Seminario 9 Genoma y Mecanismos de estabilidad y variabilidad génica - Sebastian Giusti

Introducción al Seminario sobre el Genoma Humano

Temas a Tratar

• El seminario se centrará en dos grandes temas: las características del genoma humano y los mecanismos que determinan la estabilidad y variabilidad de las secuencias del genoma.

• Se hará un enfoque particular en los mecanismos de generación de mutaciones.

Definición y Composición del Genoma

• El genoma no solo incluye genes codificantes, sino también secuencias no codificantes que carecen de información génica.

• Cada célula contiene una copia del genoma nuclear y múltiples copias de los genomas mitocondriales, pero el enfoque será exclusivamente en el genoma nuclear.

Características del Genoma Humano

• Una característica central es que el genoma humano es diploide, lo que significa que hay dos juegos completos de información genética en cada célula.

• La unión de estos dos juegos proviene de un origen materno y otro paterno, formando el genoma de la cigota.

Estructura Cromosómica

• Los cromosomas se visualizan mediante la técnica del cariotipo, donde se observan pares homólogos provenientes de diferentes orígenes parentales.

• El ser humano tiene 22 tipos de cromosomas autosómicos y 2 cromosomas sexuales (X e Y).

Tamaño del Genoma Humano

• El tamaño total del genoma humano es aproximadamente 3.2 mil millones de pares de bases, lo cual representa un juego completo de información genética.

Proyecto Genoma Humano

Iniciativa Internacional

• El Proyecto Genoma Humano comenzó en 1990 con la meta de decodificar todas las secuencias presentes en los cromosomas humanos.

Metodología Utilizada

• Se utilizó el método Sanger para la secuenciación, una técnica que será analizada más adelante.

Resultados Obtenidos

• Este proyecto duró entre 10 a 13 años y costó alrededor de 3000 millones de dólares; se obtuvieron muestras biológicas para su análisis.

Hallazgos Clave del Proyecto

Número Estimado de Genes

• Antes del proyecto, se estimaba que había alrededor de 100,000 genes; sin embargo, se descubrió que hay aproximadamente 20,000 genes codificantes.

Genes Codificantes vs No Codificantes

• Los genes codificantes son aquellos cuya transcripción produce ARN mensajero traducido a proteínas.

¿Qué son las secuencias repetitivas en el genoma humano?

Introducción a los genes no codificantes

• Se identificaron aproximadamente 23,000 genes en el genoma humano, de los cuales una fracción significativa son genes no codificantes.

• Solo alrededor del 2% del genoma contiene información codificante para la traducción de proteínas; el resto son regiones no codificantes.

Composición del genoma

• Aproximadamente el 50% del genoma está compuesto por secuencias repetitivas, que serán analizadas en detalle.

• El otro 50% incluye información exónica y regiones asociadas a genes, como intrones y genes no codificantes.

Clasificación de las secuencias repetitivas

• Las secuencias repetitivas se dividen en dos grandes clases: repeticiones en tándem y dispersas.

• Las repeticiones en tándem pueden subclasificarse como satélites, minisatélites o microsatélites según su longitud.

Funcionalidad de las repeticiones

• Las repeticiones satelitales tienen funciones estructurales importantes durante la división celular al facilitar el ensamblaje de proteínas accesorias.

• Los minisatélites también cumplen funciones estructurales, especialmente en los telómeros de los cromosomas.

Microsatélites y su relevancia forense

• Los microsatélites son altamente polimórficos y no se ha encontrado una función endógena clara para ellos hasta ahora.

• En genética forense, estas variaciones permiten establecer relaciones biológicas entre individuos debido a su alta variabilidad entre personas.

Organización diploide de las repeticiones

• Las repeticiones siguen la organización general del genoma siendo diploides; es decir, cada cromosoma homólogo presenta variantes alélicas similares pero con diferencias en número de repeticiones.

Origen de las repeticiones dispersas

Elementos Genéticos Transponibles en el Genoma Humano

Clasificación de Elementos Genéticos

• Los elementos genéticos transponibles se clasifican en dos grandes grupos: transposones de ADN y retrotransposones, que utilizan un intermediario de ARN para su movimiento.

Ejemplo de Transposones de ADN

• Un ejemplo son los transposones de ADN TC1 o mariner, que codifican una enzima llamada transposasa, responsable del mecanismo de corte y pega en el genoma.

Mecanismo de Transposición

• La transposasa genera proteínas que reconocen los extremos del elemento en el ADN, permitiendo su traslado a otra ubicación mediante un mecanismo endonucleásico.

Transposición Conservativa

• Este proceso es conservativo y no aumenta el número total de copias; sin embargo, bajo ciertas condiciones puede haber duplicación del transposón durante la replicación celular.

Inactivación Evolutiva

• A lo largo de la evolución, muchos transposones han adquirido mutaciones que inactivan su actividad. Esto desafía la idea de que todos los elementos presentes en el genoma son funcionales.

Retrotransposones y Su Función

Características de Retrotransposones

• Los retrotransposones requieren un intermediario ARN para moverse. Se asemejan a retrovirus e introducen su genoma ARN en células eucariotas.

Proceso Viral y Retrotranscripción

• Los retrovirus generan ADN a partir del ARN viral usando transcriptasa reversa. Este ADN se integra al genoma del hospedador y puede ser replicado o utilizado para formar nuevas partículas virales.

Repetición en el Genoma

• Las secuencias similares a retrovirus pueden aparecer repetidas en varios lugares del genoma debido a procesos previos de integración y mutación.

Elementos Dispersos Largos (LINES)

Funcionalidad Actual

• Algunos miembros activos aún existen entre los retrotransposones no retrovirales. Por ejemplo, los LINES codifican transcriptasas reversas y endonucleasas necesarias para su movilidad.

Copia Activa en Ancestros

• Estos elementos fueron abundantes en ancestros humanos; actualmente hay más de medio millón de copias identificadas dentro del genoma humano.

Elementos Dispersos Cortos (SINES)

Mecanismo Parásito

• Los SINES no codifican sus propias transcriptasas pero utilizan las producidas por LINES para aumentar su número mediante un mecanismo similar al anterior.

Abundancia Actual

Información Genética y Estructura del Genoma

Composición del Genoma Humano

• El genoma humano se compone de información genética de origen materno y paterno, representado en pares de cromosomas homólogos presentes en cada célula.

• Menos del 2% del genoma es estrictamente codificante, contribuyendo a la formación de proteínas; el resto incluye secuencias regulatorias y genes no codificantes.

• Aproximadamente el 50% del genoma está formado por secuencias repetitivas, que incluyen satélites, minisatélites y microsatélites con funciones estructurales.

Elementos Móviles y Su Impacto

• Las secuencias repetitivas derivadas de elementos genéticos móviles son consideradas vestigios evolutivos sin función específica dentro del genoma.

Variabilidad Genética entre Poblaciones

Estudio Post-Proyecto Genoma Humano

• Tras finalizar el Proyecto Genoma Humano, se analizaron las variaciones en los genomas de diferentes individuos y poblaciones.

• Un estudio reciente secuenció más de 2,500 individuos globalmente para determinar similitudes y diferencias en sus genomas.

Similitudes y Diferencias Genéticas

• Los humanos comparten aproximadamente el 99.9% de sus secuencias genómicas; sin embargo, esto representa entre 4 a 5 millones de sitios que pueden diferir al comparar dos genomas.

Mecanismos de Mutación

Definición y Tipos de Mutaciones

• Se define mutación como un cambio permanente en la secuencia de ADN; se clasifican en micromutaciones (cambios pequeños) y macromutaciones (cambios grandes).

Importancia de la Línea Germinal

• Solo las mutaciones que afectan a células germinales pueden transmitirse a la próxima generación; las somáticas no tienen esta capacidad.

Proceso Generador de Mutaciones

Cambios Premutacionales

• Los cambios químicos en el ADN se denominan premutacionales; pueden ser espontáneos o inducidos por agentes mutagénicos.

Reparación del ADN

Cambios Premutacionales en la Replicación del ADN

Introducción a los cambios premutacionales

• Se discuten las consecuencias de no actuar ante ciertos cambios durante la replicación del ADN, destacando que estos pueden fijarse en futuras replicaciones.

• La ADN polimerasa genera una nueva hebra utilizando una hebra molde; sin embargo, cambios en la geometría de la doble hélice pueden permitir la incorporación de nucleótidos no complementarios.

Tautomerización y sus efectos

• Se introduce el concepto de tautómeros, isómeros estructurales de bases nitrogenadas que tienen la misma composición química pero diferente estructura.

• Los cambios estructurales se deben a desplazamientos de protones y electrones, afectando las formas predominantes de adenina y citosina.

• Las bases nitrogenadas pueden transformarse espontáneamente entre formas predominantes y raras mediante un equilibrio químico.

Consecuencias del equilibrio tautomerico

• El equilibrio entre formas predominantes y raras puede resultar en patrones de apareamiento diferentes; por ejemplo, una forma rara de timina puede emparejarse con guanina.

• Un mal apareamiento puede ocurrir si se incorpora una base tautomérica rara durante la replicación, lo que podría llevar a errores permanentes si no se corrige.

Mecanismos de reparación del ADN

• Si ocurre un mal apareamiento debido a una base tautomérica rara, la actividad exonucleasa 3'→5' puede corregirlo al eliminar el nucleótido incorrecto.

• Si el mal apareamiento persiste después de que se han añadido otros nucleótidos, se activa un sistema diferente conocido como reparación por mal apareamiento.

Proceso y eficiencia del sistema de reparación

• Este sistema está compuesto por enzimas que escanean el ADN para detectar deformaciones causadas por malos apareamientos.

• Es crucial identificar cuál es la hebra nueva para evitar fijar mutaciones; esto solo es posible poco después de la replicación debido a marcas moleculares específicas.

Mutaciones y Reparación del ADN

Mecanismos de Fijación de Mutaciones

• La hebra complementaria se utiliza como molde en la replicación, lo que puede llevar a la fijación de mutaciones si no hay mecanismos de reparación disponibles.

• Cambios premutacionales espontáneos, como la despurinación, afectan nucleótidos al romper enlaces covalentes entre bases nitrogenadas y el resto del nucleótido.

Desaminación y sus Consecuencias

• La desaminación transforma bases naturales del ADN en otras que normalmente no están presentes; por ejemplo, la citosina se convierte en uracilo.

• Los sistemas de reparación, como el sistema REBA, detectan estas bases no naturales para corregir las alteraciones en el ADN.

Eficiencia del Sistema de Reparación

• Si el sistema REBA no repara todas las desaminaciones antes de una nueva replicación, puede resultar en una mutación permanente.

• Un nucleótido incorrecto puede ser incorporado durante la replicación si no hay indicadores para su corrección.

Contextos Bioquímicos y Mutaciones

• Factores bioquímicos como la metilación del ADN pueden dificultar la corrección efectiva de mutaciones.

• Las islas CPG metiladas son propensas a sufrir mutaciones debido a que los cambios resultantes pueden ser indetectables por los sistemas de reparación.

Clasificación y Efectos de las Mutaciones

• Las mutaciones pueden clasificarse según su efecto sobre el polipéptido codificado; algunas son sinónimas (no cambian aminoácidos).

• Otras mutaciones generan un cambio en el sentido del codón, afectando potencialmente un único aminoácido en el polipéptido resultante.

• Las mutaciones sin sentido convierten un codón normal en uno stop, interrumpiendo prematuramente la traducción.

Tipos Adicionales de Mutaciones

• Existen también mutaciones "read through" donde un codón stop es modificado para seguir codificando aminoácidos adicionales.

Inserciones y Lesiones en la Replicación del ADN

Deslizamiento de la Polimerasa

• Se introduce el concepto de deslizamiento de la polimerasa, donde se describe cómo una hebra de ADN es utilizada como molde durante la replicación.

• La polimerasa puede despegarse del molde y volver a unirse, lo que puede resultar en bucles si hay secuencias repetitivas en el molde.

Consecuencias del Deslizamiento

• Si se forma un loop durante la replicación, esto puede llevar a inserciones de nucleótidos en la nueva hebra sintetizada.

• Los mecanismos de reparación pueden detectar estos errores, pero su eficiencia no es del 100%, lo que puede permitir que algunos errores persistan hasta la próxima replicación.

Regiones Repetitivas y Enfermedades Genéticas

• Las regiones repetitivas, como los microsatélites y tripletes repetidos, son más propensas a errores durante la replicación.

• Si las inserciones no son reparadas adecuadamente, pueden resultar en diferencias significativas entre las hebras parentales y las nuevas.

Mecanismos de Reparación del ADN

• Existen dos mecanismos principales para reparar rupturas en el ADN: unión de extremos no homólogos (propenso a errores) y recombinación homóloga (más precisa).

• La elección entre estos mecanismos depende tanto del azar como del momento específico dentro del ciclo celular.

Agentes Mutagénicos

• Se discuten los cambios premutacionales inducidos por agentes físicos o químicos, destacando las radiaciones ultravioletas como un ejemplo clave.

• Los dimeros de pirimidinas formados por radiaciones UV pueden causar deformaciones en el ADN que afectan su replicación.

Efectos Potenciales de Mutaciones

• Si los daños causados por dimeros no son reparados, pueden resultar en delesiones durante futuras replicaciones.

Consecuencias de las Mutaciones en la Estructura Proteica

Inserciones y su Impacto en la Proteína

• Las inserciones de aminoácidos pueden ocurrir en una proteína cuando se utiliza una región como molde, lo que puede alterar la secuencia original.

• Una inserción de tres nucleótidos en fase podría resultar en un solo aminoácido intersticial, afectando mínimamente la estructura primaria de la proteína.

Alteraciones en Regiones Génicas

• Las mutaciones pueden afectar secuencias no codificantes, como aquellas involucradas en el splicing, lo que podría llevar a la pérdida o retención de exones e intrones.

• Cambios en regiones reguladoras o promotores también pueden influir significativamente en la expresión génica.

Tasa de Mutación y su Relación con la Edad

• Se estima que cada división celular acumula aproximadamente tres mutaciones debido a errores premutacionales no reparados.

• La cantidad de mutaciones aumenta con la edad; más divisiones celulares resultan en más acumulación de mutaciones somáticas.

Evolución y Variabilidad Genética

• Las mutaciones son fundamentales para el origen de variabilidad genética, aunque no todas son perjudiciales; algunas pueden ser neutras o beneficiosas.

• El efecto de las mutaciones codificantes debe analizarse caso por caso, ya que sus consecuencias varían según el contexto genético.

Clasificación y Mecanismos de Mutación

• La predicción del efecto funcional de una mutación requiere experimentación para determinar si es silenciosa o afecta funciones génicas.

• El proceso por el cual se generan las mutaciones incluye cambios premutacionales seguidos por mecanismos imperfectos de reparación del ADN.

• Las mutaciones se clasifican según su ubicación (línea germinal vs. somática), tamaño (puntuales vs. extensas), y tipo (inserciones, deleciones).

Análisis de Mutaciones y sus Consecuencias

Mutaciones por Expansión de Tripletes

• Se abordará el tema de las mutaciones por expansión de tripletes en clases futuras, destacando su relevancia en la genética.

• Las modificaciones genéticas pueden tener consecuencias funcionales o no sobre el producto génico, dependiendo del tipo de mutación que ocurra.

• Las mutaciones se clasifican como silenciosas, de ganancia o pérdida de función, lo cual es crucial para entender su impacto en los genes.