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Genética 2014/2015 GRUPO A

Bloque 8. Regulación de la expresión génica. Bloque 8A. Regulación en procariotas Regulación transcripcional. Sistemas inducibles y reprimibles. Control positivo y negativo. El operón de la lactosa. Los microorganismos muestran una marcada capacidad de adaptación a diversas condiciones medioambientales, capacidad que depende en parte de su habilidad para expresar diferencialmente distintos conjuntos de genes en respuesta a cambios medioambientales. Aunque la expresión génica puede regularse a varios niveles (transcripcional, estabilidad del ARNm, traduccional y postraduccional), la regulación transcripcional es la más frecuente en procariotas. Los genes que especifican funciones básicas (tales como ARNr, ARNt, proteínas ribosómicas, polimerasas de ADN y ARN) se expresan constitutivamente. Otros genes, sin embargo, suelen expresarse sólo cuando son necesarios los productos que codifican. Los genes que codifican enzimas implicadas en rutas catabólicas suelen expresarse sólo en presencia de los sustratos correspondientes; y se dice que su expresión es inducible. Los genes que codifican enzimas implicadas en rutas anabólicas (biosintéticas) suelen verse desactivados total o parcialmente en presencia del producto final de la ruta; y se dice que su expresión es reprimible. En bacterias, muchos genes con funciones relacionadas suelen presentarse en unidades reguladas denominadas operones. Un operón es un conjunto de genes de expresión coordinada que se transcriben a partir de un mismo promotor en un único ARNm policistrónico. Cada operón contiene un conjunto de genes estructurales contiguos, un promotor (el sitio de unión de la ARN polimerasa) y un operador (el sitio de unión para una proteína reguladora). El operón de la lactosa es un modelo de sistema inducible bajo control negativo. Consta de tres genes estructurales lacZ, lacY y lacA con una región promotora y operadora comunes. El operón se encuentra bajo el control del gen lacI que codifica una proteína que funciona a modo de represor. En ausencia de lactosa, el represor se une al operador e impide que la ARN polimerasa inicie la transcripción del operón. Adicionalmente, el operón lac se encuentra bajo control positivo, actuando como reguladora la proteína CAP y como inductor el AMPc. El sitio de unión del complejo CAP-AMPc se encuentra en el promotor. El operón permanece inactivo en presencia de glucosa ya que altas concentraciones de este azúcar producen bajas concentraciones de AMPc, lo que impide la formación del complejo CAP-AMPc y por tanto la inducción del operón. Este fenómeno se conoce como represión por catabolito, y asegura que operones que codifican enzimas implicadas en el catabolismo de carbohidratos no se expresen en presencia de glucosa, que es el sustrato preferido.

Bloque 8B. Regulación en eucariotas Expresión génica en Eucariotas: Regulación mediante reordenaciones programadas del genomio. Estructura de la cromatina y expresión génica. Regulación epigenética. Impronta. Regulación a nivel de la transcripción. Regulación postranscripcional. Regulación a nivel de la traducción. En eucariotas la expresión génica está regulada espacial y temporalmente. Algunos genes se expresan sólo en determinados tejidos y otros los hacen de acuerdo con un patrón temporal específico durante el desarrollo del organismo. La expresión de los genes en las células eucarióticas puede ser regulada específicamente en cualquiera de los niveles que llevan hasta una proteína funcional. Estos incluyen reordenaciones programadas del genomio, cambios en la estructura de la cromatina, alteraciones de los niveles de metilación del ADN, activación o inactivación de la transcripción, modificaciones post-transcripcionales y post-traduccionales.

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El ADN eucariótico está organizado en nucleosomas formando la cromatina. Se requieren mecanismos especiales para que las proteínas activadoras de la transcripción y el complejo de transcripción tengan acceso al ADN. La remodelación de la cromatina constituye el primer nivel de regulación. La Epigenética se puede definir como cambios heredables de la expresión génica sin alterar la secuencia de ADN. Las marcas epigenéticas se dividen en dos grandes grupos las modificaciones de las histonas y la metilación del ADN. En eucariotas, los genes transcripcionalmente inactivos contienen 5-metilcitosina, mientras que los genes activos carecen de dicha base metilada. La expresión génica en eucariotas está además íntimamente relacionada con la organización cromosómica. Los genes transcripcionalmente activos se encuentran en regiones poco condensadas del genoma que conforman la eucromatina. La heterocromatina, por el contrario, está asociada con la represión de la transcripción. El control transcripcional también es una vía fundamental de regulación. Las unidades de transcripción eucarióticas suelen ser monogénicas, al contrario que los operones procarióticos. La transcripción de un gen en estado activo se controla principalmente a nivel de inicio de la transcripción, es decir de la interacción de la ARN polimerasa correspondiente con el promotor. Además de las secuencias promotoras existen otras secuencias llamadas enhancers ó potenciadoras y silencers ó silenciadoras que alteran drásticamente la eficiencia de la transcripción. La posición y orientación de estas secuencias no afectan a su actividad. Todas estas secuencias constituyen los elementos que actúan en cis sobre la expresión de un gen. Los factores proteicos que las reconocen actúan en trans. Se han encontrado varios cientos de factores transcripcionales distintos. La mayoría se pueden clasificar en grupos según la estructura molecular: hélice-vuelta-hélice, dedos de zinc, cremalleras de leucina, hélice-bucle-hélice. El control postranscripcional se ejerce a varios niveles y puede incluir, entre otros mecanismos, el procesamiento diferencial del ARN (procesamiento o splicing alternativo) y el control de la degradación del ARNm. La regulación también puede tener lugar a nivel traduccional. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Pierce, B. A. (2011). Fundamentos de Genética. Conceptos y Relaciones, Editorial Médica Panamericana, Madrid. Pierce, B. A. (2009). Genética: un enfoque conceptual, 3a ed, Editorial Médica Panamericana, Madrid. Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2002). Genética, 7a Edición (3a Edicio!n en Español) (Madrid, Interamericana McGraw-Hill). Griffiths, A.J.F., Gelbart, W.M., Miller, J.H. & Lewontin, R.C. (2000). Genética Moderna. McGraw-Hill - Interamericana, Madrid. Snustad, D. P., Simmons, M. J. and Jenkins, J. B. (2001) Principles of Genetics, John Wiley & Sons Inc., New York. Klug, W.S., Cummings, M.R. and Spencer (2006). Conceptos de Genética, 8ª Edición. Prentice Hall Iberia, Madrid. Tamarin, R.H. (1996). Principios de Genética . Editorial Reverté S.A., Barcelona. BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Berg, J. M., Tymoczko, J. L. and Stryer, L. (2003) Bioquímica, Reverté, Barcelona. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. (2002) Biología Molecular de la Célula, Omega, Barcelona. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore D. and Darnell, J. (2002) Biología Celular y Molecular, Editorial Panamericana, Buenos Aires, Madrid. Stent, G.S. & Calendar, R. (1981). Genética Molecular, 2ª Edición. Ediciones Omega, Barcelona. Jacob, F. & Monod, J. (1961). Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. J Mol Biol, 3, 318-356. 26

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Bloque 9. Mutación, Reparación y Transposición Bloque 9A. Daños y alteraciones en el ADN Tipos de mutaciones. Base molecular de la mutagénesis. Errores durante la replicación. Lesiones en el ADN. Mutación es toda alteración en la secuencia nucleotídica del material genético. Mutante es toda célula u organismo portador de una mutación. Un organismo mutante se define como aquél que presenta una mutación o diferencia heredable respecto a un organismo considerado, subjetivamente, como "silvestre". En los organismos pluricelulares sólo las mutaciones germinales pasan a la descendencia. Mutágeno es todo agente físico o químico capaz de inducir una mutación. Mutación espontánea es aquella que surge en ausencia de un agente mutagénico. La tasa de mutación espontánea es extremadamente baja en todos los organismos estudiados, aunque varía considerablemente entre distintas especies, e incluso entre genes diferentes de la misma especie. La mutaciones pueden clasificarse de una manera amplia en mutaciones puntuales (o mutaciones génicas) y alteraciones cromosómicas. Las mutaciones génicas pueden ser (1) Cambios de base, o (2) Adiciones o deleciones de un pequeño número de bases. Dentro de los cambios de base se llama transición a la sustitución de una purina por otra purina, o de una pirimidina por otra pirimidina y transversión a la sustitución de una purina por una pirimidina o viceversa. La sustitución de un nucleótido por otro conlleva la alteración del codón a que dicho nucleótido pertenece. Si el nuevo triplete codifica el mismo aminoácido la mutación se denomina silenciosa o con sentido; si codifica un aminoácido distinto, la mutación se califica de cambio de sentido o de sentido erróneo; y si se trata de un codón de fin de mensaje, la mutación se denomina sin sentido o de fin de mensaje. Las mutaciones de fin de mensaje pueden afectar a la expresión de genes distales, transcritos en un mismo ARNm. Tales mutaciones se denominan polares. Las deleciones o inserciones de uno o dos nucleótidos causan un desfase en el marco de lectura, originando proteínas no funcionales y por lo general más cortas.

Bloque 9B. Mecanismos de reparación y de tolerancia al daño. Mutaciones. Para entender la base molecular de la mutagénesis es importante distinguir entre el concepto de mutación, que implica un cambio en la secuencia del ADN, y el concepto de lesión, que define una alteración en la estructura del ADN. Algunas mutaciones surgen como errores ocasionales durante la replicación del ADN. Otras muchas se generan durante el procesamiento de lesiones o daños en el material genético, ya sean de origen espontáneo o inducido. Los distintos tipos de lesiones pueden surgir: (i) por la inestabilidad intrínseca de la molécula de ADN, o (ii) por acción de agentes genotóxicos físicos o químicos. Ante la presencia de lesiones en su material genético las células responden con dos tipos de estrategias distintas aunque no excluyentes. Una estrategia consiste en reparar el ADN, es decir, restaurar su estructura original. Otra estrategia consiste en tolerar la presencia de dichas lesiones, siendo una de las posibles consecuencias de esta tolerancia la aparición de mutaciones. La reparación del ADN puede tener lugar bien mediante la reversión directa del daño o bien mediante su eliminación por excisión. Los mecanismos de reparación por reversión directa del daño identificados hasta ahora son (i) la fotorreversión de dímeros de pirimidina por acción de fotoliasas, (ii) la reparación de O6-alquilguanina, O4-alquiltimina y alquil-fosfotriésteres por acción de ADN alquiltransferasas y (iii) demetilación oxidativa por acción de AlkB. La reparación por excisión se da en tres variedades principales. En el mecanismo de reparación por excisión de bases, una ADN glicosilasa cataliza la hidrólisis del enlace N-glicosílico que une la base alterada con el esqueleto azúcar fosfato, generando un sitio abásico que será procesado posteriormente por una AP endonucleasa. El proceso termina con la acción de una polimerasa de ADN y una ADN ligasa que sella la cadena reparada. En el mecanismo de reparación por excisión de nucleótidos la etapa inicial es la rotura endonucleolítica de la cadena afectada a ambos lados de la lesión y a una cierta distancia de la misma. Esto da lugar no a una base libre sino a un oligonucleótido que contiene la 27

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base o bases dañadas. El hueco resultante es también rellenado mediante una polimerasa y sellado por una ligasa. El tercer tipo de reparación por excisión recibe el nombre de reparación de apareamientos erróneos, comparte características con los dos mecanismos anteriores, e implica la discriminación entre dos bases apareadas erróneamente pero químicamente intactas. En humanos, deficiencias en genes que codifican proteínas de reparación por excisión de nucleótidos o de reparación de apareamientos erróneos causan síndromes hereditarios caracterizados por una tasa elevada de tumores. La capacidad para tolerar la presencia de lesiones en el material genético es tan importante como la capacidad para repararlas, y puede ser determinante para la supervivencia celular ya que permite la replicación del ADN dañado, aun a costa de la posible aparición de mutaciones. Un elemento clave es la existencia de polimerasas capaces de sintetizar ADN sobre un molde dañado, proceso que se denomina síntesis translesión. La síntesis translesión puede ser fiel, incorporando el nucleótido(s) correcto(s), o bien con tendencia al error, introduciendo el nucleótido(s) incorrecto(s) y dando lugar a una mutación en la cadena hija.

Bloque 9C. Elementos transponibles y transposición. Transposición. Mecanismos de transposición. Consecuencias de la transposición. Los elementos genéticos transponibles son segmentos de ADN con capacidad de trasladarse a otros sitios del genoma, independientemente de la homología de la secuencia. Este movimiento requiere una transposasa y una resolvasa que reconocen cortas secuencias repetidas e invertidas situadas en ambos extremos del elemento. La inserción de un elemento transponible en un gen estructural puede producir la inactivación de dicho gen y por tanto un fenotipo mutante. En muchos casos los elementos transponibles se han identificado como mutaciones inestables, con una alta tasa de reversión. En procariotas hay dos tipos principales de elementos transponibles, (1) las secuencias de inserción o elementos IS, y (2) los transposones. Las secuencias de inserción (IS) son los elementos transponibles bacterianos más simples. Cada elemento IS contiene una secuencia terminal (10 a 40 pb) repetida e invertida y una secuencia central que contiene la información necesaria para producir la transposición. Los transposones compuestos (ej. Tn5, Tn9 y Tn10) están formados por dos elementos IS que han capturado una secuencia de ADN que normalmente contiene genes de resistencia a antibióticos. Los dos elementos IS pueden estar situados en la misma o en distinta orientación. Los transposones no compuestos (ej. Tn3) son más largos que los elementos IS, y normalmente contienen secuencias que no son necesarias para la transposición. Al igual que los elementos IS tienen secuencias inversas repetidas en sus extremos. En procariotas, la transposición tiene lugar al menos por dos rutas distintas. Se dice que la transposición es replicativa cuando en el sitio donde ocurre la transposición se integra una nueva copia del elemento transponible quedando otra copia del mismo en el sitio original. La transposición es conservativa cuando el elemento de inserción se escinde del sitio original insertándose en un nuevo sitio. En ambos casos la inserción implica la duplicación de una corta secuencia de nucleótidos en el ADN diana. Hay muchos tipos distintos de elementos transponibles en eucariotas, y varían en tamaño, estructura y comportamiento genético. Los elementos Ac (activator) y Ds (dissociation) fueron descubiertos por Barbara McClintock mientras estudiaba roturas cromosómicas usando marcadores que afectaban a la coloración de los granos de maíz. Ac es un elemento transponible funcional y Ds es un segmento defectivo derivado de Ac. En Drosophila, los elementos P son responsables de un tipo de disgénesis híbrida, y se han empleado como vectores de transformación. Los genomas eucarióticos contienen también elementos transponibles cuyo movimiento depende de la transcripción inversa de ADN a ARN. Entre ellos cabe distinguir (1) los denominados elementos similares a retrovirus (retrovirus-like elements) y (2) los retroposones. Los elemento similares a retrovirus (ej. los elementos Ty en levadura, o los elementos copia en Drosophila) contienen una región central codificadora flanqueada por repeticiones terminales largas (LTRs) orientadas en la misma dirección y que suelen constar de algunos cientos de pb. Cada LTR está flanqueada por secuencias repetidas invertidas. Los retroposones, por el contrario carecen de 28

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secuencias repetidas directas o invertidas en sus extremos y tienen una estructura reminiscente de ARN poliadenilado, con una secuencia de pb AT en uno de sus extremos. Probablemente se originaron por transcripción inversa de ARN poliadenilado. Ejemplos de retroposones son los LINEs (long interspersed nuclear elements) y SINEs (short interspersed nuclear elements en mamíferos), representados por los elementos L-1 y alu, respectivamente. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Pierce, B. A. (2011). Fundamentos de Genética. Conceptos y Relaciones, Editorial Médica Panamericana, Madrid. Pierce, B. A. (2009). Genética: un enfoque conceptual, 3a ed, Editorial Médica Panamericana, Madrid. Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2002). Genética, 7a Edición (3a Edicio!n en Español) (Madrid, Interamericana McGraw-Hill). Griffiths, A.J.F., Gelbart, W.M., Miller, J.H. & Lewontin, R.C. (2000). Genética Moderna. McGraw-Hill - Interamericana, Madrid. Snustad, D. P., Simmons, M. J. and Jenkins, J. B. (2001) Principles of Genetics, John Wiley & Sons Inc., New York. Klug, W.S., Cummings, M.R. and Spencer (2006). Conceptos de Genética, 8ª Edición. Prentice Hall Iberia, Madrid. Tamarin, R.H. (1996). Principios de Genética . Editorial Reverté S.A., Barcelona. BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Errol C Friedberg, Graham C Walker, Wolfram Siede, Richard D Wood (2005) DNA Repair and Mutagenesis. ASM Press, Washington. Lewin, B. (2003) Genes VIII, Marbán Libros, S.L., Madrid.

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Bloque 10. Alteraciones cromosómicas Bloque 10A. Alteraciones estructurales. Deleciones. Duplicaciones. Inversiones. Translocaciones. Las alteraciones cromosómicas se clasifican en alteraciones numéricas, que implican cambios en el número de cromosomas, y alteraciones estructurales, que implican reordenaciones de la disposición lineal de genes sobre los cromosomas Los principales cambios cromosómicos estructurales son deleciones, duplicaciones, inversiones y translocaciones. La deleción es un cambio estructural consistente en la pérdida de un segmento cromosómico y en consecuencia de la información genética contenida en él. Las deleciones son normalmente perjudiciales incluso en heterocigosis, debido al desequilibrio de la expresión génica y a la hemicigosis de alelos recesivos perjudiciales. Se reconocen genéticamente por (1) una reducción en la frecuencia de recombinación entre los loci que la flanquean, (2) pseudodominancia por desenmascaramiento de alelos recesivos, (3) letalidad de recesivos, (4) ausencia de reversión, y (5) por detección citológica de bucles en cromosomas paquiténicos en individuos hereocigóticos para la deleción. En humanos las deleciones cromosómicas tienen consecuencias adversas. Un ejemplo es el denominado síndrome de "grito de gato" que corresponde a una deleción parcial del brazo corto del cromosoma 5. La duplicación es un cambio estructural consistente en la repetición de un segmento cromosómico. La duplicación se denomina directa o inversa, según el segmento cromosómico se repita en el mismo orden o invertido, y en tándem o desplazada, según los segmentos repetidos sean o no contiguos. Las duplicaciones en tándem pueden surgir por sobrecruzamiento desigual, y las no en tándem por otras reorganizaciones. Aunque pueden ser perjudiciales, han jugado un papel muy importante en la evolución. La inversión es una alteración estructural que implica el cambio de sentido de un determinado segmento dentro del propio cromosoma. Se generan por dos roturas en el mismo cromosoma, y pueden detectarse por examen al microscopio de heterocigotos, ya que se pueden observar los característicos bucles. Las inversiones se clasifica...