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M. Beato
“La cultura y la vida”
Debat al CCCB
17 de Octubre 2011
”Del genoma al cuerpo”
“Conócete a ti mismo”
Inscripción en el frontispicio del templo de Delfos:
Los humanos nunca
siguieron este consejo
tan al pie de la letra
como cuando
decidieron esclarecer
la secuencia de su
propio genoma
γνοστι τε αυτϖν
Cuando en 2004 se publicó la secuencia del genoma humano
se transmitió la idea de que conocíamos la secuencia de
todos sus nucleótidos, y que lo único relevante eran los
genes que codifican para RNA mensajero y proteínas, el
código genético, mientras que el resto de la secuencia era
“junk DNA”, es decir, DNA basura, incoherente e inerte.
Ahora sabemos que no sólo hay partes del genoma cuya
secuencia ignoramos, sino que la parte de la secuencia que
conocemos oculta información reguladora compleja y
conservada entre especies que aun no entendemos.
Parte de esta secuencia codifica RNAs que juegan un papel
importante a múltiples niveles.
Además el modo cómo el DNA se empaqueta en la cromatina
del núcleo celular y cómo se metila sin cambiar su secuencia
obedece un segundo código epigenético que funciona
regulando el acceso a la información reguladora.
Genotipo Fenotipo
Información
genómica
DNA
?
Se transmite de
generación a generación
Estructura/forma
función:
Proteínas, RNA y
otras
macromoléculas
Se establece de nuevo
en cada generación
El reto de la biología postgenómica es
entender cómo el genotipo establece el fenotipo
Del genotipo al fenotipo el camino es complejo
TATTTTTGCAGGCGGCGTAGCCCCTGGAACTCCATCAGCGGCCATGATCATG
mRNA proteína
lab Dfd
Scr Antp Ubx Abd-A
Abd-B
?
El DNA no es un código binario de ceros y
unos, sino que tiene una estructura
química tridimensional y dinámica.
Por tanto, no es sólo genotipo, información,
sino que también es parte del fenotipo, que
interacciona con las proteínas y el RNA para
convertir su propia información en fenotipo.
El DNA se representa como una texto lineal
de nucleótidos (…TATCCGATCGGTATTCGG…),
un código en dos dimensiones,
pero esta sugestiva metáfora es engañosa.
fosfato
bases
d-ribosa
surco
mayor
Estructura química del DNA
puente de
hidrógeno
surco
menor
surco
mayor
http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/animations/dna_replication/index.html
http://www.youtube.com/watch?v=4jtmOZaIvS0
Tipos de información contenida en el genoma
1. Información que codifica RNAm y proteínas. Genes clásicos: Exones.
Código Genético: 3 nucleótidos = 1 aminoácido
El concepto clásico del gen como una secuencia de
DNA que codifica para un RNAm y una proteína es
obsoleto, pero no ha sido aun reemplazado.
1 Gen(DNA) >> 1 RNAm >> 1 Proteína
La gran mayoría de los genes humanos están formados por cortas
secuencias de DNA, los exones, que codifican partes de proteínas y
representan menos del 2% del genoma humano. Los exones están
separados por intrones, largas secuencias que no codifican proteínas.
Al transcribir el DNA para dar lugar al RNA mensajero (RNAm) la célula
puede combinar los exones de modo variable y así ensamblar múltiples
RNAms y múltiples proteínas a partir de un solo gen.
Muchas regiones del genoma que no codifican para proteínas generan
RNAs que no son usados como mensajeros pero que participan en
regular la síntesis de RNAm y de proteínas. El hallazgo de estos
RNAs no-codificantes ha revolucionado nuestra comprensión de la
información genómica y de cómo se regula su expresión.
Así pues, resulta difícil definir un nuevo concepto de gen y seguimos
usando el concepto clásico con ciertas limitaciones.
La complejidad de un organimo no depende de su número de genes, sino
del modo de usarlos en múltiples combinaciones. Las instrucciones para
el uso variado de los genes también están inscritas en el genoma.
Tipos de información contenida en el genoma
1. Información que codifica RNAm y proteínas. Genes clásicos: Exones.
Código Genético : 3 nucleótidos = 1 aminoácido
2. Información reguladora de la expresión génica
y de la replicación del DNA.
Combinaciones de múltiples cortas secuencias
de pares de bases. Es leída por proteínas de unión a DNA
< 2%
La información reguladora representa menos
del 1% del genoma humano
Par T - A Par C - G
Las proteínas leen la información reguladora del DNA
contactando los pares de bases desde el surco mayor
Surco menor
Surco mayor Surco mayor
Surco menor
Tipos de información contenida en el genoma
1. Información que codifica RNA y proteínas. Genes clásicos: Exones
Código Genético : 3 nucleótidos = 1 aminoácido
2. Información reguladora.
Cortas secuencias de pares de bases.
Leída por proteínas de unión a DNA
3. Información topológica.
Propiedades conformacionales de la secuencia.
Organización en nucleosomas.
< 2%
<1%
Sin embargo, el 5% del genoma humano
es conservado entre especies.
El DNA de cada
cromosoma
de un color
diferente
2 metros
de DNA
en una esfera de
8x10-6 m de diámetro
Nucleo de
una célula
humana
El DNA del núcleo celular está empaquetado en cromatina
DNA
fibra de
cromatina
núcleo
celular
nucleosoma
Estructura del nucleosoma
Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006
Happel & Doenecke (2009) Gene
H1GD
Hay una quinta histona en el nucleosoma, la histona H1,
cuyo dominio globular (H1GD) sella el DNA nucleosómico.
H1 compacta
la fibra de
cromatina
El modo cómo el DNA se enrolla
alrededor del cilindro de histonas y
cómo se compacta en la fibra de
cromatina depende de la tendencia de su
secuencia para deformarse, curvarse, en
una dirección determinada.
Esta propiedad está inscrita en la
secuencia de dinucleótidos y refleja la
distinta flexibilidad de los pares de
bases consecutivos para desviarse de su
situación estandard en la doble hélice
Parámetros de
cuerpos rígidos
que describen la
geometría de la doble
hélice de DNA.
Definen la relación
entre:
(A) las bases
complementarias
(B) los pares de
bases consecutivos
(C) los pares de
bases y el eje de la
doble hélice
A B
C
Distintos „alfabetos“ para los varios códigos del DNA
CH3
A T
C G
Código Genético
Código Topológico
Código
Regulador
a a d
d a a
d: donador a: aceptador
Tipos de información contenida en el genoma
1. Información que codifica por RNA y proteínas. Genes clásicos. Código genético:
1 triplete (3 nucleótidos) = 1 aminoácido
2. Información reguladora.
Cortas secuencias de pares de bases.
Leída por proteínas de unión al DNA
3. Información topológica.
Propiedades conformacionales de la secuencia.
Organización en nucleosomas
4. Otras informaciones. Redes génicas. Dominios de cromatina.
Programas morfogenéticos y metabólicos.
Redes génicas reguladoras
Espacio fásico & Atractores
Adaptar el modelo
a los datos
250
200
150
100
0 20 40 60 80 100
Kr
Rel
Pro
t C
onc
A-P Position (%)
Mjolsness, Sharp & Reinitz (1991). JTB 152: 429-453.
Reinitz & Sharp (1995). Mech Dev 49: 133-158. http://urchin.spbcas.ru/flyex
50
0
Gt
w11 w12 …
…
…
w22 w21
wN1 wN2
…
…
w1N
w2N
wNN … bcd cad
Kr gt
Expresión de Hb/Eve en embriones
Yogi Jaeger, CRG A–P Posición (%)
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0
255
0
255
Con
cen
tració
n r
ela
tiva
de p
rote
ína
Estadío 0/1 2
4 6
Organización de Genomas
“non-coding” para proteínas o RNAs clásicos (ribosomal, tRNA, snRNA)
Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006
La epigenómica extiende el
potencial informativo del DNA
Genómica: Secuencia de nucleótidos
Genes
Secuencias
reguladoras
Código topológico
Lazadas reguladoras
Redes génicas
Epigenómica: Modificación del DNA
Metilación de CpG
Modificaciones de las histonas
„ histone code“
Acetilación de lisinas
Metilación de lisinas
Metilación de argininas
Fosforilación de serinas
H4
H4
H2A H2A H2B
H3 H3
Sitios de modificación en las
colas de las histonas
Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006
Las colas de las histonas son plataformas de señalización
H2B
H2A
H3
H4
H2A
H4
Ciertas proteínas reconocen
modificaciones de las colas de las histonas
KAc
Bromo-
domain
K9Met
Chromo-
domain
H3
El código de las histonas
y la memoria epigenética
-Múltiples vías de transmisión de señal convergen en los encimas
que modifican las colas de las histonas, los cuales generan patrones
específicos de acetilación, metilación, ubiquitinación y fosforilación
de lisinas, argininas y serinas.
-Estas modificaciones son reconocidas por proteínas que
influencian la estructura de la cromatina y modulan el acceso de
las proteínas reguladoras al DNA.
-Este código epigenético influencia la lectura del mensage genómico y
modula la expresión génica de modo en parte heredable de célula
madre a célula hija.
-Algunas de estas modificaciones son transmitidas de célula a
célula y de generación en generación a través de su asociación con
cambios en la metilación del DNA.
5’ 3’
mC---G p p
G---Cm
3’ 5’
Metilación de CpG
Citosina no metilada
Replicación
del DNA
Metilación Metilación
no reconocida por la
metilasa de
mantenimiento
Memoria
epigenética
Nucleolo
pore nuclear
Membrana
nuclear
Eucromatina
Hetero-
cromatina
Distinto grado de
condensación de
la cromatina
Eucromatina y Heterocromatina
Allis, Jenuwein & Reinberg
CSHL Press 2006
información
accesible
información
restringida
genes
potencialmente
activos
secuencias
repetidas
no codificantes
Metilación del DNA durante
la diferenciación de las células
primordiales de la linea germinal
Metilación del DNA tras la fertilización
Alteraciones epigenéticas en cáncer
Allis, Jenuwein & Reinberg CSHL Press 2006
IHEC =
International
Human
Epigenome
Consortium
Lanzamiento 2011
Epigenoma, la llave para medicina y biología
Ciclo informacional
genoma/epigenoma
Información
codificante
DNA Proteínas
Encimas y
otras mRNA
Código genético
(trinucleótidos) Proteínas
reguladoras Código regulador
(pares de bases) Información
topológica Cromatina
(dinucleótidos)
Aisladores,
CTCF, DMT
Redes
génicas
Histonas,
HMGs
Dominios de cromatina
(LCR)
Epigenética
modificaciones
covalentes
Información
reguladora
-El genoma contiene la información para fabricar
todas las proteínas y RNAs del organismo, así como
las instrucciones para usarlos de modo combinatorio
y dar lugar a las distintas células del cuerpo
modulando su su función.
-El modo como estas instrucciones se implementan
es interactivo con el entorno, que actúa sobre la
expresión génica a través de las modificaciones
epigenéticas transmisibles de célula a célula.
-La epigenética introduce un nivel biográfico y
personal en el genoma que limita el determinismo
biológico.
Conclusiones: