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Control de la expresión de los genes: Organismos Eucariotas

El cromosoma eucariota
Los cromosomas de los eucariotas consisten en ADN y proteínas que parecen jugar un importante rol en la regulación de los genes eucariotas. El ADN de cada cromosoma es una larga cadena de ADN bicatenario. El ADN eucariota se presenta en dos formas.
  • La cromatina que es la forma no empaquetada (uncoiled) y tiene un 50% de proteínas, bullet
  • Los cromosomas que son ADN y proteínas empaquetados (coiled) y se forman durante los primeros estadíos de la división celular.

Las proteínas asociadas al ADN se conocen colectivamente con el nombre de histonas. Son polipéptidos relativamente cortos cargados positivamente (básicos) y por lo tanto son atraídos por las cargas negativas del ADN (ácido) Las histonas son sintetizadas en cantidad durante la fase S ( S por síntesis) del ciclo celular. Una de las funciones de esas proteínas está relacionada con el empaquetamiento del ADN en la forma del cromosoma: los 2 metros de ADN de la célula humana son empaquetados en 46 cromosomas de un largo combinado de aproximadamente 200 nm. La célula tiene unas 90 millones de moléculas de histonas siendo la mayoría perteneciente a un tipo conocido como H1. Se conocen cinco tipos de las siguientes histonas (H1, H2A, H2B, H3, y H4 , 8 moléculas en total); con la excepción de la H1 la mayor parte de las histonas de los eucariotas son muy similares.

Control de la expresión de los genes: Organismos Eucariotas
El nucleosoma es la unidad fundamental de "empaquetamiento" del ADN eucariótico. El "carretel" (core) del mismo consiste en dos moléculas de H2A, H2B, H3, y H4; alrededor de las cuales el ADN se enrolla dos veces (1). La histona 1 esta fuera del "carretel". Este nivel de empaquetamiento (packing) se conoce como "cuentas de un collar" (2). El siguiente nivel se conoce como la fibra de 30 nm, cuyos detalles de organización no se conocen completamente. Las fibras se condensa a posteriori en dominios en bucle de 300 nm (3). Los dominios son parte de las secciones condensadas (4) ( 700 nm) de los cromosomas (el cromosoma tiene un ancho de unos 1.400 nm en la metafase)

Replicación del cromosoma de los eucariotas
Los nucleótidos trifosfatos (en la formas de ATP, GTP, CTP y TTP) se enganchan de acuerdo al modelo semi-conservativo. Otros detalles de la replicación del ADN son consistentes con los hallazgos en procariotas. El ADN eucariota tiene muchas horquillas de replicación y también síntesis bidireccional. El ADN eucariota se sintetiza mucho mas lentamente que el del procariota, en humanos, a unos 50 nucleótidos por segundo y por horquilla de replicación. Luego de la replicación el nuevo ADN se asocia inmediatamente con histonas.
eucariotas

Regulación de la expresión génica en eucariotas
La regulación genética de los eucariotas, especialmente en los multicelulares se complica por el proceso de diferenciación que ocurre en los organismos multicelulares. Cada organismo multicelular comienza como una sola célula llamada cigoto que se divide por mitosis. Las células se diferencian en variados tipos funcionales utilizando algunos genes e ignorando otros.
Los genes homeóticos (Homeobox genes) dirigen la organización general del cuerpo y la posición de los órganos en respuesta a un gradiente de moléculas regulatorias.
El momento (timing) en que se expresa un determinado gen parece seguir una secuencia, tal como la producción de hemoglobina fetal en los glóbulos rojos de los mamíferos, que cambia a hemoglobina adulta poco antes del nacimiento. Claramente la inactivación de ciertos genes ocurre en cada adulto y ello esta relacionado con el cáncer, la prolongación de la vida y tanto otro...

Tipos de cromatina
La heterocromatina es una cromatina que se tiñe mas fuerte y es más condensada. La eucromatina se tiñe débilmente y es mas "abierta" o sea es menos condensada. La eucromatina permanece dispersa (no condensada) durante la interfase, momento donde ocurre la transcripción del ARN.
Algunas regiones de la heterocromatina parecen ser estructurales (como la heterocromatina que se encuentra cerca de la región de los centrómeros). Los cuerpos de Barr (cromosomas X irreversiblemente inactivados), son también heterocromatina condensada. Otras regiones de heterocromatina varían de célula a célula. A medida que la célula se diferencia, la proporción heterocromatina/eucromatina se incrementa, reflejando la especialización de la célula a medida que se diferencia.
Los cromosomas "plumosos" de los insectos tienen en sus "plumas" o lazos, áreas de síntesis activa de ARN sugiriendo, nuevamente que los genes activos están situados en la eucromatina.
Los eucariotas también tienen proteínas específicas que intervienen en los procesos de síntesis en manera similar a la de los procariotas, sin embargo, tal como cabría esperarse el proceso es mucho más complicado.

El genoma eucariota
El término genoma se usa para referirse a todos los alelos que posee un organismo (o una población, especie, o un gran grupo taxonómico). Si bien la cantidad de ADN de una célula diploide es constante para una especie, existen grandes diferencias entre la mismas. Homo sapiens tiene 3.5 X 109 pares de bases y la Drosophila tiene 1.5 X 108, por genoma haploide.

Mucho del ADN de una célula eucariota no tiene función o bien la misma no es conocida. Solo el 2% del ADN eucariota codifica para proteínas. Los virus y procariotas aparentemente usan mucho mas sus ADN. Prácticamente la mitad del ADN eucariota corresponde a secuencias nucleotídicas repetidas.
Existen secuencias altamente repetitivas (de función desconocida, salvo para la secuenciación génica del hombre):
SATÉLITES: 5-50 pares de bases, repetidas hasta un millón de veces.
MINISATÉLITES: 12-100 pares de bases, repetidas un número variable de veces, son marcadores genéticos moleculares de cada persona.
MICROSATÉLITES: 1-5 pares de bases, en grupos de 10-50 copias.

Secuencias moderadamente repetitivas:
Telómeros, se encuentran en los extremos de los cromosomas. En el ser humano esta secuencia es TTAGGG y se repite unas 2500 veces. Recordando la replicación del ADN... la cadena avanzada puede replicarse hasta el extremo, pero como la cadena retrasada no tiene un cebador en el extremo 5´ del cromosoma, en cada replicación se produce un acortamiento de la nueva hebra formada. De este modo el nuevo ADN carece de esta última porción repetitiva ya que el mecanismo de reparación corta este extremo. En células en activa división (médula ósea y línea germinal) una telomerasa cataliza el agregado de la porción faltante.
Secuencias codificadores de ARNt y ARNr: existen múltiples copias de ADN que codifican para estos ARN, ya que se precisan en grandes cantidades.

Genes que codifican proteínas
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expresion genetica

La mayor parte de los genes estructurales de los eucariotas contienen intrones. Si bien se transcriben, estos intrones son cortados (solo en apariencia un proceso ineficiente) antes de la síntesis proteica. Es decir el ARN sufre un proceso de edición, que puede resultar en diferentes péptidos (para el caso de un mARN). El número de intrones varía para cada gen, pueden encontrarse inclusive en tARN y genes virales!. Generalmente cuanto mas complejo y de reciente evolución el organismo, mas numerosos y grandes los intrones. ¿Que surgió primero? ¿genes continuos sin intrones o genes interrumpidos por intrones?. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinación genética (vía crossing-over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolución. Los exones codifican diferentes regiones funcionales de las proteínas.

organismos eucariotas
Las familias de genes están formadas de genes similares pero no idénticos. La familia de genes de la globina es la familia de genes mejor estudiada. La hemoglobina consiste (en el caso humano) en dos cadenas a y dos cadenas b alrededor de un grupo Hemo. Los genes de la beta globina se encuentran distribuidos en cinco loci en el cromosoma humano Nro. 11. Estos genes se expresan secuencialmente durante el desarrollo y tienen intrones de la misma longitud en posiciones similares en cada gen.
Algunos de estos genes son copias inactivas, otros solo son funcionales durante determinada fase del desarrollo (recordar la hemoglobina fetal y la adulta). La familia de genes de la actina, tiene un patrón similar.

Transcripción y procesamiento de mARN
El proceso de transcripción en los eucariotas es similar a los de los procariotas, existen sin embargo algunas diferencias. Los genes eucariotas no se agrupan en operones como los de los procariotas. Cada gen eucariota se transcribe separadamente, con un control transcripcional independiente para cada gen. Si bien los procariotas tienen un solo tipo de ARN polimerasa para todos los tipos de ARN, los eucariotas tienen una para cada tipo. Una para el mARN, una para los rARN largos y una tercera para los rARN cortos y los tARN.
En procariotas la traducción comienza inclusive antes que la transcripción haya terminado, mientras que en eucariotas tenemos dos procesos separados en tiempo y localización (recordar la existencia de una envoltura nuclear). Luego que en el núcleo de la célula eucariota se transcribe un ARN, el ARN transcripto es extensamente modificado antes de ser exportado al citoplasma. Se le agrega 7-metilguanina (una base inusual) al extremo 5' del mARN; y esto resulta esencial para el pegado del mARN al ribosoma. Una ristra de adeninas (tanto como 200 nucleótidos conocido como poli-A) se agrega al extremo 3' del mARN luego de la transcripción. La función de esta "cola" de poli A no se conoce, pero puede usarse para capturar mARN para estudios. Los intrones se cortan y los exones se colocan juntos antes que el mARN deje el núcleo
Existen muchos ejemplos de mensajes idénticos procesados por diferentes métodos, a veces los intrones se tornan exones y viceversa.
Moléculas de proteínas se pegan al mARN y luego se exportan del núcleo formando partículas llamadas ribonucleoproteínas (mRNPs) que parecen ayudar en el transporte por los poros nucleares y también en el pegado a los ribosomas.

Hoy sabemos que que existen muchos "genes" que son claramente funcionales (tal como los que sintetizan los siARN o las ribo-llaves), a pesar que no codifican para ninguna proteína y producen únicamente ARN. Claes Wahlestedt, del Instituto Karoliska (Estocolmo, Suecia), dice respecto al término "gen", tendemos a no utilizar el término gen, nos referimos a segmentos que son transcriptos a ARN como una "unidad transcripcional".

Mecanismo de interferencia del siARN
Los siARNs (del inglés: short interfering RNA, ARN corto de interferencia) son componentes de una gran respuesta antiviral denominada interferencia del ARN, una defensa celular descubierta en plantas y gusanos.
Ciertos virus están compuestos por ARN de doble cadena y la presencia de tan obvio ARN ajeno a la célula desencadena, en plantas e invertebrados, una respuesta liderada por la enzima "DICER" ("cubeteadora"?), que corta el ARN invasor en pequeños pedazos. Otras proteínas forman el RISC (RNA-Induced Silencing Complex, Complejo silenciador inducido por ARN). RISC separa las piezas de ARN y las usa como guía para buscar y aparearse (o silenciar) toda secuencia de ARN que coincida con ellas. Al bloquear este ARN, la célula se asegura que no se sinteticen proteínas virales.
Si bien el siARN ha sido descubierto recientemente, el campo se ha expandido de manera explosiva. Resulta claro que el siARN es un mecanismo molecular altamente conservado en células eucariotas utilizado para controlar la expresión de los genes durante el desarrollo embrionario y para defender sus genomas de invasores como los virus a ARN y los transposones.
Silenciamiento Post-Transcripcional de un Gen, Iniciado por siARN
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Control de la expresión de los genes: Organismos Eucariotas
El siRNA interacciona con la helicasa (círculo púrpura) y la nucleasa (óvalo rosado) y forma un complejo denominado RISC (RNA-induced silencing complex, Complejo silenciador inducido por ARN) (1). La Helicasa del RISC usa ATP para desdoblar el siARN, permitiendo que la cadena antisentido (cadena corta en azul) se complemente con su "blanco" en el ARN mensajero (ARNm, cadena larga en rojo) (2). La nucleasa del RISC corta el ARNm (3), que finalmente es rápidamente degradado por otras ARNasas (4).
En plantas y en Drosophila, DICER, un complejo que contiene una endonuclesa con actividad de helicasa y quinasa (óvalo verde) y una ARN dependiente, ARN polimerasa ( P roja en el triángulo verde), amplifica el siARN.
DICER degrada el ARN de doble cadena para generar siARN(5), el cual puede formar RISCs (1).
El nuevo siRNA puede también asociarse con DICER y ARN mensajero(6).
Luego de desdoblarlo, la cadena antisentido del siARN actúa como cebador ( primer ) para la síntesis de ARN de doble cadena usando como molde (template) el ARN mensajero y como enzima la polimerasa del DICER (7).
Las etapas 5, 6, y 7 conforman un lazo de amplificación.

Ribo-llaves (Riboswitches)
eucariotas

Las ribo-llaves (ribo-switches) son formas de ARN (Fig. 1) que actúan como llaves "encendido-apagado" de gran precisión. Originadas en muchos casos del "ADN no codificante" que se encuentra entre genes conocidos, las ribo-llaves se pliegan dando origen a figura compleja. Una parte de la ribo-llave plegada puede recibir a una proteína específica que se amolda al sitio. La otra parte contiene el ARN que codifica a la proteína a sintetizar.

control de genescontrol de genes eucariotas

Las ribo-llaves se pliegan dando orígen a figura compleja (Fig. 2). Una parte de la ribo-llave plegada puede recibir a una proteína específica que se amolda al sitio. La otra parte contiene el ARN que codifica a la proteína a sintetizar. La ribo-llave se "enciende" por acción de la proteína específica y permite que el ARN codificante sea traducido a proteína

Genes codificadores de anticuerpos
Los anticuerpos son proteínas globulares complejas fabricadas por los organismos multicelulares como respuesta a la presencia de un antígeno (una sustancia extraña al organismo). Las células que fabrican los anticuerpos son los linfocitos, miembros de los glóbulos blancos de la sangre. Los anticuerpos contribuyen a inmovilizar y destruir los antígenos específicos. Un ratón puede fabricar cerca de 10.000.000 de anticuerpos, es decir mas del total de sus genes. Las proteínas de los anticuerpos están compuestos de dos cadenas largas y dos cortas. Cada especie tiene una región constante característica de la misma y del tipo de anticuerpo. La otra región es la variable, en la que se encuentran los aminoácidos que dan la especificidad al anticuerpo.
Susumu Tonegawa comprobó una vieja hipótesis que señalaba que las regiones constantes y variables de los anticuerpos eran codificadas por genes diferentes. Sus trabajos también mostraron que en los embriones se reordenan fragmentos de los genes para dar origen a genes de la región variable funcionales.

Virus y eucariotas
Los virus que afectan a los eucariotas son similares a los de los procariotas. Algunos de los virus a ADN pueden iniciar una infección (ídem al ciclo lítico de los procariotas) o formar provirus. Los provirus son ADN viral integrado al del huésped (ídem ciclo lisogénico). El virus de los monos (Simian Virus 40 o SV40) causa cáncer en los hámsters pero no en sus huéspedes normales. El SV40 puede, al igual que otros virus, introducir nuevos genes funcionales en su hospedador.

Los retrovirus pueden también insertar su ácido nucleico en el ADN del huésped vía la transcriptasa reversa tal como fue mencionado. La transcriptasa reversa es introducida con el ARN dentro de la célula huésped. En el proceso de fabricar la hebra de ADN complementaria del ARN viral, la enzima también fabrica largas secuencias terminales repetitivas ( del inglés: LTRs) al extremo terminal del ADN. Estas LTR hacen más fácil la inserción en el ADN huésped. El ADN viral insertado fabrica ARN viral y los necesarios para empaquetarlo en sus cubiertas de proteína junto con la transcriptasa reversa.
El ADN viral, dependiendo de su inserción puede causar mutaciones en el ADN del huésped, la mayor parte de ellos no lo hacen. Por lo contrario se integran al genoma huésped y pueden pasar de generación en generación si se las arreglaron para infectar las células de la línea germinal. Del 0,5 al 1% del genoma del ratón podría ser de origen viral.

Transposones de Eucariotas
En realidad los elementos transponibles de los eucariotas, que recuerdan a los de los procariotas en muchos sentidos, fueron descubiertos mucho antes de que se los describiera en procariotas (década del 60) fruto de los notables estudios de Barbara McClintock realizados en 1940 acerca de los elementos transponibles del maíz, muchos años mas tarde (¿demasiados?) se le otorgó el Premio Nóbel.
Muchos transposones eucariotas primero son copiados a ARN y luego vuelta a ADN en una localización diferente.

Genes, virus y cáncer
El cáncer es una enfermedad en las que las células escapan a los controles normales de crecimiento. El cáncer es una enfermedad heredable (al menos de célula madre a célula hija). Una vez que una célula se vuelve cancerosa, todas las células que de ella se originan son cancerosas.
A menudo son visible anomalías cromosómicas en las células cancerosas. Muchas substancias carcinogénicas (actores que promueven el cáncer) son también mutagénicas (factores que producen mutaciones).
Los oncogenes aparentan ser genes normales pero algo anduvo mal en ellos ya que promueven el cáncer.
Los virus parecen poder producir cáncer de tres formas. La presencia del ADN viral podría alterar las funciones del ADN del huésped. Las proteínas necesarias para la replicación del virus también afectarían la regulación de los genes del huésped. Dado que la mayor parte de los virus que producen cáncer son retrovirus, los mismos pueden ser vectores para la inserción de oncogenes.

La transferencia de genes entre células eucariotas permitirán a los médicos, que hasta ahora atacan la enfermedad a nivel fenotípico, hacerlo a nivel genotípico. El virus SV40 ha sido usado para inyectar el gen de beta globina en monos. Los virus sirven como posibles vectores para introducir alelos sanos en reemplazo de los enfermos.

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