Genètica Molecular: Expressió Gènica i Mutacions

I 90 flashcards i 60 preguntes més al document.

Text del document

GENÈTICA MOLECULAR. COM S'EXPRESSEN ELS GENS? La duplicació del DNA La biosíntesi de proteïnes La regulació gènica i lʼ EPIGENÈTICA Les mutacions El DNA com a material hereditari És on es troba la informació genètica (excepte virus dʼRNA). Un gen és un segment de DNA que conté la informació per la síntesi dʼuna cadena polipeptídica o dʼun RNA diferent de lʼRNAm. Els experiments de Gri ith. 1928 bacteriòleg. Anàlisi de malalties infeccioses produïdes per una soca de Streptococcus pneumoniae.

Treballa amb 2 soques: S (smooth) presència de capa de polisacàrids, aspecte llis virulent R (rough) no presència de polisacàrids, aspecte "aspre" no virulent Va agafar 4 ratolins i els va injectar diferents solucions, tal com mostra la imatge. Quin va ser el resultat? El segon i el quart van morir a causa de la infecció. El primer i el tercer van sobreviure. Quan va extreure l'agent infecciós dels ratolins morts, en ambdós casos, va trobar organismes de la soca S. El DNA com a material hereditari Treballa amb la soca S de Streptococcus pneumoniae. Tractament tèrmic (mort cel·lular) purificació de la mostra, extracció de lípids i polisacàrids.

Tractament de les cèl·lules escalfades amb enzims digestius (proteases), DNases i RNases Posteriorment van afegir cèl·lules vives R amb en els diferents tubs tractats. Resultats: Tub proteasa i RNase Apareixen cels S i R, sʼha produït transformació. Tub DNase Només cèl·lules R (no hi ha transformació) Els experiments dʼ Avery, McCarty i MacLeod. 1943 Volen determinar la naturalesa bioquímica de "lʼelement transformador" dels experiment de Gri ith in vitro. El DNA com a material hereditari Treballen amb el bacteriòfags T2 i Escherichia coli.

Creixement del bacteriòfag en un medi ric amb : Isòtop radioactiu P32 marcatge de DNA Isòtop radioactiu S35 marcatge de proteïna Cocultiu dʼE.coli I bacteriòfag radioactiu infecció del bacteri i reproducció del virus, obtenció de partícules víriques. Separació per agitació dels fags i les cèl·lules bacterianes (centrifugació). Es mesura el nivell de radioactivitat en el pellet (botó cel·lular) i el sobrenedant: Pellet: es troba P32 Sobrenedant es troba S35 Els experiments dʼ Alfred Hershey i Martha Chase. 1952 Conclouen que el DNA és el material genètic.

El codi genètic El dogma central de la biologia molecular afirma que el DNA conté les instruccions necessàries per a la formació de les proteïnes. A excepció dels retrovirus. El codi genètic És la relació que hi ha entre les seqüències de les bases dels nucleòtids de DNA (o dels transcrits en RNA) i les seqüències dʼaminoàcids (aa) de les proteïnes codificades. Les característiques del codi genètic són: Universal: tots els éssers vius del planeta comparteixen el mateix codi genètic amb certes excepcions (mitocondris). Degenerat: diversos codons poden codificar un mateix aa (triplet dʼRNA codó). Específic: cada triplet (codó) només codifica per un únic aa.

64 codons: tres codons STOP (terminació de la síntesi proteica) i un codó dʼiniciació (codifica per metionina, AUG). La resta (60) codifiquen per aa diferents. Continu: els triplets es llegeixen "sense comes" o sense deixar espais en blanc. Cada nucleòtid pertany només a un triplet, no hi ha superposició. Normalment una única pauta de lectura. Excepcionalment, alguns virus i gens del DNA mitocondrial més pautes de lectura, dos o tres (més proteïnes amb poc material genètic). Unidireccional: sempre es llegeix en una única direcció (5ʼ 3 ). Sentit de lectura sempre de 5ʼ a 3ʼ en el RNAm, i la proteïna se sintetitza sempre de N a C (de grup amino lliure a grup carboxil terminal).

El triplet de RNAt que sʼaparella amb el codó del RNAm sʼanomena anticodó. L'aparellament codó-anticodó es fa per aparellament de bases i de forma antiparal·lela. Replicació del DNA La capacitat de duplicar el DNA sʼanomena replicació, el resultat és que dʼun dúplex parental (cadena doble) sʼobtenen dos. Permetrà doncs passar el material genètic a les cèl·lules filles. Característiques de la replicació: 1. Només té lloc una vegada a cada generació cel·lular, tan a cèl·lula eucariota com procariota i es dona en la fase de síntesi del cicle cel·lular (Fase S). 2. Es fa dʼuna manera semiconservadora, però per arribar a aquesta conclusió es van proposar tres hipòtesis: i.

Semiconservativa: Cada una de les cadenes de la doble hèlix actua com a motlle o patró per a la síntesi dʼuna cadena nova, donant lloc a dos filaments formats per una cadena original i una cadena de nova síntesi (J. Watson i F. Crick). ii. Conservadora: després de la duplicació queden, per una banda, els dos filaments antics junts i, dʼaltra, els dos filaments nous. iii. Dispersiva: els filaments al final estan constituïts per una mescla de fragments de DNA antic i de DNA acabat de sintetitzar. Experiment definitiu per saber quina de les tres hipòtesis era correcta va ser el proposat per Matthew Meselson i Franklin Stahl el 1957.

Replicació del DNA Matthew Meselson i Franklin Stahl el 1957 cultiven Escherichia coli amb medi marcat amb isotop pesant no radioactiu de nitrogen 15N (7 electrons/7 protons i 8 neutrons pesant) o 14N (lleuger). Experiment Replicació del DNA Característiques de la replicació: 3. La replicació es fa d'una manera ordenada i seqüencial: - Sʼinicia en un punt dʼorigen (origen de replicació) on la doble cadena sʼha de desenrotllar formant dues forquetes de replicació que van copiant el DNA de manera progressiva i bidireccional. - Les dues forquetes delimiten una bombolla de replicació. 4. Es diferencien tres etapes: iniciació, elongació i terminació. 5.

La replicació es fa dʼuna manera semidiscontinua: - Un dels filaments se sintetitza de manera contínua (filament conductor) mentre que lʼaltre ho fa de manera discontínua (filament retardat) en forma de fragments dʼOkazaki. 6. Copia la informació genètica de la cèl·lula o virus. - Procés precís i molt regulat (enzims, factors de transcripció, marques epigenètiques …) Mecanisme de replicació en els procariotes Un senyal dʼiniciació: (ORI, Origen Replicació) Seqüència específica de nucleòtids de DNA. Enzims que hi participen: Helicasa: trenca ponts dʼhidrogen entre les bases nitrogenades complementàries separant els filaments patrons o motlle.

Topoisomerasa (Girasa): elimina tensions de les fibres de DNA provocades pel superenrotllament. DNA polimerasa III (pol δ) DNA polimerasa I (pol α) Primasa (RNA polimerasa): síntesi del "primer" dʼRNA. DNA ligasa: empalma o uneix els diferents fragments de DNA. Proteïnes dʼunió estabilitzadores (SSB): estabilitzen i mantenen separació de les dues fibres DNA originals. Formació forqueta de replicació en cada banda (bombolla o ull de replicació). Elements necessaris per dur a terme el procés replicatiu: Mecanisme de replicació en els procariotes Característiques de la DNA pol: - Activitat polimerasa.

No poden iniciar la síntesi dʼuna cadena, només poden allargar-la, afegint nucleòtids a lʼextem 3ʼ. La DNA polimerasa III fa la replicació. - Necessiten: - Un encebador (primer), fragment dʼRNA que aporta lʼextrem 3ʼ lliure (grup -OH). - dNTPs, desoxiribonucleòtids-5-trifosfats (ATP, GTP, CTP i TTP). Per polimeritzar hidrolitzen lʼenllaç entre el primer i segon fosfat. Exemple de reacció: ATP +H2 O AMP + PPi + Energia - Cadena motlle o de patró. La DNA pol es desplaça en sentit 3ʼ 5ʼ i va unint els dNTPs en sentit 5ʼ 3ʼ en funció de lʼaparellament de les bases complementàries. - Té activitat exonucleasa, hidrolitza enllaços fosfodièsters entre nucleòtids.

- Activitat en sentit 3ʼ 5: Reparar o corregir el DNA, detecta si ha fet un aparellament incorrecte i elimina l'error. Retrocedeix un ntd, talla lʼenllaç que acaba de fer i allibera el ntd. - DNA pol I, II i III: activitat exonucleasa en sentit 3ʼ 5ʼ - Activitat en sentit 5ʼ 3ʼ: Eliminar lʼencebador dʼRNA de la cadena retardada i omple els buits amb ntds de DNA. - DNA pol I: també té activitat exonucleasa en sentit 5ʼ 3ʼ Un dels enzims més importants per la síntesi del DNA és el DNA polimerasa, en procariotes existeixen tres tipus diferents el DNA pol I, II i III.

Mecanisme de replicació en els procariotes Iniciació: - Hi ha una seqüència de ntds al DNA que actua com a senyal dʼiniciació (ORI). - Llavors una helicasa trenca els ponts dʼhidrogen entre els filaments complementaris i els separa perquè serveixin com a cadena motlle o patró. - La separació de la doble hèlix provoca un superenrotllament del filament de DNA llavors, actua la topoisomerasa (girasa) - Topoisomerasa I: talla un filament - Topoisomerasa II: talla les dues fibres - Un cop eliminada la tensió les empalma novament. - A continuació, intervenen les SSB mantenint separats els filaments complementaris. Iniciant doncs la forqueta de replicació.

Fases de la replicació: iniciació, elongació i terminació. Mecanisme de replicació en els procariotes Elongació, síntesi del filament conductor: - Primer intervé una primasa (RNA polimerasa) que sintetitza un fragment curt dʼRNA (10 ntd) que anomenem primer o encebador en sentit 5ʼ 3ʼ. - Després hi intervé la DNA pol III. A partir del primer comença a afegir nucleòtids de DNA en direcció 5ʼ 3ʼ seguint la complementarietat de bases i de forma continuada, creant un nou filament de creixement continu (filament conductor).

- Després intervé la DNA pol I que gràcies a la funció exonucleasa retira el segment dʼRNA (primer o encebador) i després per la seva acció polimerasa omple els buits amb ntds de DNA. - Finalment la DNA ligasa lliga l'únic encebador inicial ja format per DNA amb la cadena sintetitzada. Elongació, síntesi del filament retardat: 1. La RNA pol o primasa sintetiza el "primer" dʼRNA en un punt que dista uns mil nucleòtids del senyal dʼinici (ORI). 2. La DNA pol III afegeix nucleòtids de DNA al "primer" en direcció 5ʼ 3ʼ i es forma un fragment dʼOkazaki (dʼaproximadament 1000- 2000 nucleòtids). 3. Quan assoleix el "primer" de la cadena conductora, la DNA pol III es desprèn. 4.

Després de formar-se el 2n "primer", la DNApol III afegeix nucleòtids de DNA sobre aquest fins a assolir el "primer" anterior. 5. La DNA polimerasa I elimina els nucleòtids dʼRNA (gràcies a la seva activitat exonucleasa) i els reemplaça amb nucleòtids de DNA que va afegint d'un en un (gràcies a la seva activitat polimerasa). 6. La DNA ligasa empalma la unió entre els fragments 1 i 2. - Aquest procés es repeteix a mesura que es van separant els dos filaments patró fins que es completa la duplicació. - El filament retardat és de creixement discontinu.

Com que cada cop es necessita que sʼobri un segment dʼuns quants milers de nucleòtids perquè s'iniciï la síntesi dʼun nou "primer", el filament retardat tarda més a créixer que lʼaltre. - El creixement és bidireccional, cadascun dels dos filaments està sintetitzat, en part de forma contínua i, en part, de forma discontínua. Mecanisme de replicació en els procariotes Mecanisme de replicació en els procariotes Terminació: - Un factor proteic de terminació sʼuneix a una seqüència determinada de bases i sʼatura la replicació. - Es produeix quan els dos filaments de replicació del cromosoma circular es troben. - La DNA ligasa uneix els fragments de DNA sintetitzats.

- Sʼhauran format dos cromosomes circulars complets. Mecanisme de replicació en els procariotes. Resum Mecanisme de replicació en eucariotes - Es dona durant la fase de síntesi de la interfase al nucli. - Cada cromosoma es replica de manera bidireccional a partir de molts origens de replicació. - Pot haver-ne un centenar (distribució de manera irregular). - Sʼactiven de manera coordinada i cadascuna dʼelles constitueix un replicó (unitat de replicació). - El procés és més lent, degut a la longitud i a la presència dʼhistones (10 vegades). - Fragments dʼOkazaki dʼuns cent a dos-cents nucleòtids.

- Cinc DNA polimerases: a les procariotes les dues cadenes les sintetitza el mateix tipus de DNA pol, a les eucariotes no. Una dʼelles amb activitat primasa actuaria només al filament retardat i una altra com a replicasa del filament conductor, la resta treballen en la reparació del DNA. És semblant al procés que es segueix en bacteris, però cal destacar algunes diferències. - El DNA associat a histones (formant nucleosomes). - El filament que serveix com a motlle es queda les histones i tots dos sʼenrotllen sobre lʼoctàmer antic. - El filament que serveix de motlle al retardat i el retardat es cargolen sobre nous octàmers dʼhistones.

Mecanisme de replicació en eucariotes - No és possible completar els extrems 5ʼ de les noves cadenes de DNA. - Un cop eliminat lʼencebador, no poden ser reemplaçats per DNA nou, ja que no existeixen extrems 3ʼ on pugui actuar la DNA pol. - Sobresurten part de les cadenes retardades, la cèl·lula ho pot interpretar com un dany cel·lular Solució la presència de telòmers. - Els telòmers es troben en els extrems dels cromosomes, no contenen gens, són repeticions múltiples de la seqüència 5ʼ-TTAGGG-3ʼ. - Protegeixen els gens de lʼorganisme, de mica en mica es van escurçant, sent responsables en part de lʼenvelliment i mort cel·lular de les cèl·lules somàtiques.

- El telòmer pot formar bucles protectors, junt amb les proteïnes dels extrems que eviten la reparació del DNA. Als cromosomes lineals hi ha un escurçament progressiu de la seva longitud. Mecanisme de replicació en eucariotes La telomerasa, és una DNA polimerasa dependent dʼRNA, és a dir, és un enzim que pot fer DNA utilitzant com a motlle RNA. És lʼenzim responsable de revertir en part lʼescurçament dels telòmers. - Es troba activa a les cèl·lules germinals, en algunes cèl·lules adultes amb moltes divisions cel·lulars i a les cèl·lules canceroses (presenten telòmers escurçats i telomerasa activa). - Com funciona?

- La telomerasa sʼuneix a una molècula dʼRNA especial, complementària a la repetició telomèrica, i comença a afegir nucleòtids a la cadena de DNA (utilitza lʼRNA com a motlle). - Quan hi ha una llargada suficient, la DNA pol de la replicació fa servir el fragment creat per la telomerasa com encebador i pot crear la cadena doble. - Lʼencebador no pot col·locar-se just en l'extrem del cromosoma i no pot reemplaçar-se per DNA, per la qual cosa encara serà present una cadena que sobresurt. No obstant això, la longitud total del telómero serà major. Què passa amb els telòmers a les cèl·lules germinals, i a altres tipus cel·lulars?

Teoria "un gen - un enzim" El 1909, el metge Archibald Garrod fou el primer a suggerir que els gens determinen els caràcters a través d'enzims que catalitzen reaccions específiques en la cèl·lula. Garrod va estudiar diferents malalties humanes hereditàries i afirmava que els símptomes d'una malaltia hereditària reflecteixen la incapacitat d'una persona per sintetitzar un determinat enzim. - Estudi de la malaltia alcaptonúria - Símptomes: artritisme i ennegriment dels cartílags i de lʼorina en contacte amb lʼaire Provocat per lʼacumulació de lʼàcid homogentísic. - Anàlisi de lʼarbre genealògic indica que és una malaltia autosòmica recessiva.

D'aquesta manera es va poder passar d'un paral·lelisme entre gen i caràcter a un paral·lelisme entre gen i substància. La investigació de Garrod Teoria "un gen - un enzim" Per esbrinar què fan els gens van tenir una idea: "Alterar un gen transformant-lo en defectuós i després deduir el que feia, observant el fenotip de l'individu mutant" - Com ho fan? - Seleccionen el fong Neurospora crassa, perquè només necessiten per viure minerals, una font orgànica de carboni i biotina. - Exposen el fong a rajos ultraviolats (alteren DNA) i després seleccionen mutants que no puguin sintetitzar lʼarginina (essencial per la síntesi de proteïnes), o bé altres compostos (ornitina i citrul·lina).

- Segons la hipòtesi d'aquests investigadors: "la incapacitat de sintetitzar arginina es devia a un defecte d'un gen, i la incapacitat de sintetitzar altres substàncies es devia a defectes en altres gens". - Beadle i Tatum van proposar que els mutants de Neurospora que no podien produir arginina era perquè no tenien l'enzim necessari per sintetitzar aquest compost i que l'absència d'aquest enzim es devia a un defecte genètic: hipòtesi de "un gen un enzim": cada gen conté la informació necessària per fer un enzim diferent. La investigació de George W. Beadle i Edward L. Tatum amb la floridura del pa (Neurospora crassa) Teoria "un gen - un enzim" Per comprovar la seva hipòtesi …

Neurospora crassa normal era capaç de sintetitzar arginina en una sèrie de passos el conjunt dels quals formava la via metabòlica de l'arginina: Com ho fan? Beadle i Tatum van fer créixer els mutants en diferents medis: - Medi mínim (sense arginina). - Medi mínim amb suplement d'ornitina. - Medi mínim amb suplement de citrul·lina. - Medi mínim amb suplement d'arginina. Els investigadors dedueixen que els tres tipus de mutants tenien interrompuda la via de síntesi d'arginina en passos diferents i que en cada tipus els hi mancava l'enzim responsable del pas bloquejat per un defecte en un gen concret.

L'expressió gènica La transcripció, característiques bàsiques Consisteix en copiar la informació del DNA en forma dʼRNA (RNAm, RNAr, RNAt…), fent servir un filament de DNA com a motlle. - Es sintetitzen cadenes complementàries en sentit 5ʼ 3ʼ i no necessiten cap encebador. - Es polimeritzen nucleòtids trifosfats, però fent servir els RNA nucleòtids (ATP, GTP, CTP i UTP). - Sʼha de desenrotllar la cadena de DNA de doble hèlix (RNA pol). - Es catalitza per un enzim anomenat RNA polimerasa - LʼRNA polimerasa no té capacitat de corregir errades com ho fa la DNA polimerasa. És el mecanisme pel qual es transforma la informació gènica en proteïnes.

Consta de tres processos: la transcripció, la traducció i la regulació gènica. L'expressió gènica La transcripció, característiques bàsiques - Només es copia un dels dos filaments de DNA, encara que a totes dues cadenes i pot haver-ne gens), creant un filament monocatenari: - Complementari al filament de DNA motlle, anomenen filament no codificant o sense sentit. - Exactament igual però canviant les T per les U del filament que no ha sigut transcrit, anomenat filament codificant o amb sentit. - La transcripció és selectiva, només es sintetitza RNA a partir de determinades regions de DNA.

Hi ha zones de DNA que no es transcriuen, altres que només ho fan en cèl·lules d'un teixit i altres que només ho fan depenen de l'estat fisiològic de la cèl·lula. - El segment de DNA transcrit es diu unitat de transcripció. - El filament dʼRNA transcrit es diu transcrit primari. - La transcripció és reiterativa, una mateixa regió de DNA pot estar sent transcrita simultàniament per diferents RNA polimerases amb la qual cosa s'obtenen múltiples còpies en poc temps. L'expressió gènica Concepte i estructura dʼun gen eucariota - La majoria de gens són fragments de DNA que determinen la síntesi dʼuna proteïna. Altres gens tenen funcions reguladores. - Lʼestructura dʼun gen eucariota és complexa.

La seqüència de nucleòtids que constitueix un gen, i els propis gens entre sí, no es disposen linealment en els cromosomes sinó que es troben separats per fragments de DNA que no presenten informació per ser transcrita INTRONS - A més en tots els gens distingim les següents regions: - La regió promotora o promotor - La regió codificadora - La regió de finalització Com saben els enzims quina de les dues cadenes del DNA conté el missatge genètic? Els enzims encarregats de transcriure els gens reconeixen en el cromosoma senyals que indiquen on comença i on acaba el missatge.

L'expressió gènica - La regió promotora o promotor (P), és una part del DNA situada al principi del gen (abans de la regió codificant) i que, sense codificar cap aminoàcid, serveix de senyal dʼinici per a que la RNA polimerasa sʼuneixi a una de les dues cadenes de DNA. - La regió codificadora (C), és la part del gen que conté informació per a la síntesi de la proteïna. Existeixen fragments de DNA que no contenen informació, els introns, i fragments que sí que en contenen, els exons. - La regió de finalització (T), marca el final del gen. LʼRNA pol trobarà una senyal que li indicarà on acaba el missatge. També es transcriu i, un cop copiada, la RNA polimerasa deixa de transcriure el missatge.

Les regions gèniques Estructura del promotor eucariotes per la RNA polimerasa II L'expressió gènica. La transcripció en procariotes Iniciació: - RNA pol sʼassocia a les regions consens del promotor, una vegada fixada desenrotlla aproximadament una volta dʼhèlix, generant una petita bombolla de replicació, i inicia la polimerització dʼRNA en sentit 5ʼ 3ʼ, seguint un dels dos filaments del DNA, el filament patró o motlle. Elongació o allargament: - RNA pol recórrer el filament de DNA motlle cap a lʼextrem 5ʼ i va sintetitzant filament dʼRNA en direcció 5ʼ 3ʼ, a una velocitat de quaranta ntds per segon. Exemple de transcripció: 3ʼ... T A C G C T…5ʼ 5ʼ...

A U G C G A …3ʼ - Alhora va desenrotllant el dúplex de DNA en el sentit del desplaçament i refent-lo per lʼaltra banda. - Continua la polimerització per complementarietat de bases fins al final. Finalització o terminació: - RNA pol avança fins a trobar la seqüència de terminació (que es transcriu, però no es tradueix), llavors lʼRNA pol se separa i el DNA torna a formar la doble hèlix. Poden intervenir o no proteïnes de finalització (com proteïnes Rho) Els bacteris només tenen un tipus dʼRNA polimerasa, per la síntesi de RNA es diferencien tres etapes: la iniciació, lʼelongació o allargament i la finalització o terminació. L'expressió gènica.

La transcripció en procariotes Transcrits primaris a procariotes generalment són policistrònics (comprenen diversos gens) - Processament RNAm: - No hi ha maduració. El transcrit primari és directament lʼRNAm. - Extrem 3ʼ té una seqüència de bases púriques (AGGAGG) abans del codó dʼiniciació AUG, complementària a la seqüència de bases que té un extrem de la subunitat del RNA r (16S) unint-se i iniciant la traducció. - En procariotes es pot donar la transcripció i traducció en el mateix moment.

- Processament pre-RNAr i pre-RNAt - pre-RNAr és policistrònic conté una còpia de: RNAr 16S, 23S i 5S i quatre molècules dʼRNAt, per hidròlisi es degraden els extrems i les seqüències espaiadores existents entre els diferents elements, sʼalliberant els diferents RNA. - pre-RNAt: contenen dʼuna a set molècules dʼRNAt, que són separades per hidròlisi a través de diversos enzims. - Tots els RNAt han de tenir a lʼextrem 3ʼ la seqüència CCA (sʼuneix lʼaa que transporta). Processament postranscripció. Els transcrits primaris pateixen un processament o maduració fins a donar lloc a lʼRNAmissatger, RNAribosòmic, RNAtransferència madurs. L'expressió gènica.

La transcripció en eucariotes Característiques bàsiques: - Hi ha tres tipus de polimerases: - RNA pol I: localitzada nuclèol i controla síntesi dels pre-RNAr (excepte 5S). - RNA pol II: transcriu els gens que codifiquen per proteïnes pre-RNAm i també alguns gens dels RNAsn (nuclears petits splicing després de la transcripció). - RNA pol III: petits gens que codifiquen per RNAt, RNAr de 5S i la resta dʼRNAsn. - Els gens estan fragmentats, sempre cal un procés de maduració per eliminar els introns i empalmar els exons. A excepció de les histones que no tenen introns. - DNA associat a histones formant nucleosomes.

Diferències bàsiques entre la transcripció en eucariotes i procariotes L'expressió gènica. La transcripció en eucariotes Iniciació: - RNA pol II es fixa al promotor amb dues o tres seqüències consens, la TATA box (TATAAA o semblant) i la CAAT, a diferents distàncies del punt dʼinici. Però abans sʼhan hagut de fixar un conjunt de proteïnes, els factors de transcripció. - En alguns gens hi ha enhancer (intensificador), situat a certa distància de lʼinici de transcripció. Elongació o allargament: - El procés de síntesi continua en sentit 5ʼ 3ʼ. - Als trenta nucleòtids transcrits, sʼafegeix una caputxa formada per una metil-guanosina-trifosfat invertida (m7 Gppp- …), en lʼextrem 5ʼ.

- Un mateix gen pot ser transcrit per diverses RNApol a la vegada una darrere de lʼaltre. Es diferencien quatre etapes per la síntesi del RNAm: iniciació, elongació o allargament, finalització o terminació i maduració. L'expressió gènica. La transcripció en eucariotes Finalització o terminació: - Es produeix quan sʼarriba a la seqüència TTATTT (o AATAAA) del DNA, una endonucleasa la detecta i talla entre 11 i 30 nucleòtids després.. - A continuació, intervé lʼenzim poli-A-polimerasa, afegeix a lʼextrem 3ʼ uns 20-50 o fins 200 ribonucleòtids dʼA, cua de poli-A. - Ara el transcrit primari preRNAm o RNA heterogeni nuclear (RNAhn). Maduració: - Es produeix al nucli.

- Es produeix un procés anomenat splicing, on les regions no codificants, els introns, són eliminats quedant únicament les regions codificants, els exons. Aquest procés no sempre es dona de la mateixa manera, així doncs lʼanomenem splicing alternatiu. - Dut a terme per un complex anomenat espleciosoma, format per cadenes dʼRNAsn (small nuclear RNA) i proteïnes, conjuntament lʼanomenen snRNPs (small nuclear ribonucleoproteins). El sn RNP sʼuneix al pre-RNAm a les seqüències complementàries dels extrems dels introns, en associar-se lʼintró es corba i es desprèn, a continuació una RNA-ligasa específica empalma els exons. L'expressió gènica.

La transcripció en eucariotes - La presència dʼintrons en els gens permet que un sol gen pugui codificar més dʼun tipus de polipèptid, segons lʼsplicing que realitzin sobre el pre-RNAm. La utilitat dels introns L'expressió gènica. La transcripció en eucariotes - LʼRNAt i lʼRNAr també presenten processos de maduració. - RNAt es produeix lʼaddició del triplet CCA a lʼextrem 3ʼ. - RNAr sʼinicia amb lʼRNAn (RNA nucleolar, localitzat al nuclèol, 45S) que sʼescindeix en tres: lʼRNA de 18S, 28S i 5,8S. - Sʼassocien a proteïnes (RPSs, RPLs). - Donen lloc a la formació de les subunitats del ribosoma 40S (18S + proteïnes) i 60S (28S, 5,8S i 5S + proteïnes).

- Finalment, travessen lʼembolcall nuclear per formar els ribosomes. La maduració dels RNAt i RNAr. L'expressió gènica. La traducció - La informació que hi ha en lʼRNAm està codificada per lʼordre de triplets (tres nucleòtids) que sʼhan de concretar en una successió dʼaminoàcids, que donaran lloc a lʼestructura primària dʼuna cadena polipeptídica.

- Sʼutilitza el codi genètic - Intervenen: - RNAm, porta la informació - RNAr, junt amb proteïnes formen els ribosomes - RNAt, porten els aminoàcids del citoplasma fins als ribosomes i reconeixen els triplets de bases del RNAm - Aminoàcids - Enzims La traducció és el conjunt de processos que permeten la síntesi dʼuna proteïna a partir de la informació continguda en un RNAm L'expressió gènica.

La traducció - És necessari, en primer lloc, fer lʼactivació dels aminoàcids per poder iniciar la síntesi proteica: - Unió aminoàcid al seu RNAt, procés anomenat càrrega del RNAt, és produïda per lʼenzim aminoacil-RNAt-sintetasa (hi ha almenys vint diferents) i ATP, alliberant AMP + PPi i alliberant lʼenzim per ser reutilitzat. La unió de lʼaa al seu RNAt específic es duu a terme en el seu grup carboxil (-COOH) i el radical -OH de lʼextrem 3ʼ del tRNA. - Hi ha 61 triplets diferents de bases i no hi ha tants RNAt, el mateix RNAt pot carregar diferents aminoàcids, pel mecanisme de balanceig de la tercera base de lʼanticodó. Activació dels aminoàcids. L'expressió gènica.

La traducció Es divideix en tres fases: iniciació de la síntesi, elongació o allargament de la cadena polipeptídica i finalització de la síntesi. Iniciació: - La subunitat petita del ribosoma sʼuneix a la regió líder de lʼmRNA per complementarietat de bases i factors dʼiniciació - Regió líder: regió no codificant complementària amb el rRNA, dʼuns 10 ntds). - LʼmRNA es desplaça fins al codó dʼiniciació 5ʼ-AUG-3ʼ - LʼAUG sʼhi associa lʼaminoacil tRNA iniciador específic, que presenta lʼanticodó 3ʼ-UAC-5ʼ, que duu lʼaminoàcid Met en eucariotes i formilMet en procariotes. - Unió de la subunitat gran del ribosoma, formant el complex ribosomal o complex actiu.

El procés necessita energia aportada pel GTP i els factors dʼiniciació. - En el complex ribosomal diferenciem tres centres: - Centre P o peptidil: on se situa el primer aminoacil-tRNA. - Centre A o acceptor: On se situa els següents aminoacils-tRNA. - Centre E o sortida: On se situa el tRNA que acaba de donar el seu aa. L'expressió gènica. La traducció Elongació o allargament: - Arriba el segon aminoacil-tRNA al centre A. (PAS 1) - El radical carboxil de lʼaa iniciador (Met) sʼuneix amb el radical amino de lʼaa següent a través de l'enllaç peptídic produït per lʼenzim peptidiltransferasa. (PAS 2) - Ara el centre P queda ocupat per un tRNA sense aa.

(PAS 2) - Es produeix la translocació ribosòmica: primer es transloca la subunitat major i després la subunitat menor del ribosoma. (PAS 3) - El lloc P queda ple amb lʼaminoacil-tRNA-Met-aa, mentre que el lloc A queda buit, esperant lʼarribada dʼun altre aminoacil-tRNA. - Aquest procés necessita energia provinent del GTP i de lʼajut de factors dʼelongació. - El tRNA iniciador surt del complex ribosomal pel centre E. - El procés es repeteix en cadascun dels codons següents. - En procariotes sʼelimina el grup formil de la formilmetionina. PAS 1 PAS 2 PAS 3 L'expressió gènica.

La traducció Finalització de la síntesi: - El final de la síntesi és determinat pels triplets sense sentit: UAA, UAG i UGA. - En lloc dʼunir-se un tRNA sobre el centre A, sʼhi uneix un factor proteic dʼalliberació (FR). (PAS 1) - Mitjançant la despesa de GTP la peptidiltransferasa fa interaccionar el -COOH del darrer aa amb lʼaigua, provocant lʼalliberació de la cadena proteica. (PAS 2) - Se separen les subunitats ribosomals i lʼmRNA. - A mesura que se sintetitza la cadena polipeptídica (estructura primària) aquesta va adoptant una determinada estructura secundària o terciària mitjançant enllaços per pont dʼhidrogen i disulfurs, respectivament. PAS 1 PAS 2 PAS 3 L'expressió gènica.

La traducció LʼmRNA que sʼestà traduint acostuma a trobar-se en forma de poliribosomes o polisomes, diversos ribosomes separats per uns 80 nucleòtids al llarg d'una única molècula de mRNA Producció moltes molècules de proteïnes en un temps determinat No ha dʼestar completada la primera molècula abans que pugui començar la següent L'expressió gènica. Control o Regulació El control genètic és el conjunt de mecanismes que regulen lʼexpressió gènica. Procariotes: - Control de la transcripció Síntesi RNAm. - OPERÓ: - Unitat dʼexpressió i de regulació gènica en bacteris. - És grup de gens estructurals i gens reguladors.

On l'expressió dels gens estructurals està regulada pels elements de control de lʼoperó (promotor i operador). - Gen estructural: qualsevol gen que codifica per una proteïna o RNA m, són els gens on la seva expressió es troba regulada. - Elements de control: - Promotor (gen P): regió del DNA amb una seqüència reconeguda per lʼRNA pol per iniciar la transcripció. ES troba abans dels gens estructural és on es fixa lʼRNA pol i determina la transcripció dels gens estructurals. - Operador (Gen O): regió del DNA amb una seqüència reconeguda per la proteïna reguladora. Situat entre la regió promotora i els gens estructurals.

- Gen regulador (gen i): seqüència de DNA que codifica per la proteïna reguladora que reconeix i sʼuneix a la regió de lʼoperador. A prop gens estructurals. - Inductor: substrat o compost on la seva presència indueix lʼexpressió de gens. Procariotes: Ex: Operó Lac, és un operó de control negatiu, la unió del repressor amb lʼoperador impedeix lʼexpressió o síntesi de lʼenzim b-galactosidasa. L'expressió gènica. Control o Regulació Procariotes: Ex: Operó Lac, és un operó de control negatiu, però també es pot controlar la seva activitat a través dʻAMP cíclic. LʼAMPc junt amb la proteïna activadora del catabòlit (CAP) sʼuneixen a la zona del promotor just abans dʼon se situa lʼRNA pol.

de Glc AMPc Perquè en entrar la Glc a la cèl·lula es fosforila a Glc6P, gastant-se lʼATP, llavors queda poc ATP per convertir-ho a AMPc No es forma el complex CAP-AMPc RNA pol no es fixa No hi ha transcripció es enzims per la síntesi de la lactosa. L'expressió gènica. Control o Regulació L'expressió gènica. Control o Regulació Procariotes: Operó Triptòfan, és un operó de tipus represible, lʼaa triptòfan (corepressor) impedeix lʼexpressió de la seva pròpia síntesi. En canvi quan els nivells són baixos o inexistents es transcriuen els gens. L'expressió gènica. Control o Regulació L'expressió gènica.

Control o Regulació en eucariotes El control genètic és el conjunt de mecanismes que regulen lʼexpressió gènica. El control de lʼexpressió gènica en eucariotes és més complexa, ja que: 1. Els eucariotes tenen molts més gens i es troben repartits en diverses molècules de DNA. 2. El DNA es troba associat a les histones formant la cromatina. 3. Hi ha una separació física entre la transcripció que té lloc al nucli i la traducció que té lloc al citoplasma. És per això que la regulació gènica es dona a diferents nivells. L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes Regulació transcripcional - Inactivació cromosòmica. Control del grau de condensació de la cromatina.

- Els cromosomes es troben formats per eucromatina (cromatina activa) i heterocromatina (fragments DNA inactivats permanentment o temporalment). Tot depèn del grau de condensació de la cromatina. - La transcripció no és possible si la cromatina es troba molt condensada, ja que el DNA no està accessible a lʼRNA polimerasa. - La metilació del DNA i lʼeliminació de grups acil a les histones afavoreix la condensació i la inactivació dels gens dʼaquesta regió. - EPIGENÈTICA - Regulació de lʼinici de la transcripció. Proteïnes reguladores específiques: Hi ha una àmplia varietat de proteïnes que regulen lʼexpressió dels gens i que sʼacoblen al grup promotor activant o no la transcripció.

L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes Regulació post transcripcional - Selecció de llocs alternatius de lʼsplicing. - Splicing: És un mecanisme pel qual el pre-mRNA pot donar lloc a diferents combinacions d'exons, produïnt diferents mRNAs madurs. Això, permet que es tradueixin diferents proteïnes del mateix gen i en modula la funcionalitat. - En molts casos lʼsplicing es dona de manera diferent segons el tipus cel·lular. L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes Control de la traducció de lʼRNA - Control de la taxa dʼiniciació de la traducció. - Control dʼinhibició de la traducció. Hi ha diversos mecanismes que impedeixen la traducció dʼun RNAmissatger.

Entre ells els microRNAs. Són RNA molt petits que tenen seqüències que sʼuneixen complementàriament a lʼARN missatger i lʼinutilitzen per a ser traduït. - Transposó o retrotransposó. "Gens saltarins", tenen la capacitat de moureʼs i reinserir-se al genoma. L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció A. Què és lʼepigenètica? Epi= a sobre totes les "etiquetes" que hi ha sobre els gens que fan que sʼexpressin o no sʼexpressin, que modifiquen la seva taxa dʼexpressió i que determinen quant de temps i en quantes cèl·lules descendents es mantindran aquestes etiquetes. B. Quina importància té lʼepigenètica?

El genoma, que ja hem seqüenciat en humans, és només la punta de lʼiceberg. Per entendre bé què és el que determina com som (trets físics, psicològics, malalties, predisposicions, desenvolupament embrionari, especialització cel·lular, etc.) no nʼhi ha prou amb saber quins gens (en realitat al·lels) tenim cadascun de nosaltres. Igual, o més important, és saber com es modula la seva expressió, i això és lʼepigenètica. L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció C.

El projecte ENCODE: Resultats 2012 del projecte ENCODE: - 80% del genoma té una funció - 2,9% del genoma són exons - 20% del genoma són introns - 20% del genoma són promotors i intensificadors - I la resta, regions implicades en la topologia del DNA, miRNAs i zones per modificacions epigenètiques. L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció D. Genoma i epigenoma: Genoma Epigenoma Estable Variable Només es modifica per atzar via mutacions Es modifica per lʼambient via metilacions de citosines, canvis en histones i altres mecanismes. Està en totes les cèl·lules del cos i, per tant, també a les de la línia germinal.

És diferent segons el tipus cel·lular. Afecta cèl·lules somàtiques. No està clar encara fins a quin punt a les de la línia germinal. És allò que heretem dels progenitors És heretable? Quina part? Durant quantes generacions? L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció E. Els "jugadors" de lʼepigenoma: - Com silenciar o activar un gen? a. Metilacions (afegir un grup metil: -CH3) de citosines en seqüències up-stream encarregades de controlar lʼexpressió dʼun gen (illes CpG), silencien el gen. b. Modificacions en les histones (metilacions, acetilacions, fosforilacions i altres canvis químics en alguns dels seus aminoàcids).

- Algunes provoquen que el DNA caragolat no sʼhi pugui separar a la transcripció el gen no sʼexpressa. - Altres són a lʼinrevés, la modificació de les histones provoca que el gen sʼexpressi més. c. Gens en regions dʼeucromatina són susceptibles dʼexpressar-se, en canvi, si la regió es passa a heterocromatina els gens presents en ella, no es podran expressar. L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció E. Manteniment de les modificacions epigenètiques (dʼuna cèl·lula a una altra).

- Quan una cèl·lula replica el seu DNA abans de dividir-se pot mantenir en la nova còpia de DNA les modificacions epigenètiques que tenia. - Com decideix mantenir o no les modificacions epigenètiques? Com es van incorporant aquestes modificacions? Es poden treure? Es poden ficar a la línia germinal? L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció F. Efectes epigenètics: Determinen la formació dels diferents tipus cel·lulars, les activacions o inhibicions de gens en resposta a lʼambient (i per ambient entenem tot allò que no siguin gens, inclòs el desenvolupament embrionari) i també les que determinen moltes malalties.

Per tant, una enorme part de les nostres característiques, físiques, psicològiques, de salut, són epigenètiques. Exemples: Els bessons idèntics: embrió que sʼha trencat en dos, mateix DNA, són clons, però les petites diferències en lʼambient (des de la posició que ocupen al ventre de la mare) produeixen modificacions epigenètiques que els van diferenciant. Les rates tenen més cura de les cries canvis epigenètics cries (metilacions gens pels receptors dels glucocorticoides), en arribar a adultes tinguin menys estrès i siguin mares curoses. Els ratolins agutí són grocs i obesos expressen un gen "agutí".

La metilació del gen els fa perdre lʼobesitat i el color groc, una dieta rica en grups metil en una mare agutí embarassada fa que neixin menys fills agutí tot i tenir el gen. L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció G. Es poden heretar els canvis epigenètics? En principi quan els individus fabriquen gàmetes retiren totes les marques epigenètiques del DNA, per tant, sʼhereta el genoma i no lʼepigenoma, però comencen a sortir estudis que semblen indicar que això no està tan clar. a.

La impronta genètica (lʼetiquetatge patern o matern): Els animals marquem els gens segons provinguin del pare a o de la mare en la fabricació dʼespermatozoides o òvuls. - Per exemple: - Cr 1 que ve del pare té marques epigenètiques que el cataloguen com "patern" (gens sʼexpressen més i dʼaltres menys) - Cr. 1ʼ que ve de la mare està etiquetat com a "matern" fent que puguin ser uns altres els gens que sʼexpressen i els que se silencien. Quan una dona fabrica òvuls desetiqueta el seu cr.1 com "patern" i el torna a etiquetar com "matern". Igualment, quan un home fabrica espermatozoides desetiqueta el seu cr. 1ʼ com "matern" i el reetiqueta com "patern". L'expressió gènica.

Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció La majoria de gens no veuen afectada la seva expressió en funció de si provenen del cromosoma patern o matern. Però dʼaltres no, exemple: - Si un individu rep un dels seus dos cromosomes 15 amb una deleció en una regió concreta, patirà una greu malaltia genètica diferent si sʼhereta de la mare o el pare. - Si el cr.15 incorrecte ve del pare síndrome de Prader-Willi (individus amb retard mental, de moviments laxes i amb tendència a lʼobesitat) - Si el cr.15 incorrecte ve de la mare síndrome dʼAngelman (retard mental, són prims i de moviments rígids). L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA.

Regulació de la transcripció G. Es poden heretar els canvis epigenètics? b. I si les marques epigenètiques condicionades per lʼambient també fossin heretables? Trencaria un dels dogmes del darwinisme i de lʼactual teoria de lʼevolució: que els caràcters adquirits no sʼhereten. Fins ara no hi ha gairebé res demostrat, però sí que sʼhan fet alguns estudis, per exemple: L'expressió gènica. Control o Regulació en eucariotes EPIGENÈTICA. Regulació de la transcripció G. Es poden heretar els canvis epigenètics? b. I si les marques epigenètiques condicionades per lʼambient també fossin heretables?

Transmissió transgeneracional de marques epigenètiques I si allò que fem en els nostres fills no només condicionarà la seva vida adulta sinó també la dels nostres nets i besnets? LES MUTACIONS Són canvis en el DNA de lʼindividu Els efectes poden ser molt variats: - Avantatge en una situació - No manifestar-se en lʼorganisme - Provocar enormes alteracions - La mort Són lʼorigen de la variabilitat genètica en les poblacions. Sense mutacions TOT el DNA seria igual No hi hauria la variabilitat dʼespècies actuals. LES MUTACIONS Classificació segons la cèl·lula afectada 1. Mutacions somàtiques - Cèl·lula somàtica No afecta la descendència - No són importants des dʼun punt de vista evolutiu.

- Afecten la cèl·lula que resulta de la mitosi de la cèl·lula afectada. - Si la cèl·lula sobreviu individu és un mosaic (cèl·lules amb diferent genotip) 2. Mutacions germinals - Afecten a les cèl·lules germinals (gàmetes) Transmeten a la descendència LES MUTACIONS Classificació segons - Les relacions de dominància: - Mutacions dominants: manifesten en presència dʼun sol al·lel afectat. - Mutacions recessives: es manifesten amb la presència dels dos al·lels afectats. - Quantitat dʼàcid nucleic afectat: - Mutacions gèniques: alteració dʼun sol gen, seqüència de nucleòtids (mutació puntual). - Per substitució de bases - Transicions: púrica per una altra (A-G) o pirimidínica per una altra (T-C).

- Transversions: púrica per una pirimidínica (A/G T/C), efectes molt variats. - Per pèrdua o inserció de nucleòtids desplaçament dʼordre de la pauta de lectura, conseqüències acostumen a ser greus 80% mutacions espontànies. - Delecions: perd un nucleòtid - Insercions: sʼafegeix un nucleòtid Les mutacions gèniques poden aparèixer per: errors de lectura (replicació del DNA), lesions fortuïtes del DNA o transposicions. LES MUTACIONS Classificació segons quantitat dʼàcid nucleic afectat: - Mutacions cromosòmiques: alteracions en lʼestructura de com a mínim un cromosoma.

- Duplicació: la informació dʼun segment apareix repetida evolutivament molt important per famílies (multigèniques i gèniques) - Deleció: es perd un segment dʼun cromosoma amb els gens que conté acostumen a tenir efectes deleteris evolutivament poc important - Inversió: rotació de 180º dʼun segment dʼun cromosoma. - Inserció: un segment dʼun cromosoma es trasllada a un altre cromosoma. - Translocació: fragments de cromosomes diferents intercanvien la seva posició. LES MUTACIONS Classificació segons quantitat dʼàcid nucleic afectat: - Mutacions genòmiques: alteracions en el nombre de cromosomes propis dʼuna espècie.

- Aneuploïdia: per excés o defecte dʼalgun cromosoma, cas de monosomies (2n -1, S. Turner monosomia del cromosoma X) o trisomies (2n +1, S. Down trisomia del 21) - Causes - Fusió cèntrica (unió de dos cromosomes no homòlegs) evolució - Fissió cèntrica (escissió dʼun cromosoma en dos) evolució - Segregació errònia durant la meiosi. LES MUTACIONS Classificació segons quantitat dʼàcid nucleic afectat: - Mutacions genòmiques: - Euploïdia: per excés o defecte en el joc de cromosomes de lʼindividu.

Poden ser: - Haploïdia: una sola dotació cromosòmica (n) - Forma natural a fongs i plantes, a alguns animals com formigues per determinar el sexe ( mascle= n, femella = 2n) - Resta de casos organismes inviables o en cas de plantes més petits del normal. - Poliploïdia: més de dos jocs cromosòmics (3n, 4n …) - Freqüent en algunes plantes (més gran del normal) i estrany en animals. - Autopoliploïdia: jocs cromosòmics dʼuna mateixa espècie disjunció dels cromosomes a la meiosi (autotetraploïdia) a la natura i es pot provocar amb tractaments químics (colxicina) - Al·lopoliploïdia: hibridació de dues espècies mecanisme evolutiu