Unidad IV Parte I Bioquímica Genética by Luis Felipe Alexardy Labrador Montero

Unidad IV Semana I y II

Bioquímica Genética

Prof. Luis Labrador

Organización del genoma Organización del Genoma Eucariota. ADN Nuclear: Tamaño. Organización en cromosomas. Estructuras que garantizan la estabilidad y segregación de los cromosomas: Centrómero, Telómeros y orígenes de replicación. Estructura y composición de la cromatina.

Nucleosomas e Histonas como componente proteico fundamental de la cromatina. Estructuras de orden superior responsables de compactar la cromatina Grado de empaquetamiento de la cromatina en Eucromatina y Heterocromatina Composición del genoma nuclear. Genes Secuencias regulatorias Secuencias repetitivas: LINE, SINE, Alu. ADN satélite, minisatélite, microsatélite. Familias y superfamilias de genes: agrupadas y no agrupadas.

Organización del genoma Características del ADN Mitocondrial. Diferencias con el genoma nuclear Importancia del ADN mitocondrial para fisiología celular. Patrón de transferencia materna e importancia en medicina e identificación de individuos Estabilidad del Genoma

Expresión Genética “Garantizar que el gen correcto se active en la célula correcta en el momento correcto” Los eucariontes, en su mayoría, son organismos complejos. Los organismos eucariotas superiores están constituidos por numerosos órganos diferenciados, estando cada órgano constituido por diferentes tipos de célula. Sin embargo, los miles de millares de células que constituyen estos organismos provienen de una sola célula diploide y para llegar a este resultado, se ponen en juego dos procesos: la multiplicación celular y la diferenciación. La diferenciación debería ser el resultado de "encender" y "apagar" diferentes genes. Pero para obtener un organismo "funcional" no es suficiente que sus células se diferencien. También hace falta que éstas respondan de manera adecuada al ambiente. Para esto es necesario que la expresión de cada uno de los genes autorizados a expresarse para la diferenciación esté perfectamente regulado.

Importancia Gracias a los nuevos conocimientos, ha surgido una gran variedad de campos de actividad en las Ciencias de la Salud, tales como:  Anticuerpos monoclonales  Métodos inmunoquímicos  Biochip para diagnostico  Clonación  Farmacogenes  Ingeniería de proteínas  Proteínas recombinantes de interés diagnostico

Aspectos generales Transmisión de la información genética

Genoma

Genoma Humano

GENOMA NUCLEAR HUMANO 3.300.000kb en 23 moléculas lineales 2 copias por célula diploide Aprox. 100.000 genes

GENOMA MITOCONDRIAL HUMANO 16,5kb en 1 molécula circular Miles de copias por célula diploide 37 genes

6,7%

ADN codificante Y Regulador ADN codificante (genes)

93,3% Exones (No hay Intrones ni ADN intergenico)

“Todas las cifras son aproximaciones y difieren según la fuente”

100% de ADN de copia única (No hay ADN repetitivo)

Genoma Humano

Genoma Mitocondrial Humano Herencia Materna

Organización del genoma Genoma Humano, contenido en Mitocondrias y Núcleo. NUCLEAR

MITOCONDRIAL

Tamaño

6600Mb

16,5Kb

Tipo de ADN

Lineal, de doble hebra

Circular, de doble hebra

Número de Cromosomas

23 distintos, 2 copias: 46 en total

1 con decenas de copias en cada mitocondria; de 200 a 105 copias por célula

Presencia de Nucleosomas

Proteínas Asociadas

Varias histonas y otras

Libre de Proteínas

ADN Codificante

3-5%

93%

ADN Repetitivo

Abundante (30%)

Prácticamente nada

Números de Genes

65000-100000

Densidad de Genes Presencia de Intrones en los Genes

1 gen por cada 33-50Kb

1 gen por cada 0,45Kb

En la Mayoría

Ausentes

Organización del genoma ADN Nuclear: Tamaño.

Mycoplasma genitalium

Tamaño del genoma (Mb) 0,58

Número de genes 500

Streptococcus pneumoniae Escherichia coli Saccharomyces cerevisiae

2,2 4,6 12

2300 4.400 5.800

Caenorhabditis elegans

19.000

Arabidopsis thaliana Drosophila melanogaster (mosca) Oryza sativa (arroz)

125

25.500

180

13.700

466

45-55.000

Mus musculus (ratón) Homo sapiens (ser humano)

2500

29.000

2900

27.000

Anfibios

10.000-1.000.000

27.918

Especie

Organización del genoma ADN Nuclear y Mitocondrial: Tamaño. Organización en cromosomas.

Organización del genoma ADN Nuclear: Tamaño. Organización en cromosomas.

Comparaciones que resaltan la magnitud del ADN nuclear en Eucariotas  En forma lineal, la longitud total del ADN de una célula somática seria de unos 2 metros.

 Al referir esta cifra al número de células del cuerpo humano (2 billones), la longitud total resultante es de 4 billones de metros, equivale a 100.000 vueltas a la tierra (circunferencia de la tierra: 40.000km), 7.000 viajes de ida y vuelta a la luna (distancia tierra-luna: 300.000km) y 13 viajes de ida y vuelta al sol (distancia tierra-sol: 150 millones de km).  Para escribir la secuencia completa del genoma total de una célula humana se necesita 1.320 volúmenes de una obra (considerando 1000 páginas por volumen y 5000 letras por página).

Organización del genoma Estabilidad y segregación de cromosomas..

Cromátida

Centrómero

Telómero

Organización del genoma Estabilidad y segregación de cromosomas.

 Estabilidad cromosomal.  Mantenimiento de la longitud de los cromosomas.  Reparación de los cromosomas.

 Silenciamiento transcripcional.  Localización de los cromosomas dentro del núcleo.  Regulación del ciclo celular (envejecimiento celular y cáncer)

Algunas secuencias conocidas de telómeros Grupo Protozoos ciliados Protozoos apicomplejos Plantas superiores Algas verdes Protozoos cinetoplástidos Mohos del fango Hongos filamentosos Vertebrados Ascáridos Insectos Levaduras aisladas

Organismo Tetrahymena, Glaucoma Paramecium Oxytricha, Stylonychia, Euplotes

TTGGGG TTGGG(T/G) TTTTGGGG

Plasmodium Arabidopsis thaliana Chlamydomonas Trypanosoma, Crithidia Physarum, Didymium Dictyostelium Neurospora crassa Humanos, ratón, Xenopus Ascaris lumbricoides Bombyx mori Schizosaccharomyces pombe

TTAGGG(T/C) TTTAGGG TTTTAGGG TTAGGG TTAGGG AG(1-8) TTAGGG TTAGGG TTAGGC TTAGG TTAC(A)(C)G(1-8)

Saccharomyces cerevisiae

Levaduras agregadas

Secuencia del telómero (Dirección 5'a 3' hasta el fin)

Candida glabrata Candida albicans Candida tropicalis Candida maltosa Candida guillermondii Candida pseudotropicalis Kluyveromyces lactis

TGTGGGTGTGGTG (de copias de ARN) or G(2-3)(TG)(1-6)T (consenso) GGGGTCTGGGTGCTG GGTGTACGGATGTCTAACTTCTT GGTGTA[C/A]GGATGTCACGATCATT GGTGTACGGATGCAGACTCGCTT GGTGTAC GGTGTACGGATTTGATTAGTTATGT GGTGTACGGATTTGATTAGGTATGT

T-Loop

Acortamiento de los telómeros

A diferencia de los organismos procariotas que tienen un genoma circular, los organismos eucariotas poseen cromosomas lineales en los cuales se presenta el problema de su acortamiento durante la replicación debido a que al eliminar el cebador de los fragmentos de Okazaki del extremo 5' de la cadena retardada del telómero del nuevo cromosoma lineal se produce un hueco que no puede ser rellenado por acción de la ADN polimerasa, puesto que solo funcionan en dirección 5' - 3' y necesitan un extremo 3'–OH, y en el final del cromosoma no hay espacio para regenerar el ARN cebador necesario para donar el extremo 3'–OH y completar la síntesis del último fragmento de Okazaki. De esta manera, en las células somáticas ya maduras se acortan los telómeros a razón de 15 a 25 nucleótidos en cada proceso replicativo

Función de las Telomerasas La telomerasa es una enzima formada por un complejo proteína-ácido ribonucleico con actividad polimerasa que está presente en células de la línea germinal, en tejidos fetales y en ciertas células madre poco diferenciadas, y que permite el alargamiento de los telómeros. La telomerasa es reprimida en las células somáticas maduras después del nacimiento, produciéndose un acortamiento del telómero después de cada división celular.

Organización del genoma ADN Nuclear: Condensación del genoma.

Composición del Genoma Humano Genoma Humano 3200Mb

Genoma Nuclear 3.200 Mb

Genoma Mitocondrial 16,6 kb

30.000 genes aprox.

37 genes

ADN génico y relacionado 1,200 Mb

ADN extragénico

ADN repetido ADN no codificante 1,152 Mb

-Pseudogenes -Fragmentos génicos -Intrones, extremos 5´y 3´no traducidos

ADN de copia única y poco repetido

ADN codificante 48 Mb

En tándem

Disperso 1,400 Mb

- Satélite - Minisatélite - Microsatélite

- LINEs (640 Mb) - SINEs (420 Mb) - LTR (250 Mb) - Transp. (90 Mb)

Genes de ARNr: 2 Genes de ARNt: 22 Genes de ARNm: 13

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN de copia única.

Constituyen la mayor parte del genoma, entre el 50-70% en animales superiores. Parte de ese ADN (5%) constituye secuencias de genes, que codifican a RNAs y a proteínas celulares, otra parte (5%) es responsable del control de la expresión de esas secuencias, mientras que el resto (60%) es ADN no codificante, cuya función, si existe, apenas se conoce. Este fue considerado durante mucho tiempo como responsable único del concepto clásico de gen (netamente funcional).

Hoy en día se incluye a esta definición tanto las secuencias estructurales (secuencias que se transcriben) y las secuencias regulatorias (que no se transcriben).

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo . ADN repetitivo

Altamente repetitivo

Medianamente repetitivo

Repeticiones en Tándem

ADN satelite

Retrotramposones dispersas

Genes de copia múltiple

Minisatélites

Microsatélites

Secuencias SINE

Secuencias LINE

Genes de ARNr

VNTR

Dinucleótidos

Secuencias Alu

Secuencias L1

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo .

Constituyen entre el 20 y un 50% del total del genoma humano, esta abundancia es la característica determinante de la enorme complejidad del ADN eucariótico. Esta pueden ser dispersas o encontrarse agrupadas. Una parte de este ADN repetitivo tiene carácter codificante, para el resto no se conoce función clara.

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo CODIFICANTE . Representa entre el 10 al 15% del genoma, aparecen en forma de familia de genes, cuyos miembros se caracterizan por su homología. Se pueden encontrar agrupados o de forma dispersa en el genoma. Las repeticiones de estos genes les permite expresarse rápidamente y en gran cantidad. Tipos de ADN repetitivo codificante y ejemplos característicos Familias de genes conservadas con genes repetidos en tandem: alto grado de homología, se expresan todas las repeticiones.

Histonas rARNs tARNs

Familias multigénicas con genes agrupados: localización especifica en el genoma, menor homología, solo se expresan algunas repeticiones.

Globinas HLA (Antígenos leucocitarios humanos)

Familias multigénicas con genes dispersos: pequeño numero de repeticiones, repartidas por todo el genoma, incluso en cromosomas distintos, se expresan casi todas.

Aldolasa Actina GA3PDH

Agrupado

Disperso

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE . Se ha propuesto que una parte ADN chatarra o basura, un vestigio evolutivo sin función actual…

¿DNA basura? ¿Regulación de la expresión? ¿Mecanismo de reparación? ¿Puntos de recombinación?

Estas repeticiones tienen un origen evolutivo. Las repeticiones agrupadas pueden surgir de errores en la replicación o recombinación genética. Por otra parte, las repeticiones dispersas pueden proceder de translocaciones o transposiciones cromosómicas.

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE.

Se estima que representa entre un 20 y un 40% del ADN genómico total.

Se subdivide en dos categorías: el moderadamente repetitivo, que se ubica de forma dispersa y altamente repetitivo que se encuentra agrupado.

Variación en el número de repeticiones

Entrecruzamiento desigual

Fallo en la alineación de cadenas de DNA en la replicación

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 1. ADN SATÉLITE ADN repetitivo

Altamente repetitivo

ADN Satélite

Medianamente repetitivo

Repeticiones en Tándem

Retrotramposones dispersas

Genes de copia múltiple

Minisatélites

Microsatélites

Secuencias SINE

Secuencias LINE

Genes de ARNr

VNTR

Dinucleótidos

Secuencias Alu

Secuencias L1

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 1. ADN SATÉLITE  Supone entre un 10 y 30% del genoma.  Se encuentran en Tándem.  Unidades de pequeño tamaño (2 a 50pb), repetidas de entre miles y un millón de veces.  DNA no transcrito.  Regiones de heterocromatina, principalmente en Centrómero y los telómeros.  Poseen bajo contenido C+G.

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso. ADN repetitivo

Medianamente repetitivo

Altamente repetitivo

Repeticiones en Tándem

ADN satélite

Retrotramposones dispersas

Genes de copia múltiple

Minisatélites

Microsatélites

Secuencias SINE

Secuencias LINE

Genes de ARNr

VNTR

Dinucleótidos

Secuencias Alu

Secuencias L1

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso.

Estos se subdividen en dos grupos: A. Bloques dispersos de repeticiones en tándem (ADN minisatélite y ADN microsatélite). • Representan entre el 5 y el 15% del genoma. • Presentan gran importancia practica por su alta variabilidad entre individuos, lo cual permite utilizarlo como marcador molecular en medicina forense, pruebas de paternidad y diagnostico molecular de enfermedades.

B. Repeticiones dispersas (SINEs y LINEs).

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso. A.1. ADN minisatélite (VNTR)  Esta formado por repeticiones de 10 a 65pb, ricas en G+C.  Agrupadas en tándem en bloques relativamente grandes, los cuales se encuentran dispersos en todos los cromosomas.  Secuencia repetida común (core): GGGCAGGAXG  Son muy polimórficas.  Estas secuencias se han empleado como “huellas dactilares”

 Se encuentran principalmente en los telómeros.

Función DNA telomérico: Solucionar los problemas de replicación de los extremos del cromosoma

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso. ADN repetitivo

Altamente repetitivo

Medianamente repetitivo

Repeticiones en Tándem

ADN satélite

Retrotramposones dispersas

Genes de copia múltiple

Minisatélites

Microsatélites

Secuencias SINE

Secuencias LINE

Genes de ARNr

VNTR

Dinucleótidos

Secuencias Alu

Secuencias L1

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso.

A.2. ADN microsatélite (STR)  Short Tandem Repeat, formadas por unidades de repetición menores a 7pb.  Pequeñas formaciones (generalmente <150pb) agrupadas en tándem de hasta 50 repeticiones, también repartidas por todo el genoma.  Normalmente en intrones. Frecuentes y altamente polimórficos.  Presencia en telómeros?

Alelo 1 Alelo 2

Papel de este ADN moderadamente repetitivo y disperso: ADN mini y microsatélite Tamaño (Kb)

Unidad repetición

Método detección

100-500

2-50 pb

Centrifugación ClCs Elec. campos pulsados

Minisatélites (VNTR)

1-20

10-65 pb

Elec. agarosa

Microsatélites (STR)

0,07-0,35

1-7pb

VNTR Satélites

Elec. Acrilamida Secuenciación

Papel de este ADN moderadamente repetitivo y disperso: ADN mini y microsatélite Tamaño (Kb)

Unidad repetición

Método detección

100-500

2-50 pb

Centrifugación ClCs Elec. campos pulsados

Minisatélites (VNTR)

1-20

10-65 pb

Elec. agarosa

Microsatélites (STR)

0,07-0,35

1-7pb

VNTR Satélites

Elec. Acrilamida Secuenciación

Polimorfismos de DNA: Presencia de distintos alelos en la población

¿Qué es el polimorfismo genético? Cuando un locus presenta al menos 2 alelos y la frecuencia alélica del más raro es > 1%  locus polimórfico. El polimorfismo (la variación) garantiza la adaptación de una especie a condiciones ambientales cambiantes, a expensas de producir mutaciones graves causantes de una enfermedad.

¿Qué es el polimorfismo genético?

DNA minisatélite hipervariable

Detección del polimorfismo: RFLP + Southern (hibridación con sonda)

INDIVIDUO 2

4 5

9 10

INDIVIDUO 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1’

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2’

1 2 3 4 5

INDIVIDUO 1

3’

1 2 3 4

1’

2’

3’

1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 2 3 4 5

INDIVIDUO 2

¿Quién será el padre?

Madre Hija Padre? Padre?

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso. ADN repetitivo

Altamente repetitivo

Medianamente repetitivo

Repeticiones en Tándem

ADN satelite

Retrotramposones dispersas

Genes de copia múltiple

Minisatélites

Microsatélites

Secuencias SINE

Secuencias LINE

Genes de ARNr

VNTR

Dinucleótidos

Secuencias Alu

Secuencias L1

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso. B. Repeticiones dispersas (SINEs y LINEs). B.1. SINEs: Las siglas proceden de Short Interspersed Nuclear Elements, elementos nucleares dispersos cortos. Presentan un tamaño de 100 a 500pb, repetidas hasta 20 veces. El ejemplo más característico es el Elemento Alu de 300pb. Aparece en el genoma humano entre 500.000 a un millón de veces. “Alu se origino hace 65 millones de años (origen y expansión de primates). Importancia en estudios antropogénicos”

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. 2. Moderadamente repetitivo y disperso. B. Repeticiones dispersas (SINEs y LINEs). B.1. LINEs: Las siglas proceden de Long Interspersed Nuclear Elements, elementos nucleares dispersos largos. Presentan un tamaño de varios miles de pb, repetidas hasta 50.000 veces. El ejemplo más característico es el Secuencias Kpn de 1,4 a 6,1kb. Aparece en el genoma humano entre 50.000 y 100.000 veces.

“Regulación de la expresión genética, 80% de los genes contiene una secuencia L1, en sus intrones”

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. Importancia medica • Implicaciones de las secuencias microsatélites en medicina: – Expansión de microsatélites de trinucleótidos: • Síndrome de X frágil (FMR-1) (CCG)n • Distrofia miotónica (DM) (CTG)n • Enfermedad de Huntington (HD) (CAG)n • Ataxia de Friedreich (FA) • Nueve formas de ataxia espinocerebelar (SCA)

Expansión de tetranucleótidos: DM2 Expansión de pentanucleótidos: SCA10

También conocido como síndrome de Martin-Bell, es un trastorno hereditario que ocasiona retraso mental, pudiendo ser éste desde moderado a grave. La mutación que origina el síndrome afecta a una región del cromosoma X en la que se sitúa el gen FMR-1. La expansión del trinucleótido tiene lugar en la región reguladora del gen, siendo este trinucleótido CGG (Citosina-Guanina-Guanina). Cuando el número de repeticiones supera el valor umbral de 230 repeticiones se produce la metilación del gen y, por tanto, éste pierde su función, produciendo así el síndrome del X frágil.

La distrofia miotónica (DM), también conocida como distrofia miotónica de tipo 1, DM1, es una enfermedad hereditaria autosómica dominante, multisistémica crónica, de progresión lenta y de heredabilidad altamente variable que se puede manifestar en cualquier momento de la vida desde el nacimiento a la vejez; tanto en hombres como en mujeres. Se caracteriza por una reducción de la masa muscular (distrofia muscular), cataratas posteriores subcapsulares iridiscentes (opacidad del cristalino) defectos en la conducción del impulso cardíaco, cambios endocrinos y miotonía (dificultad para relajar un músculo). Es muy curioso que la edad de aparición, que es altamente variable, desciende con las sucesivas generaciones. Así pues la enfermedad muestra una edad de aparición cada vez menor, un fenómeno denominado anticipación. Se da por incremento de números de repeticiones de un triplete (CTG). El número de repeticiones varía grandemente de persona a persona, pero en promedio en un sujeto sano es entre 5 y 37, cuando sobrepasa este numero se produce la enfermedad.

La enfermedad de Huntington (llamada también corea de Huntington y conocida antiguamente como baile de San Vito o mal de San Vito, al igual que otras coreas como la corea de Sydenham) es un trastorno genético hereditario cuya consideración clínica se puede resumir en que es un trastorno neuropsiquiátrico. Sus síntomas suelen aparecer hacia la mitad de la vida de la persona que lo padece (unos 30 o 50 años de media) aunque pueden aparecer antes y los pacientes muestran degeneración neuronal constante, progresiva e ininterrumpida hasta el final de la enfermedad que suele coincidir con el final de su vida por demencia y muerte o suicidio. Esta enfermedad genética presenta una herencia autosómica dominante, lo cual significa que cualquier niño en una familia en la cual uno de los progenitores esté afectado, tiene un 50% de probabilidades de heredar la mutación que causa la enfermedad. El defecto se debe a una expansión de tripletes CAG que codifican la síntesis de la glutamina. En la secuencia original hay 34 repeticiones, y en la enfermedad, más de 40.

La ataxia de Friedreich es una enfermedad hereditaria con un patrón de herencia autosómica recesiva. Es una enfermedad neurodegenerativa que causa en quienes la padecen un deterioro progresivo del cerebro y ganglios espinales dorsales. Esta degeneración provoca en los afectados, de manera imparable, una pérdida progresiva de muchas de las funciones necesarias para una autonomía personal: perdida de sensibilidad, descoordinación en los movimientos, escoliosis, disfagia, disartria, y en muchos casos diabetes y problemas cardíacos graves, causantes de la muerte en la mayoría de los casos. Normalmente, la secuencia GAA se repite de 7 a 22 veces, pero en las personas con la Ataxia de Friedreich, ésta se repite de 800 a 1,000 veces.

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. Importancia medica

• Mecanismos de patogeneicidad de los microsatélites: – Enfermedades de herencia recesiva ligada al X  expansión de tripletes que interfiere la transcripción del gen mutado (no proteína) – Enfermedades con herencia dominante  expansión de tripletes produce una proteína alterada – Enfermedades con herencia dominante producidas por expansiones en regiones no codificantes  expansiones en el ARN  función celular alterada?

Organización del genoma ADN Nuclear: ADN repetitivo NO CODIFICANTE. Importancia medica

• Aplicaciones: – Identificación individual – Análisis evolutivo de poblaciones

– Diagnóstico directo en enfermedades genéticas causadas por expansión de trinucleótidos – Diagnóstico indirecto de enfermedades genéticas: • Ligamiento entre microsatélites polimórficos y genes causantes de enfermedad.

Inestabilidad del genoma

Mutaciones Mutaciones como fenómeno principal de cambio de la secuencia del Genoma. Causas de mutaciones Tipos de Mutaciones Por sustitución de nucleótidos: Transiciones y transversiones. Sustituciones sinónimas (silentes) y no sinónimas. Sustitución de múltiples bases (conversión génica) Inserciones y deleciones Mutaciones supresoras Otros daños del ADN Anormalidades cromosómicas Mutaciones como causa u origen de variabilidad genética. Sistemas y mecanismos de reparación ADN Directa Por escisión de bases Por escisión de nucleótidos

Inestabilidad del genoma

Mutaciones Reparación del apareamiento incorrecto de bases. Reparación del rompimiento de la doble cadena Enzimas involucradas en reparación de mutaciones. Síntesis y mantenimiento de los telómeros. Problema de la replicación de los extremos de los cromosomas. Características estructurales, actividad y función de la enzima Telomerasa. Relación del acortamiento de los telómeros con el envejecimiento y el cáncer. Recombinación del ADN. Recombinación homóloga

Recombinación heteróloga Recombinación sitio-específica Integración de virus al genoma Transposones y retrotransposones Importancia en la amplificación de genes por mecanismo de Conversión génica. Recombinación en los Genes de Inmunoglobulinas y Receptor de linfocitos T.

Inestabilidad del genoma

Mutaciones Mutación es la alteración de la secuencia de ADN de un individuo que se transmite por herencia a sus descendientes. Se producen por errores en la replicación, por la alteración espontanea de nucleótidos o debido a la acción de agentes físicos o químicos, pero nunca como consecuencia de la recombinación meiótica entre cromosomas homólogos. Las mutaciones tienen lugar en todo el genoma, incluyendo secuencias codificantes o no, del genoma nuclear o mitocondrial, en células germinales (heredables) o en células somáticas (no heredables). Por lo que constituyen, junto con la recombinación meiótica, la principal fuente de variabilidad genética en todo tipo de organismos.

Clasificación de las Mutaciones Tipo de célula

Germinal Somática

Magnitud

Grandes mutaciones Mutaciones medianas en secuencias repetidas Mutaciones pequeñas o puntuales

Mutaciones

Mecanismo

Agentes químicos

Acción directa Alquilantes Intercalantes bifuncionales

Agentes físicos

Radiación UV Radiaciones ionizantes

Agentes biológicos

Virus

Clasificación de las Mutaciones Tipo de células Germinal MUTACIONES

Tipo de célula Somática

Se origina en algunas de las divisiones mitóticas o meióticas de la gametogénesis, a partir de células progenitoras diploides de las gónadas. Estas mutaciones son heredables, se transmiten a todas las células hijas generando enfermedades hereditarias. Son la materia prima para cambios evolutivos. Estas mutaciones dependen de la función afectada:  Si esta es esencial, origina organismos inviables.  Si es no esencial, pero si importante se generan enfermedades congénitas.  Algunas son beneficiosas y son la base de la evolución.

Clasificación de las Mutaciones Tipo de células Germinal MUTACIONES

Tipo de célula Somática

Causas: • Errores en la replicación del ADN. • Ataque químico. • Exposición a radiaciones ionizantes naturales y metabolitos reactivos. NECESIDAD DE SISTEMAS EFECTIVOS DE REPARACIÓN QUE IDENTIFIQUEN Y CORRIJAN MUCHAS ANOMALIAS EN LA SECUENCIA DE ADN

Clasificación de las Mutaciones Tipo de células Germinal MUTACIONES

Tipo de célula Somática

A diferencia de las anteriores las mutaciones somáticas solo se transmiten a las células hijas y no a un organismo completo. Estas mutaciones determinan las características normales o patológicas de un individuo, pero los cambios nunca son heredables. El efecto de la mutación sobre la célula somática depende en parte de su compatibilidad con el ciclo de división celular, pues la célula afectada se divide activamente y conducirá a la proliferación de la mutación, pudiendo ocasionar problemas clínicos, como por ejemplo: los procesos de envejecimiento celular y transformación neoplásica. El cáncer se inicia por la mutación de genes que controlan la división celular.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Pequeñas mutaciones o mutaciones puntuales” Mutaciones pequeñas o puntuales Mutaciones

Magnitud

Mutaciones medianas en secuencias repetidas Grandes mutaciones

Las mutaciones puntuales son tan representativas que a veces se asume como el único tipo de mutación existente. Son muy estables, estas variaciones genéticas heredades constituyen las diferencias entre individuos de una población.

Las mutaciones en el genoma mitocondrial se transmiten por herencia materna exclusivamente, debido a que la mayor parte de este es aportado por ovulo.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Pequeñas mutaciones o mutaciones puntuales” Mutaciones pequeñas o puntuales Mutaciones

Magnitud

Mutaciones medianas en secuencias repetidas Grandes mutaciones

Tipos de mutaciones puntuales en cuanto a la modificación de la secuencia de ADN: 1. Cambios en la secuencia  Sustitución (transiciones y transversiones)  Deleción

 Inserción.

Clases de mutaciones puntuales, y su grado de incidencia Clase

Tipo

Incidencia Tipo de mutación comparativamente común en ADN codificante y no codificante

Transiciones y transverciones

Sustitución

Inserción

Eliminación o deleción

Más ,comunes las transiciones que las transverciones, sobre todo en ADN mitocondrial

Sustituciones sinónimas y no Las sinónimas son mucho más comunes en ADN sinónimas codificante Sustitución de múltiples bases

Infrecuente, excepto en ciertos locis repetidos en tándem o repeticiones agrupadas

De uno a unos pocos nucleótidos

Muy común en ADN no codificante

Expansiones repetidas de tripletes

Infrecuente, pero puede contribuir a varios trastornos, especialmente neurológicos

Otras inserciones grandes

Infrecuente, produce ocasionalmente duplicaciones en tándem e inserciones de elementos transponibles

De uno o unos pocos nucleótidos

Muy común en ADN no codificante

Grandes deleciones

Infrecuente ocurre a menudo en regiones que contiene repeticiones tándem o entre repeticiones dispersas

Mutaciones Puntuales

Mutación Puntual Sustitución (transiciones y transversiones)

Mutaciones Puntuales Implicaciones en la Traducción.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Pequeñas mutaciones o mutaciones puntuales” Tipos de mutaciones puntuales en cuanto a la modificación de la secuencia de ADN:

2.Efecto sobre la proteína sintetizada.  Mutaciones silenciosas (con sentido).  Mutaciones NO silenciosas. o Mutaciones que alteran el sentido. • Conservativa. • No conservativa. o Mutaciones que cambian el marco de lectura. o Mutaciones que NO cambian el marco de lectura. o Mutaciones con terminación prematura de la proteína (mutación sin sentido).

CÓDIGO GENÉTICO DEGENERADO

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Pequeñas mutaciones o mutaciones puntuales” Tipos de mutaciones puntuales en cuanto a la modificación de la secuencia de ADN:

2. Efecto sobre la proteína sintetizada.

Tipo de mutación

Causa posible Sustitución

Mutaciones Silenciosas



Mutaciones No Silenciosas De Sentido alterado Conservadoras No conservadoras Desplazamiento del Marco de Lectura

 

Deleción

Inserción



  (triple)  

Terminación Prematura



  (triple) 

Terminación Retardada



Sin Desplazamiento del Marco de Lectura

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Pequeñas mutaciones o mutaciones puntuales” 2. Efecto sobre la proteína sintetizada.  Mutaciones silenciosas (con sentido). También llamadas sinónimas, son muy frecuentes (del 23-25% de las mutaciones en ADN codificante). Se caracterizan porque, a pesar de haber un cambio en la secuencia de ADN, no se altera el producto proteico, esto ocurre gracias a que varios tripletes o codones codifican a un mismo aminoácido. Estas mutaciones pese a que no alteran el fenotipo forman parte del origen de la “gran diversidad genética” en un población, conocida como polimorfismo genético, en este caso no génico. Originalmente T Hebra no transcrita de ADN 5’... GTG CAC CTG ACG CCT GAG GAG AAG TCT GCC …3’ 3’... CAG GTG GAC TGC GGA CTC CTC TTC AGA CGG …5’ Hebra transcrita de ADN o molde mRNA (β-globina) 5’... GUG CAC CUG ACG CCU GAG GAG AAG UCU GCC …3’ H2N- Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala …

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Pequeñas mutaciones o mutaciones puntuales” 2. Efecto sobre la proteína sintetizada.  Mutaciones NO silenciosas. o Mutaciones que alteran el sentido.

• Conservativa. • No conservativa. En este caso la alteración de la secuencia de nucleótidos afecta la secuencia proteica, pues codifica a un aminoácido diferente de la secuencia original. Estas mutaciones pueden ser beneficiosos o perjudiciales para la proteína. Menos del 1% pueden tener efecto beneficioso. Originalmente A Hebra no transcrita de ADN 5’... GTG CAC CTG ACT CCT GTG GAG AAG TCT GCC …3’ 3’... CAG GTG GAC TGA GGA CAC CTC TTC AGA CGG …5’ Hebra transcrita de ADN o molde mRNA (βs-globina) 5’... GUG CAC CUG ACU CCU GUG GAG AAG UCU GCC …3’ H2N- Val His Leu Thr Pro Val Glu Lys Ser Ala …

“Anemia Falciforme”

Anemia Falciforme

Es una enfermedad que afecta la hemoglobina, una proteína que forma parte de los glóbulos rojos y se encarga del transporte de oxígeno. Es de origen genético y se da por la sustitución de un aminoácido ácido glutámico por valina; esto provoca que a menor presión de oxígeno, el eritrocito se deforme y adquiera apariencia de una hoz; la nueva forma provoca dificultad para la circulación de los glóbulos rojos, por ello se obstruyen los vasos sanguíneos y causan síntomas como dolor en las extremidades. Los glóbulos rojos también padecen de una vida más corta provocando anemia por no ser reemplazados a tiempo.

Consiste en que la inserción o deleción de nucleótidos, aun sin afectar en gran medida la secuencia de bases, cambia la forma en como se leen los tripletes de nucleótidos, por lo que se produce una alteración importante en la secuencia de la proteína Alelo Causante de Tay-Sachs

Alelo Normal 5’... CGT ATA TCC TAT GCC CCT GAC …3’ 3’... GCA TAT AGG ATA CGG GGA CTG …5’

5’... CGT ATA TCT ATC CTA TGC CCC CTG AC …3’ 3’... GCA TAT AGA TAG GAT ACG GGG GAC TG …5’

Inserción de 4 5’... CGU AUA UCC UAU GCC CCU GAC …3’ … Arg Ile Ser Tyr Ala Pro Asp …

5’... CGU AUA UCU AUC CUA UGC CCC CUG AC …3’ Arg Ile Ser Ileu Leu Cys Pro Leu

La inserción de cuatro nucleótidos (TATC) en la hebra no transcrita, cambia el marco de lectura y aparte genera un codón de terminación, generándose una proteína más corta y afuncional (se pierde la Hexosaminidasa A)

Enfermedad de Tay-Sachs

Es una enfermedad rara que afecta al sistema nervioso central y es de carácter hereditario, autosómico recesivo. Se trata de una enfermedad de almacenamiento lisosómico. Los individuos que la padecen son incapaces de producir una enzima lisosómica llamada hexosaminidasa-A que participa en la degradación de los gangliósidos, un tipo de esfingolípido, que se acumulan y degeneran al sistema nervioso central. Se incluye dentro de las lipidosis o enfermedades por almacenamiento de lípidos. Los bebés parecen normales al nacer y se desarrollan normalmente hasta los seis meses, perdiendo luego gradualmente sus capacidades físicas y mentales. Los bebés afectados quedan ciegos, sordos, mentalmente retrasados y paralizados solo en uno o dos años y la mayoría no viven más allá de los cinco años.

La inserción o deleción de 3pb en el ADN (o múltiplos de 3), aunque añade o elimina algún aminoácido de la oficina a la proteína, no cambia el marco de lectura. Por lo que son de bajo efecto e incluso pueden no afectar a la proteína. Alelo Normal 5’... ATC ATC TTT GGT GTT …3’ 3’… TAG TAG AAA CCA CAA …5’

Alelo Causante de Fibrosis Quística 5’... ATC AT T GGT GTT …3’ 3’… TAG TA A CCA CAA …5’ Deleción de 3

5’... AUC AUC UUU GGU GUU …3’ … Ile Ile Phe Gly Gly … 506 507 508 509 510

5’... AUC AUU GGU GUU …3’ Ile Ile Gly Gly 506 507 509 510

La perdida de 3 nucleótidos (CTT) en la hebra no transcrita, o de GAA en hebra transcrita, produce la perdida de un aminoácido, como se ve la deleción afecta al codón 507, pero sigue codificando a Ile

Fibrosis quística

Es una enfermedad genética de herencia autosómica recesiva que afecta principalmente a los pulmones, y en menor medida al páncreas, hígado e intestino. Está producida por una mutación en el gen que codifica la proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR, por sus siglas en inglés) El mecanismo por el cual esta disfunción celular produce las manifestaciones clínicas antes descritas no se conoce con exactitud. Una de las teorías que intenta explicarlo, sugiere que la falla de la proteína CFTR para transportar el cloruro, determina la acumulación de abundante moco en los pulmones, creando un medio propicio (rico en nutrientes) para las bacterias, que logran así eludir al sistema inmunitario. También se postula que esta anomalía en la proteína CFTR induce un aumento paradójico en la captura de sodio y cloruro, lo que estimula la reabsorción de agua, y resulta en la formación de la mucosidad deshidratada y espesa.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Pequeñas mutaciones o mutaciones puntuales” 2. Efecto sobre la proteína sintetizada.  Mutaciones NO silenciosas. o Mutaciones con terminación prematura de la proteína (mutación sin sentido). La inserción o deleción de uno o varios nucleótidos tiene como efecto la aparición de un codón de terminación (UAA, UAG o UGA en el mRNA de eucariotas), que provoca el cese prematuro de la transducción y se obtiene una proteína acortada en el C-terminal. Son poco frecuentes cerca del 4% de las sustituciones en el ADN codificante, pero de gran importancia por sus implicaciones en la estructura y estabilidad en la proteína. Alelo Normal 5’... GAT GAT GCC AAA CGA CAA …3’ 3’… CTA CTA CGG TTT GCT GTT …5’

Alelo Causante de Neurofibromatosis tipo I (enfermedad de Recklinghausen) 5’... GAT GAT GCC AAA TGA CAA …3’ 3’… CTA CTA CGG TTT ACT GTT …5’

Transición 5’... GAU GAU GCC AAA CGA CAA …3’ … Asp Asp Ala Lys Arg Gln …

5’... GAU GAU GCC AAA UGA CAA …3’ … Asp Asp Ala Lys -COOH STOP

Transición

5’... GAU GAU GCC AAA UGA CAA …3’ … Asp Asp Ala Lys -COOH STOP

La sustitución de C por T en la hebra no transcrita (o de G por A en la hebra transcrita) provoca la aparición de un codón de terminación UGA, por lo tanto el alelo mutado codifica a una proteína truncada.

Neurofibromina (proteína normal)

Proteína acortada, no funcional

Inhibe la función de la oncoproteína p21ras

No inhibe la función de la oncoproteína p21ras

Se frena la proliferación celular

Proliferación celular incontrolada

Puesto que el gen normal frena la formación del tumor, se dice que es gen supresor de tumor o antioncogén

Neurofibromatosis tipo 1 (NF1)

Se caracteriza por la aparición de manchas "café con leche" y afectación en el sistema nervioso periférico (Gliomas ópticos), si bien con el paso del tiempo pueden afectarse todos los tejidos y en otros casos la afectación es mínima. Son trastornos genéticos del sistema nervioso que afectan principalmente al desarrollo y crecimiento de los tejidos de las células neurales (nerviosas). Estos trastornos ocasionan tumores que crecen en los nervios y producen otras anormalidades tales como cambios en la piel y deformidades en los huesos. Las neurofibromatosis ocurren en ambos sexos y en todas las razas y grupos étnicos y se transmiten a la descendencia de forma autosómica dominante. Los científicos han clasificado los trastornos como neurofibromatosis tipo 1 (NF1) y neurofibromatosis tipo 2 (NF2) cada uno con una alteración en un cromosoma diferente (17y 22 respectivamente).

La Progeria

Está reconocida como una laminopatía, asociada a mutaciones en el gen LMNA que codifica para la lámina A/C, el componente principal de las láminas nucleares. La mutación más frecuente es una mutación puntual en la posición 1824 en el exón 11, que crea una mutación en el codón 608 y activa el sitio críptico de splice llevando a una lámina A truncada. Como consecuencia, se produce la pérdida de 50 aminoácidos en el terminal-C de la forma de la proteína conocida como progerina o lámina AD50. Esto lleva a la disrupción del ensamblaje normal de la envoltura nuclear, la función nuclear y la función de la lámina A. Afecta específicamente la maduración de la prelaminina A a la laminina A; por lo tanto, la progeria es un desorden que tiene un efecto profundo en la integridad del tejido conectivo. Esto es crítico para el soporte nuclear y para la organización de la cromatina. Las células presentan un núcleo con alteraciones estructurales (herniaciones y lóbulos) así como defectos en la organización de la heterocromatina. Molecularmente presentan un defecto en el mecanismo de reparación del ADN como consecuencia de la rotura de la hélice doble.

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones endógenas

• Incorporación de nucleótidos erróneos durante la replicación • Sustitución por desaminación oxidativa. • Perdida de bases por inestabilidad química del enlace N-glicosídico • Modificación de bases por mutágenos endógenos  Mutaciones inducidas o exógenas. • Lesiones o mutaciones inducidas por agente químicos. • Lesiones o mutaciones inducidas por agente físicos.

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones endógenas

Son mutaciones que se generan por agentes propios al ambiente intracelular, bajo condiciones normales, estos son la fuente de la mayoría de mutaciones. Pueden originarse por errores en la replicación, por reacciones que ocurren de forma espontánea como consecuencia de la inestabilidad química de la molécula de ADN o por la acción de subproductos del metabolismo celular (mutágenos endógenos)

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones endógenas

• Incorporación de nucleótidos erróneos durante la replicación La ADNpolimerasa pese a tener actividad correctora, exonucleasa 3’→5’ (la ADNpol  ) y reparar la mayor parte de errores cuando replica el ADN (99,9%). Esta baja tasa global de mutación significa que solo se introduce un nucleótido incorrecto por cada 10.000 Mb, puesto que el genoma diploide humano tiene 6.600 Mb, ello se traduce en al menos una mutación nueva por cada división celular. A pesar de ello el gran numero de divisiones celulares durante la vida de un individuo hace que el numero de mutaciones sea significativo.

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones endógenas

• Sustitución por desaminación oxidativa. Consiste en la perdida de un grupo amino exocíclico, con la aparición de un grupo carbonilo anular, ello da a lugar a que se altere la formación de puentes de hidrogeno entre las bases. NH2

H2O

HO NH2

NH3

O H Tautomeria ceto-enólica Lactama-lactima

Las transformaciones C→U y 5-metil-C→T se producen lentamente, pero unas 100 veces más rápidamente que las A→H y G→X. por ejmplo, una desaminación de citosina al día por cada 107 C en el DNA de una célula típica de mamífero (lo que equivale a unas 100 mutaciones por día).

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones endógenas

• Perdida de bases por inestabilidad química del enlace N-glicosídico. Sitio apurínico en el ADN

Adenosina en el ADN

Adenina

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones endógenas

• Modificación de bases por mutágenos endógenos El superóxido es un anión y un radical libre

O2•

H2O2

Ión hidróxido

 OH

Radical hidróxilo

• OH

Los radicales producen daños por oxidación del ADN

Ejemplos: H3C

8-Hidroxiguanina

Timina glicol

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones inducidas o exógenas.

• Lesiones o mutaciones inducidas por agente químicos.  Agentes químicos alquilantes.. Transfieren grupos, generalmente metilo o etilo, a un átomo nucleofílico (O ó N) de las bases nitrogenadas. La metilguanina no se aparea de H O

forma correcta con la citocina

N N

Mutación por agente alquilante

H N

En siguientes replicaciones puede entrar la timina en lugar de citosina: La metilguanina puede aparea con la timina

ADN mutado en una hebra:

Primera replicación tras mutación mG

G C

T Consecuencia Segunda replicación tras mutación mG

G C

Igual al de partida, puede propagar la mutación

A T

G C

No portan la mutación

Se ha fijado la mutación: transición G/CA/T

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones inducidas o exógenas.

• Lesiones o mutaciones inducidas por agente químicos.  Agentes químicos intercalantes.. Al insertarse entre dos pares de bases apiladas del ADN, distorsiona su estructura helicoidal. Algunos provocan desplazamiento del marco de lectura, mientras otros establecen enlaces cruzados entre bases de la misma hebra o de hebras opuestas. Cisplatino con N(7) de gunina

Cisplatino

Causas y mecanismos Básicos de las Mutaciones

El ADN esta sometido a daños, lesiones y modificaciones de diversos tipos, provocados por distintas causas, por lo que las podemos clasificar en:  Mutaciones inducidas o exógenas.

• Lesiones o mutaciones inducidas por agente físicos. Antes

Después UV

Radiación UV

Dineros de timina

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones” Mutaciones pequeñas o puntuales Mutaciones

Magnitud

Mutaciones medianas en secuencias repetidas Grandes mutaciones

Las anomalías a gran escala o también llamadas mutaciones cromosómicas, ocurren por duplicaciones, perdidas o reagrupamientos que alteran una región de millones de pares de bases y se reflejan en la estructura del cromosoma.

Son alteraciones esporádicas y de baja frecuencia. Raramente se perpetuán al ser casi incompatibles con la supervivencia y reproducción, sin envergo, cuando lo hacen, muestran manifestaciones clínicas o psíquicas muy graves, a veces dramáticas, por lo que pueden considerarse las principales enfermedades genéticas, responsables de abortos espontáneos, malformaciones congénitas, retrasos mentales y tumores

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones” Algunas cifras significativas, relativas a anomalías cromosómicas:  Se presenta en el 4% de los nacidos muertos.  Aparecen en el 2% de los embarazos de mujeres mayores a 35 años.  Presentes en el 50% de los abortos espontáneos durante el primer trimestre.  Se han identificado unos 60 síndromes.

Este tipo de alteraciones se clasifican en:  Numéricas: alteran el numero de cromosomas.

 Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Numéricas: alteran el numero de cromosomas. Nombre de la anomalía cromosómica

N° de cromosomas 0 n 2n 3n 4n Xn 2n-2 2n-1

Nuliploidía Haloploidía (normal) Euploidía Diploidía (normal) (=xn) Triploidía Poliploidía Tetraploidía ….. Nulisomía Monosomía Aneuploidía Disomía (normal, no es 2n (Xn) aneuploidía) Trisomía 2n+1 Polisomía 2n+X Mezcla de dos poblaciones celulares con Mixoploidía distinta dotación cromosómica

Ejemplos (humanos)

Eritrocitos y plaquetas 23,X 46,XY 69,XY 92,XY …… 44,XY,-21,-21 45,X 45,XX-18

47,XXY 45,XX,+21 49,XXXXX 46,XX/47,XX,+8

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones” Anomalías Cromosómicas Numéricas por reparto anómalo en meiosis

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones” Ejemplos de mutaciones numéricas La expresión bioquímica del síndrome consiste en el aumento de diferentes enzimas. Una de las más conocidas e importantes es la Superóxido dismutasa (codificada por el gen SOD-1) su exceso determina la acumulación de H2O2, lo que puede provocar peroxidación de lípidos y proteínas y dañar el ADN. Otros genes implicados en la aparición de trastornos asociados al SD son:2 3

COL6A1: su expresión incrementada se relaciona con defectos cardíacos ETS2: su expresión incrementada puede ser causa de alteraciones músculo esqueléticas CAF1A: la presencia incrementada de este gen puede interferir en la síntesis de ADN Cystathione Beta Synthase (CBS): su exceso puede causar alteraciones metabólicas y de los procesos de reparación del ADN DYRK: en el exceso de proteínas codificadas por este gen parece estar el origen de la discapacidad cognitiva CRYA1: su sobreexpresión puede originar cataratas. GART: la expresión aumentada de este gen puede alterar los procesos de síntesis y reparación del ADN IFNAR : es un gen relacionado con la síntesis de Interferón, por lo que su exceso puede provocar alteraciones en el sistema inmunitario.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones” Ejemplos de mutaciones numéricas El cromosoma X adicional en los pacientes con síndrome de Klinefelter a menudo es adquirido por un error en la disyunción durante la meiosis I (gametogénesis). El error en el proceso de disyunción (separación de cromosomas durante la división celular) se da cuando cromosomas homólogos (en este caso, los cromosomas sexuales X e Y) fallan al separarse, originando gametos (masculinos o femeninos) con 24 cromosomas, debido a dicho cromosoma adicional. Es una anomalía cromosómica que afecta solamente a los hombres y ocasiona, principalmente, hipogonadismo. Se basa en una alteración genética que se desarrolla por la separación incorrecta de los cromosomas homólogos durante las meiosis que dan lugar a los gametos de uno de los progenitores, aunque también puede darse en las primeras divisiones del cigoto.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones” Ejemplos de mutaciones numéricas

El síndrome Turner, síndrome Ullrich-Turner o Monosomía X es una enfermedad genética caracterizada por la presencia de un solo cromosoma X. Genotípicamente son mujeres (por ausencia de cromosoma Y). Se trata, de la única monosomía viable en humanos, la carencia de cualquier otro cromosoma en la especie humana es letal. A las mujeres con síndrome de Turner les falta parte o todo un cromosoma X. La ausencia de cromosoma Y determina el sexo femenino de todos los individuos afectados, y la ausencia del segundo cromosoma X determina la falta de desarrollo de los caracteres sexuales primarios y secundarios. Esto confiere a las mujeres que padecen el síndrome de Turner un aspecto infantil e infertilidad de por vida. Incide, aproximadamente, en 1 de cada 2.500 niñas. “la joven Beatriz Ahedo bioquímica especializada en síndrome de Turner y a su vez posee dicho síndrome”.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma

Estas anomalías cromosómicas son menos frecuentes que las numéricas, corresponden a cambios en la estructura de uno o varios cromosomas, que se dan por roturas del mismo, seguidas de reconstrucción de la molécula en una disposición diferente.

Son particularmente frecuentes en la Anemia de Falconi, Ataxia Telangiectasia y el Sindrome de Bloom.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma o Un punto de ruptura en cromosoma: deleción terminal. o Dos puntos de ruptura en un cromosoma. • Inversión. • Delación intersticial. • Cromosomas anulares. o Dos puntos de rupturas en cromosomas diferentes: translocación. • Translocación recíproca. • Translocación de Robertson o fusión céntrica. • Isocromosomas.

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma o Un punto de ruptura en cromosoma: deleción terminal. Normalmente, tras la ruptura de la cadena de ADN los extremos resultantes se suelen unir rápidamente por la acción de enzimas de reparación. Si la ruptura ocurre en un solo punto y no se repara, el fragmento que no tiene Centrómero se perderán en la siguiente división celular. Se originan así, cromosomas con deleción terminal. Pter

Pter

3 Cen 4

Cen 4

Qter

Célula normal

Rotura cromosómica

Célula con anomalía cromosómica

Qter

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma o Dos puntos de ruptura en un cromosoma. • Inversión. Cuando se produce mas de un corte las enzimas de reparación tienen dificultades en distinguir los extremos resultantes y pueden unir extremos que no se correspondían en el cromosoma original.

Inversión de 5+6

2 3

3 Cen

6 7

Inversión de 3+4+5

Célula normal

Doble rotura

Qter

Cen

Pter

Qter

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma o Dos puntos de ruptura en un cromosoma. • Delación intersticial. Los fragmentos acéntricos se pierden en la mitosis Pter

Pter

Deleción de 5+6

3 Cen 4

Doble rotura

Deleción de 3+4+5

8 Qter

Cen 4

Célula normal

Cen

Qter

4 5

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma o Dos puntos de ruptura en un cromosoma. • Cromosomas anulares. Los fragmentos acéntricos 1 y 7 se pierden en la mitosis

Pter 1

2 3 Ce n

4 5

Doble rotura

Unión 7

6 7 8 Qter

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”

 Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma o Dos puntos de rupturas en cromosomas diferentes: translocación. La escisión de dos cromosomas no homologos, en un punto cada uno, puede conducir a la unión incorrecta de fragmentos entre ambos, generando cromosomas anormales “híbridos” o derivados. • Translocación recíproca. • Translocación de Robertson o fusión céntrica.

• Isocromosomas.

• Translocación recíproca.

Los fragmentos acéntricos E, 1 y 2 se pierden en la mitosis

A B Cen C

3 Cen 4 5

A B Cen C

1 2 3 Cen 4 5

Pter

Qter

Doble rotura

7 8 Qter

B Cen

6 Qter

Qter

D E

Pter A

Ó fragmento acéntrico por céntrico

3 Cen 4 5 6

7 8

Qter

Clasificación de las Mutaciones Magnitud. “Grandes mutaciones”  Estructurales: modifica la estructura de algún cromosoma o Dos puntos de rupturas en cromosomas diferentes: translocación. • Translocación de Robertson o fusión céntrica. Es un reordenamiento particular de cromosomas acrocéntricos no homólogos, se escinden muy cerca del centrómero y cuyos fragmentos grande se unen por los centrómeros. Los dos fragmentos cortos se pierden en la mitosis.

1 Cen 4

Cen

Pter

Qter

Los fragmentos acéntricos 1 y A se pierden en la mitosis

Cen

Qter

Doble rotura

Unión

Cen 4

Qter

Pter 1

2 3 Ce n

4 5 6 7

8 Qter

Replicación

Posición incorrect a de un cromoso ma en el huso mitótico

Normal Se separan las cromátidas en la anafase de la mitosis

Anómala

Isocromosoma del brazo largo

Pter

2 3

Células hijas

Cen

Qter

Elementos móviles transposones

TRANSPOSASA

Otros Genes

Elemento trasnponible

Mutaciones: Mecanismos genéticos que resultan en intercambio de secuencias entre repeticiones (Crossing over) La recombinación genética es el proceso por el cual una hebra de material genético (usualmente ADN, pero también puede ser ARN) se corta y luego se une a una molécula de material genético diferente. En eucariotas la recombinación comúnmente se produce durante la meiosis, como entrecruzamiento cromosómico entre los cromosomas apareados.

Conversión génica

Normal En el apareamiento correcto de los cromosomas homólogos durante la meiosis hace que se alineen correctamente los dos pseudogenes y los dos genes activos lo que permite el entrecruzamiento normal.

Anormal La alineación incorrecta de los cromosomas homólogos durante la meiosis da lugar a un entrecruzamiento desigual entre el pseudogen y el gen activo, con la consiguiente perdida de función del gen activo.

Reparación del ADN La capacidad de una célula para detectar y reparar daños en el ADN es esencial para el mantenimiento de la integridad estructural de su genoma en general. Existen diversas estrategia por parte de la célula para la reparación de daños en su genoma. Tipo de reparación

Ejemplo

Tipo de lesión reparada

Eliminación de mutágenos (destoxificación)

Superoxido dimutasa

Se evita la formación de lesión oxidativa

Fotoliasa

Fotodímeros de pirimidina

Alquiltransferasas

Derivados alquilo de las bases

Escisión de nucleótidos (general)

Sistema de escinucleasa

Las que causan distorsión en la doble hélice (fotoproductos y sustituyentes voluminosos)

Escisión de bases (especifica)

N-glicosilasas del ADN y endonucleasas AP

Bases desaminadas, modificadas, oxidadas…y sitios básicos

Reversión directa

Reparación de apareamientos incorrectos

Nucleótidos mal apareados por errores en la replicación o bases modificadas

Reparación del ADN Eliminación de agentes mutágenos

SUPEROXIDO DISMUTASA: cataliza la dismutación del ión superóxido O2˙- + O2˙- + 2H+

H 2 O2 + O 2

CATALASA: presentes en peroxisomas.

H 2 O2 + H 2 O2

2H2O + O2

Reparación del ADN Reversión directa de la lesión • Reparación de fotodimieros a través de la FOTOLIASA (FADH2, cromoforo) Dineros de timina Antes

Después

Fotoliasa Fotoliasa

Reparación del ADN Reversión directa de la lesión • Reversión de bases modificadas con grupos alquilo a través de la ALQUILTRANSFERASA, lo transfiere a un residuo de cisteína de su propio centro activo, con lo que se inactiva, por lo que debe ser sintetizada por la célula para mantener el proceso reparador.

Metilgunina

Enzima Cys-SH activa

Enzima Cys-S-CH3 inactiva

Reparación del ADN Por escisión

Se conoce bajo este nombre genérico a la reparación de lesiones basada en la eliminación de la base nitrogenada, nucleótido o segmento de ADN defectuoso y su remplazo por otro nuevo, de secuencia correcta. Se puede dar de dos maneras: • Mecanismo general de reparación por escisión de nucleótidos. • Mecanismos especificos de reparación por escisión de bases.

Reparación del ADN Por Escisión • Mecanismo general de reparación por escisión de nucleótidos.

En este mecanismo (NER, nucleotide excision repair) intervienen proteínas que reconocen distintos tipos de alteraciones que causan distorsión en la doble hélice, como dímeros de timina o una base con su sustituyente voluminoso (ejemplo: cisplatino).

En humanos, es el sistema más importante contra daños al ADN causado por el humo del tabaco

Reparación del ADN Por Escisión La escinucleasa humana es un gran complejo proteico (cerca de 1000kDa en total) que se puede considerar formado por 6 subunidades funcionales que se van asociando y separando a lo largo del proceso constituidas por un total de 16 cadenas polipeptídicas. Si se suman en las proteínas responsables de la replicación y sellado, en total participan en el proceso de reparación por escisión de nucleótidos unos 30 polipéptidos diferentes. Las proteínas componentes de la escinucleasa humana se van asociando por interacciones mutuas (→) sobre la región de ADN que hay que reparar

RECONOCIMIENTO

XPA

RPA

El complejo completo que realiza la escisión alcanza los 1000kDa

XPC HHR23B XPD

TFIIH

XPB

XPG XPF ERCC1

XPF

XPG

ERCC1 CORTE 5’

CORTE 3’

Reparación del ADN Por Escisión • Mecanismo especifico de reparación por escisión de bases. Este sistema (BER, base excision repair) se encarga de reparar bases especificas; por lo tanto, reconoce y actúa en sitios concretos, reparando lesiones demasiado sutiles para distorsionar el ADN, por ejemplo pueden reparar daños por hidrólisis, oxidación por radicales libres, alquilaciones…

En humanos, es el sistema más importante contra daños al ADN causado por el humo del tabaco. Se diferencia en los dos pasos iniciales: Primero se elimina la base alterada o incorrecta y no su nucleótido incompleto. Una N-glicosilasa de ADN reconoce un solo tipo de base anómala, he hidroliza su enlace N-glicosídico con la desoxirribosa, dando a lugar a un sitio apirimidínico o apurínico, según sea el caso. Segundo la endonucleasa AP hidroliza el enlace fosfodiéster al lado 5’ del sitio abásico.

Reparación del ADN De apareamientos incorrectos Los apareamientos incorrectos se producen por errores en la replicacion o como consecuencia de recombinación. Normalmente la mayoría de los errores son corregidos inicialmente por la ADN polimerasa, se rectifican gracias a su propia actividad correctora de pruebas, o exonucleasa 3’, pero unos pocos pueden permanecer sin corregir. Es entonces donde entra en juego este mecanismo, formado por proteínas que reconocen la presencia de un par de bases mal apareadas y eliminan la base errónea o bien un tramo de la hebra de ADN que la contiene, para luego ser repuestas por los mecanismos ya estudiados, con intervención de las ADN polimerasas  y  , y sus cofactores RFC y PCNA. ¿Cómo determina la maquinaria de reparación cual de las 2 bases de un par incorrecto es la errónea, la que hay que eliminar?

Uno de los mecanismos que permite esto es la METILACIÓN del ADN, las enzimas encargadas de la metilación de bases tardan un tiempo en actuar, por lo que en el ADN dúplex solo la progenitora se encontrara metilada.

Reparación del ADN De apareamientos incorrectos Consecuencias si no se corrige el nucleótido mal apareado: Nucleótido incorporado incorrectamente en una hebra:

Corrección del nucleótido mal apareado: LA HEBRA PROGENITORA ESTA METILADA

A C

Primera replicación tras mutación Las proteínas de reparación reconocen el apareamiento incorrecto, diferencian la hebra nueva porque no esta metilada, actuando sobre ella.

G C

A T Segunda replicación tras mutación

A T

G C A T En la mitad de las células hijas se ha fijado la mutación, ya es imposible corregirla

G C

Más tarde las METILASAS de la célula metilarán la hebra nueva

G C

Enfermedades asociadas a la reparación Se conoce una serie de enfermedades atribuidas a defectos en los genes que codifican a proteínas de reparación de ADN. Estos defectos conducen a una mayor incidencia del cáncer, pues producen la acumulación de mutaciones no corregidas. Xerodermia pigmentosa enfermedad hereditaria causada por una deficiencia en algunos de los genes responsables de la reparación por escisión de nucleótidos, conduciendo a acumulación de dímeros de timina, son muy susceptibles a cáncer de piel (1000 a 2000 veces más que personas normales). Hasta ahora se han identificado 7 genes XPA, XPB, XPC, XPD, XPF, ERCC1 Y XPG.