AUTOEVALUACIÓN - Capítulo 17. La genética molecular de los eucariotas

Cuestionario:

Distinga entre los siguientes términos: B-DNA/Z-DNA; nucleosoma/nucléolo; eucromatina/ heterocromatina; intrón/exón; gen/pseudogen/oncogen.
¿En qué se asemejan los cromosomas de los procariotas y de los eucariotas? ¿En qué difieren?
Describa los tres tipos de DNA eucariótico observados en experimentos de hibridización. ¿Cuáles son algunas de las funciones que han sido identificadas para cada tipo?
¿Cuál podría ser la ventaja para un organismo de tener copias múltiples de genes para rRNA, tRNA e histonas?
Aunque una célula humana contiene considerablemente menos de un millón de genes estructurales, un ser humano, es capaz de hacer al menos 100 millones de tipos diferentes de anticuerpos. ¿Cómo es posible esto?
¿Cuál es la función del intrón en el ensamble de una molécula de mRNA que codifica para una cadena polipeptídica de molécula de anticuerpo?
La mayoría de los bacteriófagos carecen de intrones, pero los hay en los virus con genoma de DNA de los eucariotas. Sin embargo, los virus con genoma de RNA de los eucariotas carecen de intrones. ¿Qué sugieren estos hallazgos acerca del origen de los virus?
¿Qué ocurriría en una célula si se inhibe el agregado del CAP a sus mRNA?
¿Cuál sería el mecanismo mediante el cual la expresión de un mismo gen en distintos tejidos da como resultado polipéptidos diferentes?
Describa la ruta intracelular que sigue una proteína de exportación desde que comienza su síntesis en una célula eucariótica.

Respuestas:

1.Distinga entre los siguientes términos: B-DNA/Z-DNA; nucleosoma/nucléolo; eucromatina/ heterocromatina; intrón/exón; gen/pseudogen/oncogen.

El DNA de doble cadena siempre adopta la forma de una hélice fuertemente enrollada que habitualmente gira hacia la derecha, es decir, es dextrógira. Esta conformación del DNA se conoce como forma B. El B-DNA representa la forma fisiológica del DNA. Sin embargo, los estudios de difracción con rayos X han mostrado que el DNA puede asumir, in vitro, otras conformaciones helicoidales: A-DNA, que también es una hélice dextrógira pero menos fuertemente enrollada que la forma B y Z-DNA, que es una hélice que gira hacia la izquierda, es decir, es levógira. El enrollamiento a la izquierda da como resultado una conformación en zigzag del esqueleto azúcar-fosfato; de allí el nombre de Z-DNA. La forma Z se ha encontrado en regiones cuya secuencia está formada por pirimidinas y purinas alternadas; en condiciones fisiológicas, esta forma es termodinámicamente poco favorable. Sin embargo, ciertas modificaciones de algunas bases nitrogenadas, como la metilación de citosinas, podría favorecer, en ciertas regiones, la transición de la forma B a la Z. La presencia de Z-DNA en el cromosoma de bacterias y de células eucariotas como las de Drosophila ha sido revelada mediante el uso de anticuerpos fluorescentes. Se supone que los cambios en la configuración de la molécula de DNA tendrían algún papel biológico ya que podrían impedir la unión de las proteínas a la molécula y esto, a su vez, afectar la expresión génica.

El nucleosoma es la unidad de empaquetamiento fundamental de la cromatina. Cada nucleosoma consiste en un núcleo central formado por dos moléculas de cada una de las siguientes histonas, denominadas nucleosómicas: H2A, H2B, H3 y H4. En total son 8 moléculas de histonas alrededor de las cuales el filamento de DNA da dos vueltas, como un hilo alrededor de su carretel. Cuando un fragmento de DNA se enrolla alrededor de un nucleosoma, tiene casi 1/6 de la longitud que tendría si estuviese completamente extendido. El quinto tipo de histona, H1, se encuentra fuera de la parte central del nucleosoma, su presencia no es imprescindible para la formación del nucleosoma. En fotomicrografías electrónicas, los nucleosomas y los filamentos de DNA que los conectan se asemejan a cuentas en un hilo que forman un collar. De hecho, las fotomicrografías dieron la primera pista de esta notable estructura, que desde entonces ha sido analizada en detalle por técnicas bioquímicas. Estructuralmente, el nucléolo es un ramillete de bucles de cromatina, generalmente de diferentes cromosomas. Los bucles que forman la estructura básica del nucléolo son los segmentos de DNA que contienen copias del gen que codifica tres de los cuatro tipos de moléculas de rRNA encontradas en los ribosomas eucarióticos. Durante la condensación de los cromosomas, al comienzo de la meiosis o de la mitosis, estos bucles vuelven a enrollarse en sus respectivos cromosomas y el nucléolo desaparece. Funcionalmente, el nucléolo es una fábrica de ribosomas en la que se transcriben moléculas de rRNA a partir de los bucles de cromatina y se ensamblan subunidades ribosómicas. Las proteínas ribosómicas, sintetizadas ellas mismas en los ribosomas del citoplasma de las células, son transportadas al núcleo eucariótico y ensambladas en subunidades. Las subunidades ribosómicas casi completas, que contienen rRNA y proteínas, se envían luego de regreso al citoplasma, donde, después de unos pocos “retoques”, comienzan a desempeñar sus funciones esenciales en el ensamble de aminoácidos en proteínas.

Muchas evidencias indican que el grado de condensación del DNA del cromosoma, que se observa mediante la tinción de la cromatina, desempeña un papel principal en la regulación de la expresión génica en las células eucarióticas. La tinción revela dos tipos de cromatina: la eucromatina, la cromatina más abierta, que se tiñe débilmente y la heterocromatina, la cromatina más condensada, que se tiñe fuertemente. Durante la interfase, la heterocromatina permanece condensada, pero la eucromatina se vuelve más laxa. La transcripción del DNA a RNA ocurre solamente durante la interfase, cuando la eucromatina está laxa. Algunas regiones heterocromáticas son constantes de célula a célula y nunca se expresan. Este tipo de heterocromatina se denomina heterocromatina constitutiva. Un ejemplo es la cromatina altamente condensada, localizada en la región del centrómero del cromosoma. Esta región, que no codifica para proteínas, desempeña un papel estructural en el movimiento de los cromosomas durante la mitosis y la meiosis. Otras regiones de cromatina condensada, por el contrario, varían de un tipo de célula a otro dentro del mismo organismo, reflejando la biosíntesis de diferentes proteínas por diferentes tipos de células. Además, cuando las células se diferencian durante el desarrollo embrionario, la proporción de heterocromatina aumenta respecto de la de eucromatina a medida que la célula se vuelve más especializada.

Las secuencias no codificadoras que producen interrupciones dentro de un gen se conocen como secuencias interpuestas o intrones, y las secuencias codificadoras, aquellas que se expresan, son llamadas exones. La mayoría de los genes estructurales de los eucariotas multicelulares contienen intrones. Los intrones se transcriben a moléculas de RNA y se escinden antes de la traducción por un mecanismo específico. El número de intrones por gen varía considerablemente. También se han encontrado intrones en los genes que codifican RNA de transferencia y RNA ribosómicos, e incluso en ciertos virus.

Un gen es una secuencia de nucleótidos en la molécula de DNA que codifica para un producto o una función específica. En algunos casos se requiere una serie de genes para producir diferentes polipéptidos formando un complejo proteico como la hemoglobina. Una secuencia de nucleótidos que es similar a un gen funcional, pero que no se expresa se conoce como pseudogén. Un oncogén es una secuencia de nucleótidos que se asemeja mucho a ciertos genes normales (protooncogenes) de las células eucarióticas en las cuales se encuentran. De acuerdo con la hipótesis del oncogén, el cáncer es causado cuando algo funciona mal en la expresión de estos protooncogenes celulares normales, como resultado de mutaciones en los propios genes, cambios en la regulación génica, o ambos. Cuando el protooncogen está alterado en alguno de esos modos, se denomina oncogén.

2.¿En qué se asemejan los cromosomas de los procariotas y de los eucariotas? ¿En qué difieren?

El cromosoma eucariótico difiere en muchos aspectos del cromosoma de los procariotas. En términos de composición, ambos transportan la información genética en forma de DNA de doble cadena. Las moléculas asociadas con el DNA del cromosoma procariótico son pequeñas cantidades de proteínas y de RNA. En los eucariotas, están asociados con grandes cantidades de proteínas. La mayoría de estas proteínas son histonas, que son moléculas relativamente pequeñas, cargadas positivamente. DNA y proteínas constituyen la cromatina en los eucariotas.

La replicación del DNA en los organismos eucarióticos es similar que en los procariotas, con la diferencia de que cada cromosoma eucariótico tiene muchos orígenes de replicación.

Los eucariotas tienen mucho más DNA que los procariotas. La cantidad de DNA es constante en las células de una especie dada, pero no se correlaciona con el tamaño, complejidad o posición en la escala evolutiva del organismo. Las células eucarióticas parecen tener una gran cantidad de DNA "sin sentido".

En los eucariotas multicelulares complejos, la secuencia codificadora de la mayoría de los genes estructurales no es continua, sino que contiene intrones, también llamados secuencias interpuestas. Aunque los intrones se transcriben a RNA en el núcleo, no están presentes en el mRNA en el citoplasma y, así, no se traducen a proteínas.

La transcripción en los eucariotas difiere de la de los procariotas en varios aspectos. Están implicadas tres RNA polimerasas diferentes, en lugar de una como en los procariotas. Cada RNA polimerasa de los eucariotas tiene una función especializada en transcribir distintos tipos de genes. Además, se requieren factores generales de transcripción, que permiten la unión de las RNA polimerasas al promotor, así como una multiplicidad de proteínas regulatorias. Además, en los eucariotas los genes estructurales no están agrupados en operones como lo están frecuentemente en los procariotas; la transcripción de cada gen se regula por separado y cada gen produce un transcripto de RNA que contiene la información codificada de un solo producto.

3.Describa los tres tipos de DNA eucariótico observados en experimentos de hibridización. ¿Cuáles son algunas de las funciones que han sido identificadas para cada tipo?

Los estudios de hibridación y secuenciación han mostrado tres clases de DNA eucariótico. Las repeticiones múltiples de secuencias de nucleótidos cortas, dispuestas característicamente en tándem, se conocen como DNA de secuencia simple. La función puede ser estructural. El DNA de secuencia simple está asociado con la heterocromatina fuertemente condensada en la región del centrómero. Las repeticiones más largas, habitualmente dispersas en el cromosoma, se conocen como DNA de repetición intermedia. El DNA de repetición intermedia incluye múltiples copias de los genes que codifican para los rRNA, tRNA e histonas. La tercera clase, el DNA de copia única, constituye hasta el 70% del DNA cromosómico en los seres humanos y dentro de esta fracción se encuentra el DNA que codifica para la mayor parte de las proteínas.

4.¿Cuál podría ser la ventaja para un organismo de tener copias múltiples de genes para rRNA, tRNA e histonas?

Las múltiples copias de genes para rRNA, tRNA e histonas permite a la célula producir grandes cantidades de esas moléculas esenciales en forma rápida cuando son necesitados, por ejemplo, cuando la célula está en división, en crecimiento o en períodos de intensa síntesis de proteínas.

5.Aunque una célula humana contiene considerablemente menos de un millón de genes estructurales, un ser humano, es capaz de hacer al menos 100 millones de tipos diferentes de anticuerpos. ¿Cómo es posible esto?

La capacidad de los seres humanos de producir tan enorme número de anticuerpos diferentes es el resultado de un rearreglo en el genoma de genes estructurales. Las moléculas de anticuerpos están constituidas por dos cadenas polipeptídicas pesadas (largas) y dos cadenas livianas (cortas). Cada tipo de cadena tiene una región constante que es característica de la especie a la que pertenece el organismo y del tipo de anticuerpo y, además, cada una tiene regiones variables. Las regiones variables son responsables de la interacción altamente específica entre el antígeno y el anticuerpo. Estas regiones variables consisten en sólo unos 100 aminoácidos. El DNA para las regiones variables de la cadena pesada consiste, por lo menos, en 300 secuencias variables (V) diferentes, aproximadamente 20 secuencias de diversidad (D) y 6 secuencias de unión (J). Los distintos segmentos V, D y J pueden ensamblarse en muchos millones diferentes de formas, permitiendo sintetizar un número de anticuerpos diferentes mayor que el número de genes.

6.¿Cuál es la función del intrón en el ensamble de una molécula de mRNA que codifica para una cadena polipeptídica de molécula de anticuerpo?

Los segmentos de DNA que codifican la región variable de una molécula de anticuerpo sufren un reordenamiento. Esto se produce por el ensamble de una secuencia V, una D y una J, que son seleccionadas al azar, mientras que las secuencias interpuestas son eliminadas del cromosoma por deleción. Este ensamblaje al azar es una de las fuentes de diversidad de los anticuerpos. Este fenómeno, el reordenamiento de fragmentos génicos en células somáticas para producir genes funcionales, se denomina recombinación somática.

7.La mayoría de los bacteriófagos carecen de intrones, pero los hay en los virus con genoma de DNA de los eucariotas. Sin embargo, los virus con genoma de RNA de los eucariotas carecen de intrones. ¿Qué sugieren estos hallazgos acerca del origen de los virus?

Estos hallazgos sugieren que el DNA de los virus pudo haberse originado como fragmentos de DNA que comenzaron a separarse desde los cromosomas de los cuales ellos alguna vez formaron parte y se establecieron con una existencia semiautónoma. Los bacteriófagos, como el DNA bacteriano, carecen de intrones, pero los virus con genoma de DNA de los eucariotas, contienen intrones. Los virus con genoma de RNA carecen de intrones lo que sugiere que su origen puede venir de una molécula de RNA que, por alguna razón, pasó a tener una vida independiente.

8.¿Qué ocurriría en una célula si se inhibe el agregado del CAP a sus mRNA?

Si se inhibe el agregado de CAP, la unión de mRNA al ribosoma se ve afectada y la síntesis de proteína no puede proseguir. Por otra parte, el mRNA puede ser fácilmente degradado. En los procariotas, los ribosomas se unen a una molécula de mRNA en crecimiento y su traducción a proteína comienza aun antes de que se haya completado la transcripción. Sin embargo, en los eucariotas, la transcripción y la traducción están separadas en el tiempo y en el espacio. Después de que en el núcleo se ha completado la transcripción por la RNA polimerasa II, los transcriptos de mRNA (llamados transcriptos primarios) se modifican extensamente en ambos extremos antes de ser transportados al citoplasma, que es el sitio de la traducción. Aun antes de que se haya completado la transcripción, cuando la cadena de RNA recién formada tiene sólo aproximadamente 20 pares de bases de largo, un nucleótido modificado (CAP), la 7-metil guanina, se añade al extremo 5' del mensajero. Este “casquete” es necesario para la unión del mRNA al ribosoma y protege al mRNA de la degradación.

9.¿Cuál sería el mecanismo mediante el cual la expresión de un mismo gen en distintos tejidos da como resultado polipéptidos diferentes?

Existe un procesamiento importante que se realiza antes de que las moléculas de mRNA modificadas dejen el núcleo. Consiste en la escisión de los intrones y el empalme de los exones para formar una sola molécula continua. Este proceso es conocido como “splicing”. Los intrones son escindidos del transcripto primario por un sistema que reconoce específicamente secuencias cortas conservadas que se encuentran dentro del intrón, en los límites con los exones. Se han encontrado ahora varios casos en los cuales transcriptos idénticos del mismo gen se procesan en más de una forma. Este empalme alternativo puede resultar en la formación de más de un tipo de mRNA a partir de moléculas de RNA que originalmente eran idénticas, dando como resultado distintos polipéptidos funcionales. En estos casos, un exón puede ser removido junto con los intrones.

10.Describa la ruta intracelular que sigue una proteína de exportación desde que comienza su síntesis en una célula eucariótica.

Las proteínas destinadas al sistema de endomembranas (RE, Golgi, lisosomas), membrana plasmática, o que van a ser exportadas fuera de la célula son sintetizadas por ribosomas asociados al REG. Todas estas proteínas tienen una misma secuencia señal en su extremo amino terminal (péptido señal). Cuando se inicia la traducción de estas proteínas, el péptido señal, apenas sintetizado, es reconocido por un complejo llamado SRP (partícula de reconocimiento de señal). Este complejo está formado por un RNA asociado a proteínas. La unión del SRP al péptido naciente frena la síntesis de esa proteína y conduce al ribosoma hasta la membrana del REG, donde queda anclado hasta que finaliza la traducción. En ese punto, la síntesis se reinicia y la proteína es simultáneamente translocada al lumen del retículo endoplásmico. Una vez translocada, la proteína sufre varias modificaciones: el péptido señal es removido, la proteína es glucosilada –es decir, se le añade una corta cadena de hidratos de carbono– y se pliega tomando su conformación final. La proteína es luego transportada a través de vesículas al complejo de Golgi, donde se completa su glucosilación y es empaquetada en vesículas que la transportan, de acuerdo a otras señales en su secuencia, a su destino final: lisosomas, membrana plasmática, medio externo o sistema de endomembranas.

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