Clase Genoma Humano

EL GENOMA HUMANO TAMAÑO, ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN

 

 

GENOMA HUMANO

Genoma Mitocondrial 16,6 kb (37 genes)

Genoma Nuclear 3300 Mb (30000 genes) 25%

75%

Genes y secuencias relacionadas

DNA extragénico

22 genes de rRNAs

Dos genes de rRNAs 60%

10% DNA DNA Codificante Codificante

Seudo Seudo genes genes  

13 proteínas

40%

90% DNA No Codificante

Fragmentos de genes

Unicas o bajo número de copias

Moderada a altamente repetitiva

Repetidos agrupados o en tandem

Intrones  

Repetidos dispersos

 

 

La variabilidad en los seres vivos… •

La vida es extraordinariamente variada Mientras archeabacterias sobreviven en chimeneas subterráneas a temperaturas elevadas en el fondo del océano … los osos polares con más de una tonelada de peso, vagan en las inmediaciones del circulo polar ártico.

 

 

… correlaciona con la variabilidad enlos genomas

Los tamaños genómicos (largo del DNA) varían desde los 5,000 pb del virus SV40 hasta los 3*109 pb de humanos o los 1011 pb de plantas superiores.

 

 

Tamaño de los Genomas Procariontes Su relación con el número de genes Procariontes Buchnera species Chlamydia pneumoniae Haemophilus influenzae Helicobacter pylori Mycobacterium tuberculosis Mycoplasma pneumoniae Neisseria meningitidis Staphylococcus aureus Streptococcus pneumoniae Xilella fastidiosa

C DNA * 640.681 1.230.230 1.830.138 1.667.867 4.411.529 816.394 2.272.351 2.813.641 2.160.837 2.679.306

N de genes (estimados) 564 1.052 1.709 1.566 3.918 677 2.025 2.595 2.094 2.766

En procariontes existe una buena correlación tanto entre tamaño genómico y “complejidad” morfológica, como entre tamaño genómico y número de genes.  

 

Organización de los Genomas Procariontes

Los genes no presentan intrones, son continuos. Una parte de sus genes está organizado en operones. - Comparten las regiones reguladoras y promotoras. Las regiones intergénicas son cortas.

 

 

Tamaño de los Genomas Eucariontes Su relación con el número de genes Eucariontes Saccharomyces cerevisiae Arabidopsis thaliana Plasmodium falciparum Caenorhabditis elegans Drosophila melanogaster Anopheles gambiae Danio rerio (zebrafish) Mus musculus Rattus norvegicus Homo sapiens

C DNA * 12.000.000 115.000.000 23.000.000 97.000.000 116.000.000 278.000.000 1.560.000.000 2.490.000.000 2.570.000.000 2.693.000.000

N de genes (estimados) 5.800 25.498 5.300 19.099 13.601 14.653 20.000 24.948 21.276 30.000

En eucariontes no existe una buena correlación entre tamaño genómico, complejidad morfológica, y número de genes.  

 

Organización del Genoma Eucarionte Factores que contribuyen a un mayor tamaño genómico Estructura de los genes: - Los genes presentan intrones, son discontinuos. - Los genes tienen extensas regiones reguladoras 5´ y 3´. - Los mRNAs tienen extensas regiones no traducibles 5´ y 3´.

 

 

Organización del Genoma Eucarionte Factores que contribuyen a un mayor tamaño genómico Gran cantidad de DNA espaciador: - Los genes se encuentran separados por una gran cantidad de DNA no codificante. Esta condición aumenta al pasar de unicelulares a pluricelulares.

 

 

Organización del Genoma, Resumen

Los genomas procariontes presentan poco DNA intergénico, genes sin intrones y frecuentemente agrupados en operones.

Los genomas eucariontes presentan mucho DNA intergénico, genes con intrones y     principalmente aislados.

Estructura de los genes codificantes Genes continuos y discontinuos en eucariontes El número de exones de los genes es mayor en mamíferos que en otros eucariontes como D. melanogaster o S. cereviceae. El número de exones parece aumentar, al aumentar la “complejidad” de los eucariontes.

 

 

Estructura de los genes codificantes Tamaño de los Genes El tamaño de los genes es mayor en mamíferos que en otros eucariontes como D. melanogaster o S. cereviceae. El tamaño parece aumentar, al aumentar la “complejidad” de los eucariontes.

 

 

Expresión de los genes codificantes

El uso de promotores alternativos, terminadores alternativos y splicing alternativo permite aumentar la cantidad de productos génicos que se obtienen a partir de los genes codificantes.

Más del 40% de los genes en humanos tienen procesamiento alternativo.  

 

Nature, 15 febrero 2001

 

 

Science, 16 febrero 2001

Estrategias para la secuenciación del genoma

Consorcio Público Eric Lander

Genoma completo se fragmenta Los fragmentos se clonan en BACs Los BACs se organizan Los BACs se fragmentan Los fragmentos se subclonan GATACCATCGGACATAATTGCACCATCCATTAGG TCCATTAGGGATTAATTGCACCATCCAGGTTAGGGAT

GATACCATCGGACATAATTGCACCATCCATTAGGGATTAATTGCACCATCCAGGTTAGGGAT

 

 

se secuencian se ensambla

Estrategias para la secuenciación del genoma

Consorcio Privado J. Craig Venter

Genoma completo se fragmenta en trozos pequeños

Los fragmentos se clonan en BACs y otros vectores CCATCCAGGTTAGGGAT CCATCCAGGTTAGGGAT CACCATCCATTAGGGATTAA AATTGCACCATCCATTA CACCATCCATTAGGGATTAA

AATTGCACCATCCATTA GATACCATCGGACATAAT

se secuencian

GATACCATCGGACATAAT

GATACCATCGGACATAATTGCACCATCCATTAGGGATTAATTGCACCATCCAGGTTAGGGAT    

se alinean en base a un algoritmo computacional

S. cerevisae 12.1 mB 6,300 genes

A. thaliana 142 mB 26,000 genes

 

D. melanogaster 137 mB 14,000 genes

H. sapiens 3,200 mB   30,000 genes

F. Rubripes 365 mB 31,000 genes

Generalidades sobre genoma humano Resultados del proyecto genoma

 

Tamaño

3.200 Mpb

Secuencia publicada Feb. 2001

2.910 Mpb

Contenido AT

54 %

genoma repetido

35 %

Genes identificados

26.000

Genes totales (identif. + hipot.)

39.000

Genes con función desconocida

42 %

Genes con procesamiento alternativo

40 %

 

GENOMA HUMANO

Genoma Mitocondrial 16,6 kb (37 genes)

Genoma Nuclear 3300 Mb (30000 genes) 25%

75%

Genes y secuencias relacionadas

DNA extragénico

22 genes de rRNAs

Dos genes de rRNAs 60%

10% DNA DNA Codificante Codificante

Seudo Seudo genes genes  

13 proteínas

40%

90% DNA No Codificante

Fragmentos de genes

Unicas o bajo número de copias

Moderada a altamente repetitiva

Repetidos agrupados o en tandem

Intrones  

Repetidos dispersos

El cariotipo humano

 

No perdamos de vista que el genoma humano está dividido en cromosomas.  

Los genomas eucariontes se estructuran en cromosomas

 

 

Morfología cromosómica (bandas G) Genes ribosomales

Constricción secundaria

Brazo corto

satélite centrómero

Brazo largo

Banda G + Banda G ­ telómero Banda G +

Regiones ricas en AT

Banda G ­

Regiones ricas en GC

 

Replican tardíamente

Pobres en genes

Replican temprano

Ricas en genes

 

Representación gráfica del genoma humano Porcentaje 0 10

20

30

40

50

60

70

80

45% 53% 21%

LINEs

34% 42%

48%

SINEs

100

92% 66%

90%

100%

intrones

Elementos retrovirales

Exones

“fósiles” de transposones

genes

25%

Segmentos duplicados Secuencias repetidas simples

heterocromatina

REPETIDO  

90

UNICO  

NO SECUENCIADO

La región del genoma que codifica Genes (25%)

Intrones (23%)

Exones (2%)

  Sólo  algo menos del 2% del genoma humano corresponde a secuencias exónicas.

Contenido de GC en genes y genoma humano

La fracción del DNA que tiene entre un 45 y 55% de GC representa un 18% del genoma y contiene al 35% de los genes.  

Las regiones del genoma con mayor contenido GC tienen mayor densidad génica.

 

Las bandas claras tienen un mayor contenido de GC.

GENOMA HUMANO

Genoma Mitocondrial 16,6 kb (37 genes)

Genoma Nuclear 3300 Mb (30000 genes) 25%

75%

Genes y secuencias relacionadas

DNA extragénico

22 genes de rRNAs

Dos genes de rRNAs 60%

10% DNA DNA Codificante Codificante

Seudo Seudo genes genes  

13 proteínas

40%

90% DNA No Codificante

Fragmentos de genes

Unicas o bajo número de copias

Moderada a altamente repetitiva

Repetidos agrupados o en tandem

Intrones  

Repetidos dispersos

Estructuras repetitivas en los genomas eucariotes Los genomas eucariotes contienen varios tipos de estructuras repetitivas: satelites, micro y mini-satelites, retrotransposones, retrovirus, etc.

•

El tamaño de las regiones repetidas correlaciona con el tamaño genómico.

Heterocromatina (*109bp)

•

 

Gorrila gorilla Symphalangus syndactylus Pan troglodites Homo sapiens Hylobates muelleri

 

Tamaño genoma (*109bp)

La región del genoma que no codifica

DNA repetido agrupado DNA repetitivo centromérico (Satélite) Tamaño del repetido: 80 a 180 pb. Tamaño del conglomerado: 100 a 5.000 Kbp. Localización: Centrómeros

Otros repetidos agrupados. Agrupados únicos VNTRs STRs DNA repetitivo telomérico  

Tamaño del repetido: 6 pb. Tamaño del conglomerado: 100pb a 20 Kbp.   Telómeros. Localización:

La región del genoma que no codifica

Los elementos repetidos dispersos Largo

LINEs SINEs (Alu)

 

 

Porcentaje del genoma

La región del genoma que no codifica

Los elementos repetidos dispersos

Tipos de DNA repetido disperso SINEs

LINEs

Familia más representativa

Alu

Line-1

Longitud del fragmento de repetición

100 a 300 pb

6 a 8 Kbp

1.500.0000 (360)

850.000 (560)

Bandas G-

Bandas G+

GC

AT

Cantidad de copias en el genoma (Mpb) Localización cromosómica preferencial Composición nucleotídica  

 

Transposones y retrotransposones Efectos sobre la estructura de los genes

F. rubripes 365 mB 31,000 genes Comparación de las secuencias genómicas del gen de la Hantingtonina humana y de Fugu. Ambos genes contienen 67 exones. El gen humano es 7,5 veces más grande que el de Fugu (180.000 v/s 24.000 pb). Esto se debe a la gran cantidad de retrotransposones presentes en los intrones del gen humano.  

 

Distribución de los elementos repetidos dispersos en el genoma

LINEs SINEs

 

Las inserciones Alu son más frecuentes en las regiones ricas en GC. Los LINEs son más frecuentes en las regiones ricas en AT  

Recapitulemos: un cromosoma eucarionte contiene

DNAs repetidos dispersos

Genes codificantes DNAs repetidos agrupados

 

 

Genes ribosomales

La real magnitud de nuestras diferencias Identidad entre secuencias humanas Entre un 99,98 y un 99,92% de identidad existe entre los humanos. Esto significa que dos individuos cualesquiera difieren entre ellos en 600.000 a 2.400.000 pb. Cerca de 2,1 millones de polimorfismos de nucleótido simple (SNPs) han sido descritos. Esto es 1 cada 1250 pb en promedio.  

 

La real magnitud de nuestras diferencias Identidad entre chimpancé y secuencias humanas

 

En promedio existen menos de 150 millones de pb de diferencia entre chimpancé y humano.  

La totalidad de los clones de Chimpancé presentan más de un 95% de identidad con la secuencia humana.

GENOMA HUMANO

Genoma Mitocondrial 16,6 kb (37 genes)

Genoma Nuclear 3300 Mb (30000 genes) 25%

75%

Genes y secuencias relacionadas

DNA extragénico

22 genes de rRNAs

Dos genes de rRNAs 60%

10% DNA DNA Codificante Codificante

Seudo Seudo genes genes  

13 proteínas

40%

90% DNA No Codificante

Fragmentos de genes

Unicas o bajo número de copias

Moderada a altamente repetitiva

Repetidos agrupados o en tandem

Intrones  

Repetidos dispersos

El Genoma Mitocondrial

 

 

La Mitocondria

 

 

EL DNA mitocondrial

Euglena gracilis

 

 

Tamaño de genomas mitocondriales de diversos organismos vivos

 

 

Número y tipo de genes presentes en el DNA mitocondrial de algunos organismos vivos

 

 

Cantidad relativa de DNA organelar en algunas células y tejidos

 

 

Algunas diferencias entre el Código Genético “Universal” y el Mitocondrial

Codon UGA AUA CUA AGA

}

AGG

 

 

Hipótesis endosimbiótica

 

 

Organización del DNA mitocondrial humano

 

 

El mtDNA se transmite por vía materna

 

 

Componentes de la cadena respiratoria: aporte mitocondrial y nuclear

 

 

Características generales de las enfermedades mitocondriales •

Baja eficiencia en la reducción del O2 a H2O

•

Baja eficiencia en la recuperación del poder reductor: NADH y FADH2

•

Disminución marcada y progresiva en la producción de ATP

•

Aumento en la producción de radicales libres

•

Aumento de las mutaciones somáticas

•

Presencia de formas normales y mutadas de mtDNA (heteroplasmía)

 

 

Tejidos afectados por mutaciones en el mtDNA

 

 

Clasificación de las enfermedades según su origen molecular CLASE I: Mutaciones en el DNA nuclear •en los genes de las proteínas que forman la cadena de transporte de electrones •en genes relacionados con la replicación, transcripción y traducción del mtDNA •en genes relacionados con el importe de proteínas a mitocondria CLASE II: Mutaciones puntuales en el DNA mitocondrial •que afectan a los genes de las proteínas de la cadena de transporte de electrones codificadas en el mtDNA •que afectan los genes que codifican los tRNAs mitocondriales.  

 

Clasificación de las enfermedades según su origen molecular

CLASE III: Deleciones y duplicaciones en el DNA mitocondrial •Deleciones de varias kilobases que involucran a varios genes en el mtDNA •Inserción de un fragmento duplicado del mtDNA CLASE IV: Defectos genéticos no definidos

 

 

Algunas mutaciones puntuales en el mtDNA asociadas a enfermedades

 

 

LHON (Neuropatía óptica hereditaria de Leber)

 

Un número importante de pacientes presentan mutaciones puntuales en: G3460A, G11768A, T14184C, A14495G.  

Mutaciones en el tRNA de leucina asociadas a enfermedades

 

 

MERRF (Epilepsia mioclónica y enfermedad de las fibras rojas rasgadas)

Succinato deshidrogenasa 90% de los pacientes presentan G8344A o T8356C en el gen mitocondrial tRNAlys  

 

Citocromo c oxidasa

Segregación replicativa de una mutación mitocondrial heteroplásmica

Umbral de expresión fenotípica

 

 

Modelo de evolución multiregional

Milford Wolpoff

 

 

Modelo “Out of Afríca”

Christopher Stringer

 

 

 

 

Evidencia mitocondrial para la existencia de una “EVA africana”

 

 

Modelo migracional propuesto en base a polimorfismos de mtDNA