuencias únicas, ya que la colisión de secuencias no complementarias no conduce a la renaturación. Por lo tanto, si C_0 es la concentración inicial, entonces 𝐶0 [𝐴]0 = 𝑥 donde x es la "complejidad del ADN", que se refiere al número de pares de bases en cada secuencia única. Sustituyendo el valor de [A]_0 en la ecuación anterior, 1 ∫= 𝐶0𝑘𝑡 1+ 𝑥 Cuando la mitad de las moléculas en la muestra se han renaturado, f = 1/2. 𝑥 𝐶0 𝑡1⁄2 = 𝑘 C0t{1/2} es el tiempo que tarda en ocurrir la renaturación. Para un conjunto dado de condiciones, el valor de t_{1/2} depende únicamente de la complejidad x del ADN. Es conveniente representar la cinética de reasociación trazando f contra el logaritmo de C0t. Tal "curva C0t" tiene una forma sigmoidal Usos del análisis C0t: Determinación del tamaño del genoma y la fracción de secuencias de ADN de copia única en un genoma. Determinación del número, tamaño, complejidad y disposición relativa de las secuencias de ADN repetitivo. Comparaciones genómicas entre organismos genéticamente similares o diferentes. Desarrollo de los principios de la hibridación de ácidos nucleicos. Información central para el conocimiento actual de la estructura del genoma Cromatina La cromatina es un complejo nucleoproteico organizado que se encuentra en los genomas eucariotas y que afecta la mayoría de los procesos que ocurren en el ADN. La cromatina está formada por una larga molécula de ADN dúplex que se pliega en una fibra continua a lo largo del cromosoma. Durante la vida de una célula, las fibras de cromatina adoptan diferentes formas dentro del núcleo Tipos de Cromatina Heterocromatina: Es la forma de cromatina que permanece condensada durante toda la interfase y es visible bajo el microscopio óptico. Se encuentra típicamente en los centrómeros y en otras regiones específicas. La heterocromatina constitutiva siempre permanece en estado heterocromático. Eucromatina: Es la forma de cromatina que está menos densamente empaquetada en el cromosoma mitótico y ocupa la mayor parte del núcleo. Las regiones de eucromatina pueden convertirse en heterocromatina facultativa, que se condensa y descondensa según la actividad celular Estructura de la Cromatina Nucleosomas: La unidad fundamental de organización de la cromatina es el nucleosoma, que contiene ocho moléculas de histonas, dos copias de H2A, H2B, H3 y H4. El ADN se enrolla alrededor de este núcleo de histonas, formando una estructura de "collar de perlas". Cada nucleosoma está separado por un ADN linker y una molécula de histona H1 que no forma parte del núcleo del nucleosoma pero que se une al ADN linker. Fibra de 30 nm: Los nucleosomas se organizan en una estructura llamada fibra de 30 nm, que proporciona una compactación adicional del ADN. Esta estructura no se extiende sobre todo el cromosoma sino que está interrumpida por regiones unidas a proteínas no histonas específicas de secuencia. La fibra de 30 nm ofrece una compactación del ADN de aproximadamente 100 veces  Andamiaje nuclear: Ciertas regiones del ADN se asocian con un andamiaje nuclear, separadas por bucles de ADN que contienen entre 20,000 y 100,000 pares de bases. Estos bucles pueden contener un conjunto de genes relacionados. El andamiaje contiene proteínas como la histona H1 y la topoisomerasa II, que son esenciales para mantener la estructura de la cromatina Cromosomas Los cromosomas eucariotas son diploides, ya que derivan uno de cada padre. Cada par de cromosomas se conoce como cromosomas homólogos. Durante la replicación, cada miembro del par homólogo sufre síntesis de ADN, lo que resulta en la formación de dos cromátidas. Cada cromosoma tiene dos brazos: un brazo largo 'q' y un brazo corto 'p'. Un cromosoma tiene una región constricta llamada centrómero, que es crucial para la unión a los microtúbulos a través de una estructura llamada cinetocoro. Tipos de Cromosomas según la posición del centrómero Metacéntricos: Con el centrómero en o muy cerca del centro. Submetacéntricos: Con el centrómero entre el centro y el extremo. Telocéntricos: Con el centrómero en o muy cerca del extremo. Tipos especiales de Cromosomas Cromosomas de pincel: Presentan bucles laterales que sobresalen en ciertos puntos, parecidos a las cerdas de un pincel. Cromosomas politénicos: Son cromosomas agrandados producidos por replicaciones sucesivas sin separación, formando una estructura altamente extendida. Parámetros de los Cromosomas d-valor: Diferencia en longitud entre el brazo largo y el brazo corto. r-valor: Relación entre las longitudes de los dos brazos del cromosoma. Índice centromérico: Distancia desde el centrómero hasta la punta del brazo corto, expresada como porcentaje de la longitud total del cromosoma. Tipos de Cromosomas según su estructura Monocéntricos: Con un solo centrómero definido. Holocéntricos: Con un centrómero difuso. Telocéntricos: Con un centrómero terminal. Los cromosomas se pueden dividir en dos tipos: Autosomas: Contienen la información hereditaria general. Cromosomas sexuales (alelosomas): Transmiten los rasgos genéticos relacionados con el sexo. Los seres humanos tienen 23 pares de cromosomas, con 22 pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales, sumando un total de 46 cromosomas por célula. Cariotipo El número, tamaño y formas de los cromosomas metafásicos constituyen el cariotipo, que es distintivo para cada especie. Aunque las células de la mayoría de los organismos tienen el mismo cariotipo, especies que parecen similares pueden tener cariotipos muy diferentes, lo que indica que genes similares pueden organizarse de diferentes maneras en los cromosomas. Bandeo cromosómico Ciertas tinciones selectivas revelan patrones de bandas característicos en los cromosomas metafásicos, que sirven como puntos de referencia visibles y ayudan a distinguir cromosomas de tamaño y forma similares. ORGANIZACIÓN GENÉTICA EN PROCARIONTES La organización génica en los procariotas, como las bacterias, está estructurada en cuerpos definidos. El material genético se puede observar como un grupo compacto que ocupa aproximadamente un tercio del volumen de la célula y se denomina nucleoide. Características del ADN bacteriano: Dominios de ADN: El ADN bacteriano está organizado en dominios independientes, cada uno de los cuales consiste en un bucle de ADN. Hay aproximadamente 100 de estos dominios por genoma, y cada uno contiene alrededor de 40 kilobases (13 micrómetros) de ADN. Proteínas asociadas: Las proteínas como HU, un dímero que condensa el ADN, y H-NS (proteína H1), que se une al ADN y prefiere secuencias que están dobladas, desempeñan un papel en la organización del ADN en el nucleoide. Superenrollamiento: Los diferentes grados de superenrollamiento se pueden mantener en diferentes regiones del genoma gracias a la existencia de dominios separados. Compresión del ADN: El ADN de una célula de E. coli, que mide aproximadamente 1 mm de longitud, está comprimido dentro de una célula que solo mide alrededor de 2 micrómetros de largo y 0.5-1 micrómetro de ancho. Esto se logra mediante varios mecanismos que reducen el volumen del ADN. Organización y función de los genes: Operones: Muchos genes en los procariotas están organizados en operones, que son conjuntos de genes que funcionan juntos en un proceso biológico y se transcriben como una sola unidad de ARNm policistrónico. Control de la expresión génica: Los elementos regulatorios como los operadores y las proteínas represoras se unen a secuencias específicas del ADN para controlar la expresión de los genes ORGANIZACIÓN GENÉTICA EN EUCARIONTES La organización génica en eucariotas es más compleja que en procariotas debido a la mayor cantidad de ADN y la necesidad de empaquetarlo eficientemente dentro del núcleo. Aquí se destacan algunos aspectos clave: Empaquetamiento del ADN: Cromatina: El ADN se organiza en complejos de nucleoproteínas llamados cromatina. La cromatina está compuesta por ADN asociado a proteínas llamadas histonas, formando una estructura conocida como nucleosomas. Nucleosomas: Son la unidad fundamental de la cromatina, consistiendo en segmentos de ADN envueltos alrededor de un núcleo de histonas. Estos nucleosomas se organizan en una fibra de 30 nm para mayor compactación. Fibra de 30 nm: Los nucleosomas se pliegan adicionalmente para formar una estructura más compacta llamada fibra de 30 nm, que facilita el empaquetamiento del ADN en el núcleo. Estructura y función de los genes: Genes solitarios: La mayoría de los genes eucariotas están presentes como copias únicas en el genoma haploide. Ejemplo: el gen de la lisozima del pollo. Intrones y exones: Los genes eucariotas suelen estar interrumpidos por intrones (secuencias no codificantes) que son eliminados durante el procesamiento del ARN. Los exones (secuencias codificantes) se unen para formar el ARNm maduro. Regulación génica: La expresión de los genes eucariotas está altamente regulada por secuencias promotoras y elementos reguladores situados en cis y en trans. Niveles de organización: Scaffold nuclear: Ciertas regiones del ADN se asocian con un andamiaje nuclear, que organiza el ADN en bucles. Estos bucles pueden contener conjuntos de genes relacionados funcionalmente. Dominios de cromatina: La cromatina puede adoptar diferentes niveles de organización durante la interfase, formando dominios que pueden estar activamente transcribiendo (eucromatina) o en estado condensado (heterocromatina). Evidencia de organización adicional: Estructura del cromosoma: Los cromosomas eucariotas experimentan niveles adicionales de organización, resultando en una compactación multiplicativa del ADN, esencial para la división celular y la regulación génica.