Biol. 3030 – Biología del Desarrollo Ejercicio 5 – Mapas de restricción Introducción: Con este ejercicio se pretende demostrar los principios básicos de mapas de plásmidos usando enzimas de restricción mediante simulaciones y prácticas de bioinformática. Enzimas de restricción: Las enzimas de restricción fueron descubiertas por su habilidad de degradar, digerir o restringir DNA extraño y son exclusivas de procariotas. Ellas pueden distinguir entre el DNA normalmente presente en la célula de aquel DNA que aparece por ejemplo por la infección de un bacteriófago. Ellas defenderán a la célula de la invasión cortando ese DNA extraño en fragmentos y dejándolo no funcional. Las enzimas mayormente utilizadas en la investigación reconocen secuencias palindrómicas de 4-6 pb. Estas secuencias leen lo mismo de 5’3’ en ambos lados de la doble cadena, son específicas para cada enzima y son conocidas como lugares de restricción (Figura 1). La enzima hace un corte en el enlace fosfodiesterico del DNA Figura 1. – Ejemplos de sitios de en una posición restricción para varias enzimas conocidas. específica. Sus nombres Asegúrese de notar el aspecto palindrómico de la secuencia. Que indican las flechas? provienen de la bacteria (genero/especie/cepa) de la cual se purifican así como el número purificadas de esta. Bajo condiciones apropiadas, (concentración de sal, pH y temperatura), enzimas como EcoRI dejan un fragmento escalonado (mientras AluI dejaría uno romo) en cada punto de la secuencia que se encuentre su lugar de restricción. El número de fragmentos y los tamaño depende de la ubicación de estos lugares en la secuencia completa. Estas enzimas nucleasas se clasifican en endonucleasas y exonucleasas dependiendo si necesitan o no extremos libres en un DNA para digerir la molécula. Plásmidos e Ingeniería genética 1 Los mapas de plásmidos han revolucionado la biología molecular y pavimentado el camino para la industria de la biotecnología. Con esta técnica el biólogo molecular puede evaluar rápidamente el éxito que podría tener en experimentos de clonación, así como identificar fácilmente plásmidos y los rasgos asociados a estos en los organismos. Los plásmidos son moléculas relativamente pequeñas de DNA extracromosomal de arreglo circular que se pueden replicar en la bacteria independientemente del cromosoma. Por lo general estos contienen genes que codifican para la resistencia a antibióticos, esto le da a la bacteria que lo tenga una ventaja de selección sobre otras bacterias que compitan por el medio de crecimiento. Rutinariamente los científicos sacan ventaja del DNA del plásmido y de la defensa natural de la bacteria (enzimas de restricción) como la base de la biotecnología (Figura 2). Una vez que el plásmido es cortado en fragmentos por la enzima, estos pueden ser unidos o ligados a un pedazo de DNA de cualquier otro organismo que también hayan sido cortado con la misma enzima. El DNA-plásmido híbrido resultante se puede introducir en bacterias por transformación. Este híbrido se replicará por si mismo como antes, solo que el DNA insertado ahora también es perpetuado junto a el. El fragmento de DNA ajeno al plásmido se le llama que fue Figura 2 – Plásmido S5. Note sitio Ori, secuencia “clonado” y al beta lactamase y los múltiples lugares de plásmido se le llama restricción “vector”. Mapas de Plásmidos Los plásmidos se pueden describir o representar en mapas en términos de la localización de los sitios de restricción usando experimentos simples y lógica. El procedimiento en general es digerir el plásmido con dos enzimas por separado (digestiones simples) y una digestión simultánea con ambas enzimas (digestión 2 doble). Los tamaños de los productos de digestión se analizan en una electroforesis y luego se usa la lógica para determinar la posición relativa de los sitios de restricción. Como los plásmidos son circulares, el número de fragmentos representan el número de cortes o lugares de restricción. Como sería si el DNA fuera lineal? Para visualizar este concepto mejor se puede utilizar una banda de goma y cortarla con una tijera una vez, dos veces y así sucesivamente y contar los pedazos luego de cada corte. La parte mas informativa del los mapas de plásmidos resulta del uso de la lógica para solapar la información de las digestiones simples con la de la doble. Como los cortes con una enzima solapan con los cortes de la segunda enzima? Hay detalles claves que ayudan: - Queda cualquiera de los fragmentos sin cortarse cuando se usa la segunda enzima. - Los tamaños de los fragmentos de la digestión doble suman al tamaño de uno de los fragmentos de la digestión simple? - Algún fragmento se mantiene del mismo tamaño aun cuando lo exponga a la segunda enzima? Revise el siguiente ejemplo (figura 3) Un plásmido de 1000 pb es digerido y los fragmentos separados en gel de agarosa. Marcador de tamaño (pb) Sin cortar (pb) 1000 700 500 300 200 1000 Corte con Enzima A (pb) Corte con enzima B (pb) 1000 Corte con ambas (pb) 700 300 500 300 200 Figura 3. Ejemplo de análisis de datos sobre digestión de plásmidos con enzimas d restricción. Note que hay dos fragmentos de 1000pb (sin cortar y cortado con la enzima B), pero corren igual en la gel? No necesariamente! Hay pequeñas diferencias en la migración de un plásmido si está sin cortar-relajado, lineal, o sin cortar-superenrrollado. También 3 fragmentos de tamaños parecidos pueden co-migrar en la agarosa y fragmentos muy pequeños pueden no observarse en la gel por la sensibilidad de la tinción o porque se salen de la misma. Como se lee un Mapa de plásmido? Un mapa de plásmido incluye información básica sobre 1) el tamaño, 2) los genes presentes, 3) el origen de replicación y 4) los lugares de restricción para enzimas. Los plásmidos a utilizarse en este ejercicio salieron del pTZ18U pero contienen diferentes insertos de DNA. Cualquiera de las enzimas marcadas como presentes en ellos se podrían usar para analizarlos. Como la molécula es circular hay un 0 arbitrario y todos los lugares de restricción son indicados con un número entre 0 y el total de pb en el plásmido. Los tamaños de los fragmentos se calculan restando o sumando los puntos en el plásmido. El nombre del plásmido y su tamaño aparece en el centro del circulo. El origen de replicación aparece marcado como Ori, el gen para beta-lactamasa (enzimas que confiere la resistencia contra ampicilina) y la localización para el DNA de bacteriófago lambda son mostradas (Figuras 2 y 4). Procedimiento: 1. Se le suministrarán hojas con secuencias para que identifique lugares de restricción para enzimas y simule la actividad de estas. 2. Se le suministrará un mapa de un plasmido para que conteste preguntas sobre fragmentos, diagrame geles y construya mapas usando bases de datos de bioinformática y simuladores. 3. Contestara las preguntas que acompañan cada ejercicio. 4. Virtual lab para electroforesis http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/genetics/biotech/gels/vi rgel.html 5. Virtual lab para mapas con enzimas de restricción http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/genetics/biotech/enzymes /maps.html 6. Enzimas de restricción y otras enzimas http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/genetics/biotech/enzymes /index.html 4 Preguntas sobre lectura de plásmidos: 1. usando el mapa del plásmido 2, prepare una lista de las enzimas que podrían dañar el gen de la beta-lactamasa y la secuencia de lambda. 2. Cual plasmido grande el 2 Porque? es el mas 5? 3. Usando el plasmido 2, cuantos lugares para PvuII hay. Cual es la localización de cada uno? Si lo usaras para digerir este plasmido, cuantos fragmentos se obtendrían? 4. Cuales son los tamaños de los fragmentos generados por PvuII en S2? 5. Como se verán en una gel? Dibuja la gel y rotula carriles y los fragmentos con sus tamaños 5 6. Ahora simularas una doble digestión con EcoRI y PstI. Determina los tamaños. Completa la siguiente tabla: Enzimas Fragmentos Plásmido S2 (5869 pb) EcoRI PstI Ambas Total 7. Si el plásmido S2 fuera digerido y analizado en una gel de Agarosa como se vería la gel? Diagrame la gel con los cortes simples en carriles separados y con la digestión doble en un tercer carril. Construcción de un Mapa de Plásmido 1. El primer paso en la construcción de un mapa de restricción de un plásmido es determinar cuantas veces se encuentra en el un lugar de restricción. Veamos la data para el plásmido S5. Los datos en la siguiente tabla son de digestiones dobles usando a Eco RI y Pst I. Tambien hay datos de digestiones simples con las mismas enzimas. Los números en las columnas representan los 6 tamaños de los fragmentos generados al digerirlo con cada enzima. Enzimas Fragmentos Plásmido S5(9841 pb) EcoRI PstI 9481 2860 2838 1986 1093 468 164 72 Ambas 2832 2817 1986 1093 468 164 72 43 Total Preguntas para el mapa de plásmido 1. Cuan grande es el plasmido S5? Como lo sabes? 2. Observa los datos de la digestión con EcoRI. Cuantos fragmentos hay? Cortó la enzima el plásmido o este se quedó como un circulo? Como puedes estar seguro? 3. Compara los datos de la digestión con PstI con los de la digestión con EcoRI. Cuantos fragmentos hay con PsTI? Cuantos lugares de restricción hay para PsTI? 4. Cuantos fragmentos hay cuando ambas enzimas se usan simultáneamente para digerir a S5? Contesta esto la pregunta si EcoRI digiere o no al plásmido? Porque? 7 5. Algun fragmento de la digestión con PsTI posee también un lugar de reconocimiento para EcoRI? Cual es? Como sabes esto? 6. Dibuja el fragmento de PstI que también es reconocido por EcoRI para documentarlo. Preparación de un Mapa La preparación de un mapa de restricción es un ejercicio de pensamiento crítico y lógica. El plasmido S5 es difícil para formar su mapa por que tiene mucho lugares para PstI. Con estos datos se hace muy difícil colocar todos los lugares de restricción en orden. Es mas fácil un mapa del plásmido S3. 7. En la siguiente tabla están los datos generados de la digestión del plásmido S3 con las mismas enzimas. Cuantas veces corta cada enzima? Cuales son los tamaños de los fragmentos? Enzimas Fragmentos Plásmido S3 (________________pb) EcoRI PstI 6504 4507 863 2860 Ambas 3687 2817 820 43 Total 8. De los datos de la digestión simple con EcoRI se desprende que los tamaños no son iguales. Prepara un posible mapa y rotula los lugares para Eco R1con sus tamaños. 8 9. Ahora dibuja un mapa sugerido para los lugares de PstI en S3. Recuerda rotular lugares y tamaños de los fragmentos. 10. Dibuja el mapa circular del plásmido S3 digerido con ambas enzimas. Marca los tamaños de cada fragmento y rotula los lugares de restricción con las enzimas correspondientes. 11. Habrá algún otro orden posible para los lugares de restricción en el plásmido S3 para estas dos enzimas? Como tu resolverías entre estas posibilidades cual es las mas correcta? 9 12. Si hubieras corrido una gel con estos fragmentos, alguna banda o fragmento en la gel? Cual? Porque? faltaría Enlaces de interés. Biotechnology and Genetic Engineering http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/genetics/biotech/index.h tml Molecular toolkit http://www.vivo.colostate.edu/molkit/ Restriction Maps http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Restmap.html Restriction Digest Maps http://www.nslc.wustl.edu/courses/bio2960/labs/07dna/restrictio n/ 10