Sobre los genes y las ideas sobre los genes Alberto Kornblihtt Facultad de Ciencias Exactas y Naturales – UBA IFIBYNE-CONICET

Todos los seres vivos estamos compuestos por células

Toda célula proviene de otra célula

Es muy probable que todos los seres vivos provengamos de una única célula original: origen monofilético de la vida

Figure 6-98 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Figure 1-21 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)

Podemos pensar a la biología como la ciencia que se ocupa de las similitudes y las diferencias en el mundo vivo

Moluscos

Sin caparazón

sin “pluma”

pulpo

Con caparazón

con “pluma”

calamar

almeja

vertebrados

peces

mamíferos

amigable

tiburón

delfín

no tanto

orca

Homo sapiens sapiens Piel negra

Magic Johnson

Piel blanca

Manu Ginobili

Fuente: NBA Entertainment, 2005

Criaturas del planeta Pandora creado por James Cameron

Na’vi (4 dedos)

Neytiri

Avatar

(5 dedos)

Jake Sully

Fuente: www.cinematicwallpaper.com/movie-pictures/wallpapers/Avatar_wallpaper/Avatar.jpg

Sin embargo…

Fenotipo = Genotipo + Ambiente aspecto morfología fisiología comportamiento

ADN

eso mismo

El material genético de todas las células es ADN (= DNA)

ADN = ácido desoxirribonucleico

Fuente: Alberts et al. MBOC, 5th edition, Garland, 2008

TTATCGAGCTGCCTAAATGTGCTCACGCATTGC AATAGCTCGACGGATTTACACGAGTGCGTAACG

GENOMA HUMANO 24 cromosomas distintos (22 + X + Y) 3.000.000.000 de "letras" 70 % de regiones NO génicas 30 % son genes 1,5% regiones codificantes 23.000 genes 0,037% de variabilidad intraespecífica

Francis Crick (1916-2004) Premio Nobel 1962 James Watson (1928-) Premio Nobel 1962

1953

Revolución en la medicina

Fuente: Jane Ades , NHGRI, NIH, USA

diagnóstico de enfermedades hereditarias, infecciosas, cáncer

vacunas recombinantes

remedios producidos por tecnología de ADN recombinante: interferón, eritropoyetina, hormona de crecimiento, insulina

terapia génica

anticuerpos monoclonales

animales transgénicos medicina personalizada medicina forense

determinación de identidad y lazos familiares

Fuente: Jane Ades , NHGRI, NIH, USA

Revolución en la industria y en la agricultura

Nueva industria farmacéutica de ADN recombinante

plantas transgénicas

sojización

superávit fiscal argentino producción de enzimas de uso industrial tipificación semen reproductores

animales transgénicos

detección de contaminación en alimentos

identificación de ganado robado

Los principales productos de los genes son proteínas

¿Cómo se fabrican?

Dogma (?!) central de la biología molecular o Flujo de información genética

retro-transcripci—n traducci—n duplicaci—n transcripci—n

DNA PROTEêNA RNA

cromosoma

célula

gen ADN

copiado I

Ácido ribonucleico (ARN) copiado II

proteína

función

Los genes no sólo codifican proteínas

LOS GENES NO SÓLO CODIFICAN PROTEÍNAS

GENES

RNA RNAs RIBOSOMALES

RNAs DE TRANSFERENCIA

RNAs

micro RNAs

NUCLEARES PEQUEÑOS

siRNAs sncRNA

RIBOZIMAS

RNAs MENSAJEROS

PROTEÍNA PROTEÍNA

Fenotipo = Genotipo + Ambiente

Un gen Exón

Intrón

Exón

Intrón

Exón

ADN

Pol TRANSCRIPCIÓN ARN inmaduro (exones + intrones) splicing intrones ARN mensajero (sólo exones) TRADUCCIÓN

proteína

¿Cómo es posible que si todas las células de un individuo tienen los mismos genes, se produzca la diferenciación celular?

EN UN DETERMINADO TIPO CELULAR Y/O EN UN DETERMINADO MOMENTO DEL DESARROLLO SÓLO SE EXPRESA UN SUBCONJUNTO DE LOS GENES

GENOMA

TRANSCRIPTOMA

PROTEOMA

Genética: Cambios heredables en la información (secuencia del DNA) de los genes. Incluidos en los que llamamos genotipo. Irreversibles.

Epigenética Sensu stricto: cambios heredables en los patrones de expresión de los genes que no son causados por cambios en la secuencia de DNA. Provocados por señales externas. Reversibles. Incluidos en los que llamamos fenotipo. Sensu lato: cualquier modificación covalente de las histonas o del grado de metilación del DNA que afecte la expresión de los genes sin alterar su secuencia.

Figure 4-33b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Figure 4-33a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Modificaciones post-traduccionales de histonas

Figure 4-39b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Modificaciones post-traduccionales de la histona H3

Figure 4-44a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

H3

H3

H3

H3

Figure 4-44b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Introducción de “marcas” covalentes en histonas: “writing”

Eliminación de “marcas” covalentes en histonas: “erasing”

Reconocimiento de las marcas en las histonas: “reading”

Las marcas en las histonas afectan el grado de compactación de la cromatina y consecuentemente la accesibilidad de factores de transcripción y de la RNA polimerasa II

Heredabilidad (condición requerida para la definición de epigenética sensu stricto) -Mitótica (metilación del DNA y H3K27me) -Meiótica (transgeneracional) ????

Lamarck Figure 4-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Splicing alternativo

GENOMA

TRANSCRIPTOMA

PROTEOMA

Un gen Exón

Intrón

Exón

Intrón

ADN

Exón

Pol

TRANSCRIPCIÓN

ARN splicing alternativo ARN mensajeros (2 variantes)

TRADUCCIÓN

proteínas (2 variantes)

un gen

una proteína

un gen

muchas proteínas

Examples of alternative splicing

AUG

Thyroid

3

3

2 AUG

AATAAA

AATAAA

4

5

6

Neurons fruitless

Calcitonin/CGRP

Embryo

Binds KGF VASE

7

8

7

IIIc

IIIb

10

Binds FGF

Adult NCAM

FGFR-2

Smith and Valcárcel, TIBS 2000

Human Fibronectin

3'

5'

ED B (ED II)

RGD

ED A (ED I)

IIICS

NH2

COOH 91 aa

90 aa

120 aa

89 aa 95 aa

64 aa

0 aa

Kornblihtt et al., FASEB J. 1996

Drosophila DSCAM gene: 38,016 different variants

Zipursky lab: Schmucker et al. Cell 2000

El splicing alternativo parece ser la causa de la gran complejidad de los vertebrados (nosotros)

Gusano Caenorhabditis elegans Invertebrado microscópico de 1 mm de largo formado por 1000 células

19.000 genes en cada célula Fuente: http://www.bio.unc.edu/faculty/goldstein/lab/movies.html

Homo sapiens sapiens Vertebrado macroscópico de casi 2 m de largo formado por 1013 células

23.000 genes en cada célula

No somos más complejos porque tengamos más genes

gusano genes

humano

19.000 ~ 23.000 splicing alternativo

proteínas

25.000

≠

100.000

Lo que ocurre es que nuestros genes pueden generar muchas más proteínas que los del gusano

First come, first served (where first served means first excised) Fast elongation/no pauses Strong 3’SS

Weak 3’SS

Exclusion pol II U2AF 35

U1 U2AF 65 SF1

Slow elongation/ with pauses Weak 3’SS

Strong 3’SS

Inclusion pol II

pol II U1 U2AF 35 U2AF 65

SF1

U1 U2AF 35 U2AF 65

SF1

Modulation of pol II intrinsic activity (e.g. CTD phosphorylation, association to elongation factors)

changes in pol II elongation rate (kinetic coupling)

Changes in the template chromatin structure that limit or facilitate elongation

UV light and alternative splicing

Fast elongation

Slow elongation Pol II

Cap

Pol II

Cap

Pre-mRNA

Pre-mRNA

Pol II

Cap

Pre-mRNA

UV IRRADIATION Pol II

Cap

Pre-mRNA

mRNA Cap

(A)n

Skipping

mRNA Cap

(A)n

Inclusion Muñoz et al., Cell 2009; Muñoz et al. TiBS 2010

Modulation of pol II intrinsic activity (e.g. CTD phosphorylation, association to elongation factors)

changes in pol II elongation rate (kinetic coupling)

Changes in the template chromatin structure that limit or facilitate elongation

Chromatin and alternative splicing

Pol II

Trichostatin A (TSA)

REPLICATION

Pol II

Kadener et al., EMBO J. 2001 Nogués et al., J. Biol. Chem. 2002

Neuron depolarization TSA

H3K9ac

Neuron differentiation

H3K9ac

H3K9ac

Pol II

H3K9ac H3K9ac

H3K9me H3K9me

H3K9me

Pol II

H3K9ac H3K9me H3K9me

La secuenciación de decenas de genomas confirmó la evolución y la selección natural de las especies

Gracias!