Estructura del genoma humano El genoma - Biología · PDF file1 Estructura del genoma...
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1 Estructura del genoma humano Estructura del genoma humano • Definiremos genes y genomas. Definiremos genes y genomas. • Analizaremos los tipos de Analizaremos los tipos de secuencias presentes en el secuencias presentes en el genoma humano genoma humano • Analizaremos su distribución y Analizaremos su distribución y función función • Describiremos algunas Describiremos algunas aplicaciones del conocimiento aplicaciones del conocimiento derivado de la estructura derivado de la estructura genómica genómica 2 El genoma El genoma El genoma es el contenido total de ADN de la célula Incluye no sólo la porción codificante (genes) sino también las regiones intergénicas y los ADN repetidos Los eucariotas tienen 2 o 3 genomas: Genoma nuclear Genoma mitocondrial Genoma plastido Generalmente “genoma” se utiliza para referirse al genoma nuclear. La genómica se dedica al estudio de los genomas 3 El tamaño del genoma El tamaño del genoma Valor C= Cantidad de ADN por genoma haploide PARADOJA DEL VALOR C : No existe correlación entre la cantidad de ADN de un organismo y su complejidad Distintos organismos tienen genomas de distinto tamaño 4 El genoma de cada especie se organiza en cromosomas El genoma de cada especie se organiza en cromosomas con forma, tamaño y cantidad con forma, tamaño y cantidad carácterísticos carácterísticos La cantidad, morfología y tamaño de los cromosomas de cada especie es característico Es independiente del tamaño del genoma
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Estructura del genoma humanoEstructura del genoma humano
•• Definiremos genes y genomas.Definiremos genes y genomas.
•• Analizaremos los t ipos de Analizaremos los t ipos de secuencias presentes en el secuencias presentes en el genoma humanogenoma humano
•• Analizaremos su distribución y Analizaremos su distribución y funciónfunción
•• Describiremos algunas Describiremos algunas aplicaciones del conocimiento aplicaciones del conocimiento derivado de la estructura derivado de la estructura genómicagenómica
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El genomaEl genoma
El genoma es el contenido total de ADN de la célula
Incluye no sólo la porción codificante (genes) sinotambién las regiones intergénicas y los ADN repetidos
Los eucariotas tienen 2 o 3 genomas:Genoma nuclearGenoma mitocondrialGenoma plastido
Generalmente “genoma” se utiliza para referirse al genoma nuclear.
La genómica se dedica al estudio de los genomas
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El tamaño del genomaEl tamaño del genomaValor C= Cantidad de ADN por genoma haploidePARADOJA DEL VALOR C : No existe correlación entre la cantidad de ADN de un organismo y su complejidadDist intos organismos t ienen genomas de dist into tamaño
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El genoma de cada especie se organiza en cromosomas El genoma de cada especie se organiza en cromosomas con forma, tamaño y cantidad con forma, tamaño y cantidad carácterísticoscarácterísticos
La cantidad, morfología y tamaño de los cromosomas de cada especie es característicoEs independiente del tamaño del genoma
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ORGANISMO Tamaño delgenoma(millones depares de base)
Genes genes defuncióndesconocida
Fecha definalización
Escherichia coli 4.6 4289 720(16%)
1996
Neisseriameningitidis
2.3 2025 2000
Vibrio cholerae 4.0 3885 1163(29%)
2000
Saccharomycescerevisiae
13.5 6241 1997
Caenorhaditiselegans
97 18891 1998
Drosophilamelanogaster
137 13601 7600(55%)
2000
Homo sapiens 3300 35000 ??? 2000
Tamaño de los genomas y número de genesTamaño de los genomas y número de genes
No existe correlación entre el tamaño del genoma y la cantidad de genes
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gruposfuncionales
de genes
Genómica Genómica comparadacomparada: la : la evoluciónevolución de la de la funciónfunción
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El camino por delanteEl camino por delante
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Estructura de un genEstructura de un gen
DEFINICION MOLECULARUn gen es una secuenciade nucleótidos quecontiene la informaciónnecesaria para la síntesisde un polipéptido o un ARN funcional.
Se incluyen en estadefinición operacional, la secuencia codificante del gen y las secuencias señaIadyacentes que indican el comienzo y fin de la unidad transcripcional.
En procariotas y eucariotas la estructura de los genes es levementediferente.
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Las unidades Las unidades transcripcionalestranscripcionales procariotas y eucariotas procariotas y eucariotas tienen organizaciones diferentes tienen organizaciones diferentes
En los procariotas genes funcionalmente vinculadosestán fisicamente asociadosen operones.
Un operón esuna unidad reguladoraformada por genes estructurales adyacentesque se transcriben comoun ARNm policist rónico, que luego es procesadopara dar lugar a productos proteicosdiferentes.
En los eucariotas los ARNm son monocistrónicos, pero estáninterrumpidos por secuenciasno codificantes, denominadasintrones.
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En En loslos genomasgenomas eucariotas se eucariotas se encuentranencuentran unidadesunidadestranscripcionalestranscripcionales simples o simples o complejascomplejas
En los genomas eucariotas pueden exist ir unidades transcripcionales simples o complejas.
La complejidad está dada por el procesamiento diferencial de intrones
Es posible obtener varios polipéptidos diferentes a part ir de un mismo gen.
Si bien existen 35000 genes en el genoma humano se pueden generar muchas más proteínas diferentes
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Distintos organismos tienen diferente estructura Distintos organismos tienen diferente estructura genómicagenómica
Los genomas procariotas son muy pequeños y compactos casi sin espacio entre los genes
El genoma de las levaduras contiene 6000 genes y es compacto
Los genomas de algunas plantas son muy grandes pero dominados por secuencias de ADN repetidas no funcionales
El genoma humano contieneaproximadamente 35 000 genes pero las regiones codificantes de estos genes ocupan solo un 3% delgenoma. Existen muchas secuencias repetidas
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En eucariotas En eucariotas superioressuperiores abundaabunda el ADN no el ADN no funcionalfuncional
El contenido de ADN celular no se correlaciona con la filogeniaLa cantidad de genes tampoco guarda relación.En eucariotas superiores existe abundante ADN no codificante
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La cinét ica de reasociación del ADN permite analizar la complejidad de un genoma
Rotura del ADN a fragmentos de 300 pb
Desnaturalización por temperatura
Incubación a distintos tiempos para permitir la reasociación
Medida del ADN no reasociado
Complejidad del genomaComplejidad del genoma
proceso lento limitante
Reacción de 2ª orden
K2
encontrar secuenciascomplementarias
proceso rápid zippering
formación de cadenaslargas de doble
cadena
k2 >>>>>>>>> k2
110,000
Secuencias repetidas reasocian rapidamente
Secuencias únicas reasocian lentamente
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Cot1/2 = 1 / k2 k2 = constante de segundo ordenCo = concentración de ADN t1/2 = tiempo medio de reacción
Cot1/2
50
100
0
% D
NA
rea
soci
ad
o
I I I I I I I I Ilog Cot
rápido(repetidos)
intermedio(repetido)
lento (copia única)
Fracciones obtenidas:reasociación rápidareasociación intermediareasociación lenta
Cot1/2
Cot1/2
Cinética de reasociación del ADN Cinética de reasociación del ADN genómicogenómico humanohumano
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Reasociación lenta
Co x t1/2
Tres fracciones principales en el genoma eucariotaTres fracciones principales en el genoma eucariota
• ADN altamente repetidoADN de secuencia simpleADN satélite(10-15%)
• ADN moderadamente repetidorepetidos intermedios (15-40%)
• ADN copia única (50-75%)Contiene la mayoría de los
genes codificantes paraproteínas
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TiposTipos de ADN de ADN RepetidoRepetido
Unico quecontiene genes Usados en identificación
Repetidos dispersos
Repetidos en tandem
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ADN ADN SatéliteSatéliteLargos trechos de ADN altamente repetido
Consiste en secuencias cortas repetidas muchas veces, localizado en la regióndel centrómero de los cromosomas.
Demonstrable por hibridización sobre cromosomas (FISH).
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ADN ADN teloméricotelomérico
ADN Telomerico consiste en 100-1500 copias de tandem repeats cortosGGGATTGGGATT…
Mantenido por un t ipo especial de polimerasa, la telomerasa.
La actividadtelomerasa esnecesaria paraprevenir el acortamiento de los cromosomas
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MinisatelitesMinisatelites y y MicrosatelitesMicrosatelites: Fingerprinting : Fingerprinting
Ambas son útiles para identificar individuos por DNA fingerprinting, puesto que la longitud de la región repetida esmuy variable entre individuos.
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VNTRsVNTRs e identificacióne identificación
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MarcadoresMarcadores molecularesmoleculares: : mapeomapeo de genes de de genes de enfermedadesenfermedades
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Los Los repetidosrepetidos dispersosdispersos son son elementoselementos transponiblestransponibles
Son elementos transponibles(móviles) en el genomaLas secuencias son copiadasy se insertan en nuevos sitiosdel genoma por el procesode transposiciónExisten dos tipos básicos:
Transposones(ADN comointermediario) Retrotransposones(intermediario de ARN)Algunos contienen lasenzimas que median supropia transposición(autónomos)Otros dependen de las
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DistintosDistintos tipostipos de de repetidosrepetidos dispersosdispersos en el en el genomagenoma
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Panorama General del Panorama General del GenomaGenoma HumanoHumano
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Panorama General del Panorama General del GenomaGenoma HumanoHumano
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Genes localizados por cromosoma
El genoma humano en El genoma humano en númerosnúmeros
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Números del genomaNúmeros del genoma
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Región del HLA de tipo III en el cromosoma 6p21.3
Gen de la distrofina en el cromosoma Xp21
La densidad de genes no es homogéneaLa densidad de genes no es homogénea
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6p21.3Xp21
oscuras
Comparativamente ricas en ATInsensibles a la DNAsaCondensación temprana en el ciclo celularReplicación tardíaBaja densidad génicaRicas en secuencias repetidas
claras
Claras BANDA G
Comparativamente ricas en GCSensibles a la DNAsaCondensación tardía en el ciclo celularReplicación tempranaAlta densidad génicaPobres en secuencias repetidas
Oscuras BANDA R
La densidad génica se correlaciona con el La densidad génica se correlaciona con el bandeo cromosómicobandeo cromosómico
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Los genes humanos varían enormemente en tamaño y Los genes humanos varían enormemente en tamaño y cantidad de cantidad de exonesexones
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1. Genes codificantes para productos idénticos repetidos en cluster (agrupados) o dispersos
HISTONAS• 11 clusters contienen los 60
genes de histonas • 2 clusters mayores en el
cromosoma 6 y clusters• menores incluyendo solo
uno o dos subtipos.
Familias génicasFamilias génicas
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rRNA• 1 única unidad transcripcional repetida unas 50 veces en 5 clusters
ubicados en los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22• El rRNA 5S codificado por varios cientos de genes en 3 clusters en el
cromosoma 1
5S
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Genes Genes codificantescodificantes para para productos con alta productos con alta
homología agrupados en homología agrupados en clustersclusters
Distintos genes del grupo se expresan en diferentes
momentos del desarrollo o en distintos tejidos
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En los clusters génicos son frecuentes los pseudogenes
Copias defectuosas no funcionales de genes Pseudogenes no procesados (copias genómicas con intrones)Pseudogenes procesados (copias de regiones exónicasgeneradas por transcripción reversa)Fragmentos de genes truncados
PseudogenesPseudogenes y fragmentos de genesy fragmentos de genes
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Ubicación tipo de secuencias en las fracciones de Ubicación tipo de secuencias en las fracciones de reasociación del ADN humanoreasociación del ADN humano
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El gen en el genomaEl gen en el genoma
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Dos Cromosomas Dos Cromosomas eeXXtraordtraordYYnariosnarios!!!!
Tenes razón hablemos de
sexo!!!
TenesTenes razón razón hablemos de hablemos de
sexo!!!sexo!!!
Esto está muy
aburrido!!!
Esto está Esto está muy muy
aburrido!!!aburrido!!!
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La casa de los espejos y los archivos XLa casa de los espejos y los archivos X
SkaletskySkaletsky et al. et al. NatureNature(2003) v423 p825(2003) v423 p825
RossRoss et al. et al. NatureNature(2005)434:325(2005)434:325
La secuencia que une los sexos
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El El cromosomacromosoma Y: Y: muchamucha ““basurabasura” y ” y unauna regiónregión machomacho--específicaespecífica
Skaletsky et al. Nature(2003)v423 p825SkaletskySkaletsky et al. et al. NatureNature(2003)v423 p825(2003)v423 p825
15%15%15%
20 %20 %20 %
65%65%65%
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Niveles de expresión, deleciones y patologíaNiveles de expresión, deleciones y patología 156 transcriptos156 transcriptos78 78 codificantescodificantes para proteínaspara proteínas
27 proteínas diferentes27 proteínas diferentes
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OrigenOrigen evolut ivoevolut ivo de de loslos genes en la genes en la regiónregión machomacho--específicaespecífica del Ydel Y
MarshalMarshal--Graves TIG(02) v18p259Graves TIG(02) v18p259
Evolución independiente de genes específicosde sexo, vinculados con fertilidad.
Existe recombinación intracromosómica en losrepetidos, dando lugar a conversión génica
Dadas las frecuencias, se calcula que cadavarón ha “convertido” 600 pb
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Características del cromosoma XCaracterísticas del cromosoma X
109810981098
Pobre en genes (1098)Baja densidad génica99 genes (10%) expresados en testículo y asociados a tumores
Rico en repetidos(56% vs 45% promedio)29% LINE1 disperso, asociado a Silenciamiento
10% de las enfermedades mendelianasasigadas (OMIM)
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El El origenorigen de de loslos cromosomascromosomas sexualessexuales
Comparación de cromosomas humanos con los del polloOrigen de los cromosomas sexuales hace 300 millones de años, a partir de autosomas.Xp homólogo a 1 polloXq homologo a 4 polloZ y W pollo homólogos a 9 humano.
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Propiedades por cromosomaPropiedades por cromosoma
VallenderVallender et al. et al. NatureNature GeneticsGenetics (2005)37:343(2005)37:34346
ORGANIZACION GENERAL DEL
GENOMA HUMANO
GENOMAMITOCONDRIAL
GENOMANUCLEAR
2 genes rRNA 22 genes tRNA 13 genes proteinas
Genoma Genoma mitocondrialmitocondrial
Genoma compacto 16.6 Kb
97 % codificanteTranscripción policistriónica
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Organización general del genoma humanoOrganización general del genoma humano
GENOMA NUCLEAR
GENOMA MITOCONDRIAL
3300 Mb Tam año 16 .6 Kb
23 (XX ) 24 (XY) lin ea le s Cantidad de m oléculas de
AD N distintas 1 c ircular
23 (n), 46 (2n) Cantidad de m oléculas de
AD N / célula Vario s m ile s
crom atina Organizacion e structural
(prot. Asociadas) libre
35000 Cantidad de genes 37
1 / 40 Kb Densidad de genes
1 / 0 .45 Kb
3% Porcentaje codificante 93 %
e n la m ay oria de lo s ge ne s Intrones
Ause nte s
m ay oritar io ADN repetido C asi ause nte
U nive rsal Uso de código gené tico Mitoc ondria l
B id ire cc ional, o r ige ne s m ultip les
Duplicación Unidire cc ional,
o r ige n únic o para c /he bra
M onoc istrónic a Transcr ipción
Po l ic istrónic a
A l m e nos 1 ve z para cada par de crom osom as
Recom binación N o de te ctada
M e nde l iana para autosom as y X, Pate rn a para Y
Herencia Mate rna
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El camino por delanteEl camino por delante
