1 CA García Sepúlveda MD PhD Tema 1 Dogma Central Laboratorio de Genómica Viral y Humana Facultad de Medicina, Universidad Autónoma de San Luis Potosí

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CA García Sepúlveda MD PhD

Tema 1Dogma Central

Laboratorio de Genómica Viral y HumanaFacultad de Medicina, Universidad Autónoma de San Luis Potosí

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Tema 1. Dogma Central

DNA como repositorio de información

• Propiedades del material genético:

• Contener toda la información necesaria para construir y mantener un organismo.

• Debe permitir su replicación (copiado).

• Debe ser transmisible de padres a hijos.

• Debe permitir cierto grado de variación para el desarrollo de innovaciones biológicas.

• Debe poseer mecanismos de salvaguardo de información.

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Historia

| | | | | | | | | | | | | | | | | | 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

BrownNucleo(1833)

MendelPublicación

(1866)

MiescherNucleina(1869)

MendelRedescubierto

(1900)

Shleiden / SchwannTeoria celular

(1839)

LeveneA, G, C, T

(1910)

GriffithPrin. Transf.

(1928)

Avery-MacLeod-McCartyPrin. Transf. = DNA

(1944)

ChargaffA=T

(1948)

Hershey-ChaseBacteriofago

(1952)

MorganCromosomas

Drosophila(1911)

AstburyCristalografia DNA

(1943)

KornbergDNA Pol(1955)

Cohen & BoyerClonación

(1973)

SangerSecuencación

(1975)

MullisPCR

(1983)

DOE HUGO(1986)

H. influenza(1995)

S. cervisiae(1996)

C. elegans(1998)

Crom. 22(1999)

D. melanogaster(2000)

H. sapiens(2001/3)

Watson-CrickDoble hélice

(1953)

Genoma FX174(1980)Franklin-Wilkins

Cristalografía(1952)

| | | | | | Fin inquisición Invasion Francesa I GM IIGM Apollo Hoy (1834) (1861-67) (1914-18) (1939-45) (1969)

H. neanderthalis(20014)

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Dogma Central de la BioMol

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Dogma Central de la BioMol

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James Watson & Francis Crick

• Modelo refinado de un duplex de DNA (dodecámero)

3.4 nm (34 Å)

0.34 nm (3.4 Å)

2 nm (20 Å)

•Estructura helicoidal

•Forma filamentosa (molécula larga)

•Unidades menores cada 0.34 nm (3.4 Å)

•Unidad mayor cada 3.4 nm (34 Å)

Breviario cultural: 1 Ångström = 0.1 nanómetros

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Genes (Cistrón, unidad transcripcional)

Estructura de un gen transcrito por RNA pol II

Secuencias reguladoras

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Transcripción

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Traducción

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Genomas

•Eucariotas emplean 3 RNA pols para sintetizar los 3 tipos diferentes de RNA.

•Archaeas poseen una sola RNA pol similar a RNA pol II eucariota (mRNA).

•Transcripción ocurre en nucleo, traducción en citoplasma (modificaciones del mRNA).

•Requiere mayor número de TF para iniciar.

•La regulación de la transcripción en eucariotas es más compleja.

•Eucariotas poseen promotores distintos para cada una de las diferentes especies de RNA.

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Genomas

En comparación a procariotas mil veces más grandes, pesados (# genes) y complejos.

Ploidia, generalmente diploide con la excepción de gametos.

Menos restricciones espaciales, DNA almacenado en núcleo (desde 10 hasta 200 micras de diámetro).

Hacen uso de diversos niveles jerarquicos de compactación...de nucleosomas a cromosomas.

Mayor número de genes, sequencias repetitivas, genes de RNA, secuencias de utilidad desconocida....filosofia eucariota permite flexibilidad e inovación, la procariota es minimalista.

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Organización Genómica

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Replicación

La replicación del DNA constituye un proceso complejo que requiere de la actividad de más de una enzima.

Tiene tres etapas: Iniciación, elongación y terminación.

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Replicación

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Replicación

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• Los cromosomas bacterianos circulares se compactan con poliaminas (como la espermina) las cuales se unen a las cargas negativas del DNA para neutralizar su carga y evitar la repulsión con el objeto de permitir la formación de madejas.

• El problema se agrava cuando se contempla que el ser humano posee 3 mil millones de pares de bases...pero no somos los más “grandes”

• La salamandra común...poseee 4x más DNA que nosotros.

• Incluso algunas plantas poseen más DNA que nosotros.

• Paradoja del valor C...el tamaño del genoma no es directamente proporcional a la complejidad del organismo.

++ +

+++ ++

++


Compactación

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• El DNA (ca 2 mts de largo) se almacena en el núcleo de las células eucariótas.

• El diámetro del núcleo celular fluctúa entre 5 y 10 m.

• El contorno de los cromosomas mide entre 1.6 y 8.2 cm.

• Compactación cromosómica human altamente eficiente:

• Condensación de 100,000 X


Compactación

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Dominios/Asas


Compactación

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Estructura propuesta por Roger Kornberg (1974).

Premio Nobel Quimica 2006 “base molecular de la transcripción de DNA hacia RNA”

Cromatosoma = Nucleosoma + proteina espaciadora (histona H1).

Nucleosoma posee coro de histonas (octámero) y ca 146 bp DNA + 50 bp espaciador = 200 bp.

Compactación: 7x


Compactación

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Compactación

1.5 % Agarose gel running at 150 VDC for 50 minutes. Viral & Human Genomics Lab

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1

2

345

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6 nucleosomas forman un arreglo helicoidal.

El arreglo helicoidal resultado del super-embobinamiento solenoidal del “collar de cuentas” forma una fibra de 30 nm.

El “collar de cuentas” se fija al andamiaje nuclear.

Fibra cromatínica observada en ME.

En general solo regiones inactivas (sin expresión genética).

Corresponde a la mayor parte de la heterocromatina.

Compactación: 100x


Fibras de 30 nm

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Fibras de 30 nm forman asas largas (300 nm de largo) ancladas al andamiaje nuclear.

Cada asa posee aprox 75,000 bp

Asas de 300 nm = Dominios.

Andamiaje nuclear

300 nm

(c) Looped domains (300-nm fiber)

Asas

Andamio


Asas de 300 nm

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En los cromosomas condensados (de metafase) las asas de 300 nm (entre 6 y 9 de ellas) forman una estructura helicoidal llamada kernel o roseta cromosómica.

Matriz nuclear = andamiaje cromosómico


Rosetas de asas

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Asa

Roseta

Bobina

Las rosetas cromosomicas (aprox 30) se apiñan una sobre otra de manera helicoidal formando las bobinas de las cromátides.

Bobina cromatínica (solenoide cromatínico) = como el cordón teléfono.


Bobinas de rosetas

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Bobinas cromatínicas empalmadas forman bandas cromosómicas y estas constituyen a las cromátides.


Cromátides

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Andamiajecromosómico

DNA depletado de histonas

Cromosoma de metafase forma más compacta.

Compactación: 15,000 x

En los procariotas el cromosoma consiste en una sola molécula circular de DNA de doble cadena desnuda (con excepción de las poliaminas).

Los eucariotas poseen un conjunto diploide de cromosomas lineares.


Cromosomas

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Centrómero formado por heterocromatina empleada en la fijación a huso mitótico/meiótico (microtúbulos).

Telómero formado por heterocromatina repetitiva destinada a proteger extremos cromosómicos.

Centrómeros y telómeros contienen cantidades abundantes de DNA de secuencia simple repetitiva (SSR).

SSR: Multiples copias en tandem de secuencias cortas.

SSR desempeñan funciones estructurales en telómeros y centrómeros.

¡Los centrómeros humanos poseen una secuencia de 170 bp repetida entre 500 y 3,000 veces!

¡Misma secuencia telomérica para todos los vertebrados! TTAGGG


Cromosomas

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Cromosomas eucariotas

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Bandeo G (giemsa)

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Bandeo G (giemsa)

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Cromosomas procariotasA pesar de que las bacterias no poseen estructuras morfológicas semejantes a las nuestras, su DNA se encuentra organizado en un cromosoma circular.

Usualmente forma dos o tres aglomerados difusos, ocupando un tercio del volumen celular (nucleoide).

Genoforo = Cromosoma sin cromatina

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Genomas virales

El extremo más ergonómico lleva a que la cápside viral esté formada por un solo tipo de subunidad protéica.

Dos tipos esenciales de cápsides:

1.- Filamentosas u helicoidales = Empalmamiento

helicoidal de proteinas alrededor de AN.

2.- Icosaédricas = formada por estructura

pseudoesférica simétrica en forma de poliedro

icosaédrico.

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Viroides

ssRNA desnudos libres, 300 bp fitopatogenos.

No codifican para proteinas.

Mejores candidatos para el material genético primordial.

También acumulan mutaciones que pueden ser seguidas filogenéticamente.

Bajo ciertas condiciones dos fragmentos pueden unirse para formar fragmentos mayores (recombinación linear).

Algunos recombinantes poseen distintas propiedades patológicas, invasividad o interactivas.

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Partículas subvirales

Los Hepadnavirus (HBV) constityen los virus envueltos (membrana) más pequeños observados en animales con diámetros de viriones de hasta 42 nm.

Los hepatocitos infectados también secretan Particulas Subvirales no infecciosas (SVP) que carecen de material genético y que tienen forma de esferas o filamentos.

La producción de SVP supera a las 100,000 o 1'000,000 de partículas por célula.

Desconocemos mucho al respecto... Probablemente resultante de maquinaria replicativa

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Priones

Stanley Prusiner acuño término a principios de los 80s.

Enfermedades neurológicas ocasionadas por agentes infecciosos resistentes a procesos de destrucción de ácidos nucleicos.

Inicialmente controversial, ganó el Nobel de fisiología y Medicina del 1997.

Enfermedades llamadas enceflaopatías espongiformes por aspecto histológico.

Particulas proteicas con la capacidad de catalizar cambios irreversibles sobre otras proetinas, lo que lleva a la acumulación de ellas dentro de las celulas...lo que las mata.

PrPC y PrPSc

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¿Cual es el organismo que mayor número

de cromosomas posee?

¿Cuantos tiene?


Complejidad genómica ≠ Complejidad organica

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Ophioglossum“Adder’s-tongue Fern”Tropical/Subtropical1400 Cromosomas



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Al complemento total de genes de un organismo se le llama genoma.

Los genes se localizan en regiones bien definidas de DNA llamados locus (plural loci).

El tamaño del genoma generalmente es menor para los procariotas en comparación a los eucariotas, tanto en número de bp como de genes.

No obstante, esta relación se rompe al contemplar únicamente a los organismo eucariotas, en estos no existe una proporción directa entre complejidad genómica y complejidad del organismo.

Uno de los genomas más grandes descubierto a la fecha pertenece a una Amoeba (Amoeba dubia) con >670 mil millones de bases (ca 200 x mayor a Hosa).

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