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El conocimiento de la estructura y los mecanismos del ADN (reparación y replicación) permiten el desarrollo de estrategias de diagnósticos, tratamientos, modelos experimentales de estudio de patologías, etc. También permite bloquear genes selectivos y desarrollar modelos in vitro de patologías o comprender porque ciertas mutaciones están asociadas a determinadas enfermedades Ej el gen BRCA 1: esta relacionado con la reparación del ADN y las mutaciones pueden terminar llevar a la predisposición del desarrollo de tumores como el tumor de mama Se puede editar el genoma de un organismo como estrategia de diagnóstico ESTRUCTURA DEL ADN Nucleótidos repetidos (monómeros) Pentosa+ fosfoéster en C5 + base nitrogenada Unión 1-4 para formar el anillo: OH del C1 unido a la base nitrogenada Pentosas: DNA= desoxirribosa: no tiene OH en el C2 ARN= ribosa: C2 si tiene OH Bases Nitrogenadas: Purinas: 2 anillos, altamente nitrogenadas Adenina o Guanina (A, G) Pirimidinas: 1 anillo Timina, Citocina y Uracilo (T, C y U) Uracilo solo en ADN UNIONES Uniones fosfodiéster entre los C 5´y 3´formando el Ácido nucleico 2 cadenas/hebras antiparalelas: • esqueletos de fosfo ribosa • expresan las bases púricas o pirimidínicas hacia el interior de la molécula • Cada esqueleto difiere en la polaridad: tienen diferentes funciones en cada extremo de la cadena • Hay enlaces fosfodiéster que elongan la cadena hasta la última ribosa que tiene el OH del C3 libre • Las cadenas son antiparalelas, una es 5´-3´y la otra (hebra complementaria) es 3´-5´ • Son antiparalelas y complementarias: única forma en la que las bases nitrogenadas interactúan por puente hidrogeno e iónicas, en el interior de la molécula Timina-adenina= 2 puente H Citocina- guanina= 3 puentes de H • Los puentes H son débiles, pero como son muchos le dan mucha estabilidad a la estructura de ADN • Hay uniones hidrofóbicas y de van der walls entre las bases nitrogenadas complementarias porque están muy juntas en la cadena→ estabilizan aún más la estructura de la molécula • Entre cada enlace fosfodiéster hay distancia que le permite expresar hacia el exterior una gran densidad de cargas negativas y la posibilidad de interaccionar con moléculas de agua • Tridimensionalmente tiene giro dextrógiro que le permite formar un surco mayor y un surco menor • En medios hidratados se expande (tipo B) • Cuando es deshidratada para ensayos de cristalografía de rayos x, la molécula se compacta (tipo A) • Los puente H son transversales→ le da flexibilidad→ se puede plegar sobre si misma al interactuar con proteínas Ej: forma la caja TATA al interactuar con la TBP (proteína): el ADN tiene una secuencia nucleofílica especifica que permite la interacción específica, complementaria, muy estable con la proteína. Al unirse a la proteína el ADN se pliega DESNATURALIZACION O FUSIÓN: Métodos drásticos porque es muy estable Calor: la temperatura aumenta el movimiento interno de los átomos, separando las hebras en ADN monocatenario Espectroscopia: método que me permite ver la presencia del ADN monocatenario La luz UV aumenta la resonancia de los electrones de la muestra y hace que absorba más luz A mayor temperatura más absorción La temperatura depende de la cantidad de enlaces G-C: cuantos más enlaces G-C, más temperatura (3 puentes por unión) Fuerza iónica (sales) modificar la fuerza iónica entre las bases para romper enlaces pH: acidifique o alcalinice Tratamientos drásticos: formamida o urea ADN CROMOSÓMICO forma en la que está el ADN en las células ADN: molécula lineal que tiene el genoma del organismo (toda la información genética) y constituye los cromosomas Se relaciona con proteínas que participan en la transcripción y replicación Procariotas (4 millones de pares de bases): 1 única molécula de ADN circular que constituye 1 solo cromosoma, no asociado a histonas pero si a proteínas funcionales (replicación, transcripción) Eucariontes: (3,2.109 pares de bases) El genoma está en el núcleo en más de 1 cromosomas 1 única molécula de ADN lineal asociada a histonas (proteínas que pliegan al ADN en una estructura más compacta) Cromatina: relación ADN- Proteína de tipo estructural complejo formado entre el ADN cromosómico + histonas+ no histonas CARIOTIPO: representación de los 23 pares de cromosomas (en humanos) 22 pares de cromosomas homólogos + 1 par de cromosomas sexuales Zondas de ADN: pequeños fragmentos de ADN complementarios a una hebra del ADN del cromosoma coloreados con fluorocromos. Cromosoma Homólogo: aporta información similar por parte de la madre y del padre→ el par está formado por un cromosoma materno y uno paterno (ambos tienen una codificación similar) Cada cromosoma del par tiene una molécula de ADN duplicado (2 MOLECULAS DE ADN EN TOTAL), formado por 2 cromátides hermanas. El ADN se replicó en 2 moléculas de ADN formando 2 cromátides hermanas, en la metafase de la mitosis Si amplifico un fragmento de una de las cromátides hermanas veo que la secuencia tiene 40 genes aprox Si analizo una parte del fragmento de una de las cromátides veo que hay 4 genes GEN: tiene secuencias de ADN que constituyen los exones y los intrones; que modulan la expresión de ese gen (secuencias codificantes y reguladoras de su transcripción) Región codificante: proteínas, ARN ribosomal, ARNm, ARN transferencia, micro ARN, ARN nucleares o ARN nucleolares Regiones no codificantes: promotora, secuencias de corte y empalme, de poliadelinación, escisión 3´ (arn only) Gen que codifica una proteína funcional: porción del ADN que da lugar a un transcripto (proteína o ARN funcional) TIPOS DE GENES EUCARIONTES: ➢ Solos (lisozima) ➢ En familia: genes con secuencias nucleotídicas relacionadas Aportan características similares a las proteínas que codifican y se adaptan a diferentes funciones o afinidades de interacción Ej: Hemoglobina: 2 cadenas alfa y 2 betas Los genes de la cadena beta están codificados en el cromosoma 11 que tiene distintos genes asociados: genes épsilon, G, a, delta y beta Cada uno codifica una proteína funcional plagada Beta con distintas capacidades de interacción con la cadena alfa y con el O2 En el feto la hemoglobina tiene 2 monómeros alfa y 2 monómeros Beta de tipo G y A que aumentan la afinidad por la molécula de oxígeno para favorecer el pasaje por el canal de parto ADN CROMOSOMICO: CICLO CELULAR Interfase: G1, S, G2 G1: previa a la síntesis, replicación y duplicación del ADN 2 cromosomas interfasicos S y G2: previo a la mitosis duplicación y replicación Cromosomas de S/ G2 se condensan y compactan para interaccionar con el huso mitótico (permite la separación de los cromosomas hacia las células hijas)→ cromosomas mitóticos→ fase M (metafase de la mitosis) Fase Mitótica: origina 2 células hijas G1 idénticas a la célula madre y entran en fase G1. Los cromosomas se descondensan. N° de cromosomas en las células hijas= N° cromosomas de la célula madre SECUENCIAS DE LA CADENA DE ADN LINEAL: en G1 Telómeros: en los extremos del ADN ORI: origen de replicación Centrómero: S: burbujas de replicación en el ORI se une el replicosoma→ puede copiar, duplicar y replicar ese ADN del cromosoma para formar 2 moléculas de ADN idénticas (cromátides hermanas), cada una con su ORI, centrómero y telómero. M: interacción entre las cromátides hermanas y el huso mitótico a través de la placa cinetocórica (conjunto de proteínas)→ interactúa con las secuencias de nucleótidos del centrómero del cromosomaduplicado SECUENCIAS REPETIDAS DE GENES: ✓ Tándem: 100 repeticiones de genes con secuencias muy parecidas de ARNm o ARNt que sirven para que la célula pueda atravesar el periodo embrionario. Durante este periodo la célula se provee de proteínas con muchos ribosomas, ARNr, y ARNt para asegurarse muchas copias, ya que está continuamente duplicando ADN y dividiéndose (no hay fase G1 o G2) ✓ ADN satélite: 1-500 pares de bases Secuencias repetidas de genes en lugares específicos del ADN: centrómeros (o en áreas periféricas a centrómero) o asociados a telómeros (debajo de la región de la secuencia telomérica) Áreas altamente condensadas y muy asociadas a histonas→ AREAS DE HETEROCROMATINA La secuencia de ADN satélite es prácticamente igual en todos los individuos (misma secuencia, similar localización, distinto número de repeticiones) ✓ Transposones: secuencias repetidas de genes obtenidas en la evolución que pueden cambiar su posición en la molécula de ADN (transponen). No son codificantes. Resultado/consecuencia del reordenamiento de la cadena de ADN a lo largo de la evolución CELULAS SOMATICAS: se dividen por mitosis, no hay apareamiento, crossing over o intercambio de material genético HISTONAS Ayudan a condensar el cromosoma La molécula de ADN se enrolla (1,7 vueltas) sobre el núcleo proteico octamérico que forman; y se extiende hasta el otro núcleo proteico donde vuelve a enrollarse. En el medio hay ADN espaciador NUCLEOSOMA= ADN espaciador + ADN enrollado en el núcleo proteico ENDONUCLEASAS→ enzimas que degradan ácidos nucleicos, reconocen secuencias específicas de nucleótidos dentro de la molécula del ADN. →Degradan los ADN espaciadores y liberan el octámero proteico junto con el ADN que tenía enrollado Aislar el núcleo octamérico y la doble hélice de ADN asociada: someto a la solución a una elevada concentración de Interacciones tipo iónicas entre el ADN y el Octámero CONSTITUCION DEL OCTAMERO 2 histonas 2A + 2 histonas 2B + 2 histonas H4 + 2 histonas H3 3 motivos hélices alfa en el pliegue de histona ENSAMBLAJE: 2 moléculas de histonas (2 H3 y 2 H4 ) interaccionan→ tetrámero sobre el cual se enrolla el ADN Al tetrámero (2 H3 y 2 H4 ) se le une el tetrámero (2 H2A+2H2B) y forma el octámero completo y luego el nucleosoma Las interacciones iónicas entre el ADN y el octámero: cargas + de las histonas (ricas en lisina y arginina) y cargas – de los enlaces fosfodiéster del ADN Uniones hidrofóbicas Interacciones nucleosoma-nucleosoma: los extremos N terminales de las histonas se proyectan al exterior del ADN y comprimen y compactan el ADN espaciador Histona H1 ayuda al empaquetamiento del ADN espaciador→ interacción ADN espaciador- ADN asociado al octámero EMAPAQUETAMIENTO DE LA CROMATINA A PARTIR DE LA INTERACCION DEL ADN CONSTITUYENDO EL NUCLEOSOMA La interacción entre las histonas y la histona H1 permite que la estructura sea un solenoide en lugar de una cadena lineal Facilita la interacción entre las colas de las histonas, la interacción del ADN.histona 1 y la compactación PROBLEMA EN EL EMPAQUETAMIENTO DE LA CROMATINA: Se puede compactar una molécula larga en una fibra que se puede guardar en el núcleo El ADN está asociado a la replicación y transcripción en los cuales hay proteínas que interaccionan con las secuencias del ADN para poder realizar los procesos. Como el ADN está muy empaquetado las enzimas de la replicación y de la transcripción no pueden acceder a la secuencia. Necesito COMPLEJOS REMODELADORES DE LA CROMATINA DEPENDIENTES DE ATP que delimiten la interacción octámero-ADN, permitan el desplazamiento del ADN y el acceso de las enzimas de duplicación o replicación Hidrolizan ATP para romper las interacciones iónicas y que el ADN se pueda mover El empaquetamiento de la cromatina está asociado a la actividad metabólica de los distintos tipos celulares: Si hay células con mucha actividad metabólica y mucha transcripción para obtener proteínas, ARNr o ARN transcripcionales necesito que el ADN esté accesible para la transcripción. Las células tienen una cromatina descondensada no muy empaquetada con una activa transcripción del ADN Ej: hepatocito, células del intestino, célula de jurkat (células tumorales, bajan actividad metabólica) Eucromatina: cromatina laxa, el núcleo no tienen grandes coloraciones Heterocromatina: cromatina más condensada, se colorea más intensamente CROMATINA: complejo formado entre el ADN cromosómico + histonas+ no histonas Función de histonas → empaquetar ADN, muy eficientes en sus funciones (su estructura se conservó a lo largo del tiempo) →control epigenético de funciones biológicas CONTROL EPIGENETICO DE LAS FUNCIONES BIOLOGICAS Herencia genética= herencia directa de la secuencia de nucleótidos→ Cualquier cambio en la secuencia del ADN madre se transmite a las hijas somáticas y germinales Herencia Epigenética: cambios químicos reversibles (puede heredarse o no por la hija) en otras moléculas no relacionadas directamente con el ADN, ej proteínas que se unen al ADN. El cambio puede irse con el tiempo o puede transmitirse a las hijas, pero es menos probable. Asociados a un fragmento del ADN. Pueden ser momentáneas (en las hijas no tiene efecto => el gen es activo) o bien pueden silenciar el gen (gen inactivo) Las células de los organismos pluricelulares tienen la misma información genética, ej: todas las células de la mórula en el embrión temprano tienen la misma información genética, pero origina distintos tipos celulares (diferenciación celular) Se impide la transcripción de alguna secuencia genética, para tener distintos tipos celulares, pero con la misma información genética (la información se expresa de distinta forma) Aumentando la condensación de la cromatina (hetero cromatina) se puede controlar los mecanismos de la transcripción selectiva MECANISMOS DE CONTROL DE LA ESTRUCTURA DE LA CROMATINA Modificaciones químicas regulan la interacción entre los nucleosomas adyacentes, por ejemplo: • bloquear las cargas para disminuir la interacción entre nucleosomas y que queden fragmentos de ADN expuestos a enzimas Los extremos N- terminal y Carboxi terminal de los octámeros están expuestos y sufren modificaciones covalentes reversibles (postraduccionales). Hay histonas que presentan cambios en el core o nucleo proteico asociado al ADN. Modificaciones postraduccionales: (ocurren en distintos AA de distintas histonas) fosforilación de restos de serina acetilación de residuos de lisina metilación de residuos de lisina ubiquitinación (1 sola molec de ubiquitina) ➢ LISINA: ppal AA modificado • Muy distribuido en las colas de las histonas • Grupo amino (carga+) se pierde en la acetilación y disminuye la carga con la que puede interaccionar con los nucleosomas adyacentes (carga-) • Puede incorporar grupos CH3 (1,2 o 3)→ marcas para la unión de otras proteínas para distintas funciones biológicas. Hay interacción más débil con los nucleosomas adyacentes. • Cuando esta acetilada no puede estar metilada y viceversa. ➢ SERINA • La fosforilación afecta el grupo OH y le agrega una carga- • Las histonas de 1 solo nucleosoma pueden tener varias modificaciones simultaneas y combinadas en distintas regiones de la cromatina Consecuencia de las diferentes combinaciones para la actividad de la célula: Ej: En las células eritroides y en las células de la leucemia linfoblástica del embrión de pollo tienen globina descondensada(necesita expresarse y está expuesta a la degradación enzimática por parte de las endonucleasas) y condensada (protegido de la degradación, no se expresa). Ej: Quiero probar si una droga en el medio de cultivo induce la transcripción de un gen determinado→ siembro, cosecho, fracciono, etc hasta obtener la fracción nuclear pura y analizar las características químicas de la histona H3 (la que me interesa). Se ven muchas acetilaciones en la lisina 9 y 14 de la H3→ modificaciones postraduccionales típicas de la eucromatina=> mayor actividad metabólica xq hay más presencia de eucromatina con la H3 acetilada en la lisina en posición 9 y 14 Histona acetil transfereasa (KAT): enzima que catalizan la acetilación de lisinas en una determinada posición en la cola de las histonas Histonas desacetil transferasa (HDAC): enzima que se encarga de revertir la acetilación VARIANTES DE HISTONAS Tienen funciones especiales Se sintetizan en toda la interfase (g1, s, g2) Los nucleosomas que incorporan están asociados a funciones biológicas especificas Histonas clásicas: se ensamblan en el nucleosoma durante la replicación (fase S) (corren atrás de la horquilla de replicación) Variantes: • pueden incorporarse durante todo el periodo interfásico (no corren al “bondi”). • Necesitan de los complejos remodeladores de cromatina dependiente de ATP • Se insertan en áreas específicas de la cromatina según la función biológica en la que participan Ej: para la histona H3 tenemos la variante H3.3 (zonas con transcripción activa) o CENP-A (importante en la localización del centrómero y el ensamblaje cinetocórico) ACCION DE LAS HISTONAS EN FUNCIONES BIOLOGICAS Las modificaciones químicas y las variantes funcionan como marcas de localización (señales) que son reconocidas por otras proteínas→ COMPLEJO PROTEICO LECTOR Lee las marcas, interpreta un código de histonas y se une a otros complejos proteicos con actividades catalíticas asociadas a distintas funciones biológicas, por ej: localización del ADN dañado, marcación del ADN recientemente sintetizado, gen transcripcionalmente activo CROMODOMINIOS: zona específica del ADN que se une a una región especifica de nucleótidos (ej: alfa hélice + lamina beta) El cromodominio HP1 (heterocromatina proteína 1) reconoce la lisina 9 trimetilada de la histona 3 Esta relacionada con la heterocromatinización de la cromatina (aumento de la condensación de la cromatina) CROMOSHADOW: (ídem cromodominio) aparece cuando el cromodominio se une al ADN por el cambio conformacional que sufre la proteína. Ej: la TPB: proteína que se une a la tata box a través de un cromodominio, dejando expuesto un cromoshadow que interacciona con otros factores de transcripción. Permite la interacción entre HP1 aumentando el grado de empaquetamiento Puede interaccionar con la histonametilasa que metila a la lisina en posición 9, localiza la histona metilasa propagando la condensación de la cromatina en ese sector. Esta propagación de la condensación sigue hasta encontrarse con una secuencia barrera → limitan el acceso se esa secuencia a la proteína histona metil transferasa y la interacción entre las lisinas trimetiladas con HP1 INACTIVACION DEL CROMOSOMA X EN HEMBRAS DE MAMIFEROS (CONTROL HEPIGENETICO) Se inactiva por condensación/heterocromatinización de 1 cromosoma X al azar Para compensar la información q aporta el cromosoma X del macho (info 50/50 y no más del materno que del paterno) Las histonas asociadas tienen cambios postraduccionales específicos de la zona de la cromatina que van a heteroromatizar→ hipoacetilación de Lisina (K), la trimetilación de la H3 de la lisina 9 (K9), trimetilación de H3 en Lisina 27 (K27), ausencia de mono, di o trimetilación de la H3 de la Lisina 4 (K4) La activación es controlada partir de un centro de inactivación que tiene una secuencia que codifica un gen XIST que codifica un ARN mensajero muy largo que envuelve al cromosoma que se va a inactivar La proteína POLYCOMB tiene un cromodominio que reconoce la lisina 27 metilada de la histona 3, interacciona y con los dominios cromoshadow aumentan el empaquetamiento para inhibir la transcripción, heterocromatizar y aumentar la condensación del cromosoma X e inactivarlo LOS NUECLOSOMAS CENTROMERICOS: La secuencia de ADN de los centrómeros eucariontes menos complejos (levaduras) permiten la formación de un nucleosoma donde a histona H3 es reemplazada por su variante CENP-A→ la estructura 3D permite la unión de proteínas específicas asociadas que posibilitan la formación del cinetocoro (placa de proteínas cinetocórica), responsable de la interacción entre el cromosoma y los microtúbulos del huso mitótico MEMORIA CELULAR: modificaciones químicas postraduccionales de células eucariontes, heredadas por las células hijas ¿CÓMO SE HEREDA? El ensamblaje de las células hijas se hace a medida que avanza la replicación de la molécula de ADN de la hebra madre y requiere de la disociación de las histonas H2A y H2B (intercambiables). Las H3 y H4 quedan en la molécula de ADN y permiten que en ciertas unidades de nucleosomas se conserve el patrón de modificaciones, mientras que los nuevos nucleosomas tienen nuevas histonas Ej: la CENP-A queda asociada al ADN y dirige la adición de histonas ESTRUCTURA GLOBAL DEL CROMOSOMA INTERFASICO Para estudiar la estructura se usan Sondas de ADN marcadas con fluorocromos que se unen por complementariedad al ADN en estudio Secuencias muy separadas (ADN lineal) están muy cerca →ADN forma bucles→ Período interfásico interaccionan con un esqueleto proteico que le sirve de soporte. SECUENCIAS SAR/ REGIONES DE ADICIÓN A LA MATRIZ (MAR)→ secuencias de ADN que pueden interaccionar con ese armazón y posibilita la formación de los bucles. Limitan unidades de transcripción y sectorizan la transcripción El lazo expuesto tiene una elevada transcripción y está limitado por la SAR o MAR que lo ponen en contacto con el armazón ¿Cómo INTERACCIONA EL BUCLE CON EL ARMAZON? Las proteínas cromosómicas no histónicas (familia de proteínas de mantenimiento estructural del cromosoma (SMC)) unen el bucle al armazón. SMC: proteínas monoméricas Cada monómero tiene un dominio en bisagra, un dominio plegado en espiral y un extremo globular con actividad ATPasa donde se acercan los dominios carboxi y amino terminal 2 monómeros forman un candado dimérico que permite el aproximamiento de 2 fibras de cromatina o la formación del bucle como unidad de transcripción ESTRUCTURA DEL COMOSOMA MITOTICO: Alto grado de empaquetamiento y condensación del cromosoma→ indispensable para la distribución de cada cromátide hermana a cada célula hija Con MET se pueden ver todos los bucles (máximo nivel de empaquetamiento) de las 2 cromátides hermanas Participan histonas, no histonas (SMC), armazón proteico Coenzimas (SMC): proteínas que mantienen unidos los bucles al esqueleto proteico Condensinas (SMC): posibilitan el empaquetamiento y la condensación del ADN en el cromosoma IMPORTANCIA DEL ALTO GRADO DE EMPAQUETAMIENTO: Posibilita la localización, alineación del cromosoma metafásico en la placa ecuatorial de la célula y la correcta segregación de cada cromátide a la célula hija Se da a partir de la formación del huso mitótico Alto grado de empaquetamiento + variantes de histonas que posibilitan la interacción con el huso mitótico DISTRIBUCION DE LOS CROMOSOMAS EN EL NUCLEO CELULAR Se puede distinguir territorios cromosómicos usando la técnica de FISH: permite individualizar los territorios de los cromosomas usando 7 canales de colores y microscopia de fluorescencia. Se trabaja con sondas. Permite el mapeo de los cromosomas dentrodel núcleo Territorios cromosómicos del núcleo: permiten ver que la localización de los genes en el núcleo depende de su nivel de transcripción, desplazándose hacia zonas o regiones funcionales. El gen inactivo está en una parte del núcleo (cerca de la envoltura nuclear) y cuando necesita ser transcripto se mueve hacia una zona de alta transcripción (en el centro del núcleo, uno cerca del otro) Cuando los genes están en el centro de núcleo (región transcripcional activa), adoptan la forma de bucle 3) La eucromatina en la región central forma un nucléolo marcando los lazos transcripcionales en el centro del núcleo, en la región de la eucromatina y habitualmente en esa región de la eucromatina aparece el nucléolo Nucleolo= orgánulo nuclear, tienen secuenciado el ARN ribosomal, ARN transcripcional. Etc, son secuencias de cromatina asociada a proteínas como una red permeable que permite el acceso de otras proteínas y ARN del nucleoplasma circundante asociados a la transcripción 4) Hay compartimentación nuclear: el núcleo y la disposición de los cromosomas en el núcleo es un proceso dinámico relacionado a la actividad metabólica celular
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