Genoma humano, Apuntes de Sistemas de Gestión de Bases de Datos

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Tema 19: Genoma.

Biología

Sara

Pero antes de Mendel existían muchos genetistas, que en aquella época podíamos llamarles los ingenieros genéticos de aquel momento.

Todos los ganaderos y todos los agricultores que se dedicaban a la mejora de plantas y de animales, todos ellos eran ingenieros genéticos, que estaban buscando combinaciones genéticas que tuvieran alguna utilidad, pero no sabían muy bien en qué consistía eso y fue Mendel el primero que dijo que los genes eran algo concreto, algo físicamente existente dentro del organismo y además lo estableció en unas proporciones determinadas que debe existir y que no sabía de momento a qué estructura corporal o celular asignarlos pues la ciencia no estaba en condiciones en ese momento (1.865), la teoría celular estaba empezando a formarse.

Poco a poco a medida que fueron sucediéndose los descubrimientos, sobre todo a partir de 1.900, los primeros genetistas confirmaron las experiencias de Mendel y empezaron a crear nuevos conceptos a medida que hacían experimentos: los genes están en los cromosomas (teoría cromosómica de la herencia). Un determinado gen ocupa un sitio ( locus ) concreto en el cromosoma.

Cada vez que la célula se divide se reparte igualmente a las células hijas.

Entonces las ideas de Mendel más las observaciones citológicas, afirman que el testigo que da continuidad a la vida son los cromosomas que siempre se ven y aparecen en una formación celular determinada.

Se formó pues la teoría cromosómica de la herencia.

Decían que los genes ocupan lugares concretos en lo que es el filamento cromosómico, pero no se sabía todavía cuál era la molécula responsable porque en los cromosomas hay DNA y hay proteínas.

Los genes son responsables de los genotipos y como los genotipos son tan diversos pues el DNA que tiene solo cuatro monómeros pues es menos probable que genere tanta diversidad como las proteínas que tienen veinte unidades básicas, veinte aminoácidos.

Había diversidad de opiniones y uno de los experimentos que aproximó para averiguar todo lo que es el soporte estructural de los genes, consiste en una experiencia de Griffith de la transformación bacteriana.

Básicamente, el DNA es un polímero formado a base de monómeros que son los nucleótidos que están formados por una base, un azúcar y un grupo fosfato. Son complementarias las secuencias y esto no se conocía en ninguna molécula, de manera que siempre la adenina que se opone se complementa con timina mediante dos enlaces débiles y la guanina con la citosina mediante enlaces débiles.

La estructura es en doble hélice, hay un surco mayor y un surco menor, hay una vuelta de hélice cada 0.34 nm., una separación entre bases de 0.34 nanómetros. Cada diez nucleótidos se completa una vuelta de hélice. Un montón de detalles estructurales que retrotrayeron la capacidad de reproducción a nivel molecular. Nadie había sospechado cómo una molécula puede dividirse, puede reproducirse.

Variaciones en la estructura del DNA:

1-Hay DNAs de cadena simple (no siempre el DNA es una doble hélice), una hebra solo en algunos virus.

2------ Tipos de hélice:

En los casos de doble hélice existen zonas que tienen una estructura distinta se habla de hélices dextrorsas( A y B) o hélices sinistrorsas(Z), es decir hélices que giran en sentido de derecha a izquierda y otras que son al revés en sentido opuesto, (según las agujas del reloj o en contra de las agujas del reloj).

La forma fisiológica de la doble hélice del DNA es la forma beta, que tiene una separación entre nucleótidos de 0.34 nanómetros.

Pero en otros casos, en algunos puntos de la doble hélice de DNA esa hélice se hace más gruesa y se aprieta de manera que la distancia entre base y base es algo menor en lugar de 0.34 era 0.27 nm. En las zonas donde se produce la forma A está el DNA más apretado, mientras que en la B está más distendido.

Además en la hélice sinistroxa aquí se estira todavía más, más de 0. nanómetros, es más delgada y más estirada.

Hay zonas en la estructura de la doble hélice del DNA que no siguen el modelo exacto de Watson y Crick, sino que tienen algunas pequeñas variaciones,

Algunas formas de éstas como la forma Z pueden reclutar proteínas que les acompañen y estabilicen esa forma más alargada.

Todo esto significa que la mayor parte de la doble hélice del DNA está en forma B pero existen algunos puntos que están en forma A o en forma Z, es decir o más condensados o más estirados, y eso pueden ser señales de regulación, pueden ser algún punto de referencia para que entre una determinada proteína o para que el DNA se doble de una determinada manera o para que el DNA se una a algún sitio de la carioteca, por ejemplo. Son señales que regulan el funcionamiento globa lde ese adn.

3-----Deformación espontánea o debida a secuencias

específicas:

Otro tipo de variaciones son las llamadas transformaciones espontáneas que pueden ser debidas a secuencias específicas. 25

UNA PROPIEDAD IMPORTANTE DEL DNA:

DESNATURALIZACIÓNRENATURALIZACIÓN

HIBRIDACIÓN

El DNA tiene muchas propiedades pero una de ellas que es muy práctica a la hora de hacer diagnóstico médico genético es la desnaturalización.

De cara al diagnóstico hay un montón de técnicas que se basan en esa propiedad que queremos destacar de las muchas que tiene el DNA y es que la doble hélice de DNA se puede desnaturalizar, es decir se puede abrir, se pueden separar las dos cadenas que forman la doble hélice del DNA y eso se llama desnaturalización.

Una vez abiertas (normalmente se hace con calor) calentando la solución de DNA hasta 100º o cerca de 100º, la doble hélice se rompe, se pierde la unión entre las bases y se separan los ejes de azúcar fosfato cada uno por su parte, se abre la cadena. Pero si se deja luego enfriar lentamente las cadenas vuelven a buscarse por complementación de bases y vuelve a rehacerse, a recuperarse la estructura de doble hélice original, ese es el fenómeno de renaturalización.

Lo que podemos hacer es por ejemplo desnaturalizar moléculas de DNA de un ser humano, moléculas extraídas de la sangre del ratón, desnaturalizarlas, juntar las dos soluciones y dejar a ver como se complementan si es que hay secuencias complementarias en el genoma del ratón y en el genoma humano. Se comprueba que efectivamente casi la mitad del genoma humano complementa con el del ratón (es decir que hay secuencias complementarias), este fenómeno se llama fenómeno de hibridación

Al mezclan genomas distintos o bien mezclan moléculas distintas, por ejemplo se puede desnaturalizar DNA y se pueden añadir cadenas simples de RNA a esta solución, mezclarlas y dejar que se complementen, como las secuencias del DNA es complementaria con las secuencias de base del RNA

entonces es posible que se complementen, hay una complementación de moléculas de naturaleza distinta, también se habla der hibridación.

Esta desnaturalización permite identificar genes en una población de genes desconocidos, por ejemplo (experimento con fracciones de DNA). Nosotros podemos convertir un gen que hayamos clonado. Aislamos un gen, (no uno solo sino muchas copias del mismo gen ppio de la ingeniería genética), y se multiplica formando moléculas iguales, que ya son útiles, por eso se habla de ingeniería, porque se trata de utilizarlas en algún tipo de beneficio por ejemplo para diagnosticar, ej. Saber si está presente o no un gen que queramos patológico o un gen el que sea. Entonces esa molécula que hemos aislado con una secuencia determinada, un trocito de DNA lo que hacemos es marcarlo con con un fluocromo o con alguna señal, entonces convertimos esta secuencia de DNA en una sonda, entonces lo que hacemos es desnaturalizar la solución donde están los fragmentos problema de DNA, mezclamos y esperamos a ver si se produce una hibridación, (una complementación entre la sonda y alguna de estas secuencias que hay en la muestra problema). Si hay alguna secuencia que es complementaria de la sonda, la sonda nos la marcará.

Esto nos sirve para decir si en un determinado DNA de un enfermo si hay una superproducción de un determinado gen, si se expresa o no se expresa, o si el gen de la insulina se ha bloqueado o no por ej., si se expresa pues dará señal positiva, habrá hibridación y nosotros detectaremos que la hay por radioactividad, mirando al microscopio con una señal de color o como sea.

Esta hibridación que se hace generalmente por temperatura, que también puede ser por concentraciones de formamida, variando otros componentes químicos de la solución tampón.

Todos los pares de bases tienen que estar perfectamente complementados, pero es posible relajando las condiciones de hibridación, se puede dejar que hibriden si no en el 100% en un 80-90% y así se descubren genes similares al que uno conoce ya previamente (estos genes similares se agrupan en familias de genes).

Función del DNA:

La función del DNA es doble, es una función autosintética de alta reproducción, es decir formar moléculas iguales a ella, el DNA forma dos hijas de DNA o bien una función heterosintética, el DNA utiliza una cadena como molde para transferir otro polímero distintoen base a ribonucleótidos en lugar de dexausiorribonucleótidos pero la información va codificada en esa secuencia.

Cuando hablamos del genoma nos referimos a algo que está en todas las células de la misma manera.

Pero cuando hablamos de transcriptoma o de proteoma estamos refiriéndonos a las células de tejido nervioso o el tejido glandular de un sitio o el tejido pulmonar o hueso o lo que sea.

El DNA hace referencia a la estructura y tanto el RNA como la proteína hacen referencia a la expresión. Se pueden estudiar mutaciones en el DNA o alteraciones en la expresión del DNA.

Para estudiar mutaciones del DNA se envía al laboratorio de genética, algo que tenga DNA, sangre por ejemplo. Si queréis detectar si se expresa un gen o no en la petición hay que pedir una biopsia del sitio alterado, la sangre solo no sirve.

Función del material genético. Correlaciones

morfológicas:

A nivel morfológico conectando el DNA con la estructura de la célula. La célula es el vehículo de la transmisión del genoma.

En el núcleo está el DNA y el DNA no sale de ahí, por lo tanto en el núcleo se realiza tanto la función de replicación como la función de transcripción.

Entonces el RNA que es el mediador, es el que sale del núcleo y lleva la

información a las proteínas, la traducción del lenguaje se realiza en el citoplasma.

En el DNA, en el núcleo el DNA transcribe un mensajero inmaduro larguísimo, tan largo como la unidad de transcripción. Y esos RNA se quedan reducidos cuando maduran y forman el mensajero a una porción pequeñísima menos del 10% de todo. El 90% de los RNA que se producen aquí, se quedan aquí y se destruyen.

Dentro del núcleo también hay un barullo molecular de fosfatasas y enzimas que destruyen, tremendo.

Recuerdo histórico:

Desde el año 53 y durante los años 60 se descubrieron los grandes principios de lo que es ahora sabido, se descubrió el RNA mesajero, de transferencia, el código genético por Severo Ochoa.

A partir de 1970 comienza otra revolución no de tipo conceptual sino metodológica que es la ingeniería genética.

En el año 2.000 se ponen de acuerdo algunos organismos y se publica el primer borrador del genoma humano, en el 2.003 se dan por finalizados los trabajos, no porque se haya acabado sino porque hay regiones del genoma que cuesta mucho de secuenciar, y a partir del 2003 estamos completando lo que es el genoma y viendo distintas variaciones, la cantidad de mensajeros que se producen, el tipo de proteínas y un montón de genes que influyen en el cáncer. Muchas aplicaciones.

Organización del genoma. Paradoja del valor C:

tan pronto como se descubrió que el dna era material genético muchos investigadores tenían la curiosidad de comprobar la cantidad de dna que existe en unos organismos y en otros, lo que explica las características estructurales, funcionales y evolutiva del ser vivo.

Se plantea una hipótesis al principio parecen razonables pero luego no. La paradoja del factor C.

En principio, cabe pensar que si, el homo sapiens es la especie más evolucionada de toda la naturaleza, si es la más compleja, su genoma tiene que ser el más complejo, el que más DNA tenga, el más complejo cualitativamente y cuantitativamente.

Eso fue un error de planteamiento, se averiguó la cantidad de DNA valor C, que es la cantidad de DNA por genoma haploide, se midió esa cantidad sin saber secuencia ni nada y se vio como no era el hombre precisamente el que más cantidad de DNA tiene.

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Las regiones que no están secuenciadas se encargan algunos laboratorios aislados.

Especies completas como virus y bacterias, están ya secuenciados, pues son más pequeños y es más fácil. Y de las eucariotes los más sencillos 2500pb.

El genoma humano es muy grande se ha secuenciado( los 3.200 millones de nucleótidos) a trocitos. Se reparten los diferentes cromosomas en distintos laboratorios.

Hasta el cromosoma más pequeño, el 22, es suficientemente largo para que no se pueda secuenciar todo de una vez. Cualquier cromosoma hay que partirlo en trozos, se fragmentan y cada laboratorio se dedica a secuenciar uno de estos fragmentos.

Estos fragmentos (contigs) se obtienen de forma que se solapen, el extremo de unos se solapen con el extremo de otros (de manera que haya un poco de solapamiento en los extremos tanto 5’ como en el 3’) de manera que cuando se secuencia todo ese primer segmento, segundo y tercero, se comparan las secuencias y se ve como en el extremo 3’ tres prima del primero hay una región muy pequeñita de solapamiento con el 5’ del segundo; si hay este solapamiento es que este es el primero y este otro a continuación. Así se pueden ordenar.

El resultado de este tipo de información, aquí sí que hay una cierta lógica, el genoma de los virus y de las bacterias es más sencillo que el de las células eucariótidas.

El genoma de los virus es muy pequeñito, tiene muy pocos genes, se habla de que es un genoma compacto, quiere decir que toda su secuencia, todos los nucleótidos tienen significado genético, es decir codifican proteínas, tienen codones que modifican aminoácidos.

Es tan pequeño que algunos genes se solapan, se superponen unos con otros, al haber tan poquito espacio tienen que aprovecharlo al máximo para poder codificar un mínimo de proteínas que necesiten. Además no hay DNA interpuesto entre genes, no hay DNA que no codifique nada.

En las bacterias ocurre algo parecido, el genoma es mayor, es bastante más grande, también es muy compacto pero si que existen regiones intergénicas, regiones que están situadas entre genes y no se sabe para qué sirven pero se sabe que no transcriben a partir de ahí ninguna proteína.

No hay apenas DNA repetido, y lo que ocurre es que el procariotas, los genes que participan en una misma función, en una misma vía de trabajo molecular, la síntesis de una proteína, la degradación de una molécula, estos genes que trabajan juntos también se sitúan juntos y se regulan de forma conjunta de manera que están ocupando regiones concretas dentro de los cromosomas.

En las eucariotas cada gen va por separado, no hay operones como en las bacterias, estos conjuntos de genes que tienen una función parecida en el DNA se llaman operones porque operan todos al mismo tiempo.

En los eucariotas si hay una secuencia, una ruta de señalización que tiene 7 o 8 eslabones moleculares pues cada gen está en un sitio distinto, no están todos seguiditos como en las bacterias.

Pero también hay genes muy parecidos del hombre y el chimpancé, el elefante y muchas otras especies, se habla de genes ortólogos. parálogos parecidos dentro de la misma especie, ortólogos parecido en especies diferentes.

Si solamente el 2% del genoma humano lleva información para codificar proteínas para qué sirve todo el resto del genoma. Ese DNA extra, en principio se llamó DNA basura, DNA egoísta, que se deja llevar. Hoy se está descubriendo que tiene unas funciones importantes y nadie le llama ya DNA basura.

Particularidades del genoma. Disposición de los

genes:

• Genoma humano tiene zonas ricas en genes, donde predominan los nucleótidos G y C puntos susceptibles de metilación. Esta metilación es reversible. (epigenética: control del DNA que puede ser heredado pero que no es parte de la secuencia)
• Existen zonas con pocos genes (“desiertos”), donde predominan los nucleótidos A y T.
• Los genes se concentran en regiones al azar del genoma, con grandes espacios de DNA no codificante entre ellos.
• Existen “islas” de unas 30.000 bases C y G repetidas, adyacentes a las zonas ricas en genes, que parecen formar una barrera entre éstos y el resto del genoma. (es decir donde hay muchas citosinas y guarinas coincide con la presencia de muchas secuencias que si que tienen significado genético).
• El cromosoma 1 es el que más genes tiene (3141), y el cromosoma Y el que menos (231).

Algunos genomas secuenciados completamente:

El cenorhabdtitis elegans , es un gusano que mide 5mm. de longitud 1/3 de los genes es igual que el genoma humano. Lo que sabemos ahora de apoptosis en el homo sapiens es gracias al estudio del genoma de este gusano.

También muchas enfermedades humanas se pueden estudiar en el ratón Knock-out es el que tienen un gen menos en su genoma, son unos modelos muy buenos para estudiar el genoma directamente silenciando genes completos.

Tipos de secuencias en el genoma humano: