1 ¿CÓMO SE ORGANIZA EL MATERIAL HEREDITARIO? - U

Dra. Lilian
Jara
¿CÓMO SE ORGANIZA
EL MATERIAL
HEREDITARIO?
9 El material hereditario se organiza en forma de
cromosomas.
9 Los cromosomas son largas moléculas de
ácidos nucleicos que en el caso de los virus
interaccionan con las proteínas de la cápside para
conseguir su plegamiento y empaquetamiento y, en
algunos virus, además interaccionan con proteínas
de bajo peso molecular (VPg) relacionadas con la
replicación. También existen virus cuyo ADN se
asocia con las histonas del huésped para formar
nucleosomas.
9 El cromosoma principal bacteriano (nucleoide) es
ADN doble hélice circular superenrollado y
organizado en dominios o lazos, existiendo
posiblemente interacciones con proteínas básicas
semejantes a las histonas (HU y H) que sugieren
la formación de una cromatina rudimentaria que
permitiría su plegamiento y empaquetamiento en el
interior de la bacteria.
1
¿CÓMO SE ORGANIZA
EL MATERIAL
HEREDITARIO?
9 El genoma de una especie está constituido por
el conjunto las diferentes moléculas de ácido
nucleico que posee.
9 Por ejemplo:
Existen virus con una sola molécula de
ARN o ADN, con un sólo cromosoma (TMV,
Adenovirus, T4, etc.), y hay virus que contienen
varias moléculas de ARN o ADN , varios
cromosomas (virus de la gripe, Reovirus,
Retrovirus).
9 El genoma de las bacterias puede estar
constituido por más de un cromosoma, ya que
además del cromosoma principal (nucleoide),
pueden contener en su interior una o varias copias
de cromosomas pequeños de ADN doble hélice
circular (plasmidios o plasmidos).
2
Clasificación de los
virus
• Según al tipo de organismo
que parasiten:
– Bacteriófago
– Virus animales
– Virus Vegetales
• Según
el
material
hereditario, la simetría de la
cápside,
presencia
o
ausencia de envoltura y
dimensiones del virión y de
la cápside.
Formas Virales
3
Genoma Viral
• Los virus son parásitos intracelulares
obligados.
• Su estructura incluye un ácido
nucleico viral (genoma viral) (DNA o
RNA pero nunca ambos) ubicado
dentro de una cápside proteica.
• Utilizan la maquinaria celular del
huésped (transcripcional y
traduccional) para su propia
replicación.
• El genoma viral codifica toda la
información para la replicación viral.
Composición de los virus
• Genoma (
RNA o DNA)
• Una capa
proteica:
Cápside.
• Una
membrana:
Envoltura
(algunos)
4
Tamaños virales
Bacteriófago
5
Genoma Viral y localización
Genoma
Viral
- El genoma viral es una
molécula de ácido nucleico,
DNA o RNA, intacta o
segmentada, circular o lineal
que funciona como el material
genético del virus
6
Genoma viral
- Codifica para la síntesis de todos los
componente virales y las enzimas
necesarias para la replicación viral.
Esta información la almacena
en SEIS tipos diferentes de
ACIDO NUCLEICO,
clasificación basada en la forma
en que su ácido nucleico forma
el RNAm viral:
Diversidad del genoma
viral
Tipos de genomas
i.
DNA de doble hebra (dsDNA)
ii.
iii.
DNA de hebra simple (ssDNA)
RNA de doble hebra (dsRNA)
RNA de hebra simple (ssRNA)
El RNA puede ser reconocido
como un mRNA (polaridad +).
El RNA puede actuar como
templado para sintetizar un mRNA
(polaridad -)
El RNA puede actuar como
templado para sintetizar DNA
("retrovirus")
iv.
v.
vi.
7
Diversidad del genoma
viral
a. DNA doble hebra (+/-) : La hebra (-) es transcrita
directamente a RNAm . (Ej. bacteriófagos, Papovavirus,
Adenovirus, Herpesvirus)
b. DNA (+) o DNA (-). Dentro de la célula hospedera, este
DNA es convertido en DNA doble hebra, y la hebra (-) es
transcrita directamente a RNAm ( Ej. Fago M13,
Parvovirus).
c. RNA (+). A RNA (+) puede actuar directamente como
RNAm viral. (Ej. Picornaviruses, Togaviruses,
Coronaviruses)
d. RNA (-). El (-) RNA es copiado a RNA (+), que actúa
como RNAm viral (Ej. Orthomyxoviruses,
Paramyxoviruses, Rhabdoviruses
e. RNA doble hebra (+/-). La hebra (+) del RNA actúa
como RNAm viral (Ej. Reoviruses).
f. RNA (+). The RNA (+) es transcrito a DNA (-) y luego
pasa a DNA doble hebra (+/-). The DNA (-) es transcrito a
RNAm viral (Ej. Retroviruses).
¾ Viroides y
Priones:
- Los Viroides son estructuras aún más
simples que los virus. Son pequeños,
circulares, y corresponden a moléculas de
RNA infeccioso de una cadena que
carecen de envoltura proteica.
-Los Priones son partículas proteicas
infecciosas que se piensa son responsables
de un grupo de enfermedades
neurovegetativas transmisibles y/o
hereditarias.
8
GENOMAS VIRALES
• Los genomas virales pueden estar
constituidos por DNA o RNA:
• Los genomas RNA puede estar
constituido por una sola hebra de RNA
o por varias moléculas diferentes de
RNA (SEGMENTADAS )
VIRUS DNA
Tipo de
Molécula
Tipo de Hélice
Sencilla
Tipo de virus
según
huésped.
Familia de
virus
Fago
ØX174
M13
Animal
Parvovirus
Animal
Papovavirus
(SV40,
polioma)
Adenovirus
Herpetovirus
(Herpes)
Poxvirus
(viruela)
Iridovirus
(peste
porcina)
Fago
Extremos
cohesivos:
Fago Ø80,
434, P2, 186)
Redundancia
terminal: serie
T-par, T3 y
T7
Circular
Doble
Lineal
Doble
9
Genoma DNA
Partículas de ØX174
ADN de ØX174
Virus DNA
Partículas del virus SV40
ADN de SV40
Otros virus conocidos, cuyo material hereditario es ADN doble
hélice circular y que también infectan especies animales son
los siguientes:
Herpesvirus (herpes)
Iridovirus (peste porcina)
Poxvirus ((viruela)
10
VIRUS RNA
Tipo de
Molécula
Tipo de
Hélice
Sencilla
Tipo de
virus
según
huésped.
Familia de virus
Fago
MS2, f2, Qb
Animal
Picornavirus
(polio)
Togavirus
Rhabdovirus
(estomatitis,
rabia)
Myxovirus
(gripe)
Paramyxovirus
(Sendai,
paperas)
Vegetal
Virus mosaico
tabaco (TMV)
Fago
Ø6
Lineal
Doble
Circular
Sencilla
Animal
Retrovirus
Vegetal
Tumor de las
heridas
Vegetal
Viroide (PSTV)
Virus RNA
Myxovirus (gripe)
Picornavirus (polio)
TMV (virus del
mosaico del
tabaco)
11
VIRUS RNA-DNA
Tipo de
Molécula
Lineal
Tipo de
Hélice
Tipo de virus
según
huésped.
Familia de virus
Animal
Retrovirus
(Ribodesoxivirus)
- Sarcoma de Rous
(Pollo)
- Leucemia de
Rauscher (ratón)
- HIV (virus de
inmunodeficiencia
humana causante
del SIDA)
Sencilla
Los retrovirus presentan material genomico RNA
pero en su ciclo replicativo pasan por DNA
(transcripción inversa)
Sarcoma de Rous
VIH
VIRUS DNA-RNA
Tipo de
Molécula
Tipo de
Hélice
Tipo de
virus
según
huésped.
Familia de
virus
Circular
Doble
(gap)
Animal
Hepatitis B
El virus de la
Hepatitis B: Es un
virus animal cuyo
material hereditario
es DNA circular de
doble hélice.
12
Estrategias de Traducción
Mecanismo
Ejemplo
Poliproteína
Picornavirus
Flavivirus
Alfavirus
Retrovirus
“Leaky
scanning”
Virus Sendai
Virus Influenza
RNA 6
VIH
SV40
Reiniciación
Virus Influenza B
RNA 7
CCMV
Supresión de
la terminación
Alfavirus nsP4
Retrovirus GagPol
“Ribosomal
frameshifting
Coronavirus
Retrovirus GagPol
Entrada
interna al
ribosoma
(IREs)
Picornavirus
Flavivirus
Poliproteína
Flint,
2000
13
RNA negativo segmentado (virus inf
Flint,
2000
RNA→DNA (retrovirus)
14
DNA (hepadnavirus)
DNA (SV40)
15
Genes tempranos
Genes tardíos
Temporali
dad de la
expresión
génica
16
Estructura del DNA
Bacteriano
- Estructura química: A, C, G, T (excepción : CpG no m
- Estado libre (no está unido a membrana)
- nucleoide ≙ cromosoma eucariótico
nucleoide
17
Genoma bacteriano
• Más pequeño: Buchnera spp. 460 kb (0.46 Mb)
Mycoplasma genitalium 580 kb
(0.58 Mb)
Más grande : Myxococcus xanthus 9200 kb (9.2
Mb)
Mediano
: ~2000 kb (2.0 Mb)
• Promedio de tamaño de gen: 0.9-1.0 kb
• ~90% del genoma codifica para proteínas y RNA
estables
• El genoma bacteriano más grande implica que
contine más genes.
• El número de genes refleja el ciclo de vida:
pequeños genomas = parásitos obligados
grandes genomas = flexibilidad metabólica,
vivir en ambientes complejos
Tamaños Comparativos
18
Life style
Bacterium
Extracellular
Escherichia coli K12
Vibrio cholerae
Pseudomonas aeruginosa
Bacillus subtilis
Clostridium acetobutylicum
Deinococcus radiodurans
Caulobacter cresentus
Synechocystis sp . PCC6803
Salmonella enterica serovar Typhi
Yersinia pestis
Brucella melitensis
Legionella pneumophila
Mycobacterium tuberculosis
Listeria monocytogenes
Aeropyrum pernix
Methanococcus janneschi
Acheoglobus fulgidus
Thermatoga maritima
Aquifex aeolius
Halobacterium sp. NRC1
Neisseria meningitidis
Haemophilus influenzae
Mycoplasma genitalium
Mycoplasma pneumoniae
Ureaplasma urealyticum
Mycoplasma pulmonis
Borrelia burgdorferi
Treponema pallidum
Helicobacter pylori
Pasteurella multocida
Streptococcus pyogenes
Buchnera sp. APS
Wolbachia spp.
Facultatively
intracellular
Extremophile
Epicellular
Obligately
intracellular
symbiotic
Obligately
intracellular
parasitic
Wigglesworthia glossinidia
Sodalis glossinidius
Rickettsia prowazekii
Rickettsia conorii
Ehrlichia chaffensis
Cowdria ruminantium
Coxiella burnetii
Chlamydia trachomatis
Chlamydophila pneumoniae
Simkania negevensis
Genome size in
millions of base
i
4.6
4
6.3
4.2
4
3.3
4
3.6
4.8
4.7
3.3
3.9
4.4
2.9
1.7
1.7
2.2
1.9
1.6
2.6
2.2
1.8
0.6
0.8
0.8
1
0.9
1.1
1.7
2.3
1.9
0.6
1,3
1.0 - 1.7
0.82
2.02
1.1
1.3
1.21
1.61
2.11
1.1
1.3
1.71
Tamaño del genoma y
número de genes en bacteria
Graur and Li , 2000
19
Genoma Bacteriano
1.Cromosoma
2.Plasmidio
3.Elementos
transponibles
(facultativos)
4.Virus bacteriano (bacteriófago)
(facultativos)
Características de los
genomas bacterianos
• Las bacterias tienen un único
cromosoma circular
– Muchas bacterias poseen plasmidios
• Los genomas bacterianos contienen
entre ~700 a varios miles de genes
• El genoma de una bacteria es mucho
más pequeño que los genomas
eucarióticos
• No contiene intrones
20
Cromosoma bacteriano
• La mayoría de las bacterias contienen un único
cromosoma (más elementos extracromosómicos)
• En algunas bacterias se ha encontrado que también
contienen 2-3 replicones los cuales se pueden
considerar ya sea como megaplásmidos o
minicromosomas. Ejemplo los replicones de 3.0 Mb y
de 0.9 Mb en Rhodobacter sphaeroides
• Pocos géneros bacterianos contienen más de 1
cromosoma
•Ejemplo en Brucella existen dos cromosomas de 2.1 Mb
y de 1.2 Mb.
•Algunas bacterias contienen grandes replicones
esenciales para la sobrevida en nichos ecológicos
específicos. Ejemplo replicones de 1.4 Mb y de 1.7 Mb
replicons en Rhizobium meliloti los que se requieren
para la simbiosis con leguminosas.
• Probablemente los cromosomas multiples se han
originado a partir de un único cromosoma.
Cromosoma
Bacteriano
- En general es único, circular , y de
doble hebra: organismos haploides
Excepciones
∗ Algunas especies
tienen dos
cromosomas
∗ Algunas especies
tienen un cromosoma
lineal
- Replicación
semiconservativa
- Sin membrana
nuclear
21
Cromosoma
Bacteriano
~1mm (~1.000x
mayor que Ø
bacteriano):
- compactado
Tortora, Funke and Case, 1996
-Varía en
tamaño :
~ 750 kb em
Mycoplasma
~
5.000
kb
em
~
10.000
kb
em
Escherichia coli
Streptomyces
(~1 000 a 10 000
Cromosoma Bacteriano
-En bacterias se ha descrito la
presencia de proteínas asociadas,
semejantes a histonas
En bacterias se han encontrado
proteínas con características muy
semejantes a las histonas de los
organismos eucariontes. Por esta
causa se piensa que estas proteínas
podrían unirse al ADN y formar una
especie de cromatina primitiva.
22
PROTEÍNAS BACTERIANAS SEMEJANTES A LA
PROTEÍNAS BÁSICAS DETECTADAS EN BACTERIAS
Proteín
a
Composición
Contenido
por células
Semejanza
con
eucariontes
HU
Dímero
subunidades α y
β de 9.000 d.
40.000
dímeros
Histona H2A
H
Dímero
subunidades
idénticas de
28.000 d.
30.000
dímero
Histona H2B
IHF
Subunidad α de
10.500 d.
Subunidad β de
9.500 d.
Desconocid
o
Desconocid
a
H1
Subunidad de
15.000 d.
10.000
copias
Desconocid
a
HLP1
Monómero de
15.000 d.
20.000
copias
Desconocid
a
P
Sububnidad de
3.000 d.
Desconocid
o
Protaminas
cromoso
ma
http://129.109.136.65/microbook/ch
23
Organización del genoma bac
DNA Expandido de E. coli
Cromosoma
Plasmidio
Plasmidio
24
Genoma bacteriano
Bacteria lisada
Nucleoide bacteriano (dominio
ganización en dominios del nucleoide bacteriano
25
Evolución de los genomas
bacterianos
- Mutaciones
- Reordenamientos, deleciones,
tansferencia horizontal de genes (Lawrence
(1997) Trends Microbiol. 5: 355-359)
620 kb „old“ DNA
(includes plasmids, phages)
620 kb new
E. coli
(old)
Original
chromoso
me
4800 kb
E. coli
DNA integrated
(new)
naked DNA includes:
plasmids
plasmids
phages
phages
100 Million years
Final
chromos
ome
4800 kb
26
ELEMENTOS RESPONSABLES
DE LA HERENCIA
EXTRACROMOSÓMICA
•
1. Partículas
citoplasmáticas:
a) Partículas Kappa. Partículas λ,
espirotecas y rikettsias
b) DNA viral, plasmidos, episomas,
elementos Tn.
•
2. DNA de organelos:
a) DNA cloroplástico
b) DNA mitocondrial
c) DNA de cuerpos basales
ELEMENTOS RESPONSABLES
DE LA HERENCIA
EXTRACROMOSÓMICA
•
1. Partículas citoplasmáticas:
b) DNA viral, plasmidos, episomas,
elementos Tn.
27
•
1. Partículas citoplasmáticas:
b) DNA viral, plasmidos, episomas,
elementos Tn.
LOS PLASMIDIOS
• Además del cromosoma bacteriano principal
(nucleoide) se han encontrado otras moléculas más
pequeñas de ADN doble hélice circular .
• Replican de forma autónoma e independiente a la
del cromosoma principal.
• En algunas situaciones, pueden integrarse en el
cromosoma principal bacteriano y a partir de ese
momento replicarse al mismo tiempo.
• El tamaño de los plasmidios es muy variable (2.000
a 100.000 pares de bases) y el número de plasmidios
que se encuentra en el interior de una bacteria es
también variable y depende del tamaño del plasmidio,
si los plasmidios son grandes suele haber u o dos
copias por bacteria y si son pequeños pueden
encontrarse hasta 20 copias por célula bacteriana.
•
1. Partículas citoplasmáticas:
b) DNA viral, plasmidos, episomas,
elementos Tn.
LOS PLASMIDIOS
Los plasmidios se clasifican según las funciones o el
tipo de información que llevan en:
1. Factores de Fertilidad o factores F.
2. Factores de resistencia de transferencia a drogas,
factores RTF o factores R.
3. Factores colicinógenos, factores Col o factores Cf.
Las colicilinas son sustancias que matan a las
bacterias. Naturalmente las bacterias productoras
de colicilinas son inmunes a ellas.
La capacidad de replicación autónoma de los
plasmidios los ha convertido en vehículos para
clonar genes o piezas de ADN. De forma que
gracias a ellos es posible conseguir una gran
cantidad del ADN deseado en poco tiempo.
28
LOS PLASMIDIOS
Lodish, 2000
PLASMIDIOS DE RESISTENCIA
Tortora,
Funke & Case,
1996
29
Integración Plasmidial
Plasmidio:
DNA doble
hebra
circular
INTEGRACIÓN
Plasmidio Integrado
Plasmidio
s
Parámetros de interés:
Ejemplo vector
Tamaño
pequeñ
Número de copias
alto (10
Marcador de selección
resistancia a an
Rango de hospedero
estrecho
Fertilidad (conjugación?)
no conju
ori de replicación (grupo de incompatibilidad)
i.e. ColE
Genes adicionales
i.e. lacZ-α (inse
Nomenclatura para plasmidios recombinantes:
pXY000
XY: nombre abreviado dado por el investigador
000: numeración continua
zB. pBR322 es el plasmidio 322
Hecho por Bolivar y Rodriguez.
30
Plasmidios y biología molecula
vector
propiedades_____________________
__
Clonamiento:
obtener/analizar
fragmento específico de
Expresión:
Promotor regulado
Shuttle:
promotores/ori para
DNA
diversos organismos
Mobilizable:
transferencia por
conjugación
Rango de hospedero: diversas bacterias
suicida:
mutagenesis sitio dirigida
cosmidios:
plasmidio/fago lambda
etc.
•
1. Partículas citoplasmáticas:
b) DNA viral, plasmidos, episomas,
elementos Tn.
LOS TRANSPOSONES (Tn)
• Un intenso análisis de variaciones en el
maíz, condujo a Bárbara Mc Clintock al
descubrimiento de elementos móviles
llamados transposones.
• Los transposones modifican o suprimen
la acción génica y en determinados
casos producen efectos mutacionales.
• Estos elementos están asociados al
material genético cromosómico y pueden
formar parte de él, pero no siempre están
en una posición fija.
31
LOS TRANSPOSONES (Tn)
• Pequeños segmentos de DNA que se
mueven de una región a otra del DNA
• Están insertos dentro de un gen
produciendo la inactivación del gen.
• Contienen la información para su
transposición.
• Secuencias de inserción (IS) contienen
el gen para la transposasa.
• Transposones complejos portan genes
para enterotoxinas o resistencia a
antibióticos.
Elementos móviles en el genoma hum
Lodish, 2000
32
ELEMENTOS RESPONSABLES
DE LA HERENCIA
EXTRACROMOSÓMICA
•
•
1. Partículas
citoplasmáticas
2. DNA de
organelos:
a) DNA
cloroplástico
b) DNA
mitocondrial
c) DNA de cuerpos
basales
33
La
Mitocondria
Origen de la Mitocondria
34
DNA MITOCONDRIAL
Tamaño de genomas
mitocondriales
de diversos organismos vivos
35
Número y tipo de genes presentes
en el DNA mitocondrial de algunos
organismos vivos
DNA MITOCONDRIAL
• Forma: Circular,
Lineal.
• Código no Universal:
36
DNA mitocodrial de protozo
DNA MITOCONDRIAL
• Forma: Circular,
Lineal.
• Código no Universal:
37
Variaciones del código ge
Alteraciones en el código genético en la m
Lodish, 2000
38
Algunas diferencias entre el
Código Genético “Universal”
y el Mitocondrial
Codon
UG
A
AU
A
CU
A
}
AG
A
AG
G
ADN mitocondrial de
levadura
ADN
mitocondrial
de humano
39
Tipos y proporciones de los distintos tipos de
DNA del genoma humano.
DNA mitocondrial humano
40
Organización del DNA mitocondrial hum
41
Algunas mutaciones puntuales
en el mtDNA asociadas a
enfermedades
Enfermedad de la mitocondria:
Neuropatía óptica hereditaria de
Leber
9La Neuropatía óptica de Leber
(LHON) es una enfermedad hereditaria
rara que produce ceguera por
degeneración del nervio óptico
9In 1988 Douglas Wallace y sus
claboradores
identificaron
una
mutación en el DNA mitoocndrial de
pacientes con LHON. La mutación (en
la base 11778) afecta una de las subunidades del complejo I de la cadena
transortadora de electrones (NADH
dehydrogenasa), la produce una
sustitución de una histidina por una
arginina.
9La mutación que causa la LHON
reduce la capacidad de la mitocondria
para realizar la fosforilación oxidativa y
generar de ATP.
9 El
sistema
nervioso
central
(incluyendo el cerebro y el nervio
óptico) es altamente dependiente del
metabolismo oxidativo, y por lo tanto la
ceguera es la primera manifestación
clinica resultante de la mutación en el
DNA mitocondrial y responsable de la
LHON.
Cooper, 2000
42
LHON
(Neuropatía
óptica
hereditaria de
Leber)
Un número importante de pacientes presentan
mutaciones puntuales en: G3460A, G11768A, T14184C,
A14495G.
43
El mtDNA
se
transmite
por vía
materna
Segregación replicativa de una
mutación mitocondrial
heteroplásmica
Umbral de
expresión
fenotípica
44