EL GENOMA HUMANO Introducción Recuerdo histórico Estructura del DNA Función del material genético Organización del genoma Paradoja del valor C Genoma de los virus Genoma de las bacterias Proyecto Genoma Humano Objetivos Resultados Tipos de secuencias en el genoma humano Estructura de un gen humano típico Futuro del proyecto

EL GENOMA HUMANO Introducción El genoma es el conjunto de genes que poseen las células de un organismo. Los genes están en la base de las funciones que hemos considerado como específicas de los seres vivos: Son, en último término, los reguladores del estado de equilibrio de las células y del organismo (saludenfermedad). Son los responsables de la estructura y función de las células, y del mantenimiento de las características vitales a lo largo del tiempo. Esta información hereditaria se transmite desde una célula a todas sus células hijas mediante la división celular y de un organismo a otro a través de sus células germinales.

Recuerdo histórico 1865. Mendel: existen factores discretos que no se mezclan sino que se combinan unos con otros cuando se transmiten de una generación a otra. Se trata de entidades estadísticas abstractas. No se conoce su naturaleza química. 1900-1910. Primeros genetistas: los genes están en los cromosomas (teoría cromosómica de la herencia). Un determinado gen ocupa un sitio (locus) concreto en el cromosoma. ¿Cuál es la estructura química de los genes?

Recuerdo histórico 1928. Griffith: transformación bacteriana. Cepa S: bacterias lisas patógenas producen neumonía

Cepa R: bacterias mutantes rugosas no patógenas

Bacterias lisas (S) inactivadas por calor son no patógenas Algunas bacterias de la cepa R se han transformado en bacterias de la cepa S y recuperan actividad patógena

Recuerdo histórico 1941. Beadle y Tatum: un gen – un enzima Generalización: La información genética consta esencialmente de instrucciones para producir proteínas. Son las moléculas responsables de la mayor parte de las funciones celulares: • Enzimas que catalizan todas las reacciones químicas • Bloques de construcción para las estructuras celulares • Regulan la expresión génica • Permiten la comunicación entre las células • Controlan el movimiento celular • …

Recuerdo histórico 1944. Avery, McLeod y McCarthy: el DNA es el portador de la información genética

Recuerdo histórico 1953. Watson y Crick: estructura secundaria del DNA. Inicio de la genética molecular.

Recuerdo histórico 1966. Nirenberg, Ochoa y Khorana descubren el código genético. La secuencia de nucleótidos en el DNA determina la secuencia de aminoácidos en la proteína

Recuerdo histórico 1970… Varios: ingeniería genética. 2000. Celera y Consorcio público: publicación del primer borrador del genoma humano. 2003. Celera y Consorcio público: se da por finalizada la secuenciación completa del genoma humano. Era postgenómica (a partir de 2003): estudio de la regulación de la actividad genética. Proyecto ENCODE Proyecto HapMap Otros proyectos… JAMES CRAIG Primer genoma individual (2007 Venter) WATSON VENTER

GEORGE CHURCH

Función del material genético

Una propiedad importante del DNA: Desnaturalización

hibridación renaturalización

Función del material genético

Autosintética

Heterosintética

Función del material genético La estructura del DNA explica el mecanismo de la herencia Los genes de DNA codifican proteínas

Función del material genético

GENOMA

TRANSCRIPTOMA

PROTEOMA

Función del material genético

Función del material genético Correlación morfológica

Organización del genoma Paradoja del valor C Organismo

x 106 pb

Bacteria Levadura Drosófila Pollo Ratón Hombre Maiz Salamandra Lirio

4,7 15 155 1.000 2.600 3.000 15.000 90.000 90.000

C = cantidad de DNA por genoma haploide

Organización del genoma Tamaño comparativo de diversos genomas

Organización del genoma Especies muy próximas, pueden tener cariotipos muy diferentes

No existe ninguna relación directa entre la complejidad de las especies, el número de cromosomas y el tamaño del genoma Parece que cada uno de los genomas y de los cromosomas de las especies actuales ha surgido por un proceso histórico de acontecimientos genéticos único, realizado al azar y sometido a las presiones de la selección a lo largo de la evolución

Organización del genoma Genoma de los virus Pequeño Compacto Algunos genes superpuestos

Genoma de las bacterias Menor que el de los eucariotas Compacto Muy poco DNA repetido Los genes relacionados funcionalmente aparecen agrupados

Organización del genoma Genome de eucariotas Grande Mucho ADN repetido Genes formados por exones e intrones

Proyecto Genoma Humano Objetivos: ■ Determinar la secuencia completa de nucleótidos ■ Almacenar toda la información en bases de datos ■ Mejorar los métodos de análisis ■ Identificar los genes que existen en el genoma humano Fechas importantes: ■ 1990: Inicio del Proyecto liderado por el Departamento de Energía y el Instituto Nacional de la Salud (USA) ■ Junio 2000: Se completa el borrador de todo el genoma humano ■ Febrero 2001: Se hace público el análisis de este borrador ■ Abril 2003: Se completa la secuenciación y el Proyecto se declara terminado

Estado actual del Proyecto Genoma Humano Mayo 2006

Abril 2005

Abril 2006

Marzo 2006

Abril 2005

Abril 2006

Enero 2006

Septiembre 2005

GENOMA COMPLETO

Marzo 2006

Secuenciación del genoma humano Método de estudio cromosoma completo

contigs

secuenciación de cada contig búsqueda informática de las secuencias de superposición alineación y ordenación de todos los contigs

Proyecto Genoma Humano GENOMA HUMANO Longitud del DNA

3.2 por 109 pb

Número de genes

25.000 aproximadamente

Gen más largo

2.4 x 106 pb

Tamaño medio de los genes

27.000 pb

Número menor de exones por gen

1

Número mayor de exones por gen

178

Exón más largo

17.106 pb

Exón más corto

145 pb

Número de pseudogenes

Más de 20.000

Porcentaje de DNA de exones

1.5%

Porcentaje de DNA en otras secuencias muy conservadas

3.5%

Porcentaje de DNA en elementos muy repetidos

50% aproximadamente

Existen genes con secuencias muy parecidas dentro de la misma especie (parálogos), o entre especies distintas (ortólogos).

Proyecto Genoma Humano Resultados: Disposición de los genes • El genoma humano tiene zonas ricas en genes, donde predominan los nucleótidos G y C. • Existen zonas con pocos genes (“desiertos”), donde predominan los nucleótidos A y T. • Los genes se concentran en regiones al azar del genoma, con grandes espacios de DNA no codificante entre ellos. • Existen “islas” de unas 30.000 bases C y G repetidas, adyacentes a las zonas ricas en genes, que parecen formar una barrera entre éstos y el resto del genoma. • El cromosoma 1 es el que más genes tiene (3141), y el cromosoma Y el que menos (231).

Proyecto Genoma Humano Resultados: Algunos genomas secuenciados completamente Organismo

Tamaño (Bases)

Genes estimados

Homo sapiens

3.200 millones

25.000

Mus musculus

2.600 millones

25.000

Arabidopsis thaliana

100 millones

25.000

Cenorhabditis elegans

97 millones

19.000

Drosophila melanogaster

137 millones

13.000

Sacaromices cerevisiae

12.1 millones

6.000

Escherichia coli

4.6 millones

4.200

Virus de la inmunodeficiencia humana (HIV)

9.700

9

Tipos de secuencias en el genoma humano REPETIDAS

Localizadas Centrómeros Telómeros

Dispersas LINES (6 - 8 Kb, 100 copias completas y 850.000 incompletas) SINES (Alu 300pb, 1.500.000 copias) Retrovirus endógenos (HERV) Mini y microsatélites UNICAS Genes Pseudogenes

Tipos de secuencias en el genoma humano

Tipos de RNA transcritos en el GH

•

mRNA (codifica proteínas)

•

rRNA (ARN ribosómico, forma la estructura básica del ribosoma y cataliza la síntesis de proteínas)

•

tRNA (ARN de transferencia, adaptador entre el mRNA y los aminoácidos en la síntesis de proteínas)

•

snRNA (ARN nuclear pequeño, interviene en el splicing del pre-mRNA)

•

snoRNA (ARN nucleolar pequeño, actúa en el procesamiento y modificación química de los rRNAs)

•

scaRNA (RNAs pequeños de Cajal, modifica los snoRNAs y snRNAs)

Tipos de RNA transcritos en el GH (2) • miRNA (microARN, regula la expresión génica bloqueando la traducción de determinados mRNAs) • siRNA (ARN pequeño de interferencia, bloquea la expresión genética degradando selectivamente mRNAs y formando estructuras compactas de cromatina) • TER (ARN de la telomerasa, participa en la síntesis de los telómeros) • lncRNA (RNA largo no codificante, pueden actuar en la activación o represión de genes) • Xist (Inactivación del cromosoma X)

Estructura de un gen humano típico Proteínas reguladoras distales

Proteínas reguladoras proximales

Factores generales de transcipción RNA polimerasa II

Proteínas reguladoras

Gen X

TATA Secuencia reguladora

DNA espaciador

Promotor basal RNA transcrito

REGIÓN DE CONTROL DEL GEN X

Los promotores que solo son reconocidos por factores de transcripción generales y proximales controlan los genes constitutivos (housekeeping genes), es decir, los que se expresan en todas las células del organismo Los factores de transcripción que actúan sobre los promotores distales, controlan la expresión de los genes inducibles, que se expresan solamente en tejidos específicos

Estructura de un gen humano típico DNA genómico

RNA inmaduro

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

RNA maduro

1 2 3 45

exones intrones

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Estructura de un gen humano típico

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Volume 489 Number 7414 pp5-170 6 September 2012

http://www.nature.com/encode/#/threads

ENCODE (Encyclopedia Of Dna Elements) Objetivo: describir los elementos funcionales que hay en el genoma 442 científicos 10 años de trabajo Estudian 147 tipos celulares distintos (hay unos 2.000) Resultado: a más del 80% del genoma humano se le ha asignado una función Algunas funciones de las partes no codificantes: •Son sitios a los que se pueden unir proteínas y afectar a la expresión de genes próximos o distantes •Transcriben moléculas de RNA que nunca se traducen a proteínas •Afectan al plegamiento y compactación del DNA

Nature 1 noviembre 2012

Proyecto Genoma Humano Lo que todavía no conocemos • Número de genes, localización exacta y funciones. • Regulación genética. Coordinación de la expresión genética, síntesis de proteínas y eventos post-traduccionales • Estructura y organización de los cromosomas. • Tipos de DNA no codificante, cantidad, distribución y funciones. • Interacción de proteínas en complejos macromoleculares. • Conservación evolutiva entre organismos diversos. • Proteomas (contenido y función de todas las proteínas) de los organismos. • Identificación de genes de susceptibilidad a enfermedades, en base a variaciones de su secuencia. • Identificación de genes implicados en enfermedades complejas (multigénicas).

Proyecto Genoma Humano Posibles beneficios Medicina Molecular • Mejorar el diagnóstico de la enfermedad • Detectar la predisposición genética a la enfermedad • Terapia génica • Diseño de fármacos (farmacogenómica) en base a perfiles genéticos individuales • Identificación de muestras de DNA (medicina forense) • Medicina personalizada