TEMA 1 Introducción a la Genética Molecular PDF

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TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA GENÉTICA MOLECULAR  

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Genética de transmisión: consiste en la transmisión de los caracteres, determinar el tipo de herencia de este, herencia mendeliana, etc. Genética molecular: es una de las tres más importantes, que estudia la estructura y función de los ácidos nucleicos y como regulan la expresión de los genes. Genética de poblaciones: estudia la composición genética de las poblaciones (la frecuencia de un gen), su evolución a lo largo del tiempo.

Tabla: Hitos históricos en el desarrollo de la genética molecular  1869 Miescher aisla por vez primera el ADN.  1944 Avery demuestra que durante la transformación bacteriana es el ADN, y no las proteínas, el que contiene la información genética.  1953 A partir de los estudios con rayos X efectuados por Franklin y Wilkins, Watson y Crick proponen que la estructura del ADN se asemeja a la de una doble espiral, también se descubrió como se replicaba el DNA.  1957 Kornberg descubre la ADN polimerasa.  1958 Meselson y Stahl demostraron que el DNA se replicaba semiconservativamente.  1961 Marmur y Doty desarrollan la técnica de hibridación del ADN, que es la unión entre dos consecuencias complementarias, o para ver la homología que hay entre secuencies de ADN de diferentes especies.  1962 Arber descubre las nucleasas de restricción, lo cual fue esencial para realizar la clonación. Nathans y H. Smith usan esas enzimas para caracterizar la secuencia del ADN.  1966 Nirenberg, Ochoa y Khorana descubren el código genético.  1967 Geller descubre la ADN ligasa (que une fragmentos de ADN).

Tabla: Hitos históricos en el desarrollo de la biología molecular (continuación)  1972-73 Boyer, Cohen y Berg desarrollan las técnicas de clonación del ADN.  1975-77 Sanger y Barrell y Maxam y Gilbert desarrollan métodos de secuenciación rápida del ADN.  1981-82 Palmiter y Brinster desarrollan ratones transgénicos.  1986 Mullis presenta la técnica de PCR.  1995 secuenciación del primer genoma completo (H. influenziae)  1996 obtención del primer mamífero clónico por Wilmut (oveja Dolly).  2000 presentación del primer borrador de la secuenciación del genoma humano.  2003 presentación de la versión definitiva de la secuencia del genoma humano.  2011 Publicación de la secuencia del genoma de 4 pacientes con leucemia linfática crónica.  2012 Herramieta CRISPR/Cas9

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 2017 CRISPR 2.0

Experimento de Griffith con Steptococcus (1928) Intento demostrar que el ADN era el portador de la información genética. No lo consiguió, pero consiguió explicar que existía algo (molécula transformante) que era capaz de pasar de un individuo a otro. Utilizo dos cepas de Estreptococos Pneumonial: R i S  

Cepa R: inocua (no virulenta). Cuando inoculaba bacterias, el ratón vivía. Cepa S: Cepa virulenta que produce neumonía, cuando esta era inoculada el ratón moría. La cepa S se cubre a si misma con una cápsula de polisacárido que la protege del sistema inmune del ser que ha sido infectado, resultando en la muerte de este, mientras que la cepa R no contiene esa cápsula protectora por lo que es derrotada por el sistema inmune.

Posteriormente, la cepa virulenta la calentó por calor (que se supone que mata a las bacterias), cuando mataba estas bacterias y se lo colocaba al ratón, el ratón vivía. Cuando, inactiva por calor, la cepa S era inyectada, no había secuelas y el ratón vivía. Sorprendentemente, al combinar cepa R (no letal), con cepa S inactivada por calor (no letal), el ratón murió. Además, encontró células de cepa S vivas. En apariencia la cepa R se convirtió en cepa S. Había algo de las bacterias muertas que sobrevivía al calor, y que pasaba a las bacterias vivas y les contagiaba la virulencia. La existencia de un compuesto transformante, las bacterias no virulentas se transforman en bacterias virulentas. Esa sustancia transformante era el material genético, o ADN, que pasaba de la cepa R a la cepa S por un proceso de transformación. La síntesis de este experimento es: La diferencia en las bacterias era la presencia de una cubierta. Así pues, debe de haber ungen que codifique para una proteína que codifique para la producción de esa cubierta polisacarídica. La cepa S, pues, tendría un gen que la cepa R no. Cuando las bacterias son eliminadas por calor, se fragmenta el DNA. Al mezclar las bacterias S muertas con las bacterias R vivas, se puede producir una recombinación, de forma que la bacteria viva puede ser inserida con el fragmento de DNA que contiene el gen que codifica para la cubierta. Así pues, esta bacteria ahora podrá escapar al sistema inmunitario del ratón y provocar su muerte. Resumen:    

Cepa R (control +) = ratón vivo Cepa S (control -) = ratón muerto Cepa S muerta = ratón vivo Cepa S muerta + Cepa R = ratón muerto (R se ha convertido en virulenta).

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1944: Experimento Avery, McLeod y McCarty Demuestran que el DNA (y no las proteínas) contiene la información genética. Añadieron diferentes enzimas a la cepa X (cepa S muerta + cepa R): 

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Cepa X + proteasas que eliminen les proteínas y por lo tanto sigue habiendo transformación de bacterias no virulentas a virulentas = ratón muerto (proteínas no llevan información genética) Cepa X + ribonucleasas que eliminan los ácidos ribonucleicos (ARN) y se produce igualmente la transformación= ratón muerto (RNA no llevan información genética) Cepa X + desoxiribonucleasas que degrada el DNA y en este caso no se produce la transformación = ratón vivo (DNA contiene la información genética)

1952: Experimento de Hershey y Chase Confirman que el DNA (y no las proteínas) contiene la información genética. Marcaron el DNA/ proteínas de un fago e infectaron unas células para ver qué incorporaban:  

DNA marcado con fosforo 32, un isotopo radioactivo: en las células infectadas se observa el DNA marcado, mientras que en los fagos infectantes no. Proteínas marcadas con azufre 35 que también es un isotopo radioactivo: en las células infectadas no se observan las proteínas marcadas, mientras que en los fagos infectantes sí.

Otro experimento explica la adquisión de secuencias de ADN o genes mediante bacteriófagos, que al infectar a una bacteria adquieren también otras secuencias propias de la bacteria mediante el fósforo 39.

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA Fue propuesto por Crick el 1970, y decía que existía una transmisión unidireccional que iba des del núcleo hasta el citoplasma, esto implicaba que el ADN del núcleo se transcribía para dar un ARN, el cual pasa a ARNm maduro, y sale al citoplasma para realizar la síntesis de proteínas. Esto indica una transformación unidireccional. Posteriormente, gracias a otros descubrimientos se sabe que el ARN no es unidireccional, como ya sabemos los retrovirus pasan su ARN a ADN, el cual dará las proteínas. Esto pasa a través de la transcriptasa inversa o retro transcriptasa. Las proteínas son capaces de hacer que otras proteínas proliferen, inducir cambios en otras proteínas, una propiedad infecciosa, que es conocido por ejemplo en los priones. La acumulación de una serie de proteínas del cerebro, acumulada por tener una conformación inadecuada, estas proteínas tienen la capacidad de unirse a proteínas normales y inducir este cambio de conformación. Los priones no contradicen el dogma central de la biología.

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CONCEPTOS BÁSICOS 

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Genoma: Los genes es una porción pequeña del genoma. Dentro del genoma se incluye todo el material genético, es todo el ADN que compone el núcleo de la célula. Transcriptoma: todas las moléculas de ARN que haya en el núcleo de la célula. Proteoma: conjunto de proteínas independientemente de la función Metaboloma: conjunto de metabolitos que se obtienen después de las reacciones bioquímicas de la célula.

Existen diferentes tipos de ARN Los tres primeros están implicados en la regulación de la expresión de los genes. En diferentes fases del desarrollo habrá enzimas que serán necesarias en una fase y no en otras. Estos genes estarán inactivos, por lo tanto, los genes se regularan dependiendo de la célula, y de otras cosas. Se necesita algo que lo regule, para encenderlos y apagarlos. Hay muchas maneras de regularlos, pero una de las moléculas más importantes en esta función son los ARNi pequeños.      

ARNi: de interferencia ARNsn: nucleares pequeños ARNmi: micro ARN ARNt: transporta los aminoácidos durante la síntesis de proteínas ARNm: transmite la información del núcleo ARNr: forma parte de los ribosomas (ARN + proteínas)

ARN total (transcriptoma) se divide en 

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RNA codificante (4%). En eucariotas, este en el momento que se transcribe los es funcional, sino que tiene que sufrir una serie de modificaciones para convertirse en ARN mensajero maduro. En procariotas es funcional directamente. RNA funcional (96%) no codifica para proteínas, pero realiza alguna función  Pre-rARN i Pre-tARN: tiene que sufrir modificaciones  ARN nucleares pequeños: se unen a proteínas formando un complejo llamado ribo nucleoproteínas, realizan alguna función como actuar en el splicing (eliminación de los entrones)  snoRNA: ARN pequeño nucleolares, son ARN que están implicados en la modificación de otros ARN.

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2n GENÉTICA  ARNmi: micro, muy pequeños (21-22 nucleótidos), regulan la expresión de los genes, y son codificados por genes. El gen 1 (por ejemplo) codifica para un ARNmi que va a regular el gen 1. Esto no significa que todos los genes se regulen con ARN. Muchos de los genes del desarrollo embrionario sí. Proceden de genes.  siRNA: ARN de interferencia pequeños. Se diferencian de los anteriores porque pueden ser más largo (hasta 25 nucleótidos), y proceden o bien de secuencias del ADN del genoma que se transcribe, secuencias repetidas, o bien pueden tener origen exógeno, ARN que se van a transcribir a partir de por ejemplo, virus. Un virus infecta una célula y se van a transcribir ARN, que servirán para defender el genoma de ese virus.

Como un ARNsi va a impedir que un gen se traduzca/transcriba: un gen está activo se transcribe dando lugar a un ADN de cadena simple. Si en el genoma hay ARN pequeños que regulan este gen, estos ARN pequeños normalmente son complementarios de la secuencia de ADN, se unirán al ARN para impedir que se traduzcan, otras veces se unen al ADN promoviendo una serie de cambios que impiden la transcripción. Son específicos de una secuencia concreta a la que regulan. ¿Cómo es la estructura de un gen eucariota? Gen: no incluye solo las regiones que van a transcribirse, sino otras. 

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Región reguladora: muy importante, cuando un gen tiene una mutación en esta zona no se transcribe. Ya no es un gen funcional. Esta región regula la transcripción Región estructural: tendremos los exones (codifican proteínas) y los entrones (regiones no codificantes que se tienen que eliminar después de la transcripción). Se transcribe todo. Secuencias reguladoras: hay unas en 5’ y la otra en 3’ Las proteínas que no se plieguen correctamente no son funcionales. Es imprescindible para su función. Una vez esta realiza su función la proteína es degradada.

Organismos genéticos modelo Drosophila Melanogaster: la especie de Drosophila que más se utiliza, aunque se trabaja con muchas otras. Podemos ver los resultados a partir de distintas generaciones. Por eso trabajamos con animales que tengan poco tiempo de vida. Además de que son Individuos con un genoma pequeño y fácil de mantener el laboratorio. También es muy importante que tengan muchos descendientes, ara que sea realmente representativo. Mus musculus: (ratón) modelo mamífero que más se usa

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Arabidopsis thaliana: planta pequeña y herbácea que puede mantenerse fácilmente en el laboratorio. E coli: organismo modelo procariota, bacteria que tiene una distribución muy amplia. C elegans: fácil de observar y mantener en el laboratorio Sacha: organismo modelo de los eucariotas no evolucionados. Pez cebra: dano riend, para el estudio de la coloración diversa, como organismo modelo para intentar ver los genes que determinan la coloración humana. Los organismos genéticos modelos se caracterizan por tener una escala de producción grandes, fáciles de obtener, ocupan poco espació, están a disposición a buen precio, fáciles de manipular, etc. El genoma es complejo, y esta complejidad depende del organismo. Esta imagen representa un fragmento de kilo bases de diferentes organismos E coli está representado por un color más naranja, representa regiones de genes, y lo azul secuencias repetitivas. E coli en este fragmento de 50 kb observamos 2 secuencias repetitivas, y el resto son genes. Maíz, para el mismo fragmento de 50 kb vemos que solo hay un gen, el resto es ADN repetitivo Drosophila, tiene bastantes genes con un genoma bastante concentrado y dos secuancias repetitivas. Sacha: solo vemos 1 secuencia repetitiva, el resto genes. La densidad génica es baja en humano. En los organismos menos evolucionados, tienen una densidad génica elevada, normal porque tienen (e coli) un único cromosoma, donde necesita tener todos los genes necesarios para su supervivencia. En el caso del maíz, tiene un porcentaje de secuencias repetitivas de alrededor del 70%, en el último millón de años ha aumentado sus secuencias repetitivas. En humanos, el nivel de secuencias repetitivas es alrededor del 50%. GENOMAS Y SUS TAMAÑOS El ser humano tendría solo el doble de genes VALOR C: cantidad de ADN de una célula por genoma haploide. Consideramos solo uno de los pares, (n) 23 cromosomas. Pero esta cantidad de ADN no está siempre relacionada con la complejidad del organismo, no hay una relación directa proporcional entre el tamaño del organismo y su cantidad de ADN. No todos los organismos que tienen más ADN son más evolucionados. El genoma se estudió mejor después de ser secuenciado y se dieron cuenta que ahora el genoma ha disminuido alrededor de 22/23.

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El 99% del ADN del chimpancé es igual al de los humanos. Este 1 % es mucho. El ser humano tendría solo el doble de genes que la mosca del vinagre y apenas 5000 genes más que a la planta arabidopsisi. El DNA humano es al menos en un 98 % idéntico al de los chimpancés y otros primates. Índice de compactación del genoma, cuanto es de denso y comparación entre organismos.   

La levadura 479 por megabase La mosca 76 por megabase El humano 11 por mega base

Los entrones en humanos están en la mayoría de los genes, son genes grandes por lo que el intron también es grande. La mosca tiene 3 entrones por gen. Cantidad de secuencias repetitivas: humanos 45%, la mosca de la fruta, 15% (más que en la tabla) y el la levadura un 3,4% En humanos, el genoma suele tener muchas intrones y exones, mientras que en la levadura muy pocos....