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T2 Genes y Genomas © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 1  Tema 2: Genes y Genomas Ciclo celular Estructura y complejidad del genoma Genoma eucariota Genoma procariota Genoma Humano y proyectos en Genética © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 2  El ciclo celular Periodo de tiempo y conjuntos de hechos fisiológicos que acontecen desde que una célula se forma por división de otra preexistente hasta que se vuelve a dividir. La duración del ciclo es variable en función de los organismos y de las estirpes celulares (En función sobre todo de la fase G1) Tipo celular Duración de cada ciclo Bacterias 20 minutos Levaduras 1,5-3 horas Células epitelio intestinal (mamíferos) 12 horas Células fibroblastos (mamíferos) 20 horas Células hepáticas humanas 1 año © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 3  El ciclo celular INTERFASE: Crecimiento continuo de la célula Duplicación del material genético FASE DE DIVISIÓN O FASE MITÓTICA (M): Duplicación del material genético © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 4  Puntos de control del ciclo celular © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 5  Control del ciclo celular Hay distintos tipos de proteínas que regulan el ciclo celular: Factores de Crecimiento (GFs): señales externas que permiten el inicio del ciclo celular. Ciclinas y CDKs (Kinasas dependientes de ciclinas): señales internas que permiten la progresión adecuada del ciclo celular. Genes supresores de tumores: Regulan negativamente la progresión del ciclo celular en los puntos de control. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 6  Control del ciclo celular PTOS DE CONTROL En determinadas situaciones, las células se paran en la transición de G1/G0 Faltan nutrientes Tamaño celular inadecuado ADN dañado Etc…. REPARACIÓN ELIMINACIÓN Si fallan los mecanismos de control, puede ocurrir que la célula se divida de forma Oncogenes: Gen indefinida, la célula se transforma anormal activado, cuyo y puede formar un tumor origen es la mutación de un gen normal. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 7  El valor C para comparar genomas El valor C se defina como la cantidad de ADN por genoma haploide (un solo juego cromosómico en fase G1). En el caso de la especie humana con 2n=46 cromosomas, especie diploide (2n), con dos juegos de cromosomas, uno recibido del padre y otro de la madre, cada uno formado por 23 cromosomas, el valor C sería la cantidad de ADN correspondiente a un juego de 23 cromosomas en estado de una sola cromátida (en fase G1 antes del periodo S). El valor C es constante para cada especie y, en general, aumenta al subir en la escala evolutiva. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 8  La paradoja del valor C üLa cantidad de ADN de una especie eucarionte es mucho mayor que la esperada para codificar enzimas o proteínas üLos genes en eucariontes son mucho más largos que la secuencia necesaria para codificar una proteína (existen intrones o zonas que no se traducen a aminoácidos) üSin embargo, sigue existiendo una enorme cantidad de ADN cuya función no está identificada (PROYECTO ENCODE) © Copyright Universidad Europea. 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Todos los derechos reservados 13  Organización del genoma humano Genoma Mitocondrial Genoma Nuclear (menos (93,3% codificante) del 5% codificante) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 14 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 15  Estructura de un gen humano - Unidad transcripcional -Exones -Intrones (zonas que no formarán parte de la proteína final) - Regiones UTR (untranslated regions) - Zonas reguladoras (de unión a proteínas y ARN) ORF (Open reading frame): Marcos de lectura abierto © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 16  Organización del genoma humano 20.000-25.000 GENES 60% Elementos reguladores 40% 17 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ADN COPIA ÚNICA, SIMPLE, NO REPETITIVO (60%): CONCEPTO DE GEN © Copyright Universidad Europea. 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Todos los derechos reservados 20  Como consecuencia de los procesos evolutivos que dan lugar a las familias multigénicas, aparecen con frecuencia en ellas miembros con ciertas características diferenciales: A. Copias de genes (variantes): pequeñas variaciones de secuencia (isoenzimas) B. Pseudogenes: copias inactivas no funcionales de un gen C. Genes truncados: copias incompletas de un gen D. Fragmentos génicos: porción interna de una secuencia génica (se han perdido los extremos) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 21  Ejemplos de familias génicas Fam. Gen. clásicas Fam. Gen. agrupados Fam. Gen. dispersos Ej: Familia génica Actina (proteína más abundante en humanos) 60 elementos (incluidos pseudogenes). Isoformas ( α-actina, en estructuras contráctiles; β-actina, en los extremos de la célula, implicadas en movilidad; γ- actina, en fibras de estrés © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 22  ADN REPETITIVO NO CODIFICANTE © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 23  ADN REPETITIVO NO CODIFICANTE: AGRUPADO Y ALTAMENTE REPETIDO © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 24  ADN REPETITIVO NO CODIFICANTE: DISPERSO Y MODERADAMENTE REPETIDO Bloques dispersos de repeticiones en tándem (15-20%): DNA minisatélite y DNA microsatélite -Son marcadores moleculares en medicina forense, pruebas de paternidad, diagnóstico de enfermedades moleculares… MINISATÉLITES (10-24pb): DNA minisatélite hipervariable. Se caracterizan por su elevado polimorfismo. Ej. GGGCAGGANG MICROSATÉLITES (inf a 7pb): bloques de hasta 50 repeticiones. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 25  ADN MODERADAMENTE REPETIDO DISPERSO: TRANSPOSONES O ELEMENTOS TRANSPONIBLES CLASE I o TRANSPOSONES RETROTRANSPOSO NES oEl 45% del genoma humano está constituido por TRANSPOSONES O ELEMENTOS TRANSPONIBLES (“Jumping genes”). Algunas de estas secuencias pueden moverse de una localización a otra del genoma CLASE II o Transposones de ADN © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 26  Clasificación de los elementos transponibles CLASE I o RETROTRANSPOSONES (42% del genoma humano): Se transponen a través de un intermediario de ARN (ADN-RNA-ADN). Están activos en el genoma humano. Probable origen vírico. ADN ARN cADN ARN Pol II/III celular Transcriptasa inversa o retrotranscriptasa (Promotores) 2 subtipos: Las copias se transponen TRANSPOSONES LTR (Long Terminal Repeat) -Se parecen a retrovirus -A veces contienen genes gag y pol, típicos de retrovirus -Se transponen muy poco TRANSPOSONES NO-LTR oLINES (Secuencias autónomas à Tienen Transcriptasa Reversa propia) oSINES (Secuencias NO autónomas à Precisan la Transcriptasa Reversa de una LINE (“secuencias parasito de ADN parásito”) oSVA (Retrovirus endógeno humano) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 27  LINES (20%) (Long interspersed elements) Familia L1 (15%) 6 kpb (>800,000 elementos/genoma) -Menos de 100 copias están activas en el genoma humano SINES (13%) Familia Alu (10%) (Short interspersed elements) 300 pb (1.5x106 copias/genoma) -Rerivadas de secuencia 7S de la PRS SVA (HERV) (1%) 2 kpb (450.000 copias/genoma) Contienen a HERVK10-like region (Retrovirus endógeno humano) Promotores internos reconocidos por la ARN Polimerasa Son los más activos Proto-oncogenes: relacionados con la II y ARN Polimerasa III (sólo Alu) celular, que les aparición de determinados tipos tumorales permiten movilizarse (testículo, melanoma…) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 28  CLASE II (3% genoma humano): Se transpone directamente el ADN. Su mecanismo requiere una Transposasa (enzima que “corta” y “pega”), codificada por el transposón. *Presentan secuencias invertidas terminales de 9-40 pb * Transposición conservadora: es un mecanismo de “cortar y pegar” *La mayoría son fósiles inactivos en humanos al tener truncada la Transposasa *Los activos, relacionados con patología humana *Activos en plantas, moscas y bacterias Ejemplo: MER1/2 y elementos marine (Hsmar2:activo en humanos) responsables de reordenaciones cromosómicas importantes en patología humana (Charcot-Marie-Tooth y Síndrome de Prader-Willi/Angelman) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 29  Genoma mitocondrial © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 30  ¿Cómo ha llegado la mitocondria a contener material genético? TEORIA ENDOSIMBIÓTICA α-proteobacteria Célula precursora eucarionte (aerobia, enzimas (anaerobia) fosforilación oxidativa) Fagocitosis ADN Célula eucariota actual § GENES de protomitocondria original NÚCLEO § Mitocondria (GENES) F de síntesis de energía (SISTEMA OXPHOS) § Formación de OXPHOS genomas nuclear y mitocondrial codificadas en núcleo § PROTEÍNAS de la mitocondria sintetizadas en citoplasma importadas y procesadas en interior § Genoma mitocondrial polipéptidos del sistema OXPHOS © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados RNAs 31  Estructura del genoma mitocondrial Mitocondrias ADNmt - circular - cerrada NO Ø ADNmt - helicoidal Histonas - de doble cadena - superenrollada Ø Contenido GC: ADNmt ≠ ADN nuclear 32 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Ø Separación de ADN nuclear y ADNmt por gr.den  Ø Célula nº mitocondrias nº variado moléculas ADNmt (Χ = 2.000 mit / cel) 5-10 ~ 1000 ADNmt Mitocondrias Células Hígado Hepáticas Ø Moléculas de ADNmt se agrupan en regiones: NUCLEOIDES (2-10 ADNmt) Ø NUCLEOIDES: - ADNmt - Factor de transcripción mt A (mtTFA o TFAM). - Proteína unión a ADN hebra única (mtSSB). - Helicasa Twinkle. - ADN polimerasa γ. - otras proteínas no identificadas… © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 33  Organización del genoma mitocondrial ü Tamaño genoma mitocondrial < genoma nuclear ü ADNmt: 16.569 pb y 37 genes 13 ARN mensajero (proteínas) 22 ARN de transferencia 2 ARN ribosómico H ( nt G): 2 ARNr, 14 ARNt, 12 proteínas L ( nt C): 8 ARNt, 1 proteína OXPHOS 7 (ND1, 2, 3, 4L, 4, 5 y 6 1 (cyt b) Mapa genético ADNmt humano 3 (COI,II, III) 2 (ATP 6 y 8) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 34  Proyecto Genoma Humano (Human Genome Project) 1990-2003 -El primer borrador del genoma es una lectura generada del análisis de 10-20 muestras tomadas de donantes anónimos de diferentes etnias y grupos raciales. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 35 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  Objetivos del proyecto Genoma Humano q Resultados más relevantes: - Identificar todos los genes presentes en el genoma humano § < 2% es codificante - Determinar las secuencias de los 3 millones § 20.000 y 25.000 genes de pares de bases § ≈ 50% es ADN repetitivo - Almacenar la información en bases de datos § 1 gen / 100 kb, § Tamaño medio de un gen humano: 20 - Mejorar las herramientas para el análisis de - 30 kb los datos § ≈ 7-8 exones / gen - Transferir las tecnologías relacionadas de su § 1 exón tiene ≈ 150 pb estudio al sector privado § Intrones: gran variación en tamaño - Solucionar los problemas éticos, legales y § G + C = 41% sociales que nacen con el proyecto § Genes en zonas ricas en G+C 1 er borrador: Abril 2003 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 37  Timeline Human Genom Project © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 38  Relevancia del PGH en medicina molecular v Mejora del diagnóstico de enfermedades v Detección temprana de la predisposición genética a padecer una enfermedad v Diseño racional de drogas y fármacos v Terapia génica y sistemas de control farmacológicos -> Farmacogenética © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 39  Derivados del Proyecto Genoma Humano q GRAN VARIACIÓN GENÉTICA INTERINDIVIDUAL § Diferente susceptibilidad a enfermedades § Diferente susceptibilidad ante respuesta a fármacos § Diferencias dentro y entre grupos étnicos. § proyecto HapMap: estudio SNPs más frecuentes en diferentes grupos étnicos © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 40  Estudios de asociación GWAS (Genome Wide Association Studies) ü “Genome wide”→ Screening extenso y de alta densidad del genoma completo ü Buscan asociar genes con enfermedades ü Ideales para el estudio genético de las enfermedades complejas (poligénicas) ¿Qué se necesita en un G-WAS? DOS GRUPOS DE INDIVIDUOS A COMPARAR: MARCADORES estudios de Cohortes (SNPs) ENFERMOS SANOS LOS QUE PRESENTAN LOS QUE NO PRESENTAN UN SÍNTOMA UN SÍNTOMA 1 x 106 SNPs LOS QUE LOS QUE NO RESPONDEN A RESPONDEN A UN © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados UN FÁRMACO 41 FÁRMACO  1ª FASE: GRUPO A GRUPO B 1.000.000 SNPs 2ª FASE: se escogen los SNPs que mostraron más asociación GRUPO A GRUPO B 1.000 SNPs Número mayor de individuos 3ª FASE: se escogen los SNPs que mostraron más asociación GRUPO A GRUPO B 100 SNPs Número todavía mayor de individuos Estudios coste-beneficio © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 42  GWAS Central at https://www.gwascentral.org/ GWAS Central contains 70,566,447 associations between 3,251,694 unique SNPs and 1,451 unique MeSH disease/phenotype descriptions. T.Beck, T.Shorter, A.J.Brookes GWAS Central: a comprehensive resource for the discovery and comparison of genotype and phenotype data from genome-wide association studies. Nucleic Acids Research, (2020) 48:D933-D940. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Última actualización: 26 septiembre 2023 43  Gold Genomes Online Database Supratim Mukherjee, Dimitri Stamatis, Jon Bertsch, Galina Ovchinnikova, Jagadish Chandrabose Sundaramurthi, Janey Lee, Mahathi Kandimalla, I- Min A Chen, Nikos C Kyrpides and T B K Reddy. Genomes OnLine Database (GOLD) v.8: overview and updates. Nucl. Acids Res. (2020) doi: doi.org/10.1093/nar/gkaa983 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Última actualización: 26 septiembre 2023 44  Proyectos derivados del proyecto genoma humano Genomic Science Program https://genomicscience.energy.gov/ Encargado de explorar microbios y plantas a nivel molecular, celular y comunitario. El objetivo es descubrir aspectos de los procesos biológicos fundamentales y lograr un conocimiento predictivo sobre como funcionan los organismos vivos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 45  Proyectos derivados del proyecto genoma humano ENCODE: ENCyclopedia of DNA Elements https://www.nature.com/collections/aghcdefffg/#/threads Creado para identificar todos los elementos funcionales presentes en la secuencia del genoma humano. El proyecto contiene información sobre la metilación y las modificaciones químicas de las histonas y como influyen estos cambios en la tasa de transcripción de ADN a ARN. También incluye estudios sobre las interacciones de la cromatina, como la formación de lazos y su ubicación. También describe la unión de factores de transcripción y proteínas al ADN, cómo la DNasa I corta el ADN en sitios hipersensibles a su acción, estudia los desplazamientos de los nucleosomas y cataloga la secuencia y cantidad de transcritos de ARN desde regiones codificantes y no codificantes del genoma. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 46  Proyectos derivados del proyecto genoma humano 1000 Genomes Project http://www.internationalgenome.org/ Es la secuenciación de al menos 1000 personas de todo el mundo. La idea es desarrollar un nuevo mapa del genoma humano en el que se pongan en relieve los cambios bioquímicos relevantes encontrados en el ADN y hacerlo accesible a la comunidad científica. El proyecto esta publicado en Nature, Octubre 2010. © Copyright Universidad Europea. 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Desde 2016 está inactivo porque hay muchas variantes genéticas que se incrementan conforme mejoran las técnicas de secuenciación y además la información para la cual se creó ya se recoge en el proyecto 1000 genomas ya va a incluir esta información. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 51  Proyectos derivados del proyecto genoma humano Microbial Genomes Project https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/microbes/ Incluye datos públicos de los proyectos de secuenciación de genomas procariotas. La utilidad del conocimiento de estos genomas es multidisciplinar incluyendo cambios en las fuentes de energía, comprensión del ciclo de carbono y su utilidad para frenar el cambio climático, la limpieza de ecosistemas de basura… © Copyright Universidad Europea. 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GENÓMICA ESTRUCTURAL GENÓMICA FUNCIONAL - TRANSCRIPTOMA:…secuencias y patrones de expresión de todos los tránscritos (ARNs). TRANSCRIPTÓMICA - PROTEOMA: … de secuencias y patrones de expresión de todas las proteínas. PROTEÓMICA - INTERACTOMA: … interacciones físicas entre proteínas-ADN, proteínas-ARN y INTERACTÓMICA proteína-proteína. Chips de ADN o microarrays: © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados estudio del Genoma y Transcriptoma 56  TERMINOLOGÍA EN BACTERIAS: - Gen en cursiva - Proteína sin cursiva Gen y proteína implicados en gen dnaA → proteína DnaA replicación del ADN Gen y proteína implicados en gen uvrABC →proteína UvrA,B,C resistencia a daños provocados por luz UV gen recA → proteína RecA Gen y proteína implicados en recombinación del ADN Genes recA, recB, recC… genes que afectan al mismo proceso orden en que han sido descubiertos recA-, recB- à Mutación por ausencia de ese gen © Copyright Universidad Europea. 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