Tema 3 (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 2º curso
Asignatura Biologia Molecular
Año del apunte 2016
Páginas 11
Fecha de subida 22/04/2016
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Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Tema 3: Reparación, recombinación y elementos genéticos móviles Mutaciones puntuales En los humanos hay 130 genes –determinados hasta el momento- relacionados con la reparación. Una lesión no reparada implica una mutación. A mayor número de mutaciones, aumentan las posibilidades de sufrir cáncer o teratogenia (mal repartimiento de cromosomas durante la división celular en el desarrollo embrionario. Hay varios tipos:  Mutación por sustitución: Un cambio en un nucleótido puede generar un cambio en el codón que codificará un aminoácido u otro. Así, la proteína puede cambiar de función. Un ejemplo es la metilación accidental de guaninas (sólo se metilan adeninas), O6-metilguanina. Si ésta no se repara, hará de A, uniéndose a T (mutación).
 Mutación por inserción/deleción: Se elimina o se añade un fragmento entero de DNA en la cadena.
Esto puede suponer evolución, o puede ser dañino si se introduce en medio de otro gen.
 Mutación silenciosa: La mutación implica la generación de otro codón que codifica para el mismo aminoácido, por lo tanto no afecta a la información.
 Mutación conservativa: Se altera un codón que pasa de codificar Lys a Arg. Son aminoácidos básicos, al ponerse en proteínas esta sigue funcionando (aunque podría perder eficiencia).
Test de Ames Determinar si una nueva sustancia es cancerígena o no (puede causar mutaciones). Se estudia en la disolución un cultivo de salmonella. Concretamente, una cepa NER-. La cepa es también His-, no puede sintetizar dicho aminoácido. Si consigue reproducirse igualmente, es debido a que puede mutar para convertirse en His+, es decir, la sustancia estudiada será mutagénica.
El estudio se realiza a la vez en un extracto de hígado de rata, es un órgano capaz de realizar reparaciones en la información genética.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Reparación del DNA Existen numerosos mecanismos. Los más destacables son:  Utilizan información de hebra complementaria: o Reparación de apareamientos incorrectos, MMR (mismatch repair).
o Reparación directa (Direct reversal).
o Reparación por corte de nucleótido, NER.
 No utilizan información de hebra complementaria: o Reparación por corte de base, BER.
o Reparación con alta tasa de error, SOS y DSB (casos muy especiales).
o Reparación por recombinación.
Reparación de apareamientos incorrectos, MMR Posibilitada porque la hebra molde está marcada previamente por la metilación de A de todas las secuencias GATC en ella. Cuando se acaba de replicar, la cadena hija aún no se ha metilado, ADN hemimetilado, termina de ser metilado por la Dam metilasa.
Cuando se produce un error en el apareamiento, se da la unión de proteínas Mut (gasto de ATP) al ADN.
 En primer lugar se unen MutS y Mut L, formando un complejo que reconoce el desaparea miento.
 A continuación, se une la Mut H, que reconoce la cadena metilada, distinguiéndola de la hija. Repliega el ADN formando un lazo, hasta chocar con un metilo de la cadena parental a cada lado.
 El trozo replegado se corta y degrada, rellenándolo con la acción dela DNA polimerasa III.
Las proteínas necesitadas son:  Helicasa.
 Exonucleasas, degradación, depende de en qué sentido se degrade la cadena.
 SSB, protegen la cadena cuando se encuentra desapareada.
 DNA polimerasa III, rellena huecos.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Reparación directa del daño, Direct Revearsal No se elimina base ni nucleótido. Tiene lugar en la reparación de dímeros de timina. En general, las pirimidinas expuestas a luz UV pueden dimerizar formando un ciclobutil, impidiendo al DNA transcribirse y replicarse.
Actúa la enzima fotoliasa, que se activa con la luz, usa la propia energía de ella para revertir la lesión. Esta enzima desaparece en mamíferos de placenta interna, fetos (más sensibles) no expuestos a la luz, daño producido puede ser reparado por NER.
Reparación por corte del nucleótido, NER Al darse una lesión, puede ser el caso de la dimerización de pirimidina, se corta todo un segmento alrededor con una escinucleasa que practica dos cortes simultáneos. El segmento varía de longitud en eucariotas y procariotas. Una helicasa desenrolla el DNA para poder extraerlo. Finalmente una DNA polimerasa I (bacterias) oε (humanos), reconoce el OH en 5’, sintetizando el fragmento de nuevo, uniendo los extremos mediante una DNA ligasa.
Reparación por corte de base, VER (ejemplo de enzima que reconoce uracilo en DNA) Biología molecular     Nanociencia y nanotecnología Se da unión errónea de nucleótido. Glicosilasa rompe enlace glicosídico, se elimina la base.
Endonucleasa actúa, elimina segmento erróneo.
DNA polimerasa I incorpora la base necesitada (sin tomar azúcar ni fosfato).
DNA ligasa une el nick.
Lesiones sin reparación anteriores, respuesta SOS por métodos Mecanismos con tendencia a error, error-prone, se producen en respuesta a graves daños en el DNA. La replicación se detiene y el DNA queda como una monohebra accesible. Se da:  Reparación por SOS.
 Recombinacion con cromosoma homólogo.
El sistema SOS se activa mediante:  Participación de la proteína RecA (Rad51 en eucariotas). Se activa cuando la cantidad de monohebras es elevada, formando un polímero sobre el DNA de cadena sencilla. Éste es detecto por la LexA, que se autohidroliza y deja de reprimir al operón.
 Represor LexA. Reprime todos los operadores del operón SOS. Cuando todo marcha bien, se encuentra unido a éste. Ante un problema en el DNA, libera los promotores, activando la expresión génica de las TLS.
 Polimerasas de la familia TLS (TransLesion Synthesis). Ponen cualquier nucleótido para continuar la síntesis, replicando el DNA, aunque después se requiera activación de otros sistemas de reparación (pues se heredará una mutación).
Existe un nivel basal de recA, que permite la unión al DNA cuando este es erróneo.
Sistemas de reparación defectuosos y cáncer  Xerodema pigmentosum (XP). El sistema NER es defectuoso. Los pacientes presentan: o Cáncer de piel, al ser el único sistema capaz de eliminar los dímeros de pirimidina en humanos, quienes padecen de XP son muy sensibles a la luz.
Biología molecular   Nanociencia y nanotecnología o Anomalías neurológicas por su incapacidad de reparar ciertas lesiones causadas por la elevada tasa del metabolismo oxidativo de las neuronas (liberan muchas ROS).
Los defectos en los genes que codifican cualquiera de los componentes proteicos diferentes del sistema NER pueden provocar el XP.
Cáncer de colon no poliposo hereditario (HNPCC) o Sindrome de Lynch. El síndrome ha estado relacionado con defectos en la reparación de apareamientos incorrectos (MMR). Los más abundantes afectan a los análogos en humanos de los genes MutL, que participan en el reconocimiento de los MisMatchs. Se hereda por un patrón autosómico dominante (basta una copia) o Desarrollo de cáncer a edades tempranas (colon principalmente).
Cancer de mama (BRCA1 y BRCA2). Supone el 10% de los casos de cáncer de mama diagnosticados. Se presentan defectos en dos genes, BRCA1 y BRCA2, implicados en los sistemas de reparación del DNA por reparación de rotura de doble cadena de DNA mediante recombinación. Ambas proteínas interaccionan con otras muchas proteínas implicadas en la transcripción, el mantenimiento de cromosomas, la reparación de DNA y el control del ciclo celular. Los defectos en los genes son hereditarios.
o Las mujeres que lo heredan desarrollan cáncer de mama en más del 80% de casos.
Recombinación del DNA Existen muchos procesos de recombinación genética diferentes: Recombinación general u homóloga Puede ocurrir en cualquier lugar del genoma por emparejamiento entre pares de secuencias que presenten una homología suficientemente extensa. Depende de la intervención de un equipo enzimático característico en el que la proteína RecA (Rad51 en eucariotas) es importante.
Cuando tenemos un corte en la doble hélice de uno de los dos cromosomas homólogos las exonucleasas degradan las cadenas. Quedan con hebras simples de DNA terminales en 3’ colgando de las dobles hélices.
Uno de los cabos se empareja con su complementario en el cromosoma homólogo, dejando la otra hebra desplazada.
(Invasión).
El final 3’ de la cadena invasora se amplía mediante una DNA polimerasa que copia a partir del cromosoma invadido, hasta que se forma un cruce llamado Estructura Biología molecular Nanociencia y nanotecnología de Holliday. El cruce es entre una de las dos cadenas rotas y una de las dos cadenas invadidas. A medida que esto pasa, los fragmentos que faltan en las cadenas de cada doble hélice que no se unen van siendo rellenados. La recombinación termina con la participación de nucleasas especializadas.
Según se corte el intermediario de Holliday podemos obtener cromosomas homólogos recombinados de distinto modo con diferentes proporciones.
Son importantes las proteínas Ruv, que hacen la función de: o Estabilizar la estructura de Holliday.
o Motor, desplazando la rama a un lado mediante giros (gasto de ATP).
La RecA, sin embargo, es la proteína más importante en la recombinación homóloga. La recombinación en sí consiste en el apareamiento de dos hembras de DNA homólogo: o Primero se debe generar una región de cadena simple de DNA por acción de la RecBCD, que corta la cadena invasora.
o Formación de un polímero de RecA’s alrededor de la cadena simple obligándola a tomar una conformación en hélice muy grande, favoreciendo la invasión.
o La doble cadena invadida es asimilada en el polímero obteniendo una triple hélice. Se genera entonces la Biología molecular Nanociencia y nanotecnología estructura Holliday y la consiguiente migración de la rama con la participación del complejo RuvAB hasta que la RuvC la resuelve, cortando la cadena.
Fenómenos de replicación En general la recombinación homóloga contribuye a la reparación de varios tipos de lesiones del DNA, a la meiosis y a la mejora de la diversidad genética de una población.
La reparación de horquillas de replicación dañadas en común en procariotas y eucariotas.
En procariotas: o Transformación. Asimilación de plásmidos externos que pueden recombinar o no con el DNA de la bacteria.
o Transducción. Cuando un virus se introduce en una bacteria se inserta en su DNA. Cuando sale de, puede llevarse un fragmento del DNA huésped por error.
Cuando el virus entre en otra bacteria e inserte su DNA en ésta, el DNA de la otra bacteria le acompañará de modo que la segunda bacteria asimilará DNA de la primera, sin contacto entre ellas.
o Conjugación. Hay bacterias que presentan plásmidos muy grandes (100 Kb) con capacidad para integrarse en el genoma. Estos plásmidos se llaman factores F.
Para poder conjugarse, dos bacterias deben estar en contacto. La F+ genera un pili que hará de puente entre las dos bacterias, permitiendo el paso de plásmidos entre las dos bacterias de la F+ a la F-, donde el factor F podrá recombinar con el genoma de la bacteria, y la célula pasa a er HFr por su alta frecuencia en recombinación.
En eucariotas: o Meiosis. En la meiosis observamos recombinación en la profase I. En ella los cromosomas diploides, con una copia materna y otra paterna, se recombinan, generando dos células haploides con información tanto del padre como de la madre pero en un solo cromosoma con dos cromátidas. (Telómeros no recombinan.) Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Recombinación específica de sitio (o conservativa) o Requiere secuencias de homología cortas (entre 20 y 20 bp) entre el exogenote (invade) y el endogenote (acepta).
o Al no haber replicación de DNA durante el evento de recombinación también se llama conservativa.
o Las secuencias de homología son reconocidas por proteínas específicas llamadas recombinasas.
Atacan con su cadena lateral un enlace fosfodiéster, creando una rotura monocatenaria en el DNA.
Realizan 4 cortes en dos puntos distintos de dos cadenas bicatenarias, que presenten fragmentos homólogos o Tirosina recombinasas.
o Serina recombinasas.
o Es independiente de RecA.
La función principal de la recombinación específica es la regulación de la expresión de genes.
Transposición Los transposones son secuencias discretas en el genoma que son móviles. Hay dos clases de transposones: o Unos son secuencias de DNA que a veces codifican proteínas y que son capaces de auto propagarse por un genoma. Presentes en procariotas y eucariotas (fósiles, inactivos). Contienen genes que codifican las enzimas necesarias para su propia transposición.
o Otros son retrotransposones, transposones relacionados con retrovirus que pueden integrarse en el genoma tras realizar copias de DNA, mediante una transcriptasa inversa, que crea transcristos de mRNA y los integra en el genoma.
Se lleva a cabo una recombinación ilegítima, no es necesaria la homología entre el DNA donador y el DNA aceptor, por lo que es peligroso, aunque es un proceso muy ineficiente, se da muy poco.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología Los transposones duplican la secuencia de DNA en el lugar en que se insertan. Cuando una transposasa reconoce las secuencias adecuadas, realiza un corte. Al final de estos cortes se insertará el transposón y finalmente se rellenaran los huecos que queden de la secuencia reconocida en la cadena contraria mediante una polimerasa I.
Clasificación de transposones o Secuencias de inserción o elementos IS. El elemento IS empieza en un sentido, y la cadena contraria, en el mismo sentido. (Repeticiones invertidas en los extremos.) o Transposones Tn. Contienen genes no implicados en el proceso de transposición, como genes de resistencia a antibióticos.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología o Transposones compuestos. Combinación de dos elementos IS que flanquean una región que puede contener diversos genes. Pueden ir en un sentido u otro.
Mecanismos principales de transposición o Transposición replicativa. En el punto de origen y de llegada hay una copia del transposón. Cuando las cadenas del donador unen sus transposones a las secuencias concretas de las cadenas del plásmido receptor, se replica el transposón antes de que los dos plásmidos se vuelvan a separar.
o Transposición no replicativa. En el punto de origen se extingue el transposón. Éste es cortado de la cadena donadora a través del reconocimiento de sus extremos por enzimas escindidoras y queda libre en el núcleo. Cuando detecta una secuencia de otra cadena de DNA a la que se puede unir, lo hace.
Biología molecular Nanociencia y nanotecnología La transposición es responsable de gran parte de la remodelación genética.
Además de mediar su propia inserción, los transposones promueven en el DNA huésped: o Inversiones de segmentos.
o Deleciones de segmentos que contengan un transposón.
Son herramientas pudiendo: genéticas de la naturaleza, o Organizar o colocar genes que originalmente estaban distantes en operones, donde se regulan coordinadamente y de formar nuevas proteínas, uniendo segmentos genéticos independientes.
o Presencia de mismos transposones en bacterias no relacionadas, puede darse transferencia de información genética mediada por transposones entre especies no relacionadas.
o Retrotransposones LINES, SINES, ALU constituyen el 50% del genoma humano, y se replican principalmente durante embriogénesis, quimérico en el adulto. Se relacionan con numerosas enfermedades, como algunos cánceres hereditarios.
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