Organización y estructura

de genomas

ORGANIZACIÓN DE LOS GENOMAS

1. Un gene es un segmento de DNA que al expresarse da un producto

funcional que puede ser una proteína o un RNA.

2. Un genoma es el conjunto de genes que contiene la información

necesaria para que una célula pueda existir y reproducirse, es decir,

son todos los genes de un organismo.

3. Los genomas de eucariontes son muy grandes y mucha de su

estructura corresponde a regiones que no codifican para ningún

producto funcional (secuencias no-codificantes)

4. Algunas de estas secuencias no codificantes son secuencias

espaciadoras entre los genes

5. Otras secuencias no codificantes (intrones) interrumpen a genes

6. Algunos genes se repiten muchas veces en el genoma, formando

familias de genes (eucariontes).

Comparación de Genomas

103 106

¿Cuántos genes se necesitan para formar un organismo ?

¿Qué tan similares somos a otros organismos ?

Tamaño relativo de los genomas de distintos

organismos

Pares de Bases

Tipos de secuencias en el DNA

- Codificantes

- No codificantes

- Exones (codificantes)

- Intrones (no

codificantes)

- Regiones intergenicas

(no codificantes)

• No repetidas

• Moderadamente repetidas

• Altamente repetidas

• Centromero

• Telomeros

% d

e D

NA

no

-co

dif

ican

te p

ara

pro

teín

as

A mayor complejidad del organismo, mayor proporción de

las regiones NO codificantes en el genoma

mientras que organismos más complejos

presentan menor densidad génica

El genoma de E. coli está compuesto casi completamente por genes

Un gene eucariote

contiene intrones

El gene se transcribe

completo produciendo un

preRNA

El preRNA debe

procesarse para quitar los

intrones (splicing)

El mRNA maduro no

contiene intrones

Comparación de densidad génica de diferentes organismos

Especie # exones

Long. media del gen

(kb)

Long. media del

RNAm (kb)

Haemophilus influenzae 1 1.0 1.0

Methanococcus jannaschii 1 1.0 1.0

Saccharomyces cerevisiae 1 1.6 1.0

Aspergillus nidulans 3 1.5 1.6

Caenorhabditis elegans 4 4.0 3.0

Drosophila melanogaster 4 11.3 2.7

Aves 9 13.9 2.4

Mamíferos 7 16.6 2.2

Relación entre el tamaño del gen y del mRNA en varias

especies

Genoma viral:

• DNA o RNA

• Cadena sencilla ó doble

Virus del mosaico de tabaco

Bacteriófago lambda

DNA de bacteria (4.2 x 106 pb)

• 1 cromosoma (nucleoide)

• DNA circular doble cadena

• sin envoltura de membrana

En eucariontes los organelos mitocondria y

cloroplasto tienen su propio material genético

Teoría endosimbióntica

Los cloroplastos y las mitocondrias provienen de bacterias

de vida libre que fueron “secuestradas” por células

eucarióticas

Algunos genes de estos organelos han sido pasados al núcleo por

lo cual requieren de la actividad transcripcional del núcleo para

tener algunas proteínas que requieren para funcionar

correctamente

DNA mitocondrial

El DNA mitocondrial humano no tiene regiones intergénicas

Compactación del DNA en los cromosomas eucariontes

10-11 nm

El DNA eucarionte se compacta en diferentes

tipos de Cromatina

Eucromatina

Heterocromatina

La Eucromatina es transcripcionalmente activa

La Heterocromatina es electrodensa y es

transcripcionalmente inactiva

Constitutiva: NO se expresa. Incluye

secuencias cortas repetidas (DNA satélite).

Papel estructural en el cromosoma:

centrómeros y telómeros.

Facultativa: Puede ocupar cromosomas

enteros inactivos en un tipo celular, y

expresados en otro. P. ej. Compensación de

dosis del cromosoma X

Heterocromatina

Unidad básica del DNA eucarionte

La estructura que forma la fibra de 10 nm es el

nucleosoma

DNA enrollado en histonas: 147 pb El nucleosoma incluye al DNA enrollado a histonas + DNA unidor: 200 pb

Estructura del nucleosoma

• El DNA que rodea a la médula de histonas (147

pb) + DNA unidor: en total 200pb

• El núcleo es de 8 histonas: 2 H2A, 2 H2B, 2 H3, y

2 H4

• Una histona H1 se encuentra uniendo entre si los

nucleosomas

• Las histonas son proteínas básicas (ricas en Lys

y Arg que se unen al DNA)

• Empaquetamiento de 6 X por nucleosoma

Composición de los nucleosomas

CONTENIDO DE LYS Y ARG DE

LAS HISTONAS

HISTONA %LYS %ARG

H1 24.8 2.6

H2A 10.9 9.3

H2B 16.0 6.4

H3 9.6 13.3

H4 10.8 13.7

Esquema de una sección

de la cromatina

INTERACCIONES ENTRE LAS HISTONAS Y EL DNA EN LOS EUCARIOTES

El octámero de histonas se asocia por interacciones

hidrofóbicas

Un nucleosoma consiste en 147 pb

de DNA enrrollados en el octámero

de histonas.

Bucles

Solenoide

Espiral condensada (Solenoide mayor)

Cromosoma

EMPAQUETAMIENTO

6 X 40 X 680 X 1.2 x 104 X

Video

¿Qué se necesita para

tener un cromosoma

estable?

• centrómero

• telómeros

• varios origenes de replicación

Secuencias únicas (genes)

Repetidas dispersas y

múltiples orígenes de

replicación

Importancia del centrómero

Centrómeros

Son regiones repetitivas de DNA (150-171 pb)n

Constituyen el sitio de unión de las fibras del

huso mitótico.

Componen del 1% al 3% de la secuencia de

un genoma.

Su posición varía en los distintos cromosomas.

Secuencia centromerica en S. cerevisiae

Telómeros

Se encuentran en los extremos de los

cromosomas.

Se requieren para la replicación y

estabilidad de los cromosomas.

Son secuencias repetidas de DNA, en

humanos: -TTAGGG- que se repite entre

250 a 1,500 veces.

Características del telómero

Hay hexanucleótidos repetidos entre 1000 y 1700 veces en los

extremos 3’ del DNA de cada cromosoma

Heterocromatina: Segmentos del cromosoma que se

tiñen fuertemente y permanecen visibles,

prácticamente, durante todo el ciclo celular. Hay pocos

genes en estas regiones y por lo tanto, baja actividad

transcripcional. Regiones supercondensadas.

Secuencias repetitivas de DNA, regiones no

transcribibles en el genoma.

Eucromatina: Segmentos del cromosoma que no son

visibles durante la telofase e interfase, sólo en

metafase. Regiones que se condensan y se

descondensan.

Corresponde a regiones menos compactas y en las

que hay una mayor densidad génica. Hay mayor

actividad transcripcional.

Heterocromatina y Eucromatina

Modificaciones epigenéticas

• GENÉTICA: Herencia debida a cambios en la

secuencia de bases del DNA.

• EPIGENÉTICA: Herencia en la cual la secuencia del

DNA no se ve alterada, hay modificación química de

bases, de histonas, remodelación de cromatina, entre

otros. Estos cambios también se heredan.

• La ACETILACIÓN es la principal modificación

covalente (es reversible).

• La acetilación y desacetilación es llevada a cabo

por acetiltransferasas y desacetilasas de histonas.

• Otras modificaciones son la metilación,

fosforilación, ubiquitinación y sumoilación.

• Las bases del DNA también son modificadas por

metilación.

Remodelación de la cromatina

• Los nucleosomas son intrínsicamente dinámicos lo cual

permite el acceso de proteínas a ciertas regiones del DNA.

• Los complejos remodeladores de cromatina se unen al

DNA a través de otras proteínas (factores de transcripción)

e influencian estabilidad de nucleosomas.

• El complejo multiprotéico reconoce también la combinatoria

de histonas.

• Tienen actividad de ATPasa.

• El nucleosoma se desplaza exponiendo u ocultando

secuencias de unión a factores de transcripción.

El complejo remodelador de cromatina SWI/SNF ATP-dependiente

de la levadura Saccharomyces cerevisiae

La remodelación de cromatina es esencial para el avance

adecuado del ciclo celular

Alteraciones en las proteínas que forman parte del complejo

remodelador de cromatina SWI/SNF se relacionan con cáncer

Weissman & Knudsen, 2009