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Sobre los genes y las ideas sobre los genes Alberto Kornblihtt Facultad de Ciencias Exactas y Naturales – UBA IFIBYNE-CONICET Todos los seres vivos estamos compuestos por células Toda célula proviene de otra célula Es muy probable que todos los seres vivos provengamos de una única célula original: origen monofilético de la vida Figure 6-98 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Figure 1-21 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008) Podemos pensar a la biología como la ciencia que se ocupa de las similitudes y las diferencias en el mundo vivo Moluscos Sin caparazón sin “pluma” pulpo Con caparazón con “pluma” calamar almeja vertebrados peces mamíferos amigable tiburón delfín no tanto orca Homo sapiens sapiens Piel negra Magic Johnson Piel blanca Manu Ginobili Fuente: NBA Entertainment, 2005 Criaturas del planeta Pandora creado por James Cameron Na’vi (4 dedos) Neytiri Avatar (5 dedos) Jake Sully Fuente: www.cinematicwallpaper.com/movie-pictures/wallpapers/Avatar_wallpaper/Avatar.jpg Sin embargo… Fenotipo = Genotipo + Ambiente aspecto morfología fisiología comportamiento ADN eso mismo El material genético de todas las células es ADN (= DNA) ADN = ácido desoxirribonucleico Fuente: Alberts et al. MBOC, 5th edition, Garland, 2008 TTATCGAGCTGCCTAAATGTGCTCACGCATTGC AATAGCTCGACGGATTTACACGAGTGCGTAACG GENOMA HUMANO 24 cromosomas distintos (22 + X + Y) 3.000.000.000 de "letras" 70 % de regiones NO génicas 30 % son genes 1,5% regiones codificantes 23.000 genes 0,037% de variabilidad intraespecífica Francis Crick (1916-2004) Premio Nobel 1962 James Watson (1928-) Premio Nobel 1962 1953 Revolución en la medicina Fuente: Jane Ades , NHGRI, NIH, USA diagnóstico de enfermedades hereditarias, infecciosas, cáncer vacunas recombinantes remedios producidos por tecnología de ADN recombinante: interferón, eritropoyetina, hormona de crecimiento, insulina terapia génica anticuerpos monoclonales animales transgénicos medicina personalizada medicina forense determinación de identidad y lazos familiares Fuente: Jane Ades , NHGRI, NIH, USA Revolución en la industria y en la agricultura Nueva industria farmacéutica de ADN recombinante plantas transgénicas sojización superávit fiscal argentino producción de enzimas de uso industrial tipificación semen reproductores animales transgénicos detección de contaminación en alimentos identificación de ganado robado Los principales productos de los genes son proteínas ¿Cómo se fabrican? Dogma (?!) central de la biología molecular o Flujo de información genética retro-transcripci—n traducci—n duplicaci—n transcripci—n DNA PROTEêNA RNA cromosoma célula gen ADN copiado I Ácido ribonucleico (ARN) copiado II proteína función Los genes no sólo codifican proteínas LOS GENES NO SÓLO CODIFICAN PROTEÍNAS GENES RNA RNAs RIBOSOMALES RNAs DE TRANSFERENCIA RNAs micro RNAs NUCLEARES PEQUEÑOS siRNAs sncRNA RIBOZIMAS RNAs MENSAJEROS PROTEÍNA PROTEÍNA Fenotipo = Genotipo + Ambiente Un gen Exón Intrón Exón Intrón Exón ADN Pol TRANSCRIPCIÓN ARN inmaduro (exones + intrones) splicing intrones ARN mensajero (sólo exones) TRADUCCIÓN proteína ¿Cómo es posible que si todas las células de un individuo tienen los mismos genes, se produzca la diferenciación celular? EN UN DETERMINADO TIPO CELULAR Y/O EN UN DETERMINADO MOMENTO DEL DESARROLLO SÓLO SE EXPRESA UN SUBCONJUNTO DE LOS GENES GENOMA TRANSCRIPTOMA PROTEOMA Genética: Cambios heredables en la información (secuencia del DNA) de los genes. Incluidos en los que llamamos genotipo. Irreversibles. Epigenética Sensu stricto: cambios heredables en los patrones de expresión de los genes que no son causados por cambios en la secuencia de DNA. Provocados por señales externas. Reversibles. Incluidos en los que llamamos fenotipo. Sensu lato: cualquier modificación covalente de las histonas o del grado de metilación del DNA que afecte la expresión de los genes sin alterar su secuencia. Figure 4-33b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Figure 4-33a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Modificaciones post-traduccionales de histonas Figure 4-39b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Modificaciones post-traduccionales de la histona H3 Figure 4-44a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) H3 H3 H3 H3 Figure 4-44b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Introducción de “marcas” covalentes en histonas: “writing” Eliminación de “marcas” covalentes en histonas: “erasing” Reconocimiento de las marcas en las histonas: “reading” Las marcas en las histonas afectan el grado de compactación de la cromatina y consecuentemente la accesibilidad de factores de transcripción y de la RNA polimerasa II Heredabilidad (condición requerida para la definición de epigenética sensu stricto) -Mitótica (metilación del DNA y H3K27me) -Meiótica (transgeneracional) ???? Lamarck Figure 4-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Splicing alternativo GENOMA TRANSCRIPTOMA PROTEOMA Un gen Exón Intrón Exón Intrón ADN Exón Pol TRANSCRIPCIÓN ARN splicing alternativo ARN mensajeros (2 variantes) TRADUCCIÓN proteínas (2 variantes) un gen una proteína un gen muchas proteínas Examples of alternative splicing AUG Thyroid 3 3 2 AUG AATAAA AATAAA 4 5 6 Neurons fruitless Calcitonin/CGRP Embryo Binds KGF VASE 7 8 7 IIIc IIIb 10 Binds FGF Adult NCAM FGFR-2 Smith and Valcárcel, TIBS 2000 Human Fibronectin 3' 5' ED B (ED II) RGD ED A (ED I) IIICS NH2 COOH 91 aa 90 aa 120 aa 89 aa 95 aa 64 aa 0 aa Kornblihtt et al., FASEB J. 1996 Drosophila DSCAM gene: 38,016 different variants Zipursky lab: Schmucker et al. Cell 2000 El splicing alternativo parece ser la causa de la gran complejidad de los vertebrados (nosotros) Gusano Caenorhabditis elegans Invertebrado microscópico de 1 mm de largo formado por 1000 células 19.000 genes en cada célula Fuente: http://www.bio.unc.edu/faculty/goldstein/lab/movies.html Homo sapiens sapiens Vertebrado macroscópico de casi 2 m de largo formado por 1013 células 23.000 genes en cada célula No somos más complejos porque tengamos más genes gusano genes humano 19.000 ~ 23.000 splicing alternativo proteínas 25.000 ≠ 100.000 Lo que ocurre es que nuestros genes pueden generar muchas más proteínas que los del gusano First come, first served (where first served means first excised) Fast elongation/no pauses Strong 3’SS Weak 3’SS Exclusion pol II U2AF 35 U1 U2AF 65 SF1 Slow elongation/ with pauses Weak 3’SS Strong 3’SS Inclusion pol II pol II U1 U2AF 35 U2AF 65 SF1 U1 U2AF 35 U2AF 65 SF1 Modulation of pol II intrinsic activity (e.g. CTD phosphorylation, association to elongation factors) changes in pol II elongation rate (kinetic coupling) Changes in the template chromatin structure that limit or facilitate elongation UV light and alternative splicing Fast elongation Slow elongation Pol II Cap Pol II Cap Pre-mRNA Pre-mRNA Pol II Cap Pre-mRNA UV IRRADIATION Pol II Cap Pre-mRNA mRNA Cap (A)n Skipping mRNA Cap (A)n Inclusion Muñoz et al., Cell 2009; Muñoz et al. TiBS 2010 Modulation of pol II intrinsic activity (e.g. CTD phosphorylation, association to elongation factors) changes in pol II elongation rate (kinetic coupling) Changes in the template chromatin structure that limit or facilitate elongation Chromatin and alternative splicing Pol II Trichostatin A (TSA) REPLICATION Pol II Kadener et al., EMBO J. 2001 Nogués et al., J. Biol. Chem. 2002 Neuron depolarization TSA H3K9ac Neuron differentiation H3K9ac H3K9ac Pol II H3K9ac H3K9ac H3K9me H3K9me H3K9me Pol II H3K9ac H3K9me H3K9me La secuenciación de decenas de genomas confirmó la evolución y la selección natural de las especies Gracias!