EL GENOMA HUMANO

EL GENOMA HUMANO: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES Y LOS CROMOSOMAS

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE MEDICINA UNIDAD DE GENÉTICA MÉDICA CÁTEDRA DE GENÉTICA DEPARTAMENTO DE PEDIATRÍA


INTRODUCCIÓN Los avances técnicos y conceptuales en Genética han permitido la identificación de un número muy extenso de genes implicados en enfermedades humanas, así como un mejor conocimiento de su base molecular. La identificación del genoma humano conllevó enormes avances, tanto tecnológicos como en conocimientos, que han ha n permitido profundizar en la investigación de las bases genéticas de la enfermedad, tanto desde el punto de vista etiopatogénico y de comprensión de sus mecanismos de transmisión, como por el desarrollo de métodos diagnósticos y nuevas opciones terapéuticas. Este origen genético, no sólo se ha reconocido de forma progresiva en un mayor número de enfermedades pediátricas infantiles, sino en múltiples enfermedades comunes del adulto. Actualmente, la enfermedad genética es una parte fundamental de la Medicina con implicaciones, no sólo diagnósticas y de tratamiento específico para el individuo afectado, sino para la familia, a la que debemos ofrecer estudio, asesoramiento y posibilidades de diagnóstico prenatal. Esta revisión intenta actualizar los conceptos genéticos que comprenden el dogma central de biología molecular: molecul ar: ADN, ARN y proteínas, replicación del ADN incluyendo las ácidos nucleicos, estructura y organización de los genes, los fundamentos de la expresión génica (transcripción) y la traducción y el código genético. Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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ÁCIDOS NUCLEICOS De acuerdo a la composición química, los ácidos nucleicos se clasifican en ácidos desoxirribonucleicos (ADN) que qu e se encuentran residiendo en el núcleo celular y algunos organelos, y en ácidos ribonucleicos (ARN) que actúan en el citoplasma. Se conoce con considerable detalle la estructura y función de los dos tipos de ácidos nucleicos. A las unidades químicas quími cas que se unen para formar los ácidos nucleicos se les denominan nucleótidos y al polímero se le denomina polinucleótido o ácido nucleico. Los nucleótidos están formados por a) una base nitrogenada; b) un grupo fosfato y; c) un azúcar; ribosa en caso de ARN y desoxirribosa en el caso de ADN. Las bases nitrogenadas son las que contienen la información genética y los azúcares y los fosfatos tienen una función estructural formando el esqueleto del polinucleótido. Se diferencian dos variedades de bases nitrogenadas en el ADN, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A (Adenina) Adenina) y G (Guanina (Guanina). ). Las pirimidinas son T (Timina (Timina)) y C (Citosina (Citosina). ). En el caso del ARN también son cuatro bases, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A y G y las pirimidinas son C y U (Uracilo (Uracilo). ). EL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) El Á El Ácido cido DesoxirriboN esoxirriboN ucleico ucleico (ADN) es el material m aterial genético de todos los organismos celulares. El ADN lleva la información necesaria para dirigir la síntesis de proteínas y la replicación. Se llama síntesis de proteínas a la producción de las proteínas que necesita la célula. La replicación es el conjunto de reacciones por medio de las cuales el ADN se copia a sí mismo cada vez que una célula se divide y transmite a la descendencia la información que contiene. En casi todos los organismos celulares el ADN está organizado en forma de cromosomas, situados en el núcleo de la l a célula. Cada molécula de ADN está constituida por dos cadenas o bandas formadas por un elevado número de compuestos químicos llamados nucleótidos. Estas cadenas forman una especie de escalera retorcida que se llama doble hélice. Como se dijo con anterioridad, cada nucleótido está formado por tres unidades: una molécula de azúcar llamada desoxirribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles compuestos nitrogenados llamados bases nitrogenadas: A, G, T y C. La molécula de desoxirribosa ocupa el centro del nucleótido y está flanqueada por un grupo fosfato a un u n lado y una base al otro. El grupo fosfato está a su vez unido a la desoxirribosa del nucleótido adyacente de la cadena. Estas subunidades enlazadas desoxirribosa-fosfato forman los lados de la escalera; las bases están enfrentadas por parejas, mirando hacia el interior, y Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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forman los travesaños unidos a través de puentes o enlaces de hidrógenos. Por tal motivo, los nucleótidos de cada una de las dos cadenas que forman el ADN establecen una asociación específica con los correspondientes de la otra cadena. Debido a la afinidad química entre las bases, los nucleótidos que contienen A se acoplan siempre con los que contienen T, y los que contienen C con los que contienen G. Así mismo, las bases nitrogenadas complementarias se unen entre sí por enlaces químicos débiles llamados enlaces de hidrógeno. Como consecuencia de esta estructura, las dos cadenas polinucleotídicas corren en direcciones opuestas y, por lo tanto, el conocimiento de la secuencia de una cadena polinucleotídica automáticamente permite determinar la secuencia de base de la otra cadena. La estructura bicatenaria de la molécula de ADN le permite replicarse por separación de las l as dos cadenas, seguida por síntesis de dos nuevas cadenas complementaria, de acuerdo con la secuencia de la cadena modelo m odelo (templete) original. Asi mismo, cuando es necesario, la complementariedad de las bases permite la reparación eficiente y correcta de las moléculas dañadas de ADN.

TIPS PARA RECORDAR El ADN está formado por dos cadenas muy largas de polinucleótidos unidas entre sí por puentes de hidrógeno específicos entre las bases de las dos cadenas. La base de una cadena que se une por los puentes de hidrógeno con la base de la otra cadena se dice dic e que forman un par de bases. A se parea con T y G con C. Las dos cadenas se encuentran en cuentran arregladas en una estructura helicoidal alrededor de un eje común por lo que recibe el nombre de doble hélice. hélice . Las bases se encuentran acomodadas hacia el eje de la doble hélice, mientras que el azúcar y los l os fosfatos se encuentran orientados hacia el exterior de la molécula.

Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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Figura 1. Estructura de las Bases Nitrogenadas.

Figura 2. Estructura de un Nucleótido.


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Figura 3. Unión Fosfodiester en los Ácidos Nucleicos.

Los nucleótidos se unen para formar el polinucleótido poli nucleótido por uniones fosfodiester entre el carbono 5' de un nucleótido y el carbono 3' del del siguiente. Un dinucleótido en el que se unieron un nucleótido nu cleótido con la base A con un nucleótido con la base G y el enlace fosfodiester se formó entre el carbono 3' del nucleótido con base A y el 5' del nucleótido con base G, se representa simplemente como AG. Si a este dinucleótido se le agrega otro nucleótido nu cleótido en el carbono 3' y este nucleótido tiene una base T, el trinucleótido trinucleóti do resultante se representará por AGT. Ésta es la forma simplificada simpli ficada en que se acostumbra representar los polinucleótidos. El tamaño de la molécul moléculaa de ADN de doble hélice se expresa en miles de bases o kb. La longitud de 1kb es entonces 0.34 micras. Una molécula de ADN de un milímetro de longitud estará formada de 3 mil kb o sea tres millones de bases. ADN es un largo filamento fila mento de 20 Angstrom de diámetro cuya longitud depende del número de kb.


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Figura 4. Estructura de los Pares de Bases.

TIPS PARA RECORDAR La estructura anatómica del ADN porta la información i nformación química que permite la exacta transmisión de la información genética desde una célula madre a sus células y desde una generación a la próxima (Replicación del ADN). La estructura primaria del ADN determina la secuencia aminoacídica de las cadenas polipetídicas de las proteínas (Síntesis de Proteína). El conocimiento de la secuencia de una cadena permite determinar la secuencia polinucleotídica de la otra cadena La complementariedad de bases nitrogenadas ni trogenadas del ADN permite la reparación exacta, eficiente y correcta del ADN (Reparación del ADN).


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En los cromosomas estas moléculas se arreglan en estructuras más compactas en las que la doble hélice se enrolla sobre sí misma. En el caso de las bacterias, la molécula de ADN de más de un milímetro de longitud se arregla dentro de la bacteria que sólo tiene una longitud de una micra (o sea es una u na longitud mil veces menor). Figura 5. Estructura de la Doble Hélice

Clases de ADN Mientras que el mayor énfasis de la genética se da al ADN que codifica proteínas, es importante anotar que menos del 5% de los 3 billones de pares de nucleótidos que posee el genoma humano realiza esta función. f unción. Se desconoce, por lo tanto, la función del 95% restante del ADN. Como se expresó con anterioridad, el ADN es el constituyente básico de la cromatina (cromosoma) nuclear en las células eucarióticas, pero también existe en pequeña cantidad en las mitocondrias. Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia. 7


Para un mejor entendimiento de la naturaleza del ADN, es mejor clasificarlo brevemente en los diferentes tipos existentes: 1. -ADN -ADN de copia única comprende aproximadamente el 45% del total de ADN del genoma humano. Es la primera y más importante clase de ADN. Como su nombre lo indica, son secuencias de ADN de una sola copia que son vistos una sola vez en el genoma (o posiblemente muy pocas veces) y está formado por segmentos de aproximadamente 1.000 pares de nucleótidos de longitud. Una pequeña parte del ADN de copia única incluye los genes que codifican proteínas. De esta pequeña porción representada por los genes, solamente una ínfima porción está conformada por las secuencias de ADN que codifican proteínas (los exones), ya que la mayor parte de los genes está conformada por los intrones. El resto del ADN de copia única lo forman las secuencias de ADN que se intercala entre los l os genes. 2. -ADN repetitivo (55%) ( 55%) son secuencias que se repiten una y otra vez en el genoma, a menudo miles de veces. Se clasifican en ADN satélite o ADN altamente repetitivo y en ADN repetitivo disperso. disperso. a. ADN satélite o altamente repetitivo representa el 10% 1 0% del genoma. Son unidades cortas de pares de nucleótidos que se repiten en el genoma. Las repeticiones satélites están agrupadas en ciertas localizaciones l ocalizaciones cromosómicas, donde se encuentran dispuestas en tándem, es decir, el comienzo de una repetición ocurre inmediatamente después del final de la otra. El término satélite se deriva del hecho que estas secuencias, debido a su composición, pueden ser fácilmente separadas por centrifugación. centrifugaci ón. El ADN aparece como un “satélite” separado del otro ADN en el gradiente. Este término no debe ser confundido con los “satélites” que pueden pu eden ser

observados microscópicamente sobre ciertos cromosomas. El ADN satélite puede ser subdividido en varias categorías:

ADN α-satélite el cual ocurre en repeticiones en tándem de secuencia de 171 pares de bases (pb) ( pb) y pueden extenderse a varios millones de pb o más. Este tipo de ADN satélite se encuentra cerca de los centrómeros de los cromosomas. Minisatélites son bloques de repeticiones en tándem (cada una de 14 a 500 pb) cuya longitud total es mucho menor, usualmente pocos cientos de pb. Microsatélites son unidades de repetición de 1 a 13 pb, y la longitud total del arreglo es usualmente menor a la l a de cientos de pb. b. ADN repetitivo disperso como su nombre lo indica son repeticiones dispersas a través de todo t odo el genoma representando el 45% del mismo. Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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Estas repeticiones no ocurren en tándem. Estas Esta s repeticiones se pueden subclasificar en varios tipos. Las dos categorías más comunes son los elementos cortos interpuestos (SINEs ( SINEs:: short interspersed elements ) y elementos largos interpuestos (LINEs ( LINEs:: long interspersed elements). Los SINEs varían en tamaño de 90 a 500 pb, mientras que los LINEs pueden llegar a medir 7.000 pb. Uno de los tipos más importantes im portantes de SINEs son las llamadas “repeticiones Alu”. Estas repeticiones de aproximadamente

300 pb deben su nombre n ombre porque son secuencias que pueden ser cortadas por la enzima de restricción Alu. Estas repeticiones se agrupan en familias de genes, lo l o que significa que todos tienen una secuencia de ADN muy similar. Cerca de 1 millón de repeticiones Alu están dispersas en todo el genoma y constituyen cerca del 10% de todo el ADN humano. Una característica llamativa de las l as repeticiones Alu y de algunas secuencias LINEs, es que algunas de ellas pueden generar copias de sí mismas, que luego pueden ser insertadas en otras partes del genoma. Estas inserciones pueden algunas veces interrumpir un gen que codifica proteína, causando enfermedades genéticas. TIPS PARA RECORDAR Menos del 5% de los 3 billones de pares de nucleótidos del ADN que posee el genoma humano codifica para una proteína por lo que para un mejor entendimiento de la naturaleza del ADN, es mejor clasificarlo brevemente en los diferentes tipos existentes ADN de copia única (45%). Son secuencias de ADN son vistos una sola vez en el genoma. Una pequeña parte del ADN de copia única incluye los genes que codifican proteínas ADN Repetitivo son secuencias que se repiten una y otra vez en el genoma, a menudo miles de veces. Se clasifican en ADN satélite (ADN altamente repetitivo) y en ADN repetitivo disperso. El ADN satélite (10%) son unidades cortas de pares de nucleótidos que se repiten en el genoma. Se clasifica en ADN α-satélite, mini-satélites y microsatélites. microsatélites. El ADN repetitivo disperso (45%) son repeticiones dispersas a través de todo el genoma que no ocurren en tándem. Se subclasifica SINEs y LINEs. Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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REPLICACIÓN DEL ADN La estructura de la doble hélice héli ce para el ADN fue originalmente propuesta por Watson y Crick en 1953, postulando que la secuencia en la cual se encuentran las bases a lo largo de la molécula de ADN es lo que contiene la información genética. No existe ningún impedimento estérico que limite la secuencia de bases, cualquier base puede seguir a cualquier cu alquier otra. Con estas bases, Watson y Crick propusieron el mecanismo de duplicación del ADN por medio del cual, las dos células hijas provenientes de una división celular contienen copias idénticas del ADN presente en la l a célula que se dividió. A la duplicación del ADN se s e le conoce con el nombre de replicación. Por lo tanto, la replicación del ADN es la capacidad que tiene el ADN de hacer copias o réplicas de su molécula. Este proceso es fundamental para la transferencia de la información genética de generación en generación. El modelo de replicación del ADN se dice que es semi-conservado, semi-conservado, porque la mitad del ADN de un cromosoma, una cadena completa, proviene de la célula materna y la otra mitad, la l a otra cadena, se sintetiza durante el proceso de replicación. Es decir, la doble hélice se separa y cada una de las cadenas sirve de molde para la l a síntesis una nueva cadena complementaria. El resultado final son dos moléculas idénticas a la original. En casi todos los organismos celulares, la replicación de las moléculas de ADN tiene lugar en el núcleo, justo antes de la división celular. Empieza con la separación de los enlaces de hidrógenos que unen a las dos cadenas de polinucleótidos, cada una de las cuales actúa a continuación como plantilla para el montaje de una nueva cadena complementaria ya que quedan moléculas monocatenarias con bases desapareadas. La clave para la replicación del ADN es el apareamiento apareami ento de adenina con timina y citosina con guanina, conocido como complementariedad complementariedad de las bases. bases. El principio de complementariedad de las bases dicta que las bases desapareadas atraerán a nucleótidos libres si el nucleótido tiene la complementariedad apropiada. A medida que la cadena original se abre, cada uno de los nucleótidos de las dos cadenas resultantes atrae a otro nucleótido complementario previamente formado por la célula. Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno para formar los travesaños de una nueva molécula de ADN. A medida que los nucleótidos complementarios van encajando en su lugar, una Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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enzima llamada ADN polimerasa los une enlazando el grupo fosfato f osfato de uno con la molécula de azúcar del siguiente, para así construir la hebra lateral l ateral de la nueva molécula de ADN. La ADN polimerasa no formará la unión fosfodiester, a menos que la base que está es tá entrando a la molécula, sea complementaria a la base existente en la cadena patrón. Es decir, la ADN polimerasa viaja a lo largo de la molecula monocatenaria de ADN que está sirviendo de plantilla y va añadiendo nucleótidos libres al extremo 3´de la l a nueva cadena. Los nucleótidos solo pueden ser añadidos en el extremo 3ýa que la dirección a la que qu e viaja la ADN polimerasa (dirección de la replicación) es 5á 3´. Cuando se refiere a la orientación de la secuencia a lo l o largo del gen, la dirección 5´se llama “cascada arriba” (“upstream”) y la dirección 3´se llama “cascada abajo” (“downstream”). A medida que la ADN polimerasa va añadiendo nucleótidos

libres hace una lectura y revisión de su trabajo, ya que chequea que el nucleótido añadido es el correcto. Si este no es el adecuado, entonces escinde el nucleótido errado y lo reemplaza por uno u no que cumpla el principio de complementariedad de las bases. Este proceso continúa hasta que se ha formado una nueva cadena de polinucleótidos a lo largo de la antigua; se reconstruye así una nueva molécula con estructura de doble hélice. Cuando ocurre un error en la replicación y este error no es exitosamente reparado se produce una mutación. La frecuencia con la que se inserta una base equivocada es menor a 1 en 100 1 00 millones. Si se substituye una base púrica por otra, o una pirimidínica por otra, al cambio se le llama transición; transición; pero si se substituye una base púrica por una pirimidínica al cambio se le llama transversión. transversión. Por otra parte, si se agrega o elimina una base entonces se produce lo l o que se llama un cambio del marco de lectura. lectura. En este último caso, se lee l ee en forma errónea todo el mensaje que codificado en la secuencia de ADN ya que esta se hace de tres en tres. En algunas ocasiones, cuando se modifica una de las bases y la ADN polimerasa no la identifica, entonces introduce i ntroduce una A y el cambio final será la introducción de una T en la cadena patrón. La célula tiene mecanismos para eliminar los errores o cambios que ocurren en el ADN, bien bi en sea durante la síntesis o cuando ya está formado. Si la l a célula no repara los cambios cambi os y entra en el proceso de duplicación con el ADN modificado, el cambio se fija y se vuelve permanente. El gen modificado puede pued e ahora codificar una proteína diferente, y si este es el caso, se dice que tuvo lugar una mutación. mutación. En la Tabla 2 se presenta el efecto de los cambios en el ADN sobre la estructura primaria del polipéptido que codifica.


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Tabla 1. Tipos de Mutaciones en un gen o secuencia de ADN Tipo de mutación

Secuencia del ADN

Secuencia del polipéptido Cadena superior

Ninguna

AAT CGG GAG TTA GCC CTC

Asn Arg Val

Transversión (GC:TA)

AAT CCG T AG AG TTA GCC A GCC ATC TC

Asn Arg (fin)

Transición GC:AT

AAT ACC A ACC AAG AG TTA GCC T TC TC

Asn Arg Lis

Inserción, cambio de marco

A X A TCG GGA T T AGC CCT

Produce la sig. secuencia

AT A TCG CCT T AT AT AGC CCT

Ileu Ser Gli

La tasa de replicación del ADN humano es de aproximadamente 40 a 50 nucleótido por segundo, lo cual es comparativamente baja con respecto a la de algunas bacterias cuya tasa de replicación alcanza a 500 a 1.000 nucleótidos por segundos. Dado que algunos al gunos cromosomas humanos tienen más de 250 millones de nucleótidos, la replicación de ese cromosoma tardaría mucho (casi dos meses). Para evitar evi tar este largo proceso, al replicación en humano comienza en diferentes puntos a lo largo del cromosoma, llamados orígenes de replicación. Las múltiples separaciones separaci ones resultantes de la cadena de ADN son llamadas burbujas de replicación. replicación. Existen varias substancias que incrementan significativamente la frecuencia con la que ocurren cambios en las bases que se introducen en el ADN que se está sintetizando y se les denomina mutágenos. mutágenos. La mayoría de los cancerígenos son mutágenos.


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Tabla2 Mutágenos y su Efecto sobre el ADN. ADN. Mutágeno

Mecanismo

Resultado en el ADN

Agentes alquilantes Se une covalentemente y (nitrosourea, nitrosoguanidina) forma sitios apurínicos

Transición y transversión

Agentes desaminantes (ácido nitroso)

Adenina-hipoxantina y citosina-uracilo

Transición

Base análoga (2-aminopurina)

Substitución durante la replicación del ADN

Transición

Agente intercalante (antridinas, antraciclinas)

Inserción o eliminación de Cambio del marco pares de bases de lectura

Fraccionadores de las cadenas (radiaciones ionizantes)

Translocación cromosómica Cambio de una o más bases

Si la substitución, inserción o eliminación de una base tuvo lugar en alguna parte del ADN que codifica una proteína, entonces puede cambiar un codón y dar lugar a una modificación que produzca la introducción de un aminoácido diferente o se codifique por terminación de la l a cadena peptídica. Las mutaciones se clasifican clasifica n de acuerdo al efecto que tienen sobre el producto sentido, si el del gene modificado. Se dice que la mutación es: 1) sin sentido, producto es inactivo o incompleto, 2) de pérdida del sentido, sentido, si el producto es defectuoso y 3) silenciosa, silenciosa, si no se altera ni la función ni la cantidad del producto activo.


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DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR: ADN-ARN-PROTEINAS Como se dijo con anterioridad, la información inf ormación genética está contenida en el ADN el cual se encuentra en cuentra super-enrollado en los cromosomas los cuales se encuentran dentro del núcleo celular, pero la síntesis de proteína, durante la cual se utiliza la información codificada en el ADN, toma lugar en el citoplasma. Esta compartimentalización refleja el hecho que la especie humana es un organismo eucariota. eucariota. Dicho en otras palabras, las células humanas tienen un verdadero núcleo que contiene ADN, el cual es separado por una membrana nuclear del citoplasma. De esta manera, el núcleo dirige las actividades de la célula y en él tienen lugar procesos tan importantes como la autoduplicación o replicación del ADN, antes de comenzar la división celular, y la trascripción o producción de los distintos tipos de ARN, que servirán para la síntesis de proteínas. Debido a esta compartimentalización de las células eucariotas, la transferencia de información desde el núcleo al citoplasma es un proceso muy complejo. Por lo tanto, la función principal del ADN es mantener a través de un sistema de claves (código genético) la información necesaria para que las células hijas sean idénticas i dénticas a las progenitoras (información genética). Este proceso se almacena en la secuencia de las bases, que tiene una disposición di sposición que es copiada al ARNm en un proceso que se conoce como traducción para que en el ribosoma sintetice determinada proteína. Este proceso es también denominado "DOGMA "DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR ". ".

EL ÁCIDO RIBONUCLEICO El enlace molecular entre estos dos tipos de información i nformación (el código de ADN de los genes y el código de aminoácidos de las proteínas) es el Á el Ácido cido RiboN iboN ucleico ucleico (ARN). La estructura química del ARN es similar al del ADN excepto que cada nucleótido de ARN tiene como azúcar azú car a la ribosa en lugar de desoxirribosa; además, el uracilo reemplaza a la timina. El ARN es un filamento de una sola cadena que no forma doble hélice. La presencia de un oxígeno en la posición 2' de la ribosa impide que se forme la doble cadena de la manera man era en que se forma en el ADN. El filamento filam ento de ARN se puede enrollar sobre sí mismo mediante la formación de pares de bases en algunas secciones de la molécula.


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En líneas generales, la información inf ormación genética es almacenada en el ADN por medio de un código (código ( código genético) en el cual la secuencia de las bases adyacentes determina la secuencia de aminoácidos en el polipéptido codificado. Primero, el ARN es sintetizado desde el ADN templete, a través de un proceso conocido como transcripción. transcripción. El ARN que tiene la información in formación codificada es llamado ARN mensajero (ARNm (ARNm)) y es luego transportado desde el núcleo al citoplasma, donde la secuencia de ARN es decodificada, o traducida, para determinar la secuencia de aminoácido en la proteína que está siendo sintetizada. El proceso de traducción ocurre en los ribosomas, los cuales son organelos citoplasmáticos con sitios de unión para todas las moléculas interactuantes, incluyendo el ARNm, involucrado en la síntesis de proteína. Los ribosomas están formado de diferentes proteínas estructurales en asociación con un tipo ti po especializado de ARN conocido como ARN ribosómico (ARNr). ARNr). La traducción involucra un tercer t ercer tipo de ARN, el ARN de transferencia t ransferencia (ARNt), ARNt), el cual proporciona el enlace molecular entre la secuencia de bases nitrogenadas codificada del ARN y la secuencia aminoacídica de la proteína. TIPS PARA RECORDAR Existen varios tipos de ARN cada uno con función distinta. Los que forman parte de las subunidades su bunidades de los ribosomas se les denomina ARN ribosómico (ARNr). ARNr). Los ARN que tienen la función funci ón de transportar los aminoácidos activados, desde el citoplasma hasta el lugar de síntesis de proteínas en los ribosomas; se les conoce por ARN de transferencia (ARNt) ARNt). Los ARN que son portadores de la información inf ormación genética y la transportan del genoma (molécula de ADN en el cromosoma) a los ribosomas (citoplasma) son llamados ARN mensajero (ARNm). ARNm).


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ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN DE LOS GENES El Proyecto Genoma Humano es una iniciativa internacional que se inició ini ció en 1990, para dar a conocer las instrucciones precisas de carácter químico que van a definir a los organismos vivos: el genoma completo. El término Genoma es el nombre colectivo que se emplea para agrupar las diferentes moléculas de ADN que se encuentran en una célula. En el organismo humano existen 25 moléculas diferentes de ADN: a) - 24 de ellas constituyen el ADN presente en los núcleos de la células, y están contenidas en las 22 unidades de cada pareja de cromosomas, más el cromosoma X y el cromosoma Y; su conjunto se denomina genoma nuclear; b) - la molécula de ADN especial que se encuentra en las mitocondrias. mi tocondrias. En su forma más simple, un gen es una secuencia lineal organizada de nucleótidos en la molécula de ADN, ADN , que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica, normalmente proteínas, pero también ARNm, ARNr y ARNt. Es E s decir, un gen es una sección de la cadena de ADN que lleva las instrucciones de una función específica. El gen es considerado como la unidad uni dad de almacenamiento de información genética y unidad de herencia al transmitir esa información a la descendencia. Los genes se ubican dentro del cromosoma ocupando una posición determinada llamada locus. Se denomina genoma al conjunto de genes de una especie, y por tanto, tanto , al total de cromosomas donde residen esos genes El número total de genes en el genoma humano, h umano, según los más recientes cálculos y previsiones, está entre 30.000 y 50.000. De ellos 37 son mitocondriales y todo el resto son nucleares. Estas estimaciones están muy por debajo de los 50.000 a 100.000 genes que se previeron hace unos años; sin embargo, no hay todavía certeza sobre el número exacto de genes. El tamaño total del genoma humano es de una 3.200 Mb de ADN que se distribuyen entre los cromosomas de manera irregular, desde las 270 Mb que contiene el cromosoma 1 hasta las l as 45 Mb del cromosoma más pequeño, el 21. Los genes humanos no se distribuyen de modo m odo igual por los cromosomas, lo que hace que su densidad (número de genes por unidad de ADN) varían Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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sustancialmente de un cromosoma a otro y, dentro de un u n cromosoma, de una porción a otra. El tamaño t amaño de los genes humano es muy diferente; y puede variar desde menos de 1 kb (el gen del interferón a hasta el gen de la distrofina que tiene cerca de 2.500 kb). La mayoría del ADN con capacidad codificadora se utiliza para fabricar ARN mensajero (ARNm) y, a partir de él, para elaborar los polipéptidos formados gracias graci as al ensamblaje de aminoácidos. Pero un 10% de los genes humanos codifican ARN que después no va a regular la formación de polipéptidos (ARNr y ARNt). Figura 6. Diagrama esquemático de un gen corto.

En la figura se aprecia dentro de la estructura en doble hélice del ADN que al comprimirse va formando un cromosoma (derecha). Se trata de un gen eucariota (el procariota carece de intrones).

Además, no toda la cadena del ADN de un gen tiene capacidad para codificar sus productos, ya que es interrumpida por una o más regiones no-codificantes llamadas intrones. intrones. Estos intrones son inicialmente transcriptos en el ARN del núcleo pero no están presentes en el ARN maduro que se encuentra en el citoplasma. De esta manera, la información de una secuencia intrónica del gen (ADN) no está normalmente representada en el producto final proteíco. En la gran mayoría de los genes humanos que codifican polipéptidos, la información genética viene en segmentos de ADN que son codificadores y se denominan exones. exones. Estos exones están alternados o separados por los intrones. Pocos genes humanos no contienen intrones y sorpresivamente, en muchos genes la Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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longitud acumulativa de la secuencias intrónicas es mayor que la longitud de todos los exones.

Características Estructurales de un Gen Humano Hemos definido gen como una secuencia del ADN cromosómico que es requerida para la producción de una molécula funcional, funcional, ya sea una proteína o una molécula de ARN funcional. Desde el punto de vista estructural un gen incluye no solamente de la l a secuencia codificante requerida para la producto de la molécula funcional sino si no también de todas las secuencias nucleotídicas requeridas para la expresión apropiada del gen, es decir, para la producción adecuada de una molécula normal ARNm, en la cantidad correcta, en el lugar correcto y en el momento correcto durante el desarrollo o durante el ciclo celular (regulación (regulación espacio-temporal de la expresión génica). génica ). Figura 7. Localización de un gen o secuencia de ADN

Las secuencias nucleotídicas adyacentes proporcionan las señales moleculares del “inicio” o “comienzo” y de la “terminación” para la síntesis de un ARNm

transcripto desde el gen. En el extremo 5´ del gen descansa una región Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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promotora, la cual incluye la secuencia responsable de la iniciación apropiada de la transcripción. Dentro de la región 5´ hay varios elementos de ADN cuya secuencia es conservada durante el proceso evolutivo de las especies. Esta conservación, junto con los estudios funcionales de expresión génica en muchos laboratorios de biología molecular, indica que estas secuencias particulares juegan un papel importante en la regulación de la expresión génica. También, hay varios tipos diferentes de promotores encontrado en el genoma humano, con diferentes propiedades regulatorias que qu e determina los patrones de desarrollo, así como los niveles de expresión de un gen particular en diferentes tejidos. Tanto los promotores como otros elementos regulatorios, incluyendo los amplificadores (enhancers), los silenciadores (silencers) y regiones que controlan al locus ( locus control region) se describirán mejor en la sección Regulación de la Expresión Génica (páginas 20 y 21).

Figura 8. Representación Esquemática de un Gen Humano Típico

En el extremo 3´del gen descansa una región no-traducida que contiene una señal para la adición de una secuencia de residuo de adenosina (llamado tallo de poli-A) poli-A) al extremo final del ARNm maduro.


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FUNDAMENTOS DE LA EXPRESIÓN GÉNICA TRANSCRIPCIÓN

La transcripción es el proceso por el cual se forma una secuencia de ARN a partir de una secuencia templete de ADN. El tipo de ARN producido por el proceso de transcripción es el llamado ARN mensajero ( ARNm). ARNm). Para dar inicio a la transcripción del ARNm una de las dos tipos de enzima ARN polimerasa, la ARN polimerasa tipo II, se une a un sitio promotor del ADN. Luego, la ARN polimerasa separa a las dos cadenas de ADN. Una de las dos cadenas de ADN proporciona el templete para la secuencia de los nucleótidos de ARN. Aunque en principio las dos cadenas de ADN pueden servir como templete para la síntesis de ARNm, solamente se escoge a una en una región dada del cromosoma. Esta escogencia viene dada por la secuencia del promotor, la cual orienta la ARN polimerasa en una dirección especifica a lo largo de la secuencia de ADN. Debido a que la molécula del ARNm solamente puede ser sintetizada en dirección 5á 3´, el promotor al especificar la direccionalidad, determina cuál cadena de ADN servirá como templete. Este templete de ADN es conocido como la cadena antisentido. La ARN polimerasa se mueves en dirección 3á 5á lo largo de la cadena de ADN, ensamblando la cadena de ARNm desde 5á 3´. Debido al apareamiento de bases complementarias, la secuencia nucleotídica del ARNm es idéntica a la cadena de ADN que no sirve como templete –cadena con sentidosentido- excepto, claro está, la sustitución de uracilo por timina. Tan pronto como comienza la síntesis de ARN, el extremo 5´de la molécula de ARN en crecimiento es modificada ( “capped” ) por la adición de un nucleótido de guanina químicamente modificada. Este cap 5´ (gorra o capuchón 5´) parece ayudar a prevenir la degradación de la molécula de ARN, y luego ayuda a indicar la posición del comienzo para la traducción de la molécula de ARNm en proteína. La transcripción continúa hasta que se alcance un grupo de bases llamada secuencia de terminación. terminación . Cerca de este punto, se añade una serie de 100 a 200 bases de adenina al extremo 3´de la molecula de ARN. Esta estructura, el tallo poli-A, puede estar involucrada en la estabilización de la molécula de ARNm de tal manera que no sea degrada cuando alcance el citoplasma. La localización del punto del tallo de poli-A es determinado en parte por la secuencia s ecuencia AAUAAA (o variante de ésta), usualmente encontrada en el extremo 3ńo-traducido. La ARN polimerasa usualmente continua transcribiendo el ADN de varios miles de bases adicionales, pero las bases de ARN que se unen después del tallo de poli-A eventualmente se remueven. Finalmente, las cadenas de de ADN y la ARN ARN polimerasa se separan de la cadena de ARN lo que deja una molécula monocatenaria de ARN llamado transcripto primario. primario. Estas modificaciones pos-transcripcionales toman lugar en el núcleo Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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a medida que se realiza el proceso de empalme de ARN. En el caso de los genes que contienen múltiples exones, este transcripto primario contiene las secuencias complementarias, tanto de los exones como de los intrones del gen. Posteriormente, el transcripto primario de ARN sufre un proceso de corte y empalme (splicing) del ARN que son una serie de reacciones por las que los segmentos de ARN intrónico son seccionados y eliminados, y los segmentos de ARN exónico se van juntando uniéndose un cabo a otro (empalme), dando origen a un segundo transcripto de ARN que es más corto. El ARN completamente procesado, conocido ahora como ARNm, es luego transportado al citoplasma, donde toma lugar la traducción. Algunos genes tienen contienen sitios alternativos de empalme, empalme, lo cual permite al mismo transcripto primario ser empalmado en diferentes formas, produciendo diferentes proteínas a partir del mismo gen.

Para algunos genes en la especie humana, tal es el caso del gen de la distrofina, proteína alterada en la distrofia muscular de Duchenne-Becker, existen varios diferentes promotores y se localizan en diferentes partes del gen. De esta manera, la transcripción del gen puede comenzar en diferentes lugares, resultando en la producción de diferentes proteínas en cuanto a tamaño y función. Esto permite que la misma secuencia génica codifique para diferentes productos polipeptídicos en diferentes tejidos (p. ej., tejido muscular versus tejido cerebral).

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Algunos genes –casi una pequeña cantidad- se transcriben en todas las células. Estos genes son llamados genes de mantenimiento o housekeeping codifican proteínas que son requeridas para el mantenimiento y metabolismo de la célula. Los promotores de muchos genes housekeeping a menudo contienen una alta proporción de citosina y guanina en relación al ADN que los rodean. Tales promotores ricos en CG a menudo se localizan en regiones del genoma llamadas islas CG o CpG, llamadas así por la inusual alta concentración del dinucleótido 5´-CG-3´. Algunas de estas secuencias ricas en CpG encontradas en los elementos promotores sirven de sitios de unión para factores de transcripción específicos.


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Sin embargo, la mayoría de los genes son transcriptos solamente en tejidos específicos y en puntos específicos del tiempo. Por lo tanto, hay una fina y delicada regulación temporo-espacial de la expresión génica. Esta especificidad explica porque hay una gran variedad de diferentes tipos celulares que producen diferentes tipos proteínas a pesar que todas las células, salvo excepciones, tienen la misma secuencia de ADN.

Figura 9. Proceso de corte y empalme (splicing) (s plicing) de ARN

En la figura se desarrolla la evolución del transcripto final maduro de ARN. El gen (en azul) contiene 3 exones (codificadores) y 2 intrones (no codificadores). El transcripto primario de ARN (en rojo) posee todas las secuencias complementarias. Posteriormente, se cortan y eliminan las secuencias intrónicas (GU....AG) y se empalman las exónicas (E1, E2, E3) para originar el ARN maduro. (Figura tomada de: Stracham T, Read AP. Human Molecular Genetics , 3ª ed., New York, Garland Publishing 2004).


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Diversas proteínas participan en el proceso de la transcripción. Algunas de estas proteínas son requeridas para la transcripción de genes estructurales. Son los llamados factores de transcripción general. Pero existen otros que tienen papeles más especializados, activando ciertos genes en ciertos estadios del desarrollo. Estos últimos son conocidos como factores de transcripción específicos. específicos. Un elemento transcripcional clave es la ARN polimerasa tipo II. II. Aunque esta enzima juega un papel vital en la iniciación de la transcripción al unirse con la región promotora del gen, no puede localizar la región promotora por sus propios medios. Además, es incapaz de producir cantidades significativas de ARNm por sí misma. Una transcripción efectiva requiere las interacciones de un gran complejo formado por aproximadamente más de 50 diferentes tipos de proteínas. Estas incluyen factores de transcripción general (o basales), los cuales se unen a la ARN polimerasa II y a secuencias especificas de ADN en la región promotora (por ejemplo la secuencia TATA y otras necesarias para la iniciación de la transcripción). Los factores de transcripción general permite a la ARN polimerasa II unirse a la región promotora de tal manera que la transcripción pueda desarrollarse efectivamente.

La actividad transcripcional (la expresión génica) de ciertos genes puede ser incrementada por la interacción con secuencia llamadas amplificadores (enhancers), los cuales pueden estar localizados cascada arriba o cascada abajo del gen. Los amplificadores o enhancers no interactúan directamente con el gen. En su lugar, lu gar, ellos se unen a una clase de factores fact ores de transcripción específicos, llamados activadores. activadores. Los activadores se unen a una segunda segun da clase de factores de transcripción específicos llamados co-activadores, co-activadores, los cuales a su vez se unen a otros factores de transcripción. Esta cadena de interacciones, del amplificador al activador a ctivador de este al co-activador, y de este último a los factores de transcripción general y finalmente al gen, incrementa la transcripción de genes específicos en sitios específicos en el momento apropiado. Mientras que los enhancers ayudan a incrementar la actividad transcripcional, otras secuencias de ADN, conocidos como silenciadores, ayuda a reprimir la transcripción de genes a través de una serie de interacciones.


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Por otra parte, los factores de transcripción transcri pción localizan secuencias específicas del ADN a través de los motivos de unión al ADN (DNA-binding motifs) que son configuraciones en secuencias de las proteínas-factores de transcripción que permiten unirse y estabilizar una pequeña y específica porción del ADN de doble hélice. Un ejemplo muy particular de motivos de unión al ADN son las clases de proteínas del grupo de alta movilidad (H (H igh-M igh-M obility obility G roup: roup: HMG) las cuales son capaces ca paces de doblar el ADN y pueden facilitar interacciones entre enhancers de localizaciones físicamente muy distantes con factores basales de transcripción apropiados y promotores. La expresión génica o actividad transcripcional del gen también puede estar relacionado a los patrones de enrollamiento o condensación condensaci ón del material genético. Cuando se habla de cromatina se s e refiere a la combinación de ADN, pequeñas cantidades de ARN y ciertas ci ertas proteínas que permiten la condensación del material genético, llamadas histonas. hi stonas. Cuando la cromatina está altamente condensadas las histonas son acetiladas (que es la unión de un grupo acetilo acetil o al aminoácido lisina de la histona) y no permite el acceso de la maquinaria de transcripción por lo que estas regiones, llamadas heterocromatina, son transcripcionalmente inactivas y de difícil replicación. En contraste hay regiones del genoma que se encuentran más descondensadas (menos acetiladas) o “abiertas” o “accesibles” a la l a maquinaria transcripcional. En estas regiones se encuentran los genes que codifican proteínas y son llamadas eucromatina.

TRADUCCIÓN Y EL CÓDIGO GENÉTICO

La traducción es el proceso en el cual el ARNm proporciona un templete para la síntesis de un polipéptido. Sin embargo, el ARNm no puede unirse directamente a los aminoácidos. En el citoplasma, el ARNm es traducido a proteína por la acción de una variedad de moléculas de ARNt, cada una de las cuales determina un aminoácido en particular. El ARNt es una cadena de ARN en forma de trébol de aproximadamente 80 nucleótidos (entre 70 a 100 nucleótidos) y tienen el trabajo de transferir el aminoácido correcto a su posición correcta a lo largo del templete de ARNm, para ser añadido a la cadena polipeptídica en crecimiento. La síntesis de proteína ocurre sobre los ribosomas, complejos macromoleculares compuestos de ARNr (codificados por los genes ARNr 18S y 28S) y varias docenas de proteínas ribosómicas. La función del ARNr es ayudar a la unión del ARNm y ARNt al ribosoma.


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El lenguaje utilizado para describir el proceso de dirección de la síntesis de proteínas por los genes del cromosoma refleja la interpretación de que se trata de un flujo de información. El mensaje que está contenido en el genoma se encuentra escrito en un lenguaje de 4 letras (las cuatro bases), el cual se transcribe usando el mismo lenguaje, al sintetizar el ARNm. La síntesis de proteínas se le denomina traducción porque ahora se pasa del lenguaje de 4 letras a otro con 20 letras (los 20 aminoácidos). Para pasar de un lenguaje a otro se necesita un código para hacer la traducción y se le denomina código genético. genético.

Existen equivalencias entre los dos lenguajes que se aprecian en la Tabla 3. Tres bases contiguas (triplete) triplete) codifican un aminoácido, así como también para la puntuación del mensaje. mensaje. Se ha determinado qué triplete codifica cada aminoácido y qué triplete indica el inicio y la terminación del mensaje. Al triplete se le ha dado el nombre de codón. codón. Se encontró que algunos aminoácidos podían ser codificados por más de un codón, o sea hay codones que son sinónimos. Por esta razón se dijo que el código genético es degenerado.

Una característica significativa del código genético es que es universal: universal: virtualmente todos los organismos vivos usan el mismo código de ADN para determinar los aminoácidos. Una excepción conocida a esta regla ocurre en las mitocondrias. Las mitocondrias tienen sus propias moléculas de ADN extranuclear. Varios codones de ADN mitocondrial codifican diferentes aminoácidos al mismo codón del ADN nuclear.

La traducción de un ARNm procesado se inicia siempre en un codón que determina la metionina. La metionina es por lo tanto, el primer aminoácido codificado (extremo amino-terminal) de cada cadena polipeptídica, el cual usualmente es removido antes que la síntesis de proteína se complete. El codón para metionina (codón iniciador, AUG) establece el marco de lectura del ARNm, cada codón posterior se lee otra vez para predecir la secuencia aminoacídica de la proteína.

La unión molecular entre los codones y los aminoácidos son las moléculas específicas de ARNt. Cada molécula de ARNt tiene un sitio particular en el Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia.

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extremo 3´para la unión de un aminoácido por un enlace covalente. En el extremo opuesto el ARNt forma un anticodón de tres bases que es complementario a un codón específico sobre el ARNm. Un encaje entre el codón y el anticodón lleva el aminoácido apropiado a la próxima posición sobre el ribosoma para su unión y la formación de un péptido unido al extremo carboxilo-terminal en la cadena polipeptídica en crecimiento. El ribosoma luego se desliza a lo largo del ARNm de exactamente tres bases, llevando el próximo codón en la línea para el reconocimiento por otro ARNt con el próximo aminoácido. De esta manera, las proteínas son sintetizadas desde el extremo amino-terminal (NH2) al extremo carboxilo-terminal (COOH), lo cual corresponde a la traducción de ARNm en dirección 5á 3´.

En este proceso, los ribosomas proporcionan una enzima que cataliza la formación de enlaces peptídicos covalentes entre los aminoácidos adyacentes, resultando en un polipéptido en crecimiento. Como se mencionó con anterioridad, la traducción y la formación del polipéptido finalizan cuando un codón de terminación (UGA, UAA o UAG) se introduce al marco de lectura como se hizo con el codón de iniciación. La cadena polipeptídica completa es luego liberada desde el ribosoma, lo cual viene a estar disponible para comenzar la síntesis de una nueva n ueva proteína.

Antes que el polipéptido recién sintetizado pueda comenzar su existencia como una proteína funcional, a menudo desarrolla un procesamiento posterior, llamado modificación post-transduccional. Estas modificaciones pueden tomar una variedad de formas, incluyendo clivaje o rotura en pequeñas unidades polipeptídicas o combinaciones con otros polipéptidos para formar una proteína de mayor tamaño. Otras posibles modificaciones incluye la adición al polipéptido de cadenas laterales de carbohidratos. Dichas modificaciones pueden ser necesarias, por ejemplo, para producir una armazón apropiada de la proteína madura o estabilizar su estructura. En otras palabras, la cadena polipeptídica que es el producto primario de la traducción es ensamblada y moldeada a una estructura tridimensional específica que está determinada por la secuencia de los aminoácidos que la constituyen. Dos o más cadenas polipeptídicas proveniente del mismo gen o de genes diferentes, pueden combinarse para formar un solo complejo proteíco maduro. La remoción de secuencias especificas amino-terminal puede dar lugar después que la proteína ha funcionado para dirigirla a su correcta localización en la célula.


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Tabla 3. El Código Genético U

C

A

G

U

Phe Phe Leu Leu

Ser Ser Ser Ser

Tyr Tyr Alto Alto

Cys Cys Alto Trp

U C A G

C

Leu Leu Leu Leu

Pro Pro Pro Pro

His His Gln Gln

Arg Arg Arg Arg

U C A G

A

Ile Ile Ile Met (Inicio)

Thr Thr Thr Thr

Asn Asn Lys Lys

Ser Ser Arg Arg

U C A G

G

Val Val Val Val

Ala Ala Ala Ala

Asp Asp Glu Glu

Gly Gly Gly Gly

U C A G

Primera Posición (5'-)

Segunda Posición

Tercera Posición (3'-)


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Figura 10. Mecanismo de Replicación, Transcripción y Traducción (A manera de Resumen)


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EL GENOMA HUMANO

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