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El genoma dinámico: elementos transponibles
TEXTO
Preguntas clave
-
¿Por qué los elementos transponibles fueron descubiertos primero en el maíz pero
fueron aislados molecularmente en E. coli?
-
¿Cómo participan los elementos transponibles en la propagación de bacterias
resistentes a antibióticos?
-
¿Por qué los elementos transponibles se clasifican como transposones de DNA o
transposones de RNA?
-
¿Cómo pueden sobrevivir los humanos teniendo en cuenta que tanto como el 50%
del genoma humano deriva de elementos transponibles?
Esquema
14.1 El descubrimiento de los elementos transponibles en el maíz
14.2 Los elementos transponibles en procariotas
14.3 Los elementos transponibles en eucariotas
14.4 El genoma dinámico: hay más elementos transponibles de lo que nunca se imaginó
Nace un niño con una enfermedad que hace que su sistema inmunitario no funcione. Las
pruebas diagnósticas determinan que tiene un desorden genético recesivo denominado
inmunodeficiencia
combinada
grave
(SCID;
1
del
inglés,
severe
combined
immunodeficiency disease), más conocida como enfermedad del niño burbuja. Esta
enfermedad es causada por una mutación en el gen que codifica la enzima de la sangre
adenosina desaminasa (ADA). Como resultado de la pérdida de esta enzima, el
individuo carece de las células precursoras que originan uno de los tipos celulares del
sistema inmunitario. Como este niño no puede combatir las infecciones, tiene que vivir
en un ambiente completamente aislado y estéril; es decir, una burbuja en la que el aire
es filtrado para que sea estéril (Figura 14-1). No existe ninguna terapia farmacológica o
convencional para tratar esta enfermedad. Un transplante de las células precursoras de
otra persona no funcionaría en la gran mayoría de casos porque una correspondencia
precisa entre donante y paciente es extremadamente rara. Como consecuencia, las
células donantes acabarían creando una respuesta inmunológica contra los propios
tejidos del niño (enfermedad injerto contra huésped).
En las pasadas décadas, se han desarrollado técnicas que ofrecen la posibilidad
de un tipo diferente de terapia de transplante, la terapia génica, que podría ayudar a las
personas con SCID y otras enfermedades incurables. En el caso de la SCID, un gen
ADA normal se “transplanta” en las células del sistema inmunitario del paciente, lo que
permite su supervivencia y función normales. En las pruebas iniciales de la terapia
génica humana, los científicos modificaron en el laboratorio un tipo de virus
denominado retrovirus (un virus “manipulado”) de manera que se pudiera insertar junto
con un gen ADA normal en los cromosomas de las células inmunitarias tomadas de
pacientes con SCID. En este capítulo se verá que los retrovirus tienen muchas
propiedades biológicas en común con un tipo de elemento
(pág. 487)
(pág. 488)
móvil conocido como retrotransposón, que puebla nuestro genoma y los genomas de la
mayoría de eucariotas. Las lecciones aprendidas sobre el comportamiento de los
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retrotransposones y otros elementos móviles en organismos modelo como la levadura,
son fuente de valiosa información para el diseño de una nueva generación de reactivos
biológicos para la terapia génica humana.
Los estudios genéticos del maíz, que empezaron en los años 30, produjeron
resultados que desbarataron en gran medida la imagen genética clásica de genes
situados en loci fijados en los cromosomas. En la literatura científica empezaron a
aparecer artículos que sugerían que ciertos elementos genéticos presentes en los
cromosomas podían moverse de algún modo de una posición a otra. Estos hallazgos
fueron vistos con escepticismo durante muchos años, pero en la actualidad está claro
que estos elementos móviles están muy extendidos en la naturaleza.
Estos elementos genéticos han recibido toda clase de nombres variopintos
(algunos de los cuales ayudan a describir sus respectivas propiedades): elementos
controladores, genes saltadores, genes móviles, elementos móviles y transposones. Aquí
se utilizarán los términos elementos transponibles y elementos móviles, que incluyen
todos los tipos. Los elementos transponibles pueden moverse a nuevas posiciones
dentro del mismo cromosoma o incluso a un cromosoma diferente. Estos elementos se
han detectado genéticamente en organismos modelo como E. coli, maíz, levadura y
Drosophila a través de las mutaciones que producen cuando se insertan dentro de genes
y los inactivan.
La secuenciación de genomas de una gran variedad de microorganismos, plantas
y animales indica que los elementos transponibles existen en prácticamente todos los
organismos. Sorprendentemente, son de lejos los principales componentes del genoma
humano, constituyendo casi el 50% de nuestros cromosomas. A pesar de su abundancia,
la función genética normal de estos elementos no se conoce con certeza.
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En sus estudios, los científicos han conseguido explotar la capacidad de los
elementos transponibles de insertarse en nuevas posiciones del genoma. Los elementos
transponibles manipulados in vitro son herramientas muy valiosas, tanto en procariotas
como en eucariotas, para la cartografía genética, la creación de mutantes, la clonación
de genes e incluso la producción de organismos transgénicos (véase el Capítulo 20).
Vamos a reconstruir algunos de los pasos en la evolución de nuestra comprensión actual
de los elementos transponibles. Al hacerlo, descubriremos los principios que guían estas
unidades genéticas fascinantes.
14.1 El descubrimiento de los elementos transponibles en el maíz
Los experimentos de McClintock: el elemento Ds
En los años 40, Barbara McClintock hizo un descubrimiento asombroso mientras
estudiaba los granos coloreados del llamado maíz indio (véase el recuadro de
Organismo modelo en la página siguiente). El maíz tiene 10 cromosomas, numerados
del más grande (1) al más pequeño (10). Mientras analizaba las roturas de los
cromosomas del maíz, McClintock notó algunos fenómenos extraños. Encontró que, en
una línea de maíz, el cromosoma 9 se rompía con mucha frecuencia y en un sitio o locus
concreto (Figura 14-2). Determinó que la rotura del cromosoma en este locus era debida
a la presencia de dos factores genéticos. Un factor que denominó Ds (abreviatura de
Dissociation; en español, Disociación) estaba localizado en el sitio de la rotura. Otro
factor genético no ligado era necesario para “activar” la rotura del cromosoma 9 en el
locus Ds. McClintock llamó a este segundo factor Ac (abreviatura de Activator; en
español, Activador).
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McClintock empezó a sospechar que Ac y Ds eran en realidad elementos
genéticos móviles cuando vió que era imposible cartografiar Ac. En unas plantas, se
localizaba en una
(pág. 488)
(pág. 489)
Organismo modelo: maíz
El maíz es un miembro de la familia de las gramíneas denominado Zea mays. Las
gramíneas (que también incluyen el arroz, el trigo y la cebada) son la fuente de calorías
más importante para la humanidad. El maíz fue domesticado a partir de la gramínea
salvaje teosinte por los nativos americanos en México y América Central y fue
introducido por primera vez en Europa por Colón a su retorno del Nuevo Mundo.
En los años 20, Rollins A. Emerson montó un laboratorio en la Cornell
University para estudiar la genética de caracteres del maíz, incluyendo el color del
grano, que eran ideales para el análisis genético. Además, la separación física de las
flores masculinas y femeninas en los penachos y las mazorcas respectivamente, hace
que los cruces genéticos controlados sean fáciles de conseguir. Entre los destacados
genetistas atraídos al laboratorio de Emerson se encontraban Marcus Rhoades, Barbara
McClintock y George Beadle (véase el Capítulo 6). Antes del advenimiento de la
biología molecular y el auge de los microorganismos como organismos modelo, los
genetistas realizaron análisis al microscopio de cromosomas y relacionaron su
comportamiento con la segregación de caracteres. Los grandes cromosomas
paquiténicos del maíz y los cromosomas de las glándulas salivares de Drosophila
convirtieron a estas especies en los organismos predilectos para análisis citogenéticos.
Los resultados de estos primeros estudios ayudaron a comprender el comportamiento de
los cromosomas durante la meiosis y la mitosis, incluyendo fenómenos como la
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recombinación y las consecuencias de las roturas cromosómicas como son las
inversiones, translocaciones y duplicaciones.
El maíz todavía se utiliza como organismo modelo en genética. Los biólogos
moleculares continúan explotando sus bonitos cromosomas paquiténicos con nuevos
anticuerpos (véase la fotografía b abajo) y han utilizado su riqueza de elementos
transponibles genéticamente bien caracterizados como herramientas para identificar y
aislar genes importantes.
(continuación de la página anterior 488)
posición, y en otras plantas de la misma línea se encontraba en posiciones diferentes.
Como si esta cartografía variable no fuera una curiosidad suficiente, de esta línea
original que presentaba roturas frecuentes en el cromosoma 9 podían derivarse otras
líneas con granos raros de fenotipos radicalmente diferentes. Uno de estos fenotipos era
un grano raro e incoloro con motas pigmentadas.
(pág. 489)
(pág. 490)
La Figura 14-3 compara el fenotipo de la línea con roturas en los cromosomas
con el fenotipo de una de estas líneas derivadas. Para la línea con roturas cromosómicas,
un cromosoma que se rompe en o cerca de Ds pierde su extremo, que contiene los alelos
salvajes de los genes C, Sh y Wx. En el ejemplo mostrado en la Figura 14-3a, ocurrió
una rotura en una única célula, la cual se fue dividiendo por mitosis para producir un
gran sector de tejido mutante (c sh wx). La rotura puede tener lugar muchas veces en un
único grano, pero cada sector de tejido mostrará la pérdida de expresión de los tres
genes. En cambio, en cada una de las nuevas líneas derivadas estaba afectada la
expresión de un único gen. Una línea derivada en la que sólo cambia la expresión del
gen de pigmentación C se muestra en la Figura 14-3b.
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(pág. 490)
(pág. 491)
En este ejemplo, las motas pigmentadas aparecían en un grano con un fondo incoloro.
Aunque la expresión de C estaba alterada de este modo extraño, la expresión de Sh y Wx
era normal y el cromosoma 9 no sufría más roturas frecuentes.
Para explicar estos nuevos derivados, McClintock formuló la hipótesis de que
Ds se había movido desde una posición cercana al centrómero hasta el gen C situado
cerca del extremo del telómero. En su nueva posición, Ds impide la expresión de C. La
inactivación del gen C explica las partes incoloras del grano, pero ¿cómo se explica la
aparición de las motas pigmentadas? El grano moteado es un ejemplo de fenotipo
inestable. McClintock concluyó que estos fenotipos inestables resultaban del
movimiento o transposición de Ds lejos del gen C. Es decir, el grano empieza su
desarrollo con un gen C que ha sido mutado por la inserción de Ds. Sin embargo, en
algunas células del grano, Ds abandona el gen C, lo que permite al fenotipo mutante
revertir al tipo salvaje y producir pigmento en la célula original y en todas sus
descendientes por mitosis. Aparecen grandes motas de color cuando Ds abandona el gen
C al inicio del desarrollo (porque hay más descendientes por mitosis), mientras que se
forman motas pequeñas cuando Ds abandona el gen C posteriormente. Los fenotipos
mutantes inestables que revierten al tipo salvaje dan una pista de la participación de
elementos móviles.
Elementos autónomos y no autónomos
¿Cuál es la relación entre Ac y Ds? ¿Cómo interaccionan con los genes y cromosomas
para producir estos fenotipos tan inusuales e interesantes? Estas cuestiones fueron
contestadas gracias a nuevos análisis genéticos. Las interacciones entre Ds, Ac y el gen
de pigmentación C se utilizan como ejemplo en la Figura 14-4. Allí, Ds se muestra
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como un fragmento de DNA que ha inactivado el gen C insertándose en su región
codificadora. El alelo portador del inserto se denomina c-mutable(Ds) o, para acortarlo,
c-m(Ds). Una línea con c-m(Ds) y sin Ac tiene granos incoloros porque Ds no se puede
mover, está retenido en el gen C. Una línea con c-m(Ds) y con Ac tiene granos moteados
porque Ac activa a Ds y este se marcha del gen C en algunas células, restableciendo de
este modo la función génica. El elemento que se va se dice que se escinde del
cromosoma o que se transpone.
También se aislaron otras líneas en las que el propio elemento Ac se había
insertado dentro del gen C [llamadas c-m(Ac)]. A diferencia del alelo c-m(Ds), que es
inestable sólo cuando Ac está en el genoma, c-m(Ac) es siempre inestable. Además,
McClintock encontró que, en raras ocasiones, un alelo del tipo Ac podía transformarse
en un alelo del tipo Ds. Esta transformación era debida a la generación espontánea de un
elemento Ds a partir del elemento Ac insertado. En otras palabras, Ds es, con toda
probabilidad, una versión mutada e incompleta del propio Ac.
McClintock y otros genetistas que trabajaban con el maíz, encontraron varios
sistemas como Ac/Ds. Otros dos sistemas son Dotted [(Dt), descubierto por Marcus
Rhoades]
y
Suppressor/mutator
[(Spm),
descubierto
independientemente
por
McClintock y Peter Peterson, quien lo nombró Enhancer/Inhibitor (En/In)]. Además,
como se verá en las secciones siguientes, se han aislado elementos con
comportamientos genéticos similares en bacterias, plantas y animales.
El comportamiento genético común de estos elementos llevó a los genetistas a
proponer nuevas categorías para todos los elementos. Ac y elementos con propiedades
genéticas similares se denominan actualmente elementos autónomos porque no
requieren ningún otro elemento para su movilidad. De un modo similar, Ds y los
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elementos con propiedades genéticas similares se denominan elementos no autónomos.
Una familia de elementos se compone de uno o más
(pág. 491)
(pág. 492)
elementos autónomos y de los miembros no autónomos que pueden ser movilizados.
Los elementos autónomos codifican la información necesaria para su propio
movimiento y para el movimiento de los elementos no autónomos no ligados del mismo
genoma. Como los elementos no autónomos no codifican las funciones necesarias para
su propio movimiento, no pueden moverse a menos que un elemento autónomo de la
misma familia esté presente en algún otro lugar del genoma.
La Figura 14-5 muestra un ejemplo de los efectos de los transposones en la boca
de dragón (Antirrhinum).
Mensaje. Los elementos transponibles del maíz pueden inactivar el gen en el que
residen, causar roturas cromosómicas y transponerse a nuevas posiciones dentro del
genoma. Los elementos autónomos pueden realizar estas funciones sin ayuda, mientras
que los elementos no autónomos se pueden transponer sólo con la ayuda de un elemento
autónomo situado en algún otro lugar del genoma.
Elementos transponibles: ¿sólo en el maíz?
Aunque los genetistas aceptaron el descubrimiento de McClintock de los elementos
transponibles en el maíz, muchos eran reacios a considerar la posibilidad de que
elementos similares se encontraran en los genomas de otros organismos. Su existencia
en todos los organismos implicaría que los genomas son intrínsecamente inestables y
dinámicos. Esta visión era contradictoria con el hecho de que los mapas genéticos de
miembros de la misma especie eran iguales. Después de todo, si los genes pueden ser
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cartografiados en una posición cromosómica precisa, ¿esta cartografía no indica que no
se mueven?
Como McClintock era una genetista sumamente respetada, sus resultados se
explicaron diciendo que el maíz no es un organismo natural, sino una planta de cultivo
que es producto de la selección y domesticación por parte de los humanos. Este punto
de vista fue mantenido por algunos hasta los años 60, cuando se aislaron los primeros
elementos transponibles del genoma de E. coli y se estudiaron a nivel de la secuencia de
DNA. Posteriormente se aislaron elementos transponibles en los genomas de muchos
organismos incluyendo Drosophila y levaduras. Cuando se hizo evidente que los
elementos transponibles son un componente significativo de los genomas de la mayor
parte sino de todos los organismos, el crucial descubrimiento de McClintock fue
reconocido con la concesión del Premio Nobel de 1983 en medicina y fisiología.
14.2 Los elementos transponibles en procariotas
El descubrimiento de los elementos genéticos transponibles planteó muchas preguntas
sobre qué aspecto tendrían estos elementos a nivel de la secuencia de DNA y cómo eran
capaces de moverse de un sitio a otro en el genoma. ¿Todos los organismos los tenían?
¿Todos los elementos eran similares o había diferentes clases de elementos
transponibles? Si había muchas clases de elementos, ¿podían coexistir en un mismo
genoma? ¿Variaba el número de elementos transponibles en el genoma de diferentes
especies? La naturaleza molecular de los elementos genéticos transponibles se
comprendió primero en bacterias. Por tanto, continuaremos esta historia examinando los
estudios originales realizados en procariotas.
Secuencias de inserción bacterianas
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Las secuencias de inserción, o elementos IS (del inglés, insertion sequence), son
segmentos de DNA bacteriano que pueden moverse de una posición en un cromosoma a
una posición diferente en el mismo cromosoma o en un cromosoma distinto. Cuando los
elementos IS
(pág. 492)
(pág. 493)
se encuentran en medio de un gen, interrumpen su secuencia codificadora e inactivan la
expresión de ese gen. Debido a su tamaño y, en algunos casos, a la presencia de señales
de terminación de la transcripción y traducción, los elementos IS pueden bloquear
también la expresión de otros genes del mismo operón si estos genes se encuentran
aguas abajo respecto al sitio de inserción. Los elementos IS se encontraron por primera
vez en E. coli en el operón gal, un grupo de tres genes que intervienen en el
metabolismo del azúcar galactosa.
Identificación de elementos IS discretos. Se encontró que varios mutantes gal– de E.
coli contenían grandes inserciones de DNA dentro del operón gal. Este hallazgo
condujo naturalmente a la siguiente cuestión: ¿los segmentos de DNA que se insertan
dentro de los genes son simplemente fragmentos de DNA aleatorios o son entidades
genéticas claras? La respuesta a esta pregunta vino de los resultados de experimentos de
hibridación que mostraban que muchas mutaciones por inserción diferentes son
causadas por un pequeño conjunto de secuencias de inserción. Estos experimentos se
realizan con el uso de un fago λdgal que contiene el operón gal– de varias cepas
mutantes en el operón gal que se habían aislado independientemente. A partir de las
cepas se aíslan partículas individuales del fago, y su DNA se utiliza para sintetizar RNA
radioactivo in vitro. Se encontró que ciertos fragmentos de este RNA hibridaban con el
DNA de otras mutaciones gal– que contienen grandes inserciones de DNA, pero no con
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el DNA del tipo salvaje. Se interpretó que estos resultados significaban que mutantes
gal aislados independientemente contenían el mismo trozo de DNA adicional. Estos
fragmentos de RNA particulares también hibridan con DNA de otros mutantes que
contienen inserciones IS en otros genes, mostrando que el mismo trozo de DNA puede
insertarse en diferentes lugares del cromosoma bacteriano.
Sobre la base de sus patrones de hibridación cruzada, se han identificado varios
elementos IS diferentes. Una secuencia, denominada IS1, es el segmento de 800 pb
identificado en gal. Otra secuencia, denominada IS2, tiene 1350 pb de longitud. Aunque
los elementos IS difieren en sus secuencias de DNA, tienen diversas características en
común. Por ejemplo, todos los elementos IS codifican una proteína, llamada
transposasa, que es una enzima necesaria para el movimiento de los elementos IS de un
sitio a otro del cromosoma. Además, todos los elementos IS empiezan y terminan con
secuencias repetidas invertidas cortas requeridas para su movilidad. La transposición de
los elementos IS y otros elementos genéticos móviles se explicará más tarde en el
capítulo.
El genoma del tipo salvaje estándar de E. coli es rico en elementos IS: contiene
ocho copias de IS1, cinco copias de IS2 y copias de otros tipos IS no tan bien
estudiados. Como los elementos IS son regiones de secuencia idéntica, constituyen
sitios donde podrían tener lugar entrecruzamientos. Por ejemplo, la recombinación entre
el plásmido factor F y el cromosoma de E. coli para formar cepas Hfr es el resultado de
un único entrecruzamiento entre un elemento IS situado en el plásmido y un elemento
IS situado en el cromosoma (véase el Capítulo 5, Figura 5-18). Como hay múltiples
elementos IS, el factor F puede insertarse en múltiples posiciones.
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Mensaje. El genoma bacteriano contiene segmentos de DNA, denominados elementos
IS, que puede moverse de una posición del cromosoma a una posición diferente en el
mismo cromosoma o en un cromosoma diferente.
Transposones procarióticos
En el Capítulo 5, se habló de los factores R, que son plásmidos portadores de genes que
codifican resistencias a varios antibióticos. Estos factores R (de resistencia) son
transferidos rápidamente en la conjugación celular, de un modo parecido al factor F de
E. coli.
Los factores R resultaron ser sólo los primeros de los muchos factores similares
a F que se han descubierto. Se ha encontrado que los factores R son portadores de
muchos tipos diferentes de genes en bacterias. En particular, los factores R recogen
genes que confieren resistencia a diferentes antibióticos. ¿Cómo adquieren estas nuevas
capacidades genéticas? Resulta que los genes de resistencia a fármacos residen en un
elemento genético móvil llamado transposón (Tn).
(pág. 493)
(pág. 494)
Existen dos tipos de transposones bacterianos. Los transposones compuestos contienen
una variedad de genes situados entre dos elementos IS casi idénticos orientados en
dirección opuesta (Figura 14-6a) que forman lo que se denomina una repetición
invertida (IR; del inglés, inverted repeat). Se necesita la transposasa codificada por uno
de los dos elementos IS para catalizar el movimiento del transposón completo. Un
ejemplo de transposón compuesto es Tn10, mostrado en la Figura 14-6a. Tn10 es
portador de un gen que confiere resistencia al antibiótico tetraciclina que está
flanqueado por dos elementos IS10 en orientación opuesta. Los elementos IS que
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forman parte de transposones compuestos no son capaces de transponerse por si solos
debido a mutaciones en sus repeticiones invertidas.
Los transposones simples están también flanqueados por IRs, pero estas
secuencias son cortas (<50 pb) y no codifican la enzima transposasa necesaria para la
transposición. Por tanto, su movilidad no se debe a una asociación con elementos IS. En
cambio, los transposones simples codifican su propia transposasa además de ser
portadores de genes bacterianos. Un ejemplo de transposón simple es Tn3, mostrado en
la Figura 14-6b.
En resumen, los elementos IS son secuencias móviles cortas que codifican sólo
las proteínas necesarias para su movilidad. Los transposones simples y compuestos
contienen genes adicionales que aportan nuevas funciones a las células bacterianas.
Sean compuestos o simples, los transposones normalmente se denominan simplemente
transposones, y los diferentes transposones se designan como Tn1, Tn2, Tn505 y así
sucesivamente.
Un transposón puede saltar de un plásmido a un cromosoma bacteriano o de un
plásmido a otro plásmido. De esta manera, se generan múltiples plásmidos de
resistencia a fármacos. La Figura 14-7 es un esquema de un plásmido R, indicando los
varios lugares en los que se pueden situar transposones. A continuación consideraremos
la cuestión de cómo ocurre esta transposición o movilización.
Mensaje. Los transposones fueron detectados originalmente como elementos genéticos
móviles que confieren resistencia a fármacos. Muchos de estos elementos consisten en
elementos IS flanqueando un gen que codifica resistencia a fármacos. Esta organización
favorece la propagación de bacterias resistentes a fármacos al facilitar el movimiento
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del gen de resistencia del cromosoma de una bacteria resistente a un plásmido que
puede ser transferido por conjugación a otra cepa bacteriana (susceptible).
(pág. 494)
(pág. 495)
Mecanismo de transposición
Como se ha dicho anteriormente, el movimiento de un elemento transponible de un sitio
a otro en un cromosoma o entre un plásmido y el cromosoma está mediado por una
transposasa. En uno de los primeros pasos de la transposición, la transposasa hace cortes
escalonados en el DNA diana (parecidos a las roturas escalonadas catalizadas por las
endonucleasas de restricción en el esqueleto azúcar-fosfato del DNA). La Figura 14-8
muestra los pasos de la integración de un transposón genérico. En este caso, la
transposasa hace un corte escalonado con cinco pares de bases de separación. El
transposón se inserta entre los extremos escalonados, y la maquinaria de reparación del
DNA del hospedador (véase el Capítulo 15) llena los agujeros en cada uno de los
extremos sobresalientes de cadena simple, usando las bases de estos extremos como
molde. Entonces quedan dos secuencias duplicadas, de cinco pares de bases cada una,
en las posiciones que antes eran los extremos salientes. Estas secuencias se denominan
duplicaciones del sitio de inserción. Prácticamente todos los elementos transponibles
(tanto en procariotas como en eucariotas) están flanqueados por una duplicación del
sitio de inserción, lo que indica que todos utilizan un mecanismo de integración similar
al mostrado en la Figura 14-8. Lo que difiere es la longitud de la duplicación. Un tipo
determinado de elemento transponible tiene una longitud característica de la duplicación
de su sitio de inserción (que puede ser tan pequeña como dos pares de bases para
algunos elementos).
La mayor parte de elementos transponibles en procariotas (y en eucariotas)
emplean uno de dos mecanismos de transposición, llamados replicativo y conservativo
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(no replicativo), como se ilustra en la Figura 14-9. En la vía replicativa (como se
muestra para Tn3), se genera una nueva copia del elemento transponible en la
transposición. El resultado de la transposición es que una copia aparece en la nueva
posición mientras que una copia permanece en la antigua. En la ruta conservativa (como
se muestra para Tn10), no hay replicación. En este caso, el elemento se escinde del
cromosoma o plásmido y se integra en el nuevo sitio. La ruta conservativa también se
denomina “cortar y pegar”.
(pág. 495)
(pág. 496)
Transposición replicativa. Como este mecanismo es un poco complicado, se describirá
en más detalle. Como ilustra la Figura 14-9, se produce una copia de Tn3 a partir de una
única copia inicial, resultando en un total de dos copias de Tn3.
La Figura 10-14 muestra los detalles de los pasos intermedios de la transposición
de Tn3 de un plásmido (el donante) a otro plásmido (el receptor). Durante la
transposición, los plásmidos donante y receptor se fusionan temporalmente para formar
un doble plásmido. La formación de este intermediario es catalizada por la transposasa
codificada por Tn3, que hace cortes de cadena simple en los dos extremos de Tn3 y
cortes escalonados en la secuencia diana (recuerde esta reacción de la Figura 14-8) y
une los extremos libres, formando un círculo fusionado llamado cointegrado. El
elemento transponible se duplica en el curso de la fusión. El cointegrado se resuelve
entonces mediante un suceso similar a la recombinación que convierte el cointegrado en
dos círculos más pequeños, dejando una copia del elemento transponible en cada
plásmido. El resultado es que una copia del elemento permanece en la localización
original, mientras que la otra es integrada en una nueva posición genómica.
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Transposición conservativa. Algunos transposones, como Tn10, se escinden del
cromosoma y se integran en el DNA diana. En estos casos, no tiene lugar la replicación
del DNA del elemento, y el elemento se pierde en el sitio del cromosoma original (véase
la Figura 14-9). Como en la transposición replicativa, esta reacción es iniciada por la
transposasa codificada por el elemento, que corta los extremos del transposón. Sin
embargo, a diferencia de la replicación replicativa, la transposasa separa el elemento del
sitio donante. Entonces hace un corte en un sitio diana e inserta allí el elemento.
Volveremos a este mecanismo con más detalle en la discusión de la transposición de los
elementos transponibles eucarióticos, que incluyen la familia Ac/Ds del maíz.
Mensaje. En procariotas, la transposición tiene lugar al menos de dos maneras
diferentes. Algunos elementos transponibles pueden replicar una copia del elemento
dentro de un sitio diana, dejando atrás una copia en la posición original. En otros casos,
la transposición consiste en la escisión directa del elemento y su reinserción en un
nuevo lugar.
14.3 Los elementos transponibles en eucariotas
Aunque los elementos transponibles fueron descubiertos por primera vez en el maíz, los
primeros elementos eucarióticos que fueron caracterizados a nivel molecular fueron
aislados en genes mutantes de levadura y Drosophila. Los elementos transponibles
eucarióticos se clasifican en dos clases: la clase I o retrotransposones y la clase II o
transposones de DNA. La primera clase aislada, los retrotransposones, no se parecían en
absoluto a los elementos IS y los transposones procarióticos.
Clase I: retrotransposones
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El laboratorio de Gerry Fink estaba entre los primeros que utilizaron la levadura como
organismo modelo para estudiar la regulación génica eucariótica. A lo largo de los años,
él y sus colegas aislaron miles de mutaciones del gen HIS4, que codifica una de las
enzimas de la ruta de síntesis del aminoácido histidina.
Aislaron más de 1500 mutantes espontáneos de HIS4 y encontraron que dos de
ellos tenían un fenotipo mutante inestable. Los mutantes inestables tenían una
probabilidad más de 1000 veces mayor de revertir al tipo salvaje que los otros mutantes
HIS4. Simbólicamente, decimos que estos mutantes inestables revertían de his– a His+
(las letras mayúsculas y superíndice con un signo más se usan para indicar el tipo
salvaje, mientras que las letras minúsculas y un superíndice con un signo menos o el
número de mutación indican un mutante). Como en los
(pág. 496)
(pág. 497)
mutantes gal– de E. coli, se encontró que estos mutantes de levadura albergaban una
inserción grande de DNA en el gen HIS4. La inserción resultó ser muy similar a una
secuencia de un grupo de elementos transponibles ya caracterizados en levaduras,
llamados los elementos Ty. De hecho, hay unas 35 copias del elemento denominado
Ty1 insertadas en el genoma de la levadura.
La clonación de los elementos de estos alelos mutantes condujo al sorprendente
descubrimiento de que las inserciones no se parecían en absoluto a los elementos IS o a
los transposones bacterianos. En cambio, se parecían a una clase bien caracterizada de
virus animales llamados retrovirus. Un retrovirus es un virus de RNA de cadena simple
que utiliza un intermediario de DNA de doble cadena para replicarse. El RNA es
copiado a DNA mediante la enzima transcriptasa inversa. Este DNA de doble cadena
se integra en los cromosomas del hospedador, desde donde es transcrito para producir el
genoma de RNA viral y las proteínas que forman nuevas partículas virales. Cuando está
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integrado en los cromosomas hospedadores como DNA de doble cadena, la copia en
DNA de doble cadena se denomina provirus. El ciclo de vida de un retrovirus típico se
muestra en la Figura 14-11. Algunos retrovirus, como el virus del tumor mamario de
ratón (MMTV; del inglés, mouse mammary tumor virus) o el virus del sarcoma de Rous
(RSV; del inglés, Rous sarcoma virus), son responsables de la inducción de tumores
cancerosos.
(pág. 497)
(pág. 498)
La Figura 14-12 muestra la similitud en estructura y contenido de genes entre un
retrovirus y el elemento Ty aislado de los mutantes HIS4. Ambos están flanqueados por
repeticiones terminales invertidas (LTRs; del inglés, long terminal repeats) que
tienen varios cientos de pares de bases y ambos contienen los genes gag y pol.
Los retrovirus codifican al menos tres proteínas que participan en la replicación
viral: los productos de los genes gag, pol y env. La proteína codificada por gag tiene un
papel en la maduración del genoma de RNA, pol codifica la indispensable transcriptasa
inversa y env codifica la proteína estructural que rodea el virus. Esta proteína es
necesaria para que el virus pueda salir de la célula para infectar a otras células. Es
interesante que los elementos Ty1 tengan genes relacionados con gag y pol, pero no con
env. Estas características condujeron a la hipótesis de que, como los retrovirus, los
elementos Ty se transcriben formando transcritos de RNA que se copian a DNA de
doble cadena mediante la transcriptasa inversa. Sin embargo, a diferencia de los
retrovirus, los elementos Ty1 no pueden salir de la célula porque no codifican env. En
vez de esto, las copias en DNA de doble cadena se insertan de nuevo en el genoma de la
misma célula. Estos pasos están esquematizados en la Figura 14-13.
En 1985, David Garfinkel, Jef Boeke y Gerald Fink demostraron que es cierto
que los elementos Ty, al igual que los retrovirus, se transponen a través de un
19
intermediario de RNA. La Figura 14-14 esquematiza su diseño experimental.
Empezaron alterando un elemento Ty1 de levadura clonado en un plásmido. En primer
lugar, cerca de un extremo del elemento, insertaron un promotor que puede ser activado
por la adición de galactosa al medio. En segundo lugar, introdujeron un intrón de otro
gen de levadura en la región codificadora del transposón Ty.
La adición de galactosa aumenta mucho la frecuencia de transposición del
elemento Ty alterado. Esta frecuencia incrementada sugiere la participación de
(pág. 498)
(pág. 499)
RNA, ya que la galactosa estimula la transcripción del DNA de Ty en RNA, empezando
en el promotor sensible a la galactosa. El resultado experimental clave, no obstante, es
lo que le ha ocurrido al DNA de Ty transpuesto: los investigadores encontraron que el
intrón había sido eliminado en este DNA de Ty transpuesto. Como los intrones son
cortados y empalmados sólo en el curso del procesamiento del RNA (véase el Capítulo
8), el DNA de Ty transpuesto debe haber sido copiado de un intermediario de RNA. La
conclusión fue que a partir del elemento Ty original se transcribe RNA que es luego
cortado y empalmado. Este mRNA cortado y empalmado experimenta transcripción
inversa para convertirse de nuevo en DNA de doble cadena, que es entonces integrado
en el cromosoma de levadura. Los elementos transponibles que utilizan transcriptasa
inversa para transponerse a través de un intermediario de RNA se denominan
retrotransposones. También son conocidos como elementos transponibles de clase I.
Los retrotransposones como Ty1 que tienen repeticiones terminales largas en sus
extremos reciben el nombre de retrotransposones con LTRs.
Se ha demostrado que varias mutaciones espontáneas aisladas a lo largo de los
años en Drosophila también contienen inserciones de retrotransposones. Los elementos
similares a copia de Drosophila son estructuralmente parecidos a los elementos Ty1 y
20
aparecen entre 10 y 100 posiciones en el genoma de Drosophila (véase la Figura 1412c). Ciertas mutaciones clásicas de Drosophila son el resultado de la inserción de
elementos similares a copia o de otros tipos. Por ejemplo, la mutación white-apricot
(wa) del color de los ojos es causada por la inserción de un elemento de la familia copia
en el locus white. También se ha demostrado que la inserción de retrotransposones con
LTRs dentro de genes de plantas (incluyendo el maíz) contribuye a las mutaciones
espontáneas en este reino.
Mensaje. Los elementos transponibles que se transponen a través de intermediarios de
RNA predominan en los eucariotas. Los retrotransposones, también conocidos como
elementos de clase I, codifican una transcriptasa inversa que produce una copia de DNA
de doble cadena (a partir de un intermediario de RNA) que es capaz de integrarse en una
nueva posición en el genoma.
Transposones de DNA
Algunos elementos móviles encontrados en eucariotas parecen transponerse por
mecanismos similares a los de bacterias. Como se ilustra en la Figura 14-9 para los
elementos IS y los transposones, la entidad que se inserta en una nueva posición del
genoma es o bien el propio elemento o una copia del elemento. Los elementos que se
transponen de esta manera se denominan elementos de clase II, o transposones de
DNA. Los primeros elementos transponibles descubiertos por McClintock en el maíz
ahora sabemos que son transposones de DNA. Sin embargo, los primeros transposones
de DNA caracterizados molecularmente fueron los elementos P de Drosophila.
21
Elementos P. De todos los elementos transponibles de Drosophila, los más intrigantes
y útiles para los genetistas son los elementos P. Estos elementos fueron descubiertos
por Margaret Kidwell mientras estudiaba la disgénesis híbrida, un fenómeno que
ocurre cuando hembras de cepas de laboratorio de D. melanogaster se cruzan con
machos derivados de poblaciones naturales. En estos cruces se dice que los linajes de
laboratorio poseen un citotipo M (tipo celular), y que los linajes naturales tienen un
citotipo P. En un cruce de M (hembra) × P (macho), la descendencia muestra una gran
variedad de
(pág. 499)
(pág. 500)
fenotipos sorprendentes que se manifiestan en la línea germinal, incluyendo esterilidad,
una alta tasa de mutación y una alta frecuencia de aberraciones y no-disyunciones
cromosómicas (Figura 14-15). Estos descendientes híbridos son disgénicos, o
biológicamente deficientes (de aquí la expresión disgénesis híbrida). Es interesante que
los cruces recíprocos, P (hembra) × M (macho), no producen descendencia disgénica.
Una observación importante es que un gran porcentaje de las mutaciones inducidas por
la disgénesis son inestables; es decir, revierten al tipo salvaje o a otros alelos mutantes
con muy alta frecuencia. Esta inestabilidad generalmente está restringida a la línea
germinal de una única mosca con citotipo M.
Los mutantes inestables de Drosophila presentaban similitudes con los mutantes
inestables del maíz caracterizados por McClintock. Los investigadores formularon la
hipótesis de que las mutaciones disgénicas eran causadas por la inserción de elementos
transponibles en genes específicos, que de este modo quedaban inactivados. Según este
punto de vista, la reversión suele ser el resultado de la escisión de estas secuencias
insertadas. Esta hipótesis se probó mediante el aislamiento de mutaciones disgénicas
inestables en el locus white del color del ojo. Muchas de las mutaciones resultaron ser
22
causadas por la inserción de un elemento transponible dentro del gen white+. El
elemento, llamado elemento P, se encontró en una frecuencia de unas de 30 a 50 copias
por genoma en las cepas P, pero estaba completamente ausente en las cepas M. Los
elementos P varían de tamaño, oscilando entre 0.5 y 2.9 kb de longitud. Esta diferencia
de tamaño es debida a la presencia de muchos elementos P defectivos en los que se han
delecionado partes centrales del elemento. El elemento P completo se parece a los
transposones simples de bacterias en las repeticiones invertidas cortas (31 pb) de sus
extremos y en la transposasa que codifica. Sin embargo, el gen de esta transposasa
eucariótica contiene tres intrones y cuatro exones (Figura 14-16).
¿Por qué los elementos P no causan problemas en las cepas P? Se ha propuesto
que las cepas P contienen elementos P y un represor que evita la transposición de estos
elementos
(pág. 500)
(pág. 501)
dentro del genoma. Según este modelo, que está representado en la Figura 14-17, los
elementos P, como los elementos IS y Tn de bacterias, codifican una transposasa que es
responsable de su movilización. Además, los elementos P codifican un represor cuya
función es evitar la producción de transposasa bloqueando su transcripción. Por alguna
razón, muchas cepas de laboratorio no tienen elementos P y en consecuencia no tienen
represor en el citoplasma. En los híbridos del cruce M (hembra, sin elementos P) × P
(macho, con elementos P), los elementos P en el cigoto recién formado están en un
entorno sin represor porque el esperma aporta su genoma (con los elementos P) pero no
citoplasma (con el represor). Los elementos P derivados del genoma del macho pueden
entonces transponerse por todo el genoma diploide, causando una diversidad de daños al
insertarse dentro de genes y producir mutaciones. Las diversas manifestaciones de la
disgénesis híbrida resultan de la expresión de todos estos sucesos moleculares. Por otro
23
lado, los cruces P (hembra) × M (macho) no resultan en disgénesis porque, en este caso,
el citoplasma del cigoto contiene represor P.
Una cuestión intrigante permanece sin respuesta: ¿por qué las cepas de
laboratorio carecen de elementos P, mientras que las cepas de poblaciones naturales
tienen elementos P? Una hipótesis es que la mayoría de las cepas de laboratorio actuales
descienden de los individuos originales aislados de la naturaleza por Morgan y sus
estudiantes hace casi un siglo. En algún momento entre la captura de estas cepas
originales y el presente, los elementos P se propagaron a través de las poblaciones
naturales pero no en las cepas de laboratorio. Esta diferencia
(pág. 501)
(pág. 502)
no se advirtió hasta que se capturaron de nuevo cepas de la naturaleza y se cruzaron con
cepas de laboratorio.
Aunque no está claro exactamente cómo los elementos P se han expandido a
través de las poblaciones naturales, lo que sí está claro es que los elementos
transponibles pueden propagarse rápidamente a partir de unos cuantos miembros de una
población. En este aspecto, la expansión de los elementos P recuerda a la propagación
de los transposones portadores de genes de resistencia a poblaciones bacterianas que
antes eran susceptibles.
Visión actual de los elementos transponibles del maíz. Aunque fue en el maíz donde
se demostró por primera vez que los agentes causales responsables de las mutaciones
inestables eran elementos transponibles, tuvieron que pasar casi 50 años antes de que se
aislaran los elementos Ac y Ds del maíz y se demostrara que estaban relacionados con
los transposones de DNA de bacterias y otros eucariotas. Al igual que el elemento P de
Drosophila, Ac tiene repeticiones terminales invertidas y codifica una única proteína, la
24
transposasa. El elemento no autónomo Ds no codifica ninguna transposasa y por tanto
no se puede mover por sí mismo. Cuando Ac se encuentra en el genoma, su transposasa
se puede unir a los extremos de los elementos Ac o Ds e inducir su transposición (Figura
14-18).
Como se explicó anteriormente en este capítulo, Ac y Ds son miembros de una
misma familia de transposones, aunque hay otras familias de elementos transponibles en
el maíz. Cada familia contiene un elemento autónomo que codifica una transposasa que
puede mover elementos de la misma familia pero no puede mover elementos de otras
familias, ya que la transposasa puede unirse sólo a los extremos de los miembros de su
propia familia.
Aunque algunos organismos como la levadura no tienen transposones de DNA,
se han aislado elementos estructuralmente similares a los elementos P y Ac en muchas
especies animales y vegetales. De hecho, la mutación en el gen de pigmentación
responsable del mutante floral de la boca de dragón mostrado en la Figura 14-5 está
causada por la inserción de un elemento denominado Tam3, que es muy similar a Ac.
Varias copias de Tam3 residen normalmente en el genoma de la boca de dragón.
Mensaje. Los primeros elementos transponibles conocidos en el maíz son transposones
de DNA que tienen una estructura parecida a la de los transposones de DNA de
bacterias y otros eucariotas. Los transposones de DNA codifican una transposasa que
corta el transposón del cromosoma y cataliza su reinserción en otras posiciones
cromosómicas.
Utilidad de los transposones de DNA en el descubrimiento de genes
25
Aparte de su interés como fenómeno genético, los transposones de DNA se han
convertido en importantes herramientas utilizadas por los genetistas que trabajan con
diversos organismos. Su movilidad se ha explotado con los objetivos de etiquetar genes
para su clonación y de insertar transgenes. El elemento P de Drosophila proporciona
uno de los mejores ejemplos de cómo los genetistas explotan las propiedades de un
elemento transponible en eucariotas.
Uso de los elementos P en el marcaje de genes para su clonación. Los elementos P
pueden usarse para crear mutaciones por inserción, para marcar la posición de genes y
para facilitar la clonación de genes. Los elementos P insertados in vivo dentro de genes
interrumpen genes aleatoriamente, creando mutantes con diferentes fenotipos. Entonces
las moscas de la fruta con fenotipos mutantes interesantes
(pág. 502)
(pág. 503)
pueden ser seleccionadas para clonar el gen mutante, que estará marcado por la
presencia del elemento P. Este método es conocido como marcado por transposón.
Después de clonar el gen interrumpido, los fragmentos del gen mutante pueden
utilizarse como sonda para aislar el gen salvaje.
Uso del elemento P para insertar genes. Gerald Rubin y Allan Spradling demostraron
que el DNA del elemento P puede utilizarse como un vehículo efectivo para transferir
genes donantes a la línea germinal de una mosca receptora. Estos investigadores idearon
el siguiente procedimiento experimental (Figura 14-19). Suponga que el objetivo es
introducir el alelo ry+, que confiere un color de ojo característico, en el genoma de la
mosca. El genotipo receptor es homocigótico para la mutación rosy (ry–). Para empezar,
se recogen embriones de esta cepa cuando hayan completado unas nueve divisiones
26
nucleares. En esta fase, el embrión es una única célula multinucleada, y los núcleos
destinados a formar las células germinales se encuentran agrupados en un extremo. (Los
elementos P se movilizan solamente en las células de la línea germinal). Entonces se
inyectan dos tipos de DNA en embriones en esta etapa. El primero es un plásmido
bacteriano portador de un elemento P defectivo dentro del cuál se ha insertado el gen
ry+. El elemento P defectivo se parece al elemento Ds del maíz en que no codifica una
transposasa pero aún tiene los extremos a los que se une transposasa para permitir la
transposición. Este elemento delecionado no es capaz de transponerse, y por tanto,
como se ha mencionado antes, también se debe inyectar
(pág. 503)
(pág. 504)
un plásmido ayudante que codifique la transposasa. Las moscas que se desarrollan a
partir de estos embriones siguen siendo fenotípicamente mutantes rosy, pero su
descendencia incluye una gran proporción de moscas ry+. La hibridación in situ
confirmó que el gen ry+, junto con el elemento P delecionado, se había insertado en
alguna posición cromosómica, aunque distinta en diferentes individuos. Ninguno
apareció exactamente en el locus normal del gen rosy. Además se vio que estos nuevos
genes ry+ son heredados de forma estable y mendeliana.
Como el elemento P se puede transponer solamente en Drosophila, estas
aplicaciones quedan restringidas a esta especie. En cambio, el elemento Ac del maíz es
capaz de transponerse después de su introducción en los genomas de otras especies
vegetales que incluyen la mala hierba Arabidopsis, la lechuga, la zanahoria, el arroz, la
cebada y muchas más. Al igual que los elementos P, Ac ha sido modificado por los
genetistas para usarlo en el aislamiento de genes mediante marcado por transposón. De
este modo, Ac, el primer elemento transponible descubierto por Barbara McClintock, se
27
utiliza como una herramienta importante de los genetistas de plantas más de 50 años
después.
Mensaje. Los transposones de DNA han sido modificados y utilizados por los
científicos de dos maneras: (1) para crear mutantes que pueden ser identificados
molecularmente por la presencia de un transposón a modo de etiqueta, y (2) como
vectores que permiten introducir genes foráneos dentro de un cromosoma.
14.4 El genoma dinámico: hay más elementos transponibles de lo que nunca se
imaginó
Como hemos visto, los elementos transponibles se descubrieron por primera vez con el
uso de aproximaciones genéticas. En estos estudios, los elementos se dieron a conocer
cuando se transpusieron dentro de un gen o cuando eran puntos de rotura o
reordenaciones en el cromosoma. Después del aislamiento del DNA de los elementos
transponibles a partir de mutaciones inestables, los científicos pudieron usar estas
secuencias de DNA como sondas moleculares para determinar si había más copias
relacionadas en el genoma. En todos los casos, se encontraban siempre presentes en el
genoma al menos varias copias del elemento y, en ocasiones, hasta varios cientos.
Los científicos se preguntaron sobre la prevalencia de los elementos
transponibles en los genomas. ¿Había otros elementos transponibles en el genoma que
permanecían sin descubrir porque no habían causado una mutación que pudiera ser
estudiada en el laboratorio? ¿Había elementos transponibles en la gran mayoría de
organismos que no eran adecuados para el análisis genético? Preguntado de otra
manera, ¿los organismos sin mutaciones inducidas por elementos transponibles tienen, a
28
pesar de eso, elementos transponibles en sus genomas? Estas cuestiones recuerdan a la
pregunta: cuando un árbol cae en el bosque, ¿hace ruido si nadie está escuchando?
Los genomas grandes se componen en gran parte de elementos transponibles
Mucho antes del advenimiento de los proyectos de secuenciación de DNA, los
científicos, utilizando una serie de técnicas bioquímicas, descubrieron que el contenido
de DNA (llamado valor C) variaba enormemente en los eucariotas y no se
correlacionaba con la complejidad biológica. Por ejemplo, los genomas de las
salamandras son 20 veces mayores que el genoma humano, mientras que el genoma de
la cebada es más de 10 veces el genoma del arroz, una gramínea relacionada. La falta de
correlación entre el tamaño del genoma y la complejidad biológica de un organismo se
conoce como la paradoja del valor C.
La cebada y el arroz son ambos cereales de la familia de las gramíneas y como
tales, su contenido de genes debería ser similar. No obstante, si los genes son un
componente relativamente constante de los genomas de los organismos pluricelulares,
¿qué elemento puede ser responsable de la paradoja del valor C? Basándose en los
resultados de experimentos adicionales, los científicos fueron capaces de determinar que
(pág. 504)
(pág. 505)
secuencias de DNA repetidas miles, incluso cientos de miles de veces, constituyen una
gran fracción de los genomas eucarióticos y que algunos genomas contienen mucho más
DNA repetitivo que otros.
Gracias a los recientes y numerosos proyectos para secuenciar los genomas de
una amplia variedad de taxones (incluyendo Drosophila, humanos, el ratón, Arabidopsis
y el arroz), ahora sabemos que hay muchas clases de secuencias repetitivas en los
genomas de los organismos superiores y que algunas son similares a los transposones de
29
DNA y a los retrotransposones que se ha demostrado que son responsables de
mutaciones en plantas, levaduras e insectos. Lo más extraordinario es que estas
secuencias constituyen la mayor parte del DNA de los genomas de eucariotas
pluricelulares.
Más que correlacionarse con el contenido de genes, el tamaño del genoma
frecuentemente se correlaciona con la cantidad de DNA derivada de elementos
transponibles. Los organismos con genomas grandes tienen muchas secuencias que se
parecen a los elementos transponibles, mientras que los organismos con genomas
pequeños tienen muchas menos. Dos ejemplos, uno del genoma humano y el otro de
una comparación de genomas de gramíneas, ilustran este punto. Las características
estructurales de los elementos transponibles encontrados en el genoma humano están
resumidas en la Figura 14-20 y se hablará de ellas en la siguiente sección.
Mensaje. La paradoja del valor C es la falta de correlación entre el tamaño del genoma
y la complejidad biológica. Los genes constituyen solamente una pequeña proporción
de los genomas de organismos pluricelulares. El tamaño del genoma normalmente se
corresponde con la cantidad de secuencias de elementos transponibles, más que con el
contenido de genes.
Elementos transponibles en el genoma humano
Casi la mitad del genoma humano deriva de elementos transponibles. La inmensa
mayoría de estos elementos transponibles son dos tipos de retrotransposones llamados
elementos intercalados largos o LINEs (del inglés, long interspersed elements) y
elementos intercalados cortos o SINEs (del inglés, short interspersed elements) (véase
la Figura 14-20). Los LINEs se mueven como un retrotransposón con la ayuda de una
30
transcriptasa inversa codificada por el elemento, pero carecen de algunas de las
características estructurales propias de los elementos parecidos a los retrovirus, como
los LTRs (véase la Figura 14-12d). Los SINEs se pueden describir como LINEs no
autónomos, porque tienen las características estructurales de los LINEs, pero no
codifican su propia transcriptasa inversa. Se cree que se movilizan mediante las enzimas
transcriptasa inversa codificadas por los LINEs que residen en el genoma.
El SINE más abundante en humanos se llama Alu, nombrado así porque
contiene una diana de restricción para la enzima de restricción Alu. El genoma humano
contiene más de 1 millón de secuencias Alu totales o parciales, dispersas entre los genes
y
(pág. 505)
(pág. 506)
dentro de los intrones. Estas secuencias Alu constituyen más del 10% del genoma
humano. La secuencia Alu completa tiene unos 200 nucleótidos de longitud y se parece
notablemente al RNA 7SL, un RNA que es parte de un complejo por el cual los
polipéptidos recién sintetizados son transportados al retículo endoplasmático.
Supuestamente, las secuencias Alu se originaron como transcritos inversos de estas
moléculas de RNA.
En el genoma humano hay 20 veces más DNA derivado de elementos
transponibles que DNA codificador de proteínas. La Figura 14-21 ilustra el número y la
diversidad de elementos transponibles presentes en el genoma humano utilizando como
ejemplo las posiciones de Alus, SINEs y LINEs concretos en las inmediaciones de un
gen humano representativo.
El genoma humano parece ser representativo de un organismo pluricelular en lo
que respecta a la abundancia y distribución de los elementos transponibles. Por tanto,
una cuestión obvia es: ¿cómo sobreviven y prosperan las plantas y animales con tantas
31
inserciones en los genes y tanto DNA móvil en el genoma? En primer lugar, con
respecto a las funciones génicas, todos los elementos mostrados en la Figura 14-21
están insertados en los intrones. Por tanto, el mRNA producido por este gen no incluirá
ninguna secuencia de elementos transponibles, ya que éstos habrán sido eliminados del
pre-mRNA con el correspondiente intrón. Supuestamente los elementos transponibles se
insertan tanto en exones como en intrones, pero sólo las inserciones en los intrones
permanecerán en la población porque es menos probable que causen una mutación
deletérea. Se dice que las inserciones en los exones están sujetas a selección negativa.
En segundo lugar, los humanos, como otros organismos pluricelulares, pueden
sobrevivir con tanto DNA móvil en el genoma porque la inmensa mayoría es inactivo y
no puede moverse o aumentar el número de copias. La mayor parte de las secuencias de
elementos transponibles en un genoma son reliquias que han acumulado mutaciones que
los inactivan a lo largo de la evolución. Otros aún son capaces de moverse pero son
inactivados por los mecanismos reguladores del hospedador. Sin embargo, hay unos
cuantos LINEs y Alus activos que se las han arreglado para escapar del control del
hospedador y se han insertado en genes importantes causando varias enfermedades
humanas. Tres inserciones separadas de LINEs han interrumpido el gen del factor VIII
causando hemofília A. Al menos 11 inserciones Alu en genes humanos se ha
demostrado que causan varias enfermedades, incluyendo hemofília B (en el gen del
factor IX), neurofibromatosis (en el gen NF1) y cáncer de mama (en el gen BRCA2).
La frecuencia global de mutaciones espontáneas debidas a la inserción de
elementos de clase II en humanos es bastante baja, suponiendo menos del 0.2% (1 de
cada 500) de todas las mutaciones espontáneas caracterizadas. Sorprendentemente, las
inserciones de retrotransposones suponen aproximadamente el 10% de las mutaciones
32
espontáneas en otro mamífero, el ratón. El aumento de unas 50 veces en este tipo de
mutaciones en el ratón
(pág. 506)
(pág. 507)
muy probablemente es debido a la mayor actividad de estos elementos en el genoma de
ratón respecto al genoma humano.
Mensaje. Los elementos transponibles constituyen la mayor proporción del genoma
humano, siendo los LINEs y SINEs los más abundantes. La inmensa mayoría de los
elementos transponibles son reliquias antiguas que ya no pueden moverse o aumentar su
número de copias. Unos cuantos elementos permanecen activos y su transposición
dentro de genes puede causar enfermedades.
Las gramíneas: los retrotransposones con LTRs medran en los genomas grandes
Como se ha mencionado anteriormente, la paradoja del valor C es la falta de correlación
entre el tamaño del genoma y la complejidad biológica. ¿Cómo pueden tener diferentes
organismos un contenido génico similar pero diferir tanto en el tamaño de sus genomas?
Esta situación se ha investigado en los cereales. Se ha demostrado que las diferencias en
los tamaños del genoma de estas gramíneas se correlacionan ante todo con el número de
una clase de elementos, los retrotransposones con LTRs. Los cereales son parientes
evolutivos que han surgido a partir de un ancestro común en los últimos 70 millones de
años. Como tales, sus genomas son aún muy similares en lo que respecta al contenido y
organización de los genes (llamado sintenia; véanse los Capítulos 13 y 19), y las
regiones pueden ser comparadas directamente. Estas comparaciones revelan que los
genes ligados en el pequeño genoma del arroz están físicamente más juntos que los
mismos genes en los genomas más grandes del maíz y la cebada. En los genomas de
33
estas últimas especies, los genes están separados por grandes grupos de
retrotransposones (Figura 14-22).
(pág. 507)
(pág. 508)
Refugios seguros
La abundancia de elementos transponibles en los genomas de los organismos
pluricelulares llevó a algunos investigadores a postular que los elementos transponibles
exitosos (los que son capaces de alcanzar números de copias muy elevados) han
desarrollado mecanismos para evitar dañar a sus hospedadores insertándose dentro de
sus genes. En vez de esto, estos elementos transponibles se insertan en los denominados
refugios seguros del genoma. En las gramíneas, un refugio seguro para las nuevas
inserciones parece encontrarse dentro de otros retrotransposones. Otro refugio seguro es
la heterocromatina de los centrómeros, donde hay muy pocos genes pero mucho DNA
repetitivo (véase el Capítulo 11 para más detalles sobre la heterocromatina). Muchas
clases de elementos transponibles, tanto en especies animales como vegetales, tienden a
insertarse en de la heterocromatina del centrómero.
Refugios seguros en genomas pequeños: inserciones dirigidas. A diferencia de los
genomas de eucariotas pluricelulares, el genoma de las levaduras unicelulares es muy
compacto, con genes densamente distribuidos y muy pocos intrones. Con casi el 70% de
su genoma formado por exones, hay una alta probabilidad de que las nuevas inserciones
de elementos transponibles interrumpan una secuencia codificadora. No obstante, como
se ha visto anteriormente en este capítulo, el genoma de la levadura mantiene una
colección de retrotransposones con LTRs llamados elementos Ty.
¿Cómo son los elementos transponibles capaces de propagarse a nuevas
posiciones en genomas que tienen pocos refugios seguros? Los investigadores han
34
identificado cientos de elementos Ty en el genoma secuenciado de la levadura y han
determinado que no están distribuidos aleatoriamente, sino que cada familia de
elementos Ty se inserta en una región genómica particular. Por ejemplo, la familia Ty3
se inserta casi siempre cerca, pero no dentro, de genes de tRNA en sitios donde no
interfieran con la producción de tRNAs y, donde supuestamente, no perjudican a sus
hospedadores. Los elementos Ty han desarrollado un mecanismo que les permite
insertarse en regiones determinadas del genoma: las proteínas de Ty necesarias para la
integración interaccionan con proteínas específicas de levadura unidas al DNA
genómico. Las proteínas de Ty3, por ejemplo, reconocen y se unen a subunidades del
complejo de la RNA polimerasa que se ensambla en los promotores de los tRNAs
(Figura 14-23a).
(pág. 508)
(pág. 509)
La capacidad de algunos transposones de insertarse preferencialmente en ciertas
secuencias o regiones genómicas se denomina direccionamiento. Un ejemplo
remarcable de direccionamiento son los elementos R1 y R2 de artrópodos, incluyendo
Drosophila. R1 y R2 son LINEs (véase la Figura 14-20) que se insertan sólo dentro de
genes los que producen RNA ribosómicos. En artrópodos, los varios cientos de genes de
rRNA están organizados en grupos de copias en tándem (Figura 14-23b). Con tantos
genes codificando el mismo producto, el hospedador puede tolerar inserciones en
algunos de ellos. Sin embargo, se ha demostrado que demasiadas inserciones de R1 y
R2 disminuyen la viabilidad de los insectos, supuestamente por interferir con el
ensamblaje de los ribosomas.
Visión actual de la terapia génica. Este capítulo empezó con una descripción de un
desorden genético recesivo llamado SCID (inmunodeficiencia combinada grave). El
35
sistema inmunitario de las personas afectadas por SCID está gravemente comprometido
debido a una mutación en el gen que codifica la enzima adenosina desaminasa. Para
corregir este defecto genético, se recogieron células de la médula ósea de los pacientes
de SCID y se trataron con un vector retroviral que contenía un gen ADA correcto. Las
células transformadas fueron entonces inyectadas de nuevo en los pacientes. El sistema
inmunitario de la mayoría de los pacientes mostró una mejoría significativa. Sin
embargo, la terapia resultó tener un efecto secundario muy serio: dos de los pacientes
desarrollaron leucemia. En ambos pacientes, el vector retroviral se había insertado
(integrado) cerca de un gen celular cuya expresión aberrante está asociada con la
leucemia. Lo que probablemente ocurrió es que la inserción del vector retroviral cerca
del gen alteró su expresión y, directa o indirectamente, causó la leucemia.
Está claro que esta forma de terapia génica podría mejorar mucho si los doctores
fueran capaces de controlar dónde se integra el vector retroviral dentro del genoma
humano. Ya hemos visto que existen muchas similitudes entre los retrotransposones con
LTRs y los retrovirus. Cabe esperar que, si logramos comprender la preferencia de
inserción de los elementos Ty en levaduras, podamos aprender cómo construir vectores
retrovirales que se inserten, ellos mismos y el transgén que llevan, en un refugio seguro
del genoma humano.
Mensaje. Un elemento transponible que tiene éxito aumenta su número de copias sin
perjudicar a su hospedador. Una manera segura por la que un elemento aumenta su
número de copias es dirigir las nuevas inserciones a refugios seguros o regiones del
genoma donde hay menos genes.
Resumen
36
Los elementos transponibles fueron descubiertos en el maíz por Barbara McClintock
como la causa de diversas mutaciones inestables. Un ejemplo de elemento no autónomo
es Ds, cuya transposición requiere la presencia en el genoma del elemento autónomo
Ac.
Las secuencias de inserción bacterianas fueron los primeros elementos
transponibles aislados a nivel molecular. Hay muchos tipos diferentes de elementos IS
en las cepas de E. coli, y normalmente están presentes en un cierto número de copias.
Los transposones compuestos contienen elementos IS flanqueando uno o más genes,
como los genes que confieren resistencia a antibióticos. Los transposones con genes de
resistencia se pueden insertar dentro de plásmidos y entonces pueden ser transferidos
por conjugación a bacterias no resistentes.
Existen dos principales grupos de elementos transponibles en eucariotas: los
elementos de clase I (retrotransposones) y los elementos de clase II (transposones de
DNA). El elemento P fue el primer transposón de DNA de la clase II aislado
molecularmente. Fue aislado a partir de mutaciones inestables en Drosophila inducidas
por disgénesis híbrida. Los elementos P se han utilizado para desarrollar vectores para
la introducción de DNA foráneo en las células germinales de Drosophila.
Ac, Ds y P son ejemplos de transposones de DNA, nombrados de este modo
porque el intermediario en la transposición es el propio elemento de DNA. Los
elementos autónomos como Ac codifican una transposasa que se une a los extremos de
los elementos autónomos y no autónomos y cataliza la escisión del elemento del sitio
donante y su reinserción en un nuevo sitio diana en alguna otra parte del genoma.
Los retrotransposones fueron aislados a nivel molecular por primera vez en
mutantes de levaduras, y su parecido a los retrovirus fue
(pág. 509)
(pág. 510)
37
advertido inmediatamente. Los retrotransposones son elementos de clase I, como lo son
todos los elementos transponibles que utilizan RNA como intermediario en la
transposición.
Los elementos transponibles activos aislados en organismos modelo como las
levaduras, Drosophila, E. coli y el maíz constituyen una fracción muy pequeña de todos
los elementos transponibles del genoma. La secuenciación de genomas completos,
incluyendo el genoma humano, ha llevado al extraordinario hallazgo de que casi la
mitad del genoma humano deriva de elementos transponibles.
Términos clave
Activator (Ac) (pág. 488)
Alu (pág. 505)
citotipo M (pág. 499)
citotipo P (pág. 499)
cointegrado (pág. 496)
“cortar y pegar” (pág. 495)
direccionamiento (pág. 509)
disgénesis híbrida (pág. 499)
Dissociation (Ds) (pág. 488)
duplicación del sitio de inserción (pág. 495)
elemento autónomo (pág. 491)
elemento de clase I (retrotransposón) (pág. 499)
elemento de clase II (transposón de DNA) (pág. 499)
elemento no autónomo (pág. 491)
elemento P (pág. 499)
38
elemento similar a copia (pág. 499)
elemento Ty (pág. 497)
escindir (pág. 491)
factor R (pág. 493)
fenotipo inestable (pág. 491)
LINE (elemento intercalado largo) (pág. 505)
LTR (repetición terminal larga) (pág. 498)
marcado por transposón (pág. 503)
paradoja del valor C (pág. 504)
plásmido R (pág. 494)
provirus (pág. 497)
refugio seguro (pág. 508)
repetición invertida (IR) (pág. 494)
retrotransposón (pág. 499)
retrotransposón con LTRs (pág. 499)
retrovirus (pág. 497)
secuencia de inserción (elemento IS) (pág. 492)
selección negativa (pág. 506)
SINE (elemento intercalado corto) (pág. 505)
sintenia (pág. 507)
terapia génica (pág. 487)
transponerse (pág. 491)
transposasa (pág. 493)
transposición (pág. 494)
transposición conservativa (pág. 495)
39
transposición replicativa (pág. 495)
transposón (Tn) (pág. 493)
transposón compuesto (pág. 494)
transposón de DNA (pág. 499)
transposón simple (pág. 494)
valor C (pág. 504)
Problemas resueltos
Problema resuelto 1. A los elementos transponibles se les ha llamado “genes
saltadores” porque parecen saltar de una posición a otra, dejando el locus antiguo y
apareciendo en un nuevo locus. A la luz de lo que sabemos ahora respecto al mecanismo
de transposición, ¿le parece apropiado el término “genes saltadores” para los elementos
transponibles bacterianos?
SOLUCIÓN
En bacterias, la transposición tiene lugar de dos maneras diferentes. La forma
conservativa realmente resulta en genes saltadores, porque en este caso, el elemento
transponible se escinde de su posición original y se inserta en una nueva posición. El
otro modo es la forma replicativa. En esta vía, un elemento transponible se mueve a una
nueva localización mediante su replicación en el sitio diana del DNA, dejando atrás una
copia del elemento transponible en el lugar original. Cuando funcionan por el modo
replicativo, los elementos transponibles no actúan como genes saltadores, porque una
copia aún permanece en la posición original.
Problemas
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PROBLEMAS BÁSICOS
1. Describa cómo se generan plásmidos resistentes a múltiples fármacos.
2. Describa brevemente el experimento que demuestra que la transposición del
elemento Ty1 de levadura tiene lugar a través de un intermediario de RNA.
3. Explique cómo las propiedades de los elementos P de Drosophila hacen que sea
posible utilizarlos en experimentos de transferencia de genes en este organismo.
4. Aunque los elementos de clase II son abundantes en los genomas de eucariotas
pluricelulares, los elementos de clase I normalmente constituyen la fracción más
importante en genomas muy grandes como los de humanos (~2500 Mb), el maíz
(~2500 Mb)
(pág. 510)
(pág. 511)
y la cebada (~5000 Mb). Dado que ya conoce los elementos de clase I y clase II,
¿hay algún aspecto de sus diferentes mecanismos de transposición que pueda
explicar esta diferencia constante en abundancia?
5. Como se vio en la Figura 14-21, los genes de los eucariotas pluricelulares suelen
contener muchos elementos transponibles. ¿Por qué la mayoría de estos elementos
no afectan la expresión del gen?
6. ¿Qué son los refugios seguros? ¿Hay algún lugar en los compactos genomas
bacterianos que pudiera ser un refugio seguro para los elementos que se insertan?
41
7. Los Premios Nobel normalmente se otorgan muchos años después del
descubrimiento en sí. Por ejemplo, a James Watson, Francis Crack y Maurice
Wilkins les fue concedido el Premio Nobel de fisiología o medicina en 1962, casi
una década después de su descubrimiento de la estructura en doble hélice del DNA.
Sin embargo, a Barbara McClintock le otorgaron el Premio Nobel en 1983, casi
cuatro décadas después del descubrimiento de los elementos transponibles en el
maíz. ¿Por qué cree que éste tardó tanto tiempo?
PROBLEMAS PARA PENSAR
8. La inserción de elementos transponibles dentro de genes puede alterar el patrón
normal de expresión. Describa las posibles consecuencias para la expresión génica
en las siguientes situaciones:
a. Un LINE se inserta dentro del intensificador de un gen humano.
b. Un elemento transponible contiene un sitio de unión para un represor
transcripcional y se inserta en una posición adyacente a un promotor.
c. Un elemento Alu se inserta en el sitio de corte y empalme 3’ (AG) de un intrón.
d. Un elemento Ds que estaba insertado en el exón de un gen se escinde de manera
imperfecta y deja 3 pb dentro del exón.
e. Otra escisión de ese mismo elemento Ds deja 2 pb dentro del exón.
f. Un elemento Ds que estaba insertado en medio de un intrón se escinde de
manera imperfecta y deja 5 pb en el intrón.
9. Antes de la integración de un transposón, su transposasa hace un corte escalonado
en el DNA diana del hospedador. Si el corte escalonado se produce en los puntos
señalados por las flechas en la secuencia de abajo, dibuje cómo sería la secuencia en
42
el DNA del hospedador después de que el transposón se haya insertado. Represente
el transposón como un rectángulo.
↓
AATTTGGCCTAGTACTAATTGGTTGG
TTAAACCGGATCATGATTAACCAACC
↑
10. M. Green encontró en Drosophila un alelo singed (sn) con algunas características
inusuales. Las hembras homocigóticas para este alelo ligado al X tienen quetas
singed (chamuscadas), pero presentan numerosos parches de quetas sn+ (salvajes) en
sus cabezas, tórax y abdómenes. Cuando estas moscas se aparean con machos sn,
algunas hembras producen sólo descendencia singed, pero otras tienen
descendientes singed y de tipo salvaje en proporciones variables. Explique estos
resultados.
11. Considere dos plantas de maíz:
a. Genotipo C/cm; Ac/Ac+, donde cm es un alelo inestable causado por una
inserción Ds.
b. Genotipo C/cm, donde cm es un alelo inestable causado por una inserción Ac.
¿Qué fenotipos se producirían y en qué proporciones cuando (1) cada planta se
cruza con un mutante c/c que presenta una sustitución nucleotídica, y (2) la planta a
se cruza con la planta b? Asuma que Ac y c no están ligados, que la frecuencia de
roturas cromosómicas es despreciable y que el mutante c/C es Ac+.
12. Se encuentra con una amiga científica en el gimnasio y le empieza a explicar cosas
sobre un gen de ratón que está estudiando en el laboratorio. El producto de este gen
es una enzima necesaria para que el pelaje sea marrón. El gen se llama FB y la
43
enzima es la enzima FB. Cuando FB está mutado y no puede producir la enzima FB,
el pelaje es blanco. La científica le cuenta que ha aislado el gen en dos ratones con
pelaje marrón y que, para su sorpresa, encontró que los dos genes diferían por la
presencia de un SINE (como el elemento Alu humano) de 250 pb en el gen de un
ratón pero no en el gen del otro. Ella no comprende cómo es posible que haya esta
diferencia, especialmente dado que determinó que ambos ratones producían la
enzima FB. ¿Puede ayudarla a formular una hipótesis que explique por qué el ratón
puede aún producir la enzima FB teniendo un elemento transponible en el gen FB
que la codifica?
13. El genoma de la levadura tiene elementos de clase I (Ty1, Ty2 y así sucesivamente)
pero no presenta elementos de clase II. ¿Puede pensar en una posible razón por la
que los elementos de DNA no han tenido éxito en el genoma de la levadura?
(pág. 511)
44
PIES DE FIGURAS
Figura inicial
Granos en una mazorca de maíz. Los granos con motas de esta mazorca de maíz
resultan de la interacción de un elemento genético móvil (un elemento transponible) con
un gen del maíz cuyo producto interviene en la pigmentación. [Cliff Weil y Susan
Wessler.]
Figura 14-1 Un niño con SCID
Un paciente con SCID tiene que vivir dentro de una burbuja protectora.
Figura 14-2 El elemento transponible Ds contribuye a causar roturas
El cromosoma 9 del maíz se rompe por el locus Ds, donde se ha insertado el elemento
transponible Ds.
Figura superior Recuadro Organismo modelo: maíz
El laboratorio de estudio del maíz de Rollins A. Emerson en la Cornell University en
1929. De pie de izquierda a derecha: Charles Burnham, Marcus Rhoades, Rollins
Emerson y Barbara McClintock. Agachado está George Beadle. Tanto a McClintock
como a Beadle (véase el Capítulo 6) les fue concedido un Premio Nobel. [Cortesía del
Department of Plant Breeding, Cornell University.]
Figura inferior Recuadro Organismo modelo: maíz
Análisis de cromosomas del maíz, en aquel entonces y en la actualidad. Los
cromosomas del maíz son grandes y se pueden visualizar fácilmente a la luz del
45
microscopio. (a) Imagen de Marcus Rhoades (1952). (b) Esta imagen es comparable a la
de la parte a excepto en que el huso mitótico se muestra en azul (teñido con anticuerpos
que se unen a la tubulina), los centrómeros se muestran en rojo (teñidos con anticuerpos
contra una proteína asociada al centrómero) y los cromosomas se ven en verde. [(a) De
M. M. Rhoades, “Preferential Segregation in Maize”, en J. W. Gowen, editor, Heterosis,
pág. 66-80, Iowa State College Press, 1952. (b) De R. K. Dawe, L. Reed, H.-G. Yu, M.
G. Muszynski y E. N. Hiatt, “A Maize Homolog of Mammalian CENPC Is a
Consitutive Component of the Inner Kinetochore”, Plant Cell 11, 1999, 1227-1238.]
Figura 14-3 Los fenotipos inusuales están causados por el elemento transponible
Ds
Nuevos fenotipos producidos en el maíz por el movimiento del elemento transponible
Ds en el cromosoma 9. (a) Se pierde un fragmento de cromosoma por una rotura en el
locus Ds. Entonces se pueden expresar los alelos recesivos del cromosoma homólogo y
producen un sector incoloro en el grano. (b) La inserción de Ds en el gen C (arriba) crea
células del grano incoloras. La escisión de Ds del gen C por la acción de Ac en algunas
células y sus correspondientes descendientes por mitosis permite que el color se exprese
de nuevo, produciendo un fenotipo moteado.
Figura 14-4 Fenotipos producidos por elementos transponibles en granos de maíz
Las motas de los granos dependen de la inserción y escisión de los elementos Ds o Ac
en el gen C que controla la pigmentación.
Figura 14-5 Elementos transponibles en acción en la flor de boca de dragón
46
Mosaicismo causado por la escisión de elementos transponibles en la boca de dragón
(Antirrhinum). La inserción de un elemento transponible interrumpe la producción de
pigmento, lo que resulta en flores blancas. La escisión del elemento transponible
restablece la producción de pigmento originando sectores rojos de tejido floral.
[Fotografía de Rosemary Carpenter y Enrico Coen.]
Figura 14-6 Características estructurales de los transposones simples y compuestos
(a) Tn10, un ejemplo de transposón compuesto. Los elementos IS están insertados en
orientación opuesta y forman repeticiones invertidas (IRs). Cada elemento IS contiene
una transposasa, pero sólo una de las dos suele ser funcional. (b) Tn3, un ejemplo de
transposón simple. Las repeticiones invertidas cortas no contienen transposasa. En su
lugar, los transposones simples codifican su propia transposasa. La resolvasa es una
proteína que induce la recombinación y resuelve el cointegrado (véase la Figura 14-10).
Figura 14-7 Un plásmido R puede contener varios transposones portadores de
genes de resistencia
El mapa esquemático de un plásmido R muestra diversos transposones simples y
compuestos portadores de genes de resistencia. Se pueden ver los genes que codifican
resistencia a los antibióticos tetraciclina (tetR), kanamicina (kanR), estreptomicina (smR),
sulfonamida (suR) y ampicilina (ampR) y también al mercurio (hgR). El segmento que
determina las resistencias se puede mover como un único grupo de genes de resistencia.
Tn3 se encuentra dentro de Tn4. Cada transposón también puede ser transferido
independientemente. [Simplificado a partir de S. N. Cohen y J. A. Shapiro,
“Transposable Genetic Elements”. Copyright 1980 de Scientific American, Inc.
Reservados todos los derechos.]
47
Figura 14-8 Un elemento insertado está flanqueado por repeticiones cortas
Una secuencia corta de DNA es duplicada en el sitio de inserción del transposón. El
DNA receptor es cortado en puntos escalonados (se muestra un corte con 5 pb de
separación), lo que conduce a la producción de dos copias de la secuencia de cinco
pares de bases que flanquea al elemento insertado.
Figura 14-9 Dos mecanismos de transposición
La transposición de los elementos móviles puede ser replicativa o conservativa. Véase
el texto para más detalles. [Adaptado con permiso de Nature Reviews Genetics 1, nº 2,
pág. 138, Fig. 3, Noviembre 2000, “Mobile Elements and the Human Genome”, E. T.
Luning Prak y H. H. Kazazian, Jr. Copyright 2000 de Macmillan Magazines Ltd.]
Figura 14-10 Transposición replicativa de Tn3
La transposición replicativa de Tn3 tiene lugar a través de un cointegrado intermediario.
[Según Robert J. Broker, Genetics: Analysis and Principles, Fig. 18-14, BenjaminCummings, 1999.]
Figura 14-11 Ciclo de vida de un retrovirus
El genoma de RNA del retrovirus experimenta transcripción inversa para convertirse en
DNA de doble cadena dentro de la célula del hospedador.
Figura 14-12 Los retrotransposones tienen características comunes con los
retrovirus
48
Comparación estructural de un retrovirus con retrotransposones encontrados en
genomas eucarióticos. (a) virus de la leucemia murina de Moloney (MoMLV; del
inglés, Moloney murine leucemia virus), un retrovirus de ratón. (b) Ty1, un
retrotransposón de levaduras. (c) copia, un retrotransposón de Drosophila. (d) LINE
(elemento intercalado largo) de humanos. Abreviaturas: LTR, repetición terminal larga;
ORF, marco abierto de lectura.
Figura 14-13 Un retrotransposón se transpone a través de un intermediario de
RNA
Un transcrito de RNA del retrotransposón es copiado a DNA mediante una transcriptasa
inversa codificada por el retrotransposón. Esta copia de DNA se inserta en una nueva
posición del genoma.
Figura 14-14 Demostración de la transposición a través de un intermediario de
RNA
Un elemento Ty es alterado por la adición de un intrón y un promotor que pueden ser
activados con la adición de galactosa. Las secuencias del intrón son eliminadas por corte
y empalme antes de la transcripción inversa. [Según H. Lodish, D. Baltimore, A. Berk,
S. L. Zipursky, P. Matsudaira y J. Darnell, Molecular Cell Biology, 3ª edición, pág. 332.
Copyright 1995 de Scientific American Books.]
Figura 14-15 Disgénesis híbrida en Drosophila
En la disgénesis híbrida un cruce entre una hembra de una cepa de laboratorio y un
macho de una población natural produce descendencia defectiva. Véase el texto para
más detalles.
49
Figura 14-16 Estructura del elemento P
El análisis de la secuencia de DNA de las 2.9 kb del elemento P revela un gen,
compuesto por cuatro exones y tres intrones, que codifica una transposasa. En cada uno
de los extremos del elemento se encuentran repeticiones invertidas perfectas de 31 pb.
[De G. Robin, en J. A. Shapiro, editor, Mobile Genetic Elements, pág. 329-361Academic Press, 1983.]
Figura 14-17 La inserción de elementos P causa las mutaciones subyacentes a la
disgénesis híbrida
Fundamento molecular de la disgénesis híbrida. Los cruces de machos de Drosophila
portadores de la transposasa de P con hembras de Drosophila que no tienen elementos
P funcionales producen mutaciones en la línea germinal de los descendientes de la F1
debidas a inserciones de elementos P. Los elementos P son capaces de moverse,
causando mutaciones, porque el esperma de los machos no aporta represores.
Figura 14-18 La transposasa de Ac cataliza su escisión e integración
El elemento Ac del maíz codifica una transposasa que se une a sus propios extremos o a
los del elemento Ds, escinde el elemento y hace un corte en el sitio de inserción que
permite que el elemento se inserte en otra posición del genoma.
Figura 14-19 Los elementos P pueden ser manipulados para transferir genes
Transferencia génica mediada por elementos P en Drosophila. Se introduce el gen del
color del ojo rosy+ (ry+) en un elemento P delecionado portado por un vector bacteriano.
Al mismo tiempo, disponemos de un plásmido ayudante con un elemento P intacto.
50
Ambos plásmidos se inyectan en un embrión ry–, en el que el gen ry+ se transpone junto
con el elemento P en los cromosomas de las células de la línea germinal.
Figura 14-20 Tipos de elementos transponibles en el genoma humano
En el genoma humano se pueden encontrar diversas clases generales de elementos
transponibles. [Reimpreso con permiso de Nature 409, 880 (15 de febrero de 2001),
“Initial Sequencing and Analysis of the Human Genome”, The International Human
Genome Sequencing Consortium. Copyright 2001 de Macmillan Magazines Ltd.]
Figura 14-21 Los genes humanos contienen muchos elementos transponibles
Se pueden encontrar numerosos elementos repetitivos en el gen humano (HGO) que
codifica la homogentisato 1,2-dioxigenasa, la enzima cuya deficiencia causa la
alcaptonuria. La línea superior esquematiza las posiciones de los exones de HGO. La
localización de los Alu (azul), SINEs (morado) y LINEs (amarillo) en la secuencia de
HGO está indicada en la línea inferior. [Según B. Granadino, D. Beltrán-Valero de
Bernabé, J. M. Fernández-Cañón, M. A. Peñalva y S. Rodríguez de Córdoba, “The
Human Homogentisate 1,2-dioxigenase (HGO) Gene”, Genomics 43, 1997, 115.]
Figura 14-22 Los elementos transponibles de gramíneas son los responsables de las
diferencias en el tamaño del genoma
Las gramíneas, incluyendo la cebada, el arroz, el sorgo y el maíz, divergieron a partir de
un ancestro común hace unos 70 millones de años. Desde ese momento, los elementos
transponibles se han acumulado hasta diferentes niveles en cada especie. Los
cromosomas son más grandes en el maíz y la cebada, cuyos genomas contienen grandes
cantidades de retrotransposones con LTRs. En la porción del genoma representada
51
debajo de cada especie, el color verde indica un grupo de transposones, mientras que el
naranja representa los genes.
Figura 14-23 Los elementos transponibles se insertan en refugios seguros
Algunos elementos transponibles tienen preferencia por refugios seguros específicos. (a)
El retrotransposón Ty3 de levadura se inserta en las regiones promotoras de los genes de
RNA de transferencia. (b) Los retrotransposones sin LTRs R1 y R2 (LINEs) de
Drosophila se insertan en los genes codificadores de RNA ribosómico que se
encuentran formando grandes grupos de copias en tándem en los cromosomas. Sólo
están indicados los genes de la transcriptasa inversa (RT) de R1 y R2. [(a) Inspirado por
D. F. Voytas y J. D. Boeke, “Ty1 y Ty5 of Saccharomyces cerevisiae”, en N. L. Craig et
al., editores, Mobile DNA II, Cap. 26, Fig. 15, pág. 652. ASM Press, 2002. (b) Según T.
H. Eickbush, “R2 and Related Site-Specific Non-Long Terminal Invertid Repeat
Retrotransposons” en N. L. Craig et al., editores, Mobile DNA II, Cap. 34, Fig. 1, pág.
814. ASM Press, 2002.]
52
PARCHEADOS
Figura 14-2 El elemento transponible Ds contribuye a causar roturas
1. Pomo
2. Sin Ds
3. Locus Ds
4. Par de cromosomas 9 homólogos en la meiosis
Figura 14-3 Los fenotipos inusuales están causados por el elemento transponible
Ds
1. GENOTIPOS
2. (a) Rotura cromosómica
3. Rotura cromosómica en Ds activada por Ac
4. El fragmento acéntrico se pierde.
5. (b) Nuevos alelos inestables
6. Ac activa la pérdida de Ds del gen C.
7. FENOTIPOS
8. Incoloro (c)
Encogido (sh)
Mate (wx)
9. Pigmentado (C)
Relleno (Sh)
Brillante (Wx)
10. Fondo incoloro
53
Figura 14-4 Fenotipos producidos por elementos transponibles en granos de maíz
1. Gen C (salvaje)
2. Fenotipos
3. Pigmentado
4. Incoloro
5. Granos moteados
6. Granos moteados
7. c-m(Ds) (sin Ac)
Figura 14-6 Características estructurales de los transposones simples y compuestos
1. (a) Transposón compuesto
2. Transposón Tn10
3. Resistencia a la tetraciclina
4. (b) Transposón simple
5. Transposón Tn3
6. Transposasa
7. Resolvasa
8. Resistencia a la ampicilina
Error: Donde pone AMR debería poner ampR
Figura 14-7 Un plásmido R puede contener varios transposones portadores de
genes de resistencia
1. Segmento determinante de las resistencias
Figura 14-8 Un elemento insertado está flanqueado por repeticiones cortas
54
1. La transposasa corta el DNA diana.
2. El elemento transponible se inserta.
3. El hospedador repara los agujeros.
4. Dos repeticiones directas de 5 pb flanquean al elemento.
Figura 14-9 Dos mecanismos de transposición
1. Replicativa
2. Sitio diana (vacío)
3. Conservativa
Figura 14-10 Transposición replicativa de Tn3
1. Plásmido donante
2. Secuencia diana
3. Plásmido receptor
4. Transposasa
5. Formación del cointegrado
6. Síntesis de DNA
7. Cointegrado
8. Resolución del cointegrado
9. Original
10. Nuevo
Figura 14-11 Ciclo de vida de un retrovirus
1. Retrovirus
2. Envoltura
55
3. Cápside
4. Transcriptasa inversa
5. La cápside entra en la célula del hospedador y deja la envoltura en la membrana.
6. Célula hospedadora
7. Cromosoma del hospedador
8. La cápside se descompone, la transcriptasa inversa sintetiza una copia de DNA del
RNA viral.
9. La transcriptasa inversa sintetiza una segunda cadena de la copia de DNA.
10. El DNA viral de doble cadena se integra en el DNA del cromosoma del hospedador.
11. DNA proviral
12. El mRNA viral es transcrito a partir del DNA proviral integrado.
13. mRNA viral
14. Síntesis de nuevos virus
Figura 14-12 Los retrotransposones tienen características comunes con los
retrovirus
1. (a) Un retrovirus, MoMLV
2. (b) Ty1 de levadura
3. (c) copia de Drosophila
4. (d) L1, un LINE de humanos
Figura 14-13 Un retrotransposón se transpone a través de un intermediario de
RNA
1. Repetición directa de 5 pb del DNA diana
2. Transcripción
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3. Otro cromosoma diferente
4. Se inserta una copia de Ty1
5. Núcleo
6. Citoplasma
7. Traducción
8. Transcripción inversa
9. Transcriptasa inversa
Figura 14-14 Demostración de la transposición a través de un intermediario de
RNA
1. Plásmido con Ty
2. Región codificadora
3. Elemento Ty
4. Promotor inducible por galactosa
5. Intrón de otro gen
6. Adición de galactosa
7. Transcrito primario
8. Corte y empalme
9. Transcripción inversa
Inserción
10. El DNA del elemento Ty transpuesto carece del intrón
Figura 14-15 Disgénesis híbrida en Drosophila
1. Cruce disgénico
2. Hembra (cepa de laboratorio)
57
3. Citotipo M
4. Macho (población natural)
5. Citotipo P
6. Híbridos defectivos (descendencia disgénica)
7. Sin descendencia
8. Cruce recíproco
9. Hembra (población natural)
10. Citotipo P
11. Macho (cepa de laboratorio)
12. Citotipo M
13. Moscas normales
Figura 14-16 Estructura del elemento P
1. Elemento P
2. Gen de la transposasa
3. Intrones
Figura 14-17 La inserción de elementos P causa las mutaciones subyacentes a la
disgénesis híbrida
1. ♀ Citotipo M
2. ♂ Citotipo P
3. Generación P
4. Sin elementos P
5. Con elementos P
6. Generación F1
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7. Célula de la línea germinal del embrión
Sin represor
8. Movilización mediante la transposasa de P
9. Elemento P
10. La misma célula un poco después
11. Desarrollo hasta la etapa adulta
12. Mosca estéril portadora de nuevas mutaciones por inserción en la línea germinal
Figura 14-18 La transposasa de Ac cataliza su escisión e integración
1. Transposasa
2. La transposasa se une a los extremos de los elementos Ac y Ds.
3. Corte
4. DNA diana
5. Integración en la nueva posición
6. Ac o Ds en la nueva posición
7. Ac o Ds
Figura 14-19 Los elementos P pueden ser manipulados para transferir genes
1. Elemento P delecionado
2. Elemento P
3. Vector bacteriano
4. Plásmido ry+
5. Plásmido ayudante
6. Micropipeta con la solución de DNA
7. Núcleos
59
8. Localización temporal de las células germinales
9. Embrión de Drosophila ry–/ry–
10. Crecimiento hasta la fase adulta
11. Adulto
12. Ojos rosy–
13. ry+ en algunas células de la línea germinal
14. Cromosoma
15. Gen ry+
16. Ojos rosy+
17. Algunos descendientes ry+/ry–
Figura 14-20 Tipos de elementos transponibles en el genoma humano
1. Elemento
2. Transposición
3. Estructura
4. Longitud
5. Número de copias
6. Fracción del genoma
7. Autónomos
8. No autónomos
9. Transposones de DNA
10. Autónomos
11. No autónomos
12. Transposasa
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Figura 14-21 Los genes humanos contienen muchos elementos transponibles
1. Exones
Figura 14-22 Los elementos transponibles de gramíneas son los responsables de las
diferencias en el tamaño del genoma
1. Ancestro de las gramíneas
2. ~70 millones de años
3. Cebada
4. Arroz
5. Sorgo
6. Maíz
7. Cromosomas
Figura 14-23 Los elementos transponibles se insertan en refugios seguros
1. (a) Integración de Ty3 dentro de un refugio seguro en un gen de tRNA
2. Proteína de integración codificada por Ty3
3. Promotor del tRNA
4. (b) R1 y R2 en los refugios seguros de los rRNAs
5. Grupo de copias en tándem de genes de rRNA en un cromosoma de insecto
6. Gen de rRNA
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