Tema 2.1 - Structure of eucaryotic genome (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Genómica
Año del apunte 2016
Páginas 9
Fecha de subida 19/03/2016
Descargas 61
Subido por

Descripción

Tema 2.1 - Structure of eucaryotic genome: genoma nuclear, exemple de regulació de l'expressió d'un gen, c-value paradox and gene number, splicing alternatiu, seqüencies reguladores

Vista previa del texto

Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo TEMA 2.1: STUCTURE OF EUCARYOTIC GENOME El genoma nuclear, és a dir, el DNA que es troba dins el nucli, és un DNA linear. Els eucariotes, però, tenim altres tipus de DNA: DNA mitocondrial i DNA dels cloroplast (plantes). Aquests dos últims DNAs són circulars, molt semblant al genoma bacterià.
● Genoma nuclear Com ja hem comentat, es troba dins el nucli i, com ja sabem, el nucli es troba embolcallat per una membrana (una de les diferències principals amb procariotes).
El DNA es troba molt compactat i organitzat formant cromosomes. El nombre de cromosomes formen el cariotip (Cariotip = organització del DNA nuclear en cromosomes). Cada espècie té un cariotip diferent així que aquesta característica és emprada per definir i classificar espècies. Exemple: l’humà té 46 cromosomes o 23 parells de cromosomes ja que som diploides.
*L’èsser humà té cèl·lules diploides (les cèl·lules somàtiques), haploides (les cèl·lules sexuals) i tetraploides (hepatòcits i algunes cèl·lules cardíaques). Les cèl·lules tetraploides estan formades pel per un procés anomenat endomitosi el qual consisteix en dividir-se la cèl·lula però no el nucli.
La cromatina consisteix en la cadena de DNA unida a histones i altres proteïnes. La cromatina es pot trobar en 2 estats diferents: - Eucromatina: és la cromatina relaxada, laxa. El DNA es troba menys compactat. Quan la cromatina es troba en aquest estat és quan es pot transcriure el DNA. El 92% del genoma es troba en aquest estat.
- Heterocromatina: cromatina molt compactada i no permet que el DNA sigui transcrit, per tant, el DNA que es troba a l’heterocromatina no és funcional. L’heterocromatina està relacionada amb el manteniment del cromosoma, manté la seva estructura. Hi han 2 tipus d’heterocromatina: - Constitutiva: quan l’heterocromatina és constitutiva significa que no pot canviar d’estat, és a dir, serà heterocromatina permanentment i els gens que conté no seran mai transcrits/expressats.
- Facultativa: quan l’heterocromatina és facultativa significa que aquesta pot passar a eucromatina i desprès tornar a passar a heterocromatina, és a dir, els gens es podran expressar quan estiguin a l’estat d’eucromatina (no sempre estaran silenciats).
1 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo L’heterocromatina i l’eucromatina, doncs, estan relacionades amb l’expressió dels gens. Són marques epigenètiques. Les marques epigenètiques són modificacions del DNA (però no de la seqüència de nucleòtids) NO permanent. Són molt diferents als canvis produïts per mutacions. Dos exemples de marques epigenètiques són la metilació i la modificació de les histones.
Com hem dit, l’heterocromatina és una marca epigenètica que es pot passar a la descendència. Un cop s’ha heretat pot passar a eucromatina i expressar aquell/s gen/s.
Exemple de regulació de l’expressió d’un gen Un gen es troba a l’eucromatina però molt a prop de l’heterocromatina. L’eucromatina en la qual es troba és, en realitat, part de l’heterocromatina facultativa (pot passar de heterocromatina a eucromatina i de eucromatina a heterocromatina). En un moment determinat l’heterocromatina canvia i el gen queda dins d’aquesta. Aquest fet provoca que el gen no es pugui transcriure, queda silenciat.
Aquest procés s’anomena Position-effect Variegation → ha canviat l’expressió del gen però no la seva seqüència.
2 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo Si el gen és essencial, ha de ser funcional sempre per tal que la cèl·lula pugui sobreviure, i, per tant, ha de trobar-se sempre a l’eucromatina per tal de poder-se transcriure. El gen, doncs, no li permet a l’eucromatina passar a heterocromatina. Aquest tipus de gen s’anomenen housekeeping gene. El procés que segueixen (el de no deixar que l’eucromatina es torni heterocromatina) s’anomena position-effect insulator.
A la heterocromatina constitutiva la associem al centròmer i als telòmers. En canvi a la facultativa hi ha la diferencia cèl·lular i la inactivació del cromosoma X (tant si es de la mare com la del pare, indeferentment).
-Imprinting: és un fenomen genètic en el qual certs gens són expressats d’una manera específica depenent del sexe del progenitor. És un procés biològic pel qual un gen o domini genòmic es troba marcat bioquímicament, indicant l’origen parental.
Barr Body → una part del cromosoma sobresurt d’aquest. Es pot arribar a veure aquest fragment amb el microscopi.
Actualment la classificació de la cromatina està canviant. Ja no es parla tan d’eucromatina, heterocromatina constitutiva/facultativa. Ara es parla de classificació de cromatina: - Yellow: és l’eucromatina actual, DNA sempre expressat (ubiquitously expressed). Els housekeeping genes es troben sempre a la cromatina yellow.
- Red: similar a una heterocromatina facultativa. S’expressa molt però a tots els teixits. Genes that are tissue specific.
- similar Blue: a l’heterocromatina facultativa però relacionada amb els gens de regulació de processos de desenvolupament (proteïnes PcG).
- Black: és la heterocromatina constitutiva actual.
Els gens estan silenciats transcriptònicament parlant.
- Green: heterocromatina constitutiva, pericentric regions, repetitive DNA.
● C-value paradox and gene number El c-valor és igual a la mida del genoma. La mida del genoma humà és de 35Gb.
El que esperem trobar al comparar c-valors és que la mida del genoma vagi augmentant a mida que observem genomes d’organismes més complexos (esperem més gens i genomes més llargs).
3 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo El que observem, però, es que els mamífers (els organismes que considerarem els més complexos) no són els organismes amb el genoma més gran. Hi ha una ameba, concretament, que té un genoma de 700Gb (recordem que l’èsser humà el té de 35Gb). → Així doncs, organismes més senzills tenen genomes més grans que els organismes més complexos.
En el gràfic següent podem veure que els procariotes tenen una correlació molt bona entre el nombre de gens codificants de proteïnes i mida del genoma. Quan observem els eucariotes, en canvi, aquesta correlació es perd. Així doncs, la paradoxa del c-valor (el fet de no tenir genomes més grans en tenir més gens) només s’observa als eucariotes.
Un gens organismes amb més gens codificants per proteïnes és un organisme eucariota unicel·lular.
Té 60.000 gens codificants per proteïnes. L’èsser humà, en canvi, només en té 19.000→ Es torna a veure que en eucariotes no existeix cap correlació entre el nombre de gens i la complexitat de l’organisme.
Entre el 2001-2003 es va seqüenciar el genoma humà. Es varen trobar 100.000 gens codificants de proteïnes però aquest numero ha anat disminuint (primer a 23.000 -el 2006- fins a 19.000) a mesura que han anat evolucionant les tecnologies per estudiar el genoma.
Així doncs, els éssers humans (i altres organismes eucariotes) tenim pocs gens però hem de realitzar moltes funcions molt complexes. Com ho podem fer? Com es soluciona el fet de tenir pocs gens però haver de realitzar moltes funcions/codificar per moltes proteïnes? La solució és tenir una elevada plasticitat genotípica. Aquesta s’aconsegueix de dues maneres: 1. Splicing alternatiu: un gen codifica per diferents proteïnes (imatge següent).
2. Seqüències reguladores.
4 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo 1. Splicing alternatiu El que esperem trobar és que en organismes complexos amb pocs gens codificants de proteïnes hi hagi un augment de la plasticitat genotípica. Esperem, doncs, que en el genoma hi hagin molts introns (més o menys el 26% del genoma humà pertany a introns).
A part dels introns també tenim pseudogens. Els pseudogens són gens disfuncionals que han perdut la seva habilitat de ser codificants de proteïnes o gens que ja no s’expressen més a la cèl·lula. Tenim 19.000 pseudogens (classical pseudogenes, processed pseudogene, Numts).
La correlació entre la mida dels introns i la mida del genoma és molt bona en organismes complexos. Els organismes complexos tenim més introns i, per aquest motiu, podem tenir més plasticitat genotípica ja que la presència d’introns permeten tenir mecanismes com l’splicing alternatiu.
5 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo La paradoxa del c-valor, doncs, està parcialment solucionada amb la presència d’introns. Els humans tenim, com ja hem comentat varies vegades, 19.000 gens codificants de proteïnes i 184000 introns.
Tenim una ratio introns/gens codificants major que altres organismes -la mosca en canvi la relació és més petita, tenen menys introns per gens-.
Aquest fet indica, gràcies a l’splicing alternatiu, que podem fer més funcions → els gens codifiquen per proteïnes isoformes, és a dir, proteïnes que provenen d’un mateix gen (són diferents transcrits d’un mateix gen, diferents productes de l’splicing alternatiu).
Els gens codificants de proteïnes, en organismes complexos, poden ser més grans: en org.
complexos trobem gens petits i gens més grans. En organismes menys complexos, en canvi, només trobem gens petits.
↳ Com a conseqüència de tenir més introns també tenim més exons (i més llargs) que els org. menys complexos.
En el gràfic de l’esquerra veiem el que hem dir: els mamífers (org. més complexos) tenen gens petits i grans. S.cerevisiae, en canvi, només té gens petits.
En el gràfic de la dreta (eix y → % de gens; eix x → exons) observem que S.cereveciae (el gràfic de dalt) té el 95% de gens amb 1 exó. Els mamífers (gràfic de baix), en canvi, arriben a tenir gens amb més de 60 exons. D.melanogaster es troba en valors intermitjos ja que és un organisme més complex que S.cerevisiae per menys complex que els mamífers.
6 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo Els gens poden classificar-se en famílies. El nombre de famílies genètiques no augmenta a mesura que augmenta la complexitat de l’organisme però el nombre de gens que formen cada família sí augmenta a mesura que ho fa la complexitat de l’organisme.
A la imatge de sota (gràfics de sectors) podem observar l’estructura dels gens d’organismes molt simples (ex: S.cerevisiae) → la major part del genoma és codificant, no hi ha presència d’introns…; i l’estructura d’organismes més complexos (ex: H.sapiens) → gens més grans (més Kb), presència d’introns, més seqüències repetides… (en blau hi han representats els gens codificants, en un color crema hi han representats els gens no codificants i en un color lilós les seqüències repetitives).
En aquesta imatge també podem comparar el nombre de gens i les funcions totals que ha de fer l’organisme.
7 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo 2. Seqüències reguladores Si mirem el nombre de gens codificants de proteïnes veiem que disminueixen a mesura que augmenta la complexitat (cosa que ja hem comentat anteriorment). Augment, però, el nombre de gens no codificants de proteïnes. Aquest fet significa que augmenta el nombre de seqüències reguladores.
Casi la meitat del genoma humà (44.4%) pertany a transposons (un valor molt més gran que en altres espècies -> veure la taula de sota). Les seqüències reguladores estan, quasi sempre, relacionades amb transposons. Observant aquests transposons tornem a veure una relació amb la mida del genoma: A menys nombre de gens codificants (genomes més petits, organismes més complexos) → més nombre de transposons.
Com veiem a la taula anterior, hi han tres grans famílies de transposons: LINE/SINE, LTR i DNA transposons.
El percentatge i el nombre de famílies d’aquests transposons varia depenent de l’espècie.
8 Genòmica – T2.1 - Sònia Vivo EN CONCLUSIÓ: - La complexitat d’un organisme és, doncs, molt més que el nombre de nucleòtids que formen el genoma i el nombre de seqüències codificants en aquest genoma. Hi ha splicing, transplicing, tandem chimerism, duplicacions, pseudogens….
- La paradoxa del c-valor s’explica amb els mecanismes d’expressió del genoma (splicing -més del 95% del genoma té splicing- i seqüències reguladores) i per una distribució desigual d’elements repetitius en el genoma eucariòtic.
EXEMPLE DROSOPHILA ⇠ és un exemple molt extrem La Drosophila melanogaster té un gen anomenat Dscam que participa en l’adhesió cel·lular. Està format per 115 exons i 60.000 parells de bases. Aquest gen és capaç de produir 38.016 proteïnes diferents gràcies a l’splicing → gràcies a la presència de molts introns i exons.
9 ...