Genoma Humano

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EL GENOMA HUMANO: GENES Y CóDIGO GENÉTICO

ESTRUCTURA Y ORGANIZACIóN DEL MATERIAL GENÉTICO

El material genético de las células eucariotas se concentra en:

  1. Núcleo. En el caso del hombre, el núcleo alberga un genoma de 3.000 millones de pares de bases repartidos entre 23 pares de cromosomas (22 autosomas y un par sexual).
  2. Mitocondria: Genoma más pequeño y circular y cerrado que codifica genes igualmente importantes para la función celular (constituye el 1.5% de¡ material genómico o ADN (DNA en inglés) celular).

En 1946, McCarty y Avery demostraron en bacterias que el ADN era el material genético. En 1952, Hershey, lo hizo en bacteriófagos. Los ácidos nucleicos están formados por:

  • bases nucleotidicas:
  • pirimidinas: Uracilo (sólo en ARN), Timina (sólo en ADN), Citosina
  • purinas: Guanina, Adenina
  • base azucarada:
  • ribosa (ARN)
  • 2 desoxirribosa (ADN)

La unión de base nucleotídica y azúcar forman el nucleósido. La unión de nucleósido y fosfato da lugar al nucleótido. Y la unión de nucleótidos entre sí genera la cadena polinucleotidica, que presenta una direccionalidad: 5'-fosfato - OH-3'.

El DNA esta presente en la célula en forma de una doble hélice, caracterizada por:

  • dos cadenas antiparalelas
  • hélice dextrógira
  • complementariedad de bases: A-T, G-C
  • enrollamiento plectonémico.

La doble hélice de DNA forma dos surcos, un mayor y otro menor. Asimismo, la configuración de doble hélice encontrada en condiciones fisiológicas se denomina B, pero existen otras, como la configuración Z de la hélice que puede suponer la inactivacion génica. La doble hélice lleva implícito un modelo de replicación semiconservativa: en cada replicación se va a mantener una hebra madre original y se adquiere una de nueva síntesis (por acción de las ADN polimerasas).

La secuenciacíÓn el genoma humano fue posible gracias al desarrollo de la ingenieria genética. Hitos importantes:

  • Tecnología del ADN recombinante: cionación de un fragmento de ADN en una bacteria (Berg)
  • Técnicas de secuenciación (Sanger y Gilbert)
  • Desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) Mullis.

Esto, junto a la aparición de los secuenciadores automáticos, hizo posible el Proyecto Genoma Humano, publicándose en 2001 el primer borrador. La principal conclusión obtenida fue que el genoma humano tiene muchos menos genes de los esperados (25.000), aunque la mayoría de los genes humanos pueden producir varios tipos de mRNA y cada uno de estos varias proteínas. Asimismo, se determinó que el DNA nuclear se puede distribuir en:

  • Secuencias poco o nada repetidas:
a) secuencias extragénicas unicas
b) secuencias genicas, que incluyen secuencias extragenicas (DNA espaciador), codificantes (exones) y secuencias no codificantes (intrones, pseudogenes y fragmentos génicos).
  • Pseudogen: secuencia que aparentemente es un gen pero no tiene función ya que carece de algún elemento necesario (ejemplo: retrotranscritos).
  • Fragmento genico: secuencia truncada de un gen.
  • Secuencias repetidas. Estas secuencias podrían ser genes (familias multigénicas) y secuencias extragénicas (transposones silenciados en el genoma y secuencias en tándem).

El genoma mitocondrial es un DNA circular y cerrado de doble cadena. Así, este genoma alberga 37 genes, 2 de ellos codifican genes implicados en su propia maquinaria de síntesis de proteínas (mtRNA) y 35 genes que codifican proteínas implicadas en la fosflaación oxidativa (respiración celular). La producción de energía en la célula por la respiración celular producirá radicales libres que si se acumulan pueden tener un papel tumorogénico.

La estructura fundamental de un gen es la siguiente:

  • promotor
  • señal de inicio de la transcripción
  • secuencia 5'UTR (untransiated region)
  • AUG: codón de inicio de la traducción
  • Intrones: secuencias no codificantes
  • Exones: secuencias codificantes
  • Codón de stop
  • 3'UTR (untranslated region): con señales específicas de poliadenilación y de terminación de la transcripción.

En el genoma hay ADN repetido. Los genes repetidos forman las familias y superfamilias génicas (Ej.: globina, histonas, etc.). Pero el mayor grado de repeticiones o redundancia corresponde a secuencias extra-génicas repetidas en tándem:

  • Satélites: unidades básicas de repetición de repetición 5-171pb (pares de bases). Localizados fundamentalmente en torno a los centrómeros.
  • Minisatélites: unidades de 6-64pr repetidas, en las regiones teloméricas de todos los cromosomas.
  • Mícrosatélites: unidades de repetición de 1-4bp, que aparecen dispersos por todo el genoma.

o interdispersas como SINEs (dentro de las cuales es muy importante la secuencia Alu) LINEs (los encontramos en las bandas G de los cromosomas), Transposones de DNA, etc algunas de ellas con capacidad de movilidad por el genoma, debido a que codifican una transcriptasa reversa (ARN->ADN) pudiendo insertarse de nuevo en el genoma.

Otros posibles cambios a nivel del genoma son las grandes duplicaciones segmentales, en las que se produce la transferencia de unidades de 1-200 kb a otras localizaciones del genoma, ya sea intra- o inter cromosómicamente.

El DNA se dispone de forma organizada en los cromosomas: la doble hélice (2 nm de diámetro) se empaqueta inicialmente en los nucleosomas (octámero de histonas) formando la fibra nucleosómica, (10 nm). Cuando ésta fibra alcanza un alto nivel de plegamiento, se pasa al siguiente nivel de ordenación: estructura solenoide (30 nm), que formará lazos entorno a una estructura proteica llamada Scaffoid, para generar la cromatina interfásica, que finalmente se organiza para formar los cromosomas típicos de metafase (700 nm).

VARIABILIDAD

Si se comparan genomas de distintos individuos humanos, se observan muchas variaciones de un genoma a otro. Estas variaciones pueden ser:

  • Polímorfismos: con efectos inocuos para el individuo.
  • Mutaciones: con efectos deletéreos para el organismo.

Los polimorfismos se definen como la existencia de dos o más formas de un gen (alelos) en una población, de tal manera que la menos frecuente de ellas no tenga que ser explicada por mutación recurrente.

Con el desarrollo reciente de la genética molecular el término se ha extendido a la existencia de fragmentos de DNA (génicos o no) que presentan diferencias en su composición de bases entre los individuos de una población. Son los polimorfismos de DNA, y se habla de marcadores polimórficos de DNA.

Estos marcadores polimórficos son:

  • RFLN: que presentan dos variantes alélicas y se detectan por Southem blot
  • VNTRs: minisatélites y microsatélites. Muchas posibilidades aléficas. Detección por PCR.
  • SNPs: variaciones de un sólo nucleótido.

Y se pueden utilizar para:

  • La identificación de genes implicados en enfermedades hereditarias mediante

clonaje posicional y estudios de asociación/desequilibrio de ligamiento en amplias serie de muestras.

  • Identificación genética, por ejemplo en estudios de paternidad, en estudios

forenses, etc...

  • Estudios evolutivos.

FUNCIÓN

La transcripción en organismos eucarióticos sucede en el núcleo, los ARNs han de ser procesados, y deben ser exportados al citoplasma para la sísntesis protéica.

Hay al menos tres polimerasas eucarióticas:

  • RNA polimerasa 1: transcribe los rRNA 28S, 18S y 5.8S
  • RNA polimerasa ll: todos los genes que codifican polipéptidos y snRNA (small nuclear RNA)
  • RNA polimerasa 111: rRNA 5S, y otros snRNA.

Los genes requieren secuencias reguladoras bastante significadas, entre ellas: promotor, secuencias enhancers, secuencias silenciadoras, elementos frontera, etc...

Tras la transcripción tiene lugar la traducción o síntesis de proteínas. La célula utiliza un código genético que codifica un aminoácido por triplete ce bases nucleotídicas, no presenta solapamientos, no tiene comas, es degenerado y universal.

Existen RNAs codificantes y no codificantes. Estos RNAs no codificantes son los siRNAs (small interference), miRNAs (micro),... que son unos recien descubiertos moduladores de la expresión de gran variedad de ganes. Los síRNAs son secuencias pequeñas de RNA son se secuencias pequeñas de RNA que se complementan con otras presentes en la región 3' de ciertos RNAs (dianas) induciendo su degradación (si la complementariedad es perfecta) o la inhibición de su traducción a proteínas si es imperfecta. Este sistema constituye un sistema de defensa frente a la la entrada de RNA foráneo en la célula (sobre todo de cadena doble o dsRNA, de origen viral) y está siendo empleado como método de reprimir la expresión de genes. En la maduración de los siRNA y miRNA a partir de sus respectivos tránscritos primarios intervienen enzimas como Drosha y Dicer.