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Estructura del genoma humano
El genoma
El genoma es el contenido total de ADN de la célula
•
Definiremos genes y genomas.
•
Analizaremos los tipos de
secuencias presentes en el
genoma humano
•
Analizaremos su distribución y
función
•
Describiremos algunas
aplicaciones del conocimiento
derivado de la estructura
genómica
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
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El genoma de cada especie se organiza en cromosomas
con forma, tamaño y cantidad carácterísticos
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
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La cantidad, morfología y
tamaño de los cromosomas de
cada especie es característico
Es independiente del tamaño
del genoma
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Tamaño de los genomas y número de genes
Genómica comparada:
comparada: la evolución de la función
No existe correlación entre el tamaño del genoma y la cantidad de genes
ORGANISMO
Tamaño del
genoma
(millones de
pares de base)
Genes
genes de
función
desconocida
Fecha de
finalización
Escherichia coli
4.6
4289
720
(16%)
1996
Neisseria
meningitidis
2.3
2025
Vibrio cholerae
4.0
3885
Saccharomyces
cerevisiae
13.5
6241
1997
Caenorhaditis
elegans
97
18891
1998
Drosophila
melanogaster
137
13601
7600
(55%)
2000
Homo sapiens
3300
35000
???
2000
2000
1163
(29%)
5
2000
grupos
funcionales
de genes
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El camino por delante
Estructura de un gen
DEFINICION MOLECULAR
Un gen es una secuencia
de nucleótidos que
contiene la información
necesaria para la síntesis
de un polipéptido o un
ARN funcional.
Se incluyen en esta
definición operacional, la
secuencia codificante del
gen y las secuencias señaI
adyacentes que indican el
comienzo y fin de la
unidad transcripcional.
En procariotas y
eucariotas la estructura de
los genes es levemente
diferente.
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Las unidades transcripcionales procariotas y eucariotas
tienen organizaciones diferentes
En los genomas eucariotas se encuentran unidades
transcripcionales simples o complejas
En los procariotas genes
funcionalmente vinculados
están fisicamente asociados
en operones.
En los genomas eucariotas
pueden existir unidades
transcripcionales simples o
complejas.
Un operón es
una unidad reguladora
formada por genes
estructurales adyacentes
que se transcriben como
un ARNm policistrónico,
que luego es procesado
para dar lugar a
productos proteicos
diferentes.
La complejidad está dada por
el procesamiento diferencial
de intrones
Es posible obtener varios
polipéptidos diferentes a partir
de un mismo gen.
Si bien existen 35000 genes en
el genoma humano se
pueden generar muchas más
proteínas diferentes
En los eucariotas los ARNm son
monocistrónicos, pero están
interrumpidos por secuencias
no codificantes, denominadas
intrones.
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Distintos organismos tienen diferente estructura genómica
En eucariotas superiores abunda el ADN no funcional
El contenido de ADN celular no se correlaciona con la filogenia
La cantidad de genes tampoco guarda relación.
En eucariotas superiores existe abundante ADN no codificante
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 contiene
aproximadamente 35 000
genes pero las regiones
codificantes de estos genes
ocupan solo un 3% del
genoma. Existen muchas
secuencias repetidas
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Complejidad del genoma
Cinética de reasociación del ADN genómico humano
La cinética de reasociación del ADN permite analizar la complejidad de un
genoma
Cot1/2 = 1 / k2
k2 = constante de segundo orden
Co = concentración de ADN
t 1/2 = tiempo medio de reacción
Rotura del ADN a fragmentos de 300 pb
Desnaturalización por temperatura
Incubación a distintos tiempos para permitir la reasociación
Medida del ADN no reasociado
0
proceso le nto lim itante
formación de cadenas
largas de doble
cadena
K2
encontrar secuencias
complementarias
10,000
% DNA reasociado
proceso rápid zippering
Reacción de 2ª orden
1
Secuencias repetidas reasocian rapidamente
k2 >>>>>>>>> k2
Fracciones obtenidas:
reasociación rápida
reasociación intermedia
reasociación lenta
rápido(repetidos)
intermedio
(repetido)
50
100
Secuencias únicas reasocian lentamente
Cot 1/2
Cot 1/2
lento (copia única)
Cot 1/2
I
I
I
I
I
I
I
I
I
log Cot
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Tres fracciones principales en el genoma eucariota
Tipos de ADN Repetido
Repetidos dispersos
Co x t1/2
•
ADN altamente repetido
ADN de secuencia simple
ADN satélite
(10-15%)
•
ADN moderadamente repetido
repetidos intermedios (15-40%)
•
ADN copia única (50-75%)
Contiene la mayoría de los
genes codificantes para
proteínas
Repetidos en tandem
Reasociación lenta
Unico que
contiene genes
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Usados en identificación
ADN Satélite
ADN telomérico
Largos trechos de ADN altamente repetido
ADN Telomerico consiste en 100-1500 copias de tandem repeats cortos
GGGATTGGGATT…
Consiste en secuencias cortas repetidas muchas veces, localizado en la región
del centrómero de los cromosomas.
Mantenido por un tipo especial de polimerasa, la telomerasa.
La actividad
telomerasa es
necesaria para
prevenir el
acortamiento de
los cromosomas
Demonstrable por hibridización sobre cromosomas (FISH).
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Minisatelites y Microsatelites:
Microsatelites: Fingerprinting
VNTRs e identificación
Ambas son útiles para identificar individuos por DNA
fingerprinting, puesto que la longitud de la región repetida es
muy variable entre individuos.
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Marcadores moleculares:
moleculares: mapeo de genes de
enfermedades
Los repetidos dispersos son elementos transponibles
Son elementos transponibles
(móviles) en el genoma
Las secuencias son copiadas
y se insertan en nuevos sitios
del genoma por el proceso
de transposición
Existen dos tipos básicos:
Transposones
(ADN como
intermediario)
Retrotransposones
(intermediario de ARN)
Algunos contienen las
enzimas que median su
propia transposición
(autónomos)
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Distintos tipos de repetidos dispersos en el genoma
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Otros dependen de las
Panorama General del Genoma Humano
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Panorama General del Genoma Humano
El genoma humano en
números
Genes localizados por cromosoma
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La densidad de genes no es homogénea
Números del genoma
Región del HLA de tipo III en el cromosoma 6p21.3
Gen de la distrofina en el cromosoma Xp21
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Los genes humanos varían enormemente en tamaño y
cantidad de exones
La densidad génica se correlaciona con el
bandeo cromosómico
Xp21
6p21.3
Claras
BANDA G
Comparativamente ricas en GC
Sensibles a la DNAsa
Condensación tardía en el ciclo celular
Replicación temprana
Alta densidad génica
Pobres en secuencias repetidas
Oscuras
oscuras
Comparativamente ricas en AT
Insensibles a la DNAsa
Condensación temprana en el ciclo celular
Replicación tardía
Baja densidad génica
Ricas en secuencias repetidas
BANDA R
claras
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Familias génicas
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
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.
5S
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Pseudogenes y fragmentos de genes
Genes codificantes para
productos con alta
homología agrupados en
clusters
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 exónicas
generadas por transcripción reversa)
Fragmentos de genes truncados
Distintos genes del grupo se
expresan en diferentes
momentos del desarrollo o
en distintos tejidos
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Ubicación tipo de secuencias en las fracciones de
reasociación del ADN humano
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El gen en el genoma
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Dos Cromosomas eXtraordY
traordYnarios!!
narios!!
Esto está
muy
aburrido!!!
Tenes
Tenes razón
razón
hablemos
hablemos de
de
sexo!!!
sexo!!!
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La casa de los espejos y los archivos X
El cromosoma Y: mucha “basura
basura”” y una región macho
macho--específica
Skaletsky
Nature(2003)v423
(2003)v423 p825
Skaletsky et
et al.
al. Nature
Nature(2003)v423
p825
Skaletsky et al. Nature
Nature(2003)
(2003) v423 p825
La secuencia que une los sexos
Ross et al. Nature
Nature(2005)434:325
(2005)434:325
15%
15%
20
20 %
%
65%
65%
39
40
Niveles de expresión, deleciones y patología
156 transcriptos
78 codificantes para proteínas
27 proteínas diferentes
Origen evolutivo de los genes en la región macho
macho-- específica del Y
Evolución independiente de genes específicos
de sexo, vinculados con fertilidad.
Existe recombinación intracromosómica en los
repetidos, dando lugar a conversión génica
Dadas las frecuencias, se calcula que cada
varón ha “convertido” 600 pb
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Marshal--Graves TIG(02) v18p259
Marshal
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Características del cromosoma X
El origen de los cromosomas sexuales
1098
1098
Pobre en genes (1098)
Baja densidad génica
99 genes (10%) expresados en
testículo y asociados a tumores
Rico en repetidos
(56% vs 45% promedio)
29% LINE1 disperso, asociado a
Silenciamiento
Comparación de cromosomas humanos con los del pollo
Origen de los cromosomas sexuales hace 300 millones de años,
a partir de autosomas.
Xp homólogo a 1 pollo
Xq homologo a 4 pollo
Z y W pollo homólogos a 9 humano.
10% de las enfermedades mendelianas
asigadas (OMIM)
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Propiedades por cromosoma
GENOMA
NUCLEAR
ORGANIZACION
GENERAL DEL
GENOMA HUMANO
2 genes rRNA
GENOMA
MITOCONDRIAL
22 genes tRNA
13 genes proteinas
Genoma
mitocondrial
Genoma compacto
16.6 Kb
97 % codificante
Transcripción policistriónica
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Vallender et al. Nature Genetics (2005)37:343
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Organización general del genoma humano
G ENO MA N UCLEA R
3300 Mb
23 (XX ) 2 4 (XY ) lin ea le s
23 ( n), 4 6 (2 n)
cro m a tina
3 50 0 0
1 / 4 0 Kb
3%
e n la m a y oria d e lo s g e ne s
m a y o rita rio
U nive rsa l
B id ire cc io na l,
o rig e ne s m ultip les
M o no c istró nic a
A l m e no s 1 ve z p a ra ca d a p a r d e
cro m o so m a s
M e nd e lia na p a ra a uto so m a s y X,
P a te rn a p a ra Y
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El camino por delante
G ENO MA MITO CO NDRIAL
Tam año
Cantida d d e m olécula s de
AD N dis tintas
Cantida d d e m olécula s de
AD N / célula
Organizacion e structural
(prot. Asociad as)
Ca ntid ad de genes
Densid ad de genes
Porcenta je cod ifica nte
Intro nes
ADN rep etido
Us o de cód igo g ené tico
Duplicació n
Transcripción
16 .6 K b
1 c ircula r
Va rio s m ile s
lib re
37
1 / 0 .4 5 K b
93 %
Aus e nte s
C a s i a us e nte
Mito c o nd ria l
U nid ire cc io na l,
o rig e n únic o p a ra c /he b ra
P o lic istró nic a
Recom bina ción
N o d e te cta d a
Herencia
Ma te rna
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