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Embriología: Organización Variación y Expresión del Genoma Humano

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Organización, Variación y Expresión del Genoma Humano (I)

 

 

Termografia de cromosomas humanos

 

 

Un genoma es la secuencia completa de ácido desoxirribonucleico (DNA, por sus siglas en inglés), que contiene la información genética completa de un gameto, un individuo, una población o una especie. La palabra “genoma” se originó como una analogía con el término “cromosoma”, que se refería a las entidades físicas (visibles bajo el microscopio) que portan los genes de una célula a sus células hijas o de una generación a la siguiente.

 

Con la disponibilidad de la secuencia del genoma humano (International Human Genome Sequencing Consortium) y la determinación de la extensión de la variación del genoma humano, tanto dentro como entre poblaciones y dentro de los genomas individuales, una mayor conciencia de la amplia variación humana puede comenzar a ser generalmente aplicada a la exploración de las enfermedades humanas comunes.

 

 

 

Organización del genoma humano

 

El típico genoma humano consiste de aproximadamente 3,000 millones (3×109) pares base (bp, por sus siglas en inglés) de DNA, divididos entre los 24 tipos de cromosomas nucleares (22 autosomas más los cromosomas sexuales, X y Y) y los mucho menores cromosomas mitocondriales. En febrero de 2008, las características del genoma humano, de acuerdo a Ensembl v. 48, son:

 

♦  Largo del genoma humano (pares base): 3,253,037,807
♦  Número de genes codificadores de proteína conocidos: 21,541
♦  Densidad promedio de genes (genes/Mb –mega pares base o 106-): 6.6
♦  Número de genes RNA no codificadores (ncRNA): 4421
♦  Número de polimorfismos de un nucleótido (SNP): 13,022,900

 

El genoma puede ser representado y evaluado en diferentes formas, con distintos niveles de resolución y grados de sensibilidad, dependiendo de la necesidad clínica o de investigación, en donde cariotipo –clásico, espectral o virtual-, matrices o arrays, esquemas y secuencias de DNA, son los más importantes y utilizados.

 

Los cromosomas individuales se estudian mejor en metafase de las células en división, y el cariotipo de cromosomas en pacientes ha sido un procedimiento de laboratorio clínico valioso por décadas; varias técnicas analíticas basadas en teñido o hibridización tienen la habilidad para detectar anormalidades cromosómicas que van desde un cromosoma entero extra o faltante (aneuploide)  hasta translocaciones o rearreglos que involucran solo una porción de uno o más cromosomas, eliminaciones o duplicaciones que involucran secciones tan pequeñas como una megabase (Mb, 106 pares base) de DNA.

 

Tecnologías más recientes que incluyen juegos traslapados de segmentos aislados del genoma en matrices (o arrays, como también se les conoce) en portaobjetos, han provisto  resolución y precisión ampliamente mejoradas capaces de evaluar de una forma rápida y clara la dosis (número de copias de un gen presentes) apropiada (y en algunos casos la organización) de los segmentos correspondientes de DNA dentro del genoma de una persona.

 

La máxima resolución proviene del análisis directo de secuencia, y varias nuevas tecnologías han reducido el costo y mejorado el resultado de la secuenciación de genomas individuales, facilitando las comparaciones con la secuencia del genoma humano de referencia y capacitando la resecuenciación médica de muestras de pacientes para buscar nuevas variantes o mutaciones que podrían tener importancia clínica.

 

Mientras que el genoma humano contiene un estimado de 20,000 a 25,000 genes, los segmentos codificadores de estos genes comprenden menos del 2% del genoma. La mayoría del genoma, por tanto, consiste de DNA que se ubica entre los genes, alejado de estos o en vastas áreas que abarcan varias megabases que parecen no contener genes (conocidos como desiertos de genes). El procedimiento para la identificación de genes y anotación del genoma (proceso de ligar información biológica a las secuencias) es un trabajo en proceso y a pesar de la aparente robustez de los estimados recientes, es concebible que existan algunos genes, incluyendo los clínicamente relevantes, que no se hayan identificado o que muestren características que no reconocemos como asociadas con genes.

 

Un máximo de 5% del genoma consiste de DNA que ha estado bien conservado a lo largo de la evolución, una indicación de una función importante. Estas y otras consideraciones han llevado al estimado de que aproximadamente el 20% del genoma es de importancia funcional. No obstante, el concepto de que la vasta mayoría del genoma consiste de secciones de DNA que no es génico, sin función obvia y de relevancia clínica incierta, permanece cierto.

 

Además de estar relativamente esparcidos en el genoma, los genes están distribuidos no muy al azar a lo largo de los diferentes cromosomas humanos. Algunos cromosomas son relativamente ricos en genes, mientras que otros son algo pobres en genes, variando desde un punto superior de unos 22 genes/Mb hasta un punto inferior de unos 3 genes/Mb (excluyendo el cromosoma Y y el cromosoma mitocondrial). Aun dentro de un cromosoma los genes tienden a agruparse en ciertas regiones o en bandas particulares, un punto de claro significado clínico cuando se evalúa la integridad,  dosis o arreglo del genoma en diferentes muestras.

 

Hay varios tipos de genes en el genoma humano. La mayoría de ellos codifican para proteínas y son transcritos en RNAs mensajeros (mRNAs) que son finalmente traducidos en sus proteínas respectivas; sus productos comprenden las enzimas, proteínas estructurales, receptores y proteínas reguladoras que se encuentran en varios tipos de células y tejidos humanos. Sin embargo, hay genes adicionales cuyo producto funcional parece ser el RNA en sí. Estos llamados RNAs no codificadores (ncRNAs) tienen un rango de funciones en la célula, aunque no se ha identificado la función de algunos de ellos. Pero los genes cuyos transcriptos forman la colección de ncRNAs representan aproximadamente un sexto de todos los genes humanos identificados.

 

Algunos de los tipos de ncRNA juegan papeles ampliamente genéricos en la infraestructura celular, incluyendo los RNAs de transferencia (tRNAs) y los RNAs ribosomales (rRNAs) involucrados en la traducción de mRNAs en los ribosomas, RNAs espliceosomales involucrados en el control del empalme de RNA, y los RNAs nucleolares pequeños (snoRNAs) involucrados en la modificaciones de rRNAs. Otros ncRNAs juegan papeles en la regulación de genes, por ejemplo, en el silenciado epigenético de genes.

 

Una clase de RNAs pequeños de importancia creciente son los microRNAs (miRNAs), ncRNAs de solamente unas 22 bases de largo, que suprimen la traducción de genes diana (o genes objetivo, como también se les conoce) al unirse con los mRNAs respectivos a dichos genes, regulando así la producción de proteína de los transcriptos diana. Algunos 255 genes micro RNA fueron identificados en el genoma humano inicialmente, aunque se cree que el número total de dichos genes es cercano a mil. Algunos están evolutivamente conservados, mientras que otros parecen ser de origen bastante reciente durante la evolución de los primates, lo que dificulta la capacidad para determinar el número preciso e identidad de los genes humanos.

 

Los microRNAs han mostrado regular a la baja cientos de mRNAs cada uno, con diferentes combinaciones de RNAs diana en diferentes tejidos; combinados, se cree que los microRNAs controlan la actividad de hasta el 30% de los genes codificadores de proteínas en el genoma.

 

Aunque esta es un área que avanza rápido dentro de la biología del genoma, varios microRNAs han estado implicados en varias enfermedades humanas, incluyendo cáncer, desórdenes del desarrollo y enfermedades del corazón.

 

El hecho de que la distribución de los genes en el genoma no es al azar, tanto dentro como entre cromosomas, es en parte el reflejo de la distribución de diferentes tipos de secuencia de DNA, pues el genoma está particionado en dominios que se extienden por cientos de kiloparesbase a megabases, reflejando una variación a gran escala en el contenido G+C (guanina + citosina) del DNA. Estas llamadas isocoras se han conocido por décadas y a un nivel muy grueso, imitan el patrón de bandas teñidas de claro y obscuro que se observan en los cromosomas en metafase.

 

Mientras que la fuerza detrás de la evolución de las isocoras no está clara, estas influencian el contenido de G+C en los genes contenidos dentro de ellas (y, por virtud del código genético, por tanto, la composición de aminoácidos de las proteínas codificadas), los patrones de mutación y polimorfismo detectados, así como la naturaleza de varias familias de DNA repetido que residen ahí. Aún más impactante resulta el que los diferentes dominios de isocoras contienen grupos de genes que son expresados fuerte o débilmente expresados en una manera coordinada en diferentes tejidos.

 

Así, las isocoras reflejan tanto la organización funcional como estructural del genoma.

 

En general, solamente la mitad de la longitud total del genoma consiste del llamado DNA único o de copia sencilla, cuya secuencia se representa solamente una vez o cuando mucho algunas pocas veces. El resto del genoma consiste de varias clases de DNA repetitivo e incluye DNA cuya secuencia es repetida, tanto de manera perfecta o con alguna variación, cientos y hasta millones de veces en el genoma.

 

Se reconocen varias categorías de DNA repetitivo. Las secuencias repetidas en grupo constituyen un estimado de 10-15% del genoma y consisten en arreglos (arrays) de varias repeticiones cortas organizadas en tándem en una manera cabeza-a-cola. Dichos arrays se pueden extender varios Mb o más en longitud y constituyen un porcentaje importante del contenido de DNA en los cromosomas humanos individuales; sobresale en este aspecto el cromosoma específico masculino (cromosoma Y) en donde más de la mitad consiste de dichas familias de DNA repetidas.

 

Otras familias de repetición en tándem están basadas en repeticiones básicas algo más largas. Por ejemplo, la familia α-satélite de DNA está compuesta de arreglos en tándem de diferentes copias de una unidad de unos 171 bp, encontrada en el centrómero de cada cromosoma humano, el cual es crítico para la segregación apropiada de los cromosomas durante la división celular.

 

Otra familia altamente significativa de repeticiones se encuentra en las puntas de los cromosomas, los telómeros. Mientras que las repeticiones en los telómeros funcionales consisten de extensiones relativamente cortas de perfectas repeticiones (TTAGGG)n, diferentes regiones subteloméricas (próximas a las repeticiones del telómero) comparten patrones de homología con otros subtelómeros alrededor del genoma que crean puntos clínicamente relevantes de recombinación intercromosómica.

 

Otros tipos importantes de DNA repetitivo en el genoma consisten de secuencias relacionadas, que están dispersadas a lo largo del genoma, más que localizadas. Dentro de los elementos repetitivos dispersados mejor estudiados están los elementos nucleares intercalados cortos (SINEs). La familia más importante de éstos contiene repeticiones de unos 300 bp de largo y son reconociblemente relacionadas entre sí, aunque no son idénticas en la secuencia de DNA. En total, los miembros de esta familia constituyen al menos el 10% del DNA humano, aunque pueden constituir un porcentaje mucho mayor del DNA en algunas isocoras.

 

Una segunda familia importante de DNA repetitivo disperso se llamada la familia LINE (elemento nuclear disperso largo), cuyos miembros varían en tamaño hasta un máximo de 6 kp (kiloparesbase) y constituyen alrededor del 20% del genoma.

 

Las familias de repeticiones dispersas a lo largo del genoma son claramente de importancia médica. Tanto las secuencias SINE (elemento nuclear disperso corto) como las LINE han sido implicadas como causa de mutaciones en enfermedades genéticas. Tan solo unas cuantas copias de estas familias generan copias de si mismas que pueden integrarse en cualquier lugar del genoma, ocasionalmente causando la inactivación insercional de un gen médicamente importante. La frecuencia de dichos eventos que provocan una enfermedad genética en humanos se desconoce casi por completo, pero se ha sugerido que puede ser responsable de hasta una en 500 mutaciones. Adicionalmente, los eventos aberrantes de recombinación entre diferentes repeticiones LINE o SINE pueden también ser la causa de mutación en algunas enfermedades genéticas.

 

Una subclase importante de DNA repetitivo, distinta de las grandes familias mencionadas, incluye bloques de diferentes secuencias (sin definir una familia particular de secuencias) que están presentes en múltiples copias, frecuentemente con una conservación de secuencia extraordinariamente alta, en muchas ubicaciones diferentes alrededor del genoma. Las duplicaciones que involucran segmentos substanciales de un cromosoma, llamadas duplicaciones segmentales, constituyen por lo menos el 5% del genoma.

 

Cuando las regiones duplicadas contienen genes, los rearreglos genómicos pueden resultar en la eliminación de la región (y los genes) entre las copias y por tanto dar lugar a la enfermedad. Adicionalmente, los rearreglos entre segmentos duplicados son una fuente de variación significativa entre individuos en el número de copias de estas secuencias de DNA.

 

En la segunda parte de este documento, se presentan las variaciones que puede experimentar el genoma humano, y en la tercera parte se hace una breve presentación sobre la expresión del genoma.

 

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Embriología: Cromosomas Humanos

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Cromosomas Humanos

Cromosomas pueden dividirse en dos tipos: autosomas y cromosomas sexuales. Ciertos rasgos genéticos están vinculados a su sexo y pasan a través de los cromosomas sexuales. Los autosomas contienen el resto de la información genética hereditaria. Todos actúan de la misma forma durante la división celular.

Las células humanas tienen 23 pares de cromosomas nucleares lineales largos (22 pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales) dando un total de 46 por cada celda. Además de estos, las células humanas tienen muchos cientos de copias del genoma mitocondrial.

The 22 autosomes are numbered by size. The other two chromosomes, X and Y, are the sex chromosomes. This picture of the human chromosomes lined up in pairs is called a karyotype. Image Credit: U.S. National Library of Medicine
Los 22 autosomas se numeran por tamaño. Los otros dos cromosomas x e Y, son los cromosomas sexuales. Esta imagen de los cromosomas humanos alineados en pares se denomina un cariotipo. Crédito de imagen: Estados Unidos Biblioteca Nacional de medicina

La secuenciación del genoma humano ha proporcionado una gran cantidad de información acerca de cada uno de los cromosomas. A continuación es una tabla estadística de los cromosomas, basados en información sobre el genoma humano del Instituto Sanger en la base de datos de anotación de genoma vertebrado (VEGA).

Número de genes es una estimación, ya que se basa en parte en predicciones gene. Longitud total del cromosoma es una estimación, basada en el tamaño estimado de regiones de heterocromatina unsequenced.

CromosomaGenesTotal de basesBases secuenciados
1 4.220 247,199,719 224,999,719
2 1.491 242,751,149 237,712,649
3 1.550 199,446,827 194,704,827
4 446 191,263,063 187,297,063
5 609 180,837,866 177,702,766
6 2.281 170,896,993 167,273,993
7 2.135 158,821,424 154,952,424
8 1.106 146,274,826 142,612,826
9 1.920 140,442,298 120,312,298
10 1.793 135,374,737 131,624,737
11 379 134,452,384 131,130,853
12 1.430 132,289,534 130,303,534
13 924 114,127,980 95,559,980
14 1.347 106,360,585 88,290,585
15 921 100,338,915 81,341,915
16 909 88,822,254 78,884,754
17 1.672 78,654,742 77,800,220
18 519 76,117,153 74,656,155
19 1.555 63,806,651 55,785,651
20 1.008 62,435,965 59,505,254
21 578 46,944,323 34,171,998
22 1.092 49,528,953 34,893,953
X (cromosoma sexual) 1.846 154,913,754 151,058,754
Y (cromosoma sexual) 454 57,741,652 25,121,652
Total32.1853,079,843,7472,857,698,560
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Embriología: ADN Estructura Molecular

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ADN Estructura Molecular

 

I Estructura primaria de la molécula: esqueleto covalente y bases
laterales.

I-1 Ácido fosfórico

I-2 Azúcar

I-3 Bases nitrogenadas

II Estructuras secundaria y terciaria de la molécula –Conformación
tridimensional del ADN

II.1 Dinucleótidos

II.2 Molécula de ADN

II.2.1 Puentes de hidrógeno: emparejamiento entre las bases

II.2.2 Surco mayor y surco menor

II.3 ADN no-B

II.3.1 ADN-Z

II.3.2 ADN cruciforme y ADN horquilla

II.3.3 ADN-H o ADN tríplex

II.3.4 ADN-G4

III Estructura cuaternaria de la molécula - Cromatina

IV Otros

IV.1 ADN y mitocondria

IV.2 Desnaturalización del ADN





*


El ácido desoxirribonucleico (ADN) CONTIENE la información genética de la mayor parte de los organismos vivos (una excepción son algunos virus, denominados retrovirus, que utilizan el ARN o ácido ribonucleico para guardar su información genética).
- El ADN puede ser copiado a través de las sucesivas generaciones de células:
- El ADN puede ser traducido a proteínas: , más lejos traducido en proteínas,
- El ADN puede ser reparado cuando sea necesario: .
Los ácidos ribonucléicos (ARNs) son descritos en otro capítulo ( , )

 

- El ADN es un polímero, compuesto de unidades denominadas nucleótidos (o mononucleótidos).
- Los nucleótidos tienen también otras funciones: (transportadores de energía: ATP, GTP; respiración celular: NAD, FAD; transducción de señales: AMP cíclico; coenzimas: CoA, UDP; vitaminas: nicotinamida mononucleótido,
Vit B2).

 

Utilizando la nomenclatura de las proteínas, podemos hablar en terminus de estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de la molécula:

 

 

 

I Estructura primaria de la molécula: esqueleto covalente y bases laterales

 

Un nucleósido está hecho de un azúcar + una base nitrogenada.
Un nucleótido está hecho de un grupo fosfato + un azúcar + una base nitrogenada. En el ADN, el nucleotide es un desoxirribonucleótido (en el ARN, el nucleótido es un ribonucleótido).

I-1 Ácido fosfórico

Suministra un grupo fosfato.

 


 

I-2 Azúcar:

Desoxirribosa, que es una pentosa cíclica (azúcar de 5 carbonos). Nota: el azúcar en el ARN es una ribosa.

Los carbonos del azúcar se numeran de 1' a 5'. El a´tomo de nitrógeno de la base nitrogenada se une a C1' (por un enlace glicosídico), y el grupo fosfato se une al C5' (enlace éster) para formar el nucleótido. El nucleotide es, por lo tanto: fosfato - C5' azúcar C1' – base nitrogenada.

 


 

I-3 Bases nitrogenadas:

Son heterociclos aromáticos; hay purinas y pirimidinas.
- Purinas: adenina (A) y guanina (G).
- Pirimidinas: citosina (C) y timina (T) (Nota: la timina es reemplazadas
por uracilo (U) en el ARN).

Nota: pueden existir otras bases nitrogenadas, en particular bases metiladas
derivadas de las anteriores; este tipo de bases tienen un papel funcional (ver capítulo correspondiente).

 


 

Glosario:
- Nombres de nucleósidos: desoxirribonucleósidos en el ADN: desoxiadenosina,
desoxiguanosina, desoxicitidina, desoxitimidina (ribonucleótidos en el ARN: adenosina, guanosina, citidina, uridina).
- Nombres de nucleótidos: desoxirribonucleótidos en el ADN: ácido desoxiadenílico, ácido desoxiguanílico, ácido desoxicitidílico, ácido desoxitimidílico (ribonucleótidos en el ARN: ácido adenílico, ácido guanílico, ácido citidílico, ácido uridílico).


 

 

 

II Estructuras secundaria y terciaria de la molécula –Conformación tridimensional del ADN

II.1 Dinucleótidos

Los dinucleótidos se forman a través de un enlace fosfodiéster entre dos mononucléotidos. Este enlace se forma entre el grupo fosfato de un mononucleótido (en C5' de su azúcar) y el C3' del azúcar del anterior mononucleótido. Así, comenzando con un grupo fosfato, tenemos un azúcar en 5' (+ su base) y cuyo extremo en 3', está unido a un segundo grupo fosfato en 5' de otro azúcar, cuyo extremo 3' está libre para un siguiente enlace. La unión – y la orientación de la molécula es, por tanto 5' -> 3'.

Los polinucleótidos están formados por la sucesiva adición de monómeros en una configuración general 5' -> 3'. El esqueleto de la molécula está hecho por una sucesión de grupo fosfato-azúcar (n nucleótidos) – fosfato - azúcar (nucleótido n+1), y así sucesivamente, unidos covalentemente, con las bases nitrogenadas situadas lateralmente.

 


 

II.2 Molécula de ADN

El ADN está formado de dos ("ADN dúplex") cadenas o hebras dextrógiras (como un tornillo; con giro hacia la derecha) enrolladas alrededor de un eje formando una hélice doble de 20A° de diámetro ("la doble hélice").
Las dos cadenas son antiparalelas (esto es: sus orientaciones 5'->3' están en direcciones opuestas). La apariencia general del polímero muestra una periodicidad de 3,4 A°, correspondiente a la distancia entre dos bases, y otra de 34 A°, correspondiente a una vuelta completa de la hélice (y también a 10 pares de bases).

 


 

II.2.1 Puentes de hidrógeno: emparejamiento entre las bases

Las bases nitrogenadas (hidrofóbicas) se encuentran apiladas en el interior de la doble hélice, en planos perpendiculares a su eje. La parte exterior (grupos fosfato y azúcares) es hidrofílica.
Las bases de una de las cadenas o hebras están unidas mediante puentes de hidrógeno con las bases nitrogenadas de la otra cadena o hebra, uniendo ambas cadenas (líneas discontinuas en la figura).

De esta manera, una purina de una de las cadenas se encuentra enfrentada y unida a una pirimidina en la otra cadena. Por ello, el número de purinas es igual al número de pirimidinas.

A se une a T (con dos puentes de hidrógeno).
G se une a C (con tres puentes de hidrógeno: enlace más estable: 5,5 kcal vs 3,5 kcal).

Nota: el contenido de A en el ADN es por lo tanto igual al contenido en T, y el contenido en G es igual al contenido en C.
Esta correspondencia estricta (A<->T y G<->C) hace a las dos cadenas o hebras complementarias. Una es el molde para la otra, y recíprocamente también: esta propiedad permitirá una replicación exacta (replicación semi-conservativa: una cadena -la molde- se conserva, mientras que la otra se sintetiza de nuevo por completo, y lo mismo ocurre con la otra cadena complementaria, se conserva, que hace de molde también para la síntesis de otra nueva; ver capítulo correspondiente).

 


 

Notas:
Los puentes de hidrógeno existentes en el emparejamiento entre las bases nitrogenadas son a veces distintos de los descritos arriba para el modelo de Watson y Crick, utilizando el átomo N7 de la purina en lugar del N1 (modelo de Hoogsteen).

 


 


 


 

II.2.2 Surco mayor y surco menor

La doble hélice es una molécula bastante rígida y viscosa de una longitud inmensa y un diámetro pequeño. En esta molécula se puede observar un surco mayor y un surco menor.
El surco mayor es profundo y amplio, el surco menor es poco profundo y estrecho.

Las interacciones ADN-proteína son procesos esenciales en la vida de la célula (activación o represión de la transcripción, replicación del ADN y reparación).
Las proteínas se unen a la parte interior de los surcos del ADN, mediante uniones específicas: puentes de hidrógeno, y uniones no específicas: interacciones de van der Waals, y otras interacciones electrostáticas generales.
Las proteínas reconocen donantes y aceptores de puentes de hidrógeno, grupos metilo (hidrofóbicos), éstos últimos exclusivos del surco mayor; hay cuatro patrones posibles de reconocimiento en del surco mayor , y sólo dos en el surco menor (ver figuras).

Algunas proteínas se unen al ADN por el surco mayor, algunas otras por el surco menor, y algunas necesitan unirse a ambos.

 


 

Notas:
- Las dos cadenas se denominan "positiva" y "negativa", o "directa" y "reversa". En una posición determinada una de las cadenas (cualquiera de las dos) contiene información codificante para un producto, es improbable (aunque no imposible) que la cadena complementaria también contenga en esa posición información codificante.
- El ADN se ioniza in vivo y se comporta como un polianión.

La doble hélice descrita arriba es la forma "B" del ADN; ésta es la forma más frecuente in vivo, aunque pueden existir in vivo o in vitro otras formas (ver abajo). La forma "A" se parece a la forma ADN-B aunque está menos hidratada, la forma "A" no se encuentra in vivo.

 

II.3 ADN no-B

El ADN es una molécula que se mueve continuamente, se pliega como haciendo gimnasia y baila. Las estructuras que se citan más abajo se ha comprobado que tienen ciertos papeles funcionales; y por otra parte, pueden favorecer las roturas y posteriores pérdidas de segmentos de ADN, y fenómenos de amplificación, recombinación y mutaciones.

Glosario:
Palíndromos: palabras o frases que se leen igual en ambas direcciones (por ejemplo. "DNA LAND"). El ADN suele jugar con palíndromos: ver más abajo).

II.3.1 ADN-Z

- La forma Z es una forma de doble hélice levógira (con giro hacia la izquierda) con una conformación del esqueleto en zig-zag (menos lisa que la forma ADN-B). Sólo se observa un surco, semejante al surco menor, el emparejamiento entre las bases (que forman el surco mayor -cercano al eje- en la forma ADN-B) está hacia un lateral, en la superficie exterior, lejos del eje. Los grupos fosfato se encuentran más cerca entre ellos que en la forma ADN-B. El ADN-Z no puede formar nucleosomas.
- La conformación Z está favorecida por un elevado contenido en G-C. La metilación de citosinas, y moléculas que pueden encontrase presentes in vivo como la espermina y espermidina pueden estabilizar la conformación Z.
- Las secuencias de ADN pueden pasar de la forma B hacia la forma Z y viceversa: el ADN-Z es una forma transitoria in vivo.

- La formación de ADN-Z se produce durante la transcripción de genes, en los puntos de inicio de la transcripción cerca de los promotores de genes que se transcriben de manera activa. Durante la transcripción, el movimiento de la ARN polimerasa induce una superhelicoidización negativa en la parte anterior o corriente arriba y una superhelicoidización en la parte posterior o corriente debajo de la transcripción. La superhelicoidización negativa corriente arriba favorece la formación de ADN-Z; una función posible del ADN-Z podría ser absorber esta superhelicoidización negativa. Al final de la transcripción, la topoisomerasa relaja la estructura del ADN volviendo a la conformación B.
- Ciertas proteínas se unen al ADN-Z, particularmente la adenosina desaminasa de ARN de doble cadena (ADAR1), una enzima de edición de ARN; esta enzima transforma de adenina en inopina en el pre-ARNm. Posteriormente, los ribosomas interpretarán la inosina como guanina, por lo que la proteína codificada por esta modificación epigenética será distinta (ver capítulo correspondiente ).

Notas:
- Se han encontrado anticuerpos frente al ADN-Z en el lupus eritematoso y en otras enfermedades autoinmunes.
- El ARN de doble cadena (ARNdc) puede adoptar una conformación Z.

II.3.2 ADN cruciforme y ADN horquilla

- Las estructuras de Holliday (formadas durante la recombinación) son estructuras cruciformes. Las repeticiones (palíndromos) invertidas (o especulares) de segmentos de polipurinas/polipirimidinas también pueden formas estructuras cruciformes o en horquilla mediante la formación de emparejamientos intracatenarios.
- Se han encontrado repeticiones palindrómicas ricas en AT en los puntos de rotura de la t(11;22)(q23;q11), la única translocación recíproca constitucional conocida.
- Las nucleadas se unen y rompen las estructuras de Holliday tras la recombinación. Otras proteínas conocidas capaces de unirse a ADN cruciforme son HMG y MLL.

 

 


 


 


 

II.3.3 ADN-H o ADN tríplex

- Las repeticiones invertidas (palíndromos) de fragmentos de ADN de polipurinas/polipirimidinas pueden formar estructuras tríplex (hélices triples). De esta manera se forma una hélice triple junto a una cadena monocatenaria de ADN.
- El ADN-H puede tener un papel funcional en la regulación de la expresión génica y sobre los ARNs (por ejemplo, en la represión de la transcripción).

 


 

II.3.4 ADN-G4

- El ADN-G4 o ADN cuádruplex: se forma una estructura altamente estable por el plegamiento de una secuencia bicatenaria rica en GC consigo mismo a través de emparejamientos de Hoogsteen entre 4 guaninas ("G4"). Este tipo de ADN se encuentra a menudo cerca de promotores de genes y en los telómeros.
- Tiene un papel en la meiosis y en la recombinación, pueden ser elementos reguladores.
- La familia de helicasas RecQ son capaces de deshacer la estructura G4 (por ejemplo, BLM, el gen mutado en el síndrome de Bloom.

 

 


 


 


 

 

III Estructura cuaternaria de la molécula - Cromatina

El ADN se asocia a proteínas: histonas y no histonas, para formar la cromatina. El ADN en su conjunto es ácido (cargado negativamente) y se une a proteínas básicas (cargadas positivamente) denominadas histonas.

Hay 3 x 10 9 pares de nucleótidos en el genoma humano haploide que contiene unos 30 000 genes dispersos sobre los 23 cromosomas que conforman un juego haploide.

 

IV Otros

IV.1 ADN y mitocondria

 

- El ADN se encuentra en el núcleo de la célula, aunque en las mitocondrias también hay una pequeña cantidad.
- Las mitocondrias se originaron a partir de arqueobacterias endosimbiontes en células eucariotas.
- Su código genético es distinto del llamado código “universal” (UGA, AUA, AGA, AGG: respectivamente STOP, Ile, Arg, Arg en el código universal, y Trp, Met, STOP, STOP en el mitocondrial de mamíferos, y otros significados en el mitocondrial de otras especies).
- El número de copias de ADN en una mitocondria determinada es variable.
- El ADN mitocondrial es circular, con una cadena pesada y otra ligera, no tiene intrones, ni secuencias no codificantes.
- Los genes del genoma mitocondrial codifican para proteínas que intervienen en la cadena transportadora de electrones, ARN ribosomales (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt). - Cada una de las cadenas de ADN se transcribe y posteriormente es cortada en los distintos ARNm, ARNr y ARNt.

Nota: la mitocondria también utiliza proteínas importadas del citoplasma de la célula (y codificadas por el genoma nuclear); sin embargo, las proteínas de la mitocondria no son exportadas al citoplasma salvo excepciones como las relacionadas con la apoptósis.

IV.2 Desnaturalización del ADN:

La doble hélice puede desespiralizarse in vitro mediante calor, pH extremos y otras condiciones (urea, …) en un proceso denominado fusión. Se puede calcular su punto de fusión, que es característico y dependiente de la proporción A/T versus G/C, debido al hecho que hay sólo dos puentes de hidrógeno en la unión A/T, y tres en la G/C, unión más estable.
 
Con la desnaturalización, las propiedades físicas del ADN cambian; por ejemplo, hay un efecto hipercrómico ya que la absorción de la luz a 260 nm es mayor en el ADN desnaturalizado que en el ADN bicatenario. La abosrción de la luz también varía con la proporción A/T vs G/C y es mayor en secuencias ricas en A/T que en secuencias ricas en G/C.
 
La desnaturalización del ADN es importante porque:
1- permite medir el contenido A/T vs G/C;
2- es la base de las técnicas de hibridación (hibridación in situ, blots.

 

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Embriología: Los Proteosomas Epidérmicos

Escrito por Administrator el . Publicado en Embriología

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Los Proteosomas Epidérmicos y su Control Tópico

 

 

 

Aspectos morfológicos
Los queratinocitos de las células epidérmicas se hallan sometidos a una acelerada renovación, indispensable para que se estructure de forma adecuada el estrato córneo. La constante eliminación de las células más superficiales requiere una rápida transformación de los queratinocitos del estrato granuloso en corneocitos capaces de desarrollar una eficaz función barrera.

 

La adecuada proliferación del estrato basal, capaz de adaptar su ritmo de mitosis a las necesidades del estrato córneo, es un factor clave para lograr una óptima homeostasis del tejido epidérmico.

 

En este contexto la diferenciación de los queratinocitos, así como la constante adaptación de las moléculas presentes en sus células, es tan importante como el ritmo de la proliferación del estrato basal.

 

Renovación de las proteínas intracelulares
Desde hace muchos años se valora y estudia el ininterrumpido recambio de casi todas las proteínas presentes en el interior de las células. Esta renovación interna es selectiva y se realiza con una frecuencia normalmente programada, según cuáles sean las necesidades de cada una de las células.

 

Su desarrollo se halla directamente relacionado con tres aspectos del metabolismo celular:

 

Las proteínas experimentan alteraciones de diversos tipos
• Recién sintetizadas, algunas presentan errores en su secuencia de aminoácidos, en cuyo caso es muy probable que muestren una anómala conformación espacial.
• También es relativamente frecuente que algunas proteínas interaccionen con moléculas equivocadas, lo que altera su normal actividad biológica y pasan a ser una fuente intracelular de problemas citoquímicos.

 

El proceso de diferenciación requiere una ordenada eliminación de proteínas

 

Ello es debido a que en los sucesivos estratos deben ser sustituidas por nuevas y diferentes proteínas que posean las funciones estructurales y biológicas que precisan los estratos a los que se incorporan.

 

Parte de la agresión ambiental que alcanza el estrato corneo supera la función barrera y daña a una parte de las proteínas presentes en las células viables

 

• La agresión oxidativa, sobre todo, se deriva de una exposición excesiva a la radiación solar, ya que causa la formación de las denominadas especies reactivas de oxígeno (ROS).
• Los diversos daños, en ocasiones parcialmente proteolíticos, que pueden causar las agresiones biológicas causadas por la presencia de parásitos, virus, hongos o microorganismos patógenos.

 

Lisosomas y proteosomas
La actividad de las proteínas es muy diversa y depende por un lado de la secuencia de los aminoácidos que la forman, y por otro de su conformación espacial, ya que las cadenas de aminoácidos se pliegan en hélices y bucles compactos.

 

Ambos aspectos pueden dar a ciertas proteínas una actividad enzimática, y convertirlas en catalizadoras de la mayoría de las reacciones más vitales para la célula y el tejido.

 

Cuando la presencia de una proteína es innecesaria o presenta anomalías, se impone proceder a su destrucción. Durante muchos años se ha considerado que esta función la desarrollan los lisosomas, ya que casi todas las células poseen estos orgánulos que encierran enzimas digestivas. Esta creencia se tambaleó cuando, a principios de los años ochenta se demostró que diversas células (en especial los hematíes inmaduros y también las bacterias) carecen de lisosomas, pero son capaces de eliminar sus proteínas anómalas.

 

Alfred Goldberg estudió este problema y demostró que la destrucción de las proteínas requería un consumo energético que no se producía en las degradaciones realizadas por los lisosomas.

 

Cuando se consiguió identificar y aislar a las enzimas responsables de esta degradación, los estudios realizados in vitro permitieron estudiar el desarrollo del proceso proteolítico y su nivel de consumo energético.

 

Resultó evidente que varias proteasas formaban complejos en unos orgánulos muy especializados, que actuaban a modo de trituradora para destruir a las proteínas previamente seleccionadas.

 

Debido a su específica naturaleza enzimática, estos complejos se denominaron proteosomas.

 

Dos aspectos se descubrieron a continuación:
• La señalización de las proteínas que debían ser destruidas, única forma de evitar la destrucción de proteínas cuya degradación no era necesaria o incluso podría ser contraproducente.
• La mecánica que se producía en el proteosoma para lograr su proteólisis.

 

Presencia y morfología de los proteosomas
Se admite que en una célula normal pueden encerrarse hasta 30.000 proteosomas. Al margen de su variable grado de especificidad, es evidente que su actividad proteolítica es elevada, ya que en las células coexisten proteínas cuya vida media se sitúa en los 20 min con otras proteínas que deben subsistir durante días o semanas.

 

Pero estos niveles de degradación pueden presentar grandes variaciones, ya que hay una adecuación entre su actividad y las condiciones cambiantes del tejido.

 

Desde un punto de vista morfológico, los proteosomas poseen un elevado tamaño, que expresado en su peso molecular se corresponde con el de orgánulos de más de dos millones de Daltons. Recordemos que el peso medio de las proteínas normalmente oscila entre los 40.000 y los 80.000 Daltons. Hace unos 10 años, mediante la técnica de difracción de rayos X se logró determinar su arquitectura molecular.

 

Todos los proteosomas poseen una estructura central que presenta la forma de cilindro hueco y posee actividad proteolítica, que se complementa con una o dos estructuras casi globulares, de menor tamaño, situadas en posición terminal, en las que se desarrolla una actividad controladora y/o reguladora.

 

El cilindro central se estructura a partir de cuatro anillos superpuestos, cada uno de los cuales se conforma con el ensamblaje de siete subunidades. En su interior, diversas proteasas presentan sus dominios catalíticos, capaces de trocear las proteínas en ciertos enlaces peptídicos, lo que libera fragmentos proteicos que sólo contienen unos pocos aminoácidos.

 

En posición terminal se hallan las estructuras controladoras, capaces de identificar a las proteínas destinadas a ser degradadas (con lo que se excluyen las que deben sobrevivir), y seguidamente capaces de eliminar los diversos pliegues de las proteínas aceptadas.

 

Esta actividad reguladora incluye el desplazamiento de la proteína hasta el espacio cilíndrico catalítico y consume energía, tal como anunció Goldberg hace muchos años.

 

Etiquetado de proteínas
Aunque hay proteosomas especializados en la destrucción de algunas familias de moléculas proteicas, la mayoría de las proteínas deben ser marcadas previamente por la propia célula, ya que sólo al expresar una señal determinada la estructura controladora permitirá su incorporación al proteosoma.

 

Hay evidencias de que la inmensa mayoría de las proteínas destinadas a ser degradadas se unen a una proteína marcadora denominada ubiquitina, tal como demuestran Hershko et al.

 

Esta proteína es de un reducido tamaño, ya que sólo posee una secuencia de 76 aminoácidos.

 

El proceso de fijación sobre la proteína diana es relativamente complejo, ya que en una primera fase una enzima (E1) contacta con una molécula de ubiquitina, lo que da lugar a que se active esta proteína marcadora. En esta situación, la ubiquitina se asocia a una segunda enzima (E2), que actúa de transportadora y propicia su contacto con una tercera enzima (E3).

 

Las enzimas E3 son mucho más complejas, ya que poseen diversos dominios que actúan como «enchufes», cada uno de ellos capaz de unirse a determinadas secuencias de las proteínas diana.

 

Sólo cuando el dominio de la enzima E3 se fija a una secuencia adecuada de la proteína diana finaliza esta primera fase del marcado, ya que entonces la ubiquitina activada se fija en la proteína diana, potencial huésped del proteosoma. Estas actividades enzimáticas también consumen energía, y sólo finalizan cuando diversas ubiquitinas, unidas entre sí, cuelgan de la proteína diana.

 

Sólo con la presencia de una cadena de moléculas de ubiquitina, fijadas sobre la proteína diana, se produce su reconocimiento por parte de la estructura controladora del proteosoma y su posterior tránsito hasta la estructura cilíndrica proteolítica.

 

Diversos estudios confirman la existencia de centenares de enzimas E3 diferentes, cada una de las cuales, a su vez, puede identificar con sus diversos dominios a diferentes proteínas, en función de las dispares secuencias de aminoácidos que indican la conveniencia de su destrucción.

 

Proteosomas decisivos del metabolismo celular
La destrucción selectiva de proteínas celulares es un mecanismo esencial en muchos de los procesos metabólicos.

 

Cada proteína contenida en una célula debe ser renovada por otra proteína recién sintetizada, lo que requiere su desaparición mediante los procesos proteolíticos que realizan los proteosomas.

 

Ésta debe considerase una actividad normal, destinada a mantener en buen funcionamiento todas las proteínas que precisa el metabolismo celular.

 

Es evidente que la degradación proteica impide la acumulación de proteínas aberrantes, potencialmente tóxicas. Pero hay otros aspectos que revisten una gran importancia.

 

Algunos de los más interesantes se reseñan a continuación.

 

Cada proteína contenida en una célula debe ser renovada por otra proteína recién sintetizada, lo que requiere su desaparición mediante los procesos proteolíticos que realizan los proteosomas

 

Ciertas enfermedades y los estados de desnutrición activan los proteosomas de las células musculares

 

Especialmente cuando el tejido adiposo ya ha sido consumido, lo que incrementa la lisis de las proteínas del músculo y la liberación de sus aminoácidos.

 

Éstos pueden convertirse en glucosa y así propiciar la deficiente combustión energética.

 

Los diabéticos no sometidos a tratamiento y los enfermos terminales de cáncer y de sida presentan una debilidad muscular causada por una excesiva degradación de sus proteínas.

 

Las células infectadas por microorganismos o virus identifican las proteínas extrañas y las someten a la acción proteolítica de sus proteosomas

 

Esta actividad defensiva se completa con su implicación en el sistema inmunitario, ya que el proteosoma libera algunos péptidos no superiores a 10 aminoácidos, en los que se han detectado secuencias anómalas de aminoácidos. Estos péptidos extraños alcanzarán la membrana plasmática celular y serán presentados por el llamado «complejo principal de histocompatibilidad de clase I» para que las células inmunitarias (las células T citotóxicas) los puedan identificar como una señal que precisa la destrucción de la célula infectada.

 

Hay evidencia de que las células de los ganglios linfáticos contienen proteosomas especializados (inmunoproteosomas) que potencian la eficacia de este mecanismo de vigilancia.

 

Las células tumorales, en sus diversos estadios que las convierten en células cancerosas invasoras, sintetizan proteínas anómalas que serán degradadas por los proteosomas

 

Pero sus péptidos más significativos también alcanzarán la membrana plasmática y, por tanto, serán presentados a las células inmunitarias que deben ser alertadas con su presencia y propiciar su destrucción.

 

El ciclo celular que permite la proliferación requiere una fase de síntesis de ácido desoxirribonucleico (ADN) (fase S)

 

La fase S, una vez finalizada, inicia una fase de «reposo» (fase G2) tras la que se produce la mitosis o división celular. El proceso finaliza con una nueva fase de reposo (fase G1).

 

Las células sólo abandonan la fase de reposo G1, e inician la división celular con la síntesis de ADN (fase S) si reciben una señal adecuada. Esta señal es un complejo proteico formado normalmente por una proteína Cdk, unida a otra proteína que actúa como interruptor (una ciclina), pero la presencia en el complejo de otra proteína inhibidora de Cdk impide que el complejo se active para transmitir la señal de proliferación.

 

Esta peculiar regulación de la proliferación celular permite que la célula, cuando lo considere oportuno en función de señales internas y externas, proceda a etiquetar a la proteína inhibidora con ubiquitina. Tan sólo la lisis de la proteína inhibidora por el proteosoma permitirá la activación del complejo Cdk/ciclina, responsable en última instancia de que se inicie la fase S del ciclo, iniciándose de nuevo el proceso de proliferación.

 

Es evidente que el protagonismo del proteosoma es vital para el ciclo celular.

 

La mayoría de las vías metabólicas celulares requieren la activación de moléculas clave en sus respectivos procesos

 

Los factores de transcripción y las proteincinasas son dos ejemplos muy importantes. Estas y otras moléculas con mucha frecuencia se hallan bloqueadas por inhibidores específicos de naturaleza proteica. Pero a nivel celular los procesos metabólicos también disponen de agonistas que emiten señales capaces de propiciar su activación. Hay evidencia de que los proteosomas pueden regular estos procesos metabólicos, tanto si no degradan las proteínas activadoras como si degradan las proteínas inhibidoras.

 

Estos conocimientos justifican el interés de los investigadores en identificar moléculas y mecanismos capaces de regular la actividad de los proteosomas, ya que su actividad está presente en muchas situaciones patológicas.

 

Búsqueda de inhibidores tópicos de la actividad de los proteosomas
Velcade es el nombre con el que se identifica a un compuesto organoborado utilizado como antitumorígeno en diversas enfermedades, incluido el mieloma múltiple. También se ha demostrado que velcade es un eficaz inhibidor de algunas actividades enzimáticas de los proteosomas.

 

Richardson et al han defendido su uso en estas y otras enfermedades malignas, basándose en el hecho de que la formación de un tumor precisa una activación del factor nuclear kappa B (NFkappaB).

 

Es bien sabido que la actividad de este factor nuclear, decisiva en muchas vías metabólicas cutáneas, sólo es posible si se elimina la proteína inhibidora IkappaB, con la que forma un complejo inactivo.

 

Anteriormente se ha expuesto que la actividad proteolítica de los proteosomas degrada a proteínas inhibidoras, con lo que se incrementa la actividad de determinados factores de transcripción (como NFkappaB). La eficacia antitumorígena de velcade se considera en parte ligada a su capacidad de inhibir la actividad de los proteosomas que podrían degradar IkappaB, ya que en este caso se mantiene inactivo el citado factor nuclear de transcripción.

 

También se ha demostrado que la actividad de tipo quimotripsina que poseen los proteosomas 20S y 26S es bloqueada por algunas moléculas activas extraídas de muy diversas plantas.

 

Entre ellas destacan algunos polifenoles, en especial Epigallocatechin gallate, así como los más activos antioxidantes obtenidos de la Camelia sinensis (tanto del green como del black tea), e incluso curcumin, obtenido de la especie Curcuma longa.

 

Esta última molécula induce la apoptosis celular a través de la vía mitocondrial.

 

Una parte de los estudios realizados recientemente se han centrado en la búsqueda de componentes que posean una actividad antiangiogénica o antitumorígena.

 

Con esta finalidad se ha obtenido líneas celulares endoteliales modificadas con la inclusión del gen ras (SVR cells).

 

Estos cultivos celulares han sido utilizados por Arbiser et al para ensayar el potencial antiangiogénico de los componentes de un extracto de mate (Ilex paraguayensis).

 

Las fracciones activas correspondían a ésteres cafeicos del ácido quínico. Uno de ellos, el 3,5-DCQ (3,5-dicaffeoylquinic acid) inhibía en los proteosomas 20S y 26S la actividad de tipo quimotripsina y bloqueaba el ciclo celular en la fase G2/M, con lo que se impedía la mitosis.

 

Los autores observaron que el monoéster era poco eficaz en la inhibición de la citada actividad enzimática de los proteosomas, e incluso era incapaz de bloquear el ciclo celular en la fase G2/M.

 

Consideran muy probable que la actividad sobre los protosomas depende del número de unidades cinamato que posea la molécula estudiada. Por este motivo obtuvieron sintéticamente un tetraéster cinámico (PTTC), que mostró una elevada actividad inhibidora de los proteosomas.

 

Zollner et al han logrado transplantar una placa soriásica humana a la piel de ratones previamente tratados para evitar su rechazo.

 

Este modelo animal ha servido para demostrar que las moléculas capaces de inhibir a los proteosomas también eran capaces de aliviar la soriasis.

 

Todas estas investigaciones han permitido iniciar la búsqueda de nuevos activos capaces de inhibir a los proteosomas y por esta vía capaces de desarrollar actividades antiangiogénicas, antiinflamatorias y antisoriásicas.

 

Sin duda, el camino abierto por Goldberg hace ya muchos años sigue abierto y se puede esperar que en un futuro próximo se obtengan resultados satisfactorios.

 

Todas estas investigaciones han permitido iniciar la búsqueda de nuevos activos capaces de inhibir a los proteosomas y por esta vía capaces de desarrollar actividades antiangiogénicas, antiinflamatorias y antisoriásicas

 
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Embriología: Proteosomas

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Proteosomas

Es un complejo proteico grande. presente en todas las células eucariotas y Archaea, así como en algunas bacterias, que se encarga de realizar la degradación de proteínas (denominada proteólisis) no necesarias o dañadas.

En las células eucariotas los proteosomas suelen encontrarse en el núcleo y en el citoplasma.

1 Los proteosomas representan un importante mecanismo por el cual las células controlan la concentración de determinadas proteínas mediante la degradación de las mismas.

2 Las proteínas a ser degradadas son marcadas por una pequeña proteína llamada ubiquitina. Una vez que una de estas moléculas de ubiquitina se ha unido a una proteína a eliminar, por medio de la enzima ubiquitina ligasa, se empiezan a agregar más proteínas de ubiquitina dando como resultado la formación de una cadena poliubiquitínica que le permite al proteasoma identificar y degradar la proteína.

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