Expresión de los genes

Concepto de gen

En términos clásicos, se define gen como la unidad elemental de la herencia.Desde este punto de vista, sería válida la expresión “un gen-un carácter” expresando que un gen es la partícula con información para un carácter.Esta expresión para definir un gen ha ido cambiando con el progreso de los descubrimientos y con la consideración de gen desde el punto de vista molecular:

Concepto de gen

“Un gen-un enzima”. Se basa en los descubrimientor de Beadle y Tatum al comprobar que la alteración de un gen, alteraba el funcionamiento de una enzima.“Un gen-una proteína”. Se basa en el principio general de que todas las enzimas son proteínas y de que todas las proteínas se fabrican con información del ADN (gen).“Un gen-un polipéptido”. Se basa en el hecho de que algunas proteínas están formadas por varios polipéptidos, cada uno codificado por un gen diferente.

Concepto de gen

Control de la expresión génica

Necesidad del control

Las células no sintetizan continuamente todas las proteínas sobre las que tienen información.Existe un sistema de regulación para que solo se sinteticen las proteínas que se necesitan en cada momento.Esto es un sistema de ahorro para la célula que le asegura no gastar energía en la síntesis de sustancias innecesarias.

Por otra parte, las células, teniendo todas idéntica información genética, son muy distintas y tienen muy distintas funciones.Esto es posible porque no en todas la células se expresan todos los genes.Existen mecanismos para regular qué genes se expresan en cada célula y en cada momento (p.ej. hay células del páncreas que segregan insulina y otras segregan otras cosas o no segregan, pero se contraen, etc.)

Necesidad del control: Epigenética

Por todo ello, existen mecanismos de control que determinan:

en qué cantidad se producen las sustancias. en qué momento se producen las sustancias. en qué células se producen las distintas sustancias.

Como las sustancias se producen como consecuencia de la expresión de distintos genes, lo que hay que regular, en realidad es la expresión de estos genes, es decir, su paso a proteínas.

Necesidad del control: Epigenética

Necesidad del control: Epigenética

Puntos de controlComo la cantidad de proteínas que se sintetizan depende de la cantidad de ARNm y éste en el citoplasma es muy inestable (dura minutos), regulando la cantidad de ARNm que se fabrica, se regulan los niveles enzimáticos y de otras sustancias que dependen de ellas.No obstante, la regulación se puede presentar en distintos momentos del proceso

ADN proteínas

Puntos de controlA nivel de la cromatina: hay lugares más sensibles a la transcripción dependiendo de su nivel de enrollamiento.A nivel transcripcional: es el más frecuente e importante. Aquí se regula la síntesis de ARNm tratada antes.A nivel postranscripcional: sólo 1/20 de la masa total de los hnARN (ARN primario) sale del núcleo. El resto no sufren los procesos de maduración y se degradan.

A nivel traduccional: Este nivel de regulación es el menos conocido de todos, pero se sabe que no todos los mARN que llegan al citoplasma se traducen en proteínas.A nivel postraduccional: Las proteínas recién sintetizadas pueden sufrir modificaciones muy variadas cualitativas (glicosilaciones, fosforilaciones, acetilaciones, ribosilaciones) y cuantitativas (eliminación de aminoácidos)

Puntos de control

Puntos de control

Mutaciones

Clasificación

Según las células a las que afecte puede ser:Germinales o constitucionales (las que forman los gametos):

El individuo las adquiere por herencia de sus padres.Puede ocurrir de novo en una célula germinal de alguno de los padres o éstos, a su vez, haberla heredado.Todas las células del cuerpo llevan la misma mutación.Ejemplo: enfermedades hereditarias

Tipos de mutaciones

Tipos de mutaciones

Somáticas:Se adquiere en el transcurso de la vida o del desarrollo embrionario.Es portada únicamente por la célula afectada y sus células hijas. El individuo puede resultar un mosaico.Ejemplo: cáncer (en un determinado órgano), un ojo de cada color (mosaico)

Según el efecto:Mutaciones silenciosas: son aquellas en las que cambia el codón, pero el nuevo informa para el mismo aminoácido. (20-25%).Mutaciones sin sentido: el cambio de base cambia a codón STOP. (2-4%).Mutaciones de sentido equivocado: Se cambia el aminoácido de la proteína. (70-75% ).Mutaciones en el sitio de corte y empalme del ARN. Se impide la transcripción y por lo tanto no se sintetiza la proteína.

Tipos de mutaciones

Según la parte del genoma a la que afecte:Génicas o puntuales: afectan a un par de bases de un gen.

Deleciones: Desaparece un par de bases.Inserciones: se añade un par de bases que antes no existía.Sustituciones: un par de bases es sustituido por otro.

Tipos de mutaciones

Cromosómicas: afectan a fragmentos de cromosomas.

Deleciones: se pierde un trozo de cromosoma.Duplicaciones: se duplica o repite un trozo de cromosoma.Translocaciones: Un fragmento de un cromosoma se une a otro cromosoma

Tipos de mutaciones

Genómicas: Afectan al número de cromosomas.

Aneuploidías: aumento o disminución del número de cromosomas (trisomías, monosomías, nulisomías)Poliploidías: aumento de toda una dotación cromosómica. Se producen individuos 3n, 4n, etc. Se dan más en vegetales.

Tipos de mutaciones

Mutaciones génicas

Mutaciones génicasSon las que alteran la secuencia de nucleótidos de un solo gen, por lo que se denominan puntuales.Pueden ser de 2 tipos:

Sustituciones de bases.Transiciones.Transversiones

Mutaciones por corrimiento de la pauta de lectura.

InsercionesDeleciones

Sustituciones

Transiciones: se sustituye: una base púrica por otra púrica o una base pirimidínica por otra pirimídínica.

Transversiones: se sustituye:una base púrica por otra pirimidínica una base pirimidínica por otra púrica.

Las transversiones son mas peligrosas ya que alteran la estructura de la doble hélice al sustituir una base por otra de tamaño muy distinto con lo que la doble hélice se desestabiliza.

Sustituciones

Afectan a un solo nucleótido. Como el código genético es degenerado es posible que el nuevo triplete codifique el mismo aa (mutación silenciosa) Si el nuevo triplete codifica un aa diferente, es grave si es uno de los del centro activo de la enzima o de los que mantienen la estructura terciaria, imprescindible para la formación del centro activo.

Sustituciones

Sustituciones

Si ocurre en el codón de terminación y lo convierte en codón con sentido se produce una proteína más larga. Si crea un codón de terminación antes del lugar que corresponde, creará una proteína más corta.

En algún caso se puede formar un proteína que mejore a la original.

Sin mutación.

ADN: GAT GGT CGT CAG ACG TCT TGT

ARN m: CUA CCA GCA GUC UGC AGA ACAPROT: leu pro ala val cys arg thr

Transición:ADN: GAT GGT CGT CGG ACG TCT TGT

ARN m CUA CCA GCA GCC UGC AGA ACA

PROT : leu pro ala ala cys arg thr

Transversión:ADN: GAT GGT CGT CCG ACG TCT TGT

ARN m CUA CCA GCA GGC UGC AGA ACA

PROT : leu pro ala gly cys arg thr

Sustituciones

Alteración de la pauta de lectura.

Inserciones: se añade un nucleótido.Deleciones: se pierde un nucleótido.

Se caracterizan por: A partir del punto de la inserción o deleción varían todos los tripletes.Ello conduce a una proteína diferente.

Sin mutación.ADN: GAT GGT CGT CAG ACG TCT TGT ARN m: CUA CCA GCA GUC UGC AGA ACAPROT: leu pro ala val cys arg thrInserción:ADN: GAT GGT CGT TCA GAC GTC TTG T ARN m: CUA CCA GCA AGU CUG CAG AAC A PROT: leu pro ala ser leu gln asndelección: ADN GAT GGT CGT CAG ACT CTT GTARN m: CUA CCA GCA GUC UGA GAA CAPROT: leu pro ala val PARADA

G

Alteración de la pauta de lectura.

Los efectos de las mutaciones génicas dependen de cómo repercutan en la traducción a proteína.

Puede que la alteración de un codón indique el mismo aminoácido (mutación silenciosa) con lo que no tendrá ningún efecto.Puede que cambie el aminoácido, pero que este no pertenezca al centro activo o no altere la estructura terciaria de la proteína. Tampoco tendrá efecto.

Mutaciones génicas: efectos

Si el nuevo aminoácido no pertenece al centro activo, pero es importante para mantener la estructura terciaria, puede que el centro activo no se forme. La proteína no será funcional.Si el nuevo aminoácido pertenece al centro activo, éste se altera y posiblemente, la proteína tampoco funcione.

Mutaciones génicas: efectos

Mutaciones genómicas

Mutaciones genómicas Son variaciones en el número normal de cromosomas de una especie. Se producen por una segregación anómala de los cromosomas o las cromátidas durante la meiosis. Pueden ser:

Aneuploidías: aparece algún cromosoma de más o de menos.Euploidías o poliploidías: se altera el número de dotaciones cromosómicas.

Estudiadas en el tema 7 Son alteraciones en la meiosis que afectan a una pareja de cromosomas homólogos por lo que se altera el número de cromosomas en una sola pareja.Dan lugar a trisomías, monosomías y nulisomías.Suele dar lugar a procesos de especiación.Pueden producirse:

Aneuploidías

Aneuploidías: causasNo hay separación de cromosomas en la primera división meiótica

Disómicos

Nulisómicos

Aneuploidías: causas

Disómico

Nulisómico

Normales

No hay separación de cromátidas en la segunda división meiótica

Aneuploidías: causas

Fusión

Fisión

Aneuploidías en la evolución: causas

Algunas especies derivan de otras al aumentar o disminuir el número de parejas de cromosomas homólogos y puede ser:

por fusión de cromosomas no homólogos.por fisión de cromosomas no homólogos.

Drosophila viridisn=6

Drosophila pseudobscuran=5

Drosophila willistonin=3

Drosophila melanogastern=4

Aneuploidías: causas

Euploidías o poliploidías

Poliploidía: variación o cambio en el número cromosómico que involucran dotaciones completas de cromosomas (euploidía)La no disyunción de los cromosomas en la meiosis de individuos 2n lleva a la aparición de individuos (4n).Los Poliploides permanecen aislados reproductivamente de la especie. Suele dar lugar a procesos de especiación.Se da más en vegetales.

Euploidías o poliploidías

Según su origen, los poliploides pueden ser:AUTOPOLIPLOIDES: derivados de un sólo diploide por multiplicación de sus cromosomas

AA AAAA

ALOPOLIPLOIDES derivados de un híbrido entre dos diploides

AA X AA AAAA

En general, las anomalías en los euploides son menores que en los aneuploides. En los euploides se mantienen dotaciones cromosómicas proporcionadas (3n, 5n, etc)En los aneuploides se altera solo alguna pareja de homólogos pasando a ser trisomías, monosomías o nulisomías, siendo más perjudicial.

Mutaciones genómicas: efectos

Trigo blando(hexaploide)

Soja(tetraploide)

Euploidías o poliploidías

Mutaciones cromosómicas

Mutaciones cromosómicas

Mutaciones que provocan cambios en la estructura de los cromosomas.

Pueden afectar: al orden de los genes en los cromosomas. al número de genes en los cromosomas.

A veces un gen o un grupo de genes puede faltar o estar repetido.Puede que un trozo de cromosoma se mantenga en su lugar, pero invertido.

Mutaciones cromosómicas

Delección

Duplicación

Inversión pericéntrica

Inversión paracéntrica

Translocación recíproca

Transposición

Mutaciones cromosómicas

Un detalle importante a tener en cuenta en este tipo de mutaciones es como se aparean con sus homólogos normales, los cromosomas mutados durante la meiosis.

Delecciones y duplicaciones dan lugar a bucles (si son intercaladas) y terminaciones escalonadas (si son finales).Las inversiones provocan asas de inversión.Las traslocaciones dan lugar a formas en cruz llamadas cruz de traslocación

DelecionesDeficiencias o deleciones: pérdida de un segmento cromosómico y, por tanto, de los genes en él contenidos.Puede ser:

Intercalada.Final.

Delección intercalada Inversióndelección intercalada delección final

Delección intercalada

Bucle

Deleciones: apareamiento

delección intercalada

Deleciones: apareamiento

Delección final

Terminación escalonada

delección final

Terminación escalonada

Deleciones: apareamiento

Duplicaciones o repeticiones: Aparece un segmento cromosómico más de una vez, en el mismo cromosoma o en otro.

DuplicaciónDuplicación

Duplicaciones

Duplicación

Bucle

Duplicación

Bucle

Duplicaciones: apareamiento

Translocaciones: es el intercambio de segmentos cromosómicos entre dos cromosomas no homólogos.. Reciben el nombre de translocación recíproca,Una “translocación” entre homólogos es lo que se produce en la recombinación

meiótica y no se considera mutación

Translocaciones

Translocación recíprocaTraslocación recíproca

Traslocación recíproca

Cruz de traslocación

Translocaciones: apareamiento

Inversiones: son segmentos cromosómicos que han girado 180 grados con lo que su secuencia génica queda invertida con respecto al resto del cromosoma.

Inversión

Inversiones

Inversiones: apareamiento

Inversión

Asa de inversión

Las translocaciones e inversiones afectan poco al portador. No suelen tener efecto fenotípico, pues el individuo tiene los genes correctos, aunque colocados de distinta forma. De las translocaciones pueden derivarse problemas de fertilidad por apareamiento defectuoso de los cromosomas homólogos durante la gametogénesis o la aparición de descendientes con anomalías.El gameto resultante puede trasmitir cromosomas defectuosos, por lo que produciría una descendencia inviable o con mutaciones.

Mutaciones cromosómicas: efectos

Las deleciones y duplicaciones producen un cambio en la cantidad de genes y por tanto tienen efectos fenotípicos, por lo general deletéreos. Aunque afecten a un solo cromosoma de la pareja de homólogos, pueden tener consecuencias graves.

Mutaciones cromosómicas: efectos

Espontáneas Las mutaciones pueden ser:

Espontáneas son las más numerosas.No se deben a agentes externos.Se producen por un error en la duplicación del ADN o por errores en el movimiento y comportamiento de los cromosomas durante la división celular.Pueden ser de todos los tipos vistos.

InducidasInducidas son menos numerosas.La mayoría provocan emparejamientos erróneos con otras bases durante la duplicación del ADN.Otras actúan intercalándose entre dos bases y produciendo la adición de una nueva base con el consiguiente corrimiento en el sistema de lectura de bases. Están provocadas por agentes externos llamados agentes mutágenos.

Agentes mutágenos

Agentes mutagénicosLos agentes mutagénicos son principalmente:

Físicos: Radiaciones de alta energía como los rayos catódicos, ultravioleta, X, a, b, g, cósmicos, etc. Agentes químicos: ácido nitroso, peróxido de hidrógeno, metil etano sulfonato, gas mostaza, concentraciones altas de dióxido de carbono, acridinas, bases análogas al ADN (5-bromo uracilo, 2-amino purina, ).Agentes biológicos: principalmente, virus.

Agentes mutagénicosfísicos

Radiaciones no ionizantes (rayos ultravioleta, de longitud de onda entre 160 y 400 nm.)

Provocan el establecimiento de enlaces covalentes entre dos pirimidinas contiguas formando dímeros de timina o citosina. Estos dímeros impiden que

las bases se puedan aparear con sus complementarias impidiendo la replicación

Solo afectan a la piel.

Radiación ultravioleta

Los dímeros distorsionan la conformación del ADN inhibiendo la replicación

Radiaciones ionizantes (rayos X, a, b, g, cósmicos, etc. con una longitud de onda menor que los rayos UVA)

Pueden provocar tautómeros (isómeros de las bases nitrogenadas en los que cambia algún grupo funcional lo que impide que se apareen con su complementaria). Pueden romper los anillos de bases nitrogenadas.Llegan a romper los enlaces fosfodiester rompiendo los cromosomas.

Agentes mutagénicosfísicos

Agentes mutagénicosfísicosTautómero de Citosina. Aparea con Adenina)

Tautómero de Timina. Aparea con Guanina)

Alteran las bases nitrogenadas haciendo que se emparejen con bases que no les corresponden causando errores en la replicación.

eliminando grupos amina (puede transformar la citosina en uracilo)

Agentes mutagénicosquímicos

añadiendo grupos hidroxilo. añadiendo grupos etilo o metilo

Adicción de etilo

Guanina6-Etilguanina

Enlace de hidrógeno

Timina

Sustituyen una base por una sustancia análoga, lo que supone errores en la replicación.

Agentes mutagénicos

químicos

Intercalación de moléculasHay moléculas que tienen una estructura similar a un par de bases enlazadas.Se introducen entre los pares de bases por lo que se las llama sustancias intercalantes.Modifican la pauta de lectura con lo que se altera enormemente la transcripción.Un ejemplo es la acridina.

Agentes mutagénicos

químicos

Agentes mutagénicos

químicos

Acridina

Sustancias intercalantes

Recientemente, se han descubierto algunos virus capaces de producir mutaciones.Estas mutaciones, generalmente, convierten a las células que las sufren en células cancerígenas.El virus del papiloma humano (VPH) produce cáncer de cuello de útero.El virus de la hepatitis B causa cáncer de hígado.

Agentes mutagénicosbiológicos

Núcleo de célula

cancerosa

Virus del papiloma humano

Mutación y cáncer

Mutaciones y evolución

Mutación y evolución

La evolución se debe a aquellos procesos por los que las poblaciones cambian sus características genéticas a lo largo del tiempo. Los distintos alelos que producen la variabilidad se forman por mutaciones.A partir de los alelos salvajes u originales, se producen mutaciones que van haciendo aparecer nuevos alelos que imprimen otros caracteres.Si son caracteres favorables, los alelos permanecen y se extienden.

Si son caracteres desfavorables, los individuos mueren o no se reproducen con lo que los alelos desaparecen o permanecen en baja frecuencia.Se llama "pool" génico de una población al conjunto de genes de la misma, formado por todos los alelos de los genes que tienen los individuos que la constituyen. Una combinación favorable de alelos en un individuo favorece su supervivencia y por tanto su reproducción y su extensión en la población.

Mutación y evolución

La mutación es la fuente primaria de variación, pero no la única. La recombinación génica incrementa la variabilidad. La evolución es el proceso de transformación de unas especies en otras por acumulación de mutaciones que se han ido sucediendo a lo largo de las generaciones. Ahora bien, la mayor parte de las mutaciones génicas son deletéreas (mortales) y las que se han mantenido es porque producen una mejora y son las esenciales para la evolución.

Mutación y evolución

La separación entre los miembros de una población impide el intercambio genético entre los mismos. Esto produce cada vez más diferenciación al tener que adaptarse a ambientes distintos. Cuando con el tiempo se acumulan diferencias que impiden la reproducción entre los miembros de esos grupos decimos que se trata de especies distintas.

Mutación y evolución

Parece ser que los seres, a lo largo del tiempo, han ido aumentando la cantidad de genes (duplicaciones).Sobre estos genes duplicados pudieron generarse mutaciones con un menor riesgo y favorecer el proceso de creación de variabilidad. Así, en eucariotas, la cantidad de ADN es mayor que en otros grupos y mayor que la necesaria para contener la información genética.

Mutación y evolución

Mutación y evolución

Anaya

Anaya

Anaya

Anaya

Anaya

Anaya

Anaya

PAU Cantabria

PAU

¿Qué alteración tendría más posibilidades de afectar al fenotipo: una mutación por sustitución o una por delección? Razona la respuesta. Las mutaciones puntuales afectan a una sola base de la secuencia de nucleótidos de un gen. En algunos casos, este tipo de modificaciones es suficiente como para alterar de manera apreciable el fenotipo del individuo. Pero, en muchos casos, no se aprecian efectos fenotípicos significativos, por lo que se considera que el efecto de la mutación es neutro. ¿Cómo se explica este fenómeno?

PAUAl comparar la secuencia de un determinado gen “g” entre un individuo sano y otro que padece una enfermedad asociada a un alelo mutante de ese gen (alelo:”gm”), se comprueba que este último tiene en su secuencia una mutación puntual por sustitución. Se observa además, que el producto de la expresión del gen normal “g” es un polipéptido de 100 aminoácidos, mientras que el producto del alelo mutante “gm” tiene tan solo 80 aminoácidos. Teniendo presentes las características del código genético, explica la relación existente entre la mutación puntual y el polipéptido anómalo. ¿Por qué crees que el alelo mutante produce la enfermedad?

Considerando que una alteración cariotípica catalogada como aneuploidía ha tenido lugar durante la meiosis, explica, mediante un dibujo, cómo crees que pudo haberse producido esta anomalía (Aneuploidía: alteración en el número de cromosomas)Indica cuales de las siguientes afirmaciones son correctas, y las que no lo son; razona en cada uno de los tres casos la respuesta con un comentario breve.

Todas las mutaciones son fenotípicamente perjudiciales.Las mutaciones suponen una fuente importante de variedad alélicaLas mutaciones tienen lugar cuando un agente mutagénico incide sobre una proteína alterando irreversiblemente su función.

PAU

FIN