EL GENOMA HUMANO

EL GENOMA HUMANO: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS GENES Y LOS CROMOSOMAS

Francisco Álvarez-Nava. Unidad de Genética Médica. Universidad del Zulia. 1

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD DEL ZULIA

FACULTAD DE MEDICINA

UNIDAD DE GENÉTICA MÉDICA

CÁTEDRA DE GENÉTICA

DEPARTAMENTO DE PEDIATRÍA


INTRODUCCIÓN

Los avances técnicos y conceptuales en Genética han permitido la

identificación de un número muy extenso de genes implicados en

enfermedades humanas, así como un mejor conocimiento de su base

molecular. La identificación del genoma humano conllevó enormes avances, tanto tecnológicos como en conocimientos, que han permitido profundizar en la

investigación de las bases genéticas de la enfermedad, tanto desde el punto de

vista etiopatogénico y de comprensión de sus mecanismos de transmisión,

como por el desarrollo de métodos diagnósticos y nuevas opciones terapéuticas. Este origen genético, no sólo se ha reconocido de forma

progresiva en un mayor número de enfermedades pediátricas infantiles, sino

en múltiples enfermedades comunes del adulto. Actualmente, la enfermedad

genética es una parte fundamental de la Medicina con implicaciones, no sólo

diagnósticas y de tratamiento específico para el individuo afectado, sino para la familia, a la que debemos ofrecer estudio, asesoramiento y posibilidades de

diagnóstico prenatal. Esta revisión intenta actualizar los conceptos genéticos

que comprenden el dogma central de biología molecular: ADN, ARN y

proteínas, replicación del ADN incluyendo las ácidos nucleicos, estructura y organización de los genes, los fundamentos de la expresión génica

(transcripción) y la traducción y el código genético.



ÁCIDOS NUCLEICOS

De acuerdo a la composición química, los ácidos nucleicos se clasifican en ácidos desoxirribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el núcleo

celular y algunos organelos, y en ácidos ribonucleicos (ARN) que actúan en el

citoplasma. Se conoce con considerable detalle la estructura y función de los

dos tipos de ácidos nucleicos.

A las unidades químicas que se unen para formar los ácidos nucleicos se les

denominan nucleótidos y al polímero se le denomina polinucleótido o ácido

nucleico. Los nucleótidos están formados por a) una base nitrogenada; b) un grupo fosfato y; c) un azúcar; ribosa en caso de ARN y desoxirribosa en el

caso de ADN. Las bases nitrogenadas son las que contienen la información

genética y los azúcares y los fosfatos tienen una función estructural formando

el esqueleto del polinucleótido. Se diferencian dos variedades de bases nitrogenadas en el ADN, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A

(Adenina) y G (Guanina). Las pirimidinas son T (Timina) y C (Citosina). En

el caso del ARN también son cuatro bases, dos purinas y dos pirimidinas. Las

purinas son A y G y las pirimidinas son C y U (Uracilo).

EL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN)

El Ácido DesoxirriboNucleico (ADN) es el material genético de todos los

organismos celulares. El ADN lleva la información necesaria para dirigir la

síntesis de proteínas y la replicación. Se llama síntesis de proteínas a la producción de las proteínas que necesita la célula. La replicación es el conjunto

de reacciones por medio de las cuales el ADN se copia a sí mismo cada vez que

una célula se divide y transmite a la descendencia la información que contiene.

En casi todos los organismos celulares el ADN está organizado en forma de cromosomas, situados en el núcleo de la célula.

Cada molécula de ADN está constituida por dos cadenas o bandas formadas

por un elevado número de compuestos químicos llamados nucleótidos. Estas

cadenas forman una especie de escalera retorcida que se llama doble hélice.

Como se dijo con anterioridad, cada nucleótido está formado por tres

unidades: una molécula de azúcar llamada desoxirribosa, un grupo fosfato y

uno de cuatro posibles compuestos nitrogenados llamados bases nitrogenadas:

A, G, T y C. La molécula de desoxirribosa ocupa el centro del nucleótido y está

flanqueada por un grupo fosfato a un lado y una base al otro. El grupo fosfato

está a su vez unido a la desoxirribosa del nucleótido adyacente de la cadena.

Estas subunidades enlazadas desoxirribosa-fosfato forman los lados de la

escalera; las bases están enfrentadas por parejas, mirando hacia el interior, y



forman los travesaños unidos a través de puentes o enlaces de hidrógenos. Por

tal motivo, los nucleótidos de cada una de las dos cadenas que forman el ADN

establecen una asociación específica con los correspondientes de la otra

cadena. Debido a la afinidad química entre las bases, los nucleótidos que

contienen A se acoplan siempre con los que contienen T, y los que contienen C

con los que contienen G. Así mismo, las bases nitrogenadas complementarias

se unen entre sí por enlaces químicos débiles llamados enlaces de hidrógeno.

Como consecuencia de esta estructura, las dos cadenas polinucleotídicas

corren en direcciones opuestas y, por lo tanto, el conocimiento de la secuencia

de una cadena polinucleotídica automáticamente permite determinar la

secuencia de base de la otra cadena. La estructura bicatenaria de la molécula

de ADN le permite replicarse por separación de las dos cadenas, seguida por

síntesis de dos nuevas cadenas complementaria, de acuerdo con la secuencia

de la cadena modelo (templete) original. Asi mismo, cuando es necesario, la

complementariedad de las bases permite la reparación eficiente y correcta de

las moléculas dañadas de ADN.

TIPS PARA RECORDAR

El ADN está formado por dos cadenas muy largas de polinucleótidos unidas entre sí por puentes de hidrógeno específicos entre las bases de las dos cadenas.

La base de una cadena que se une por los puentes de hidrógeno con la base

de la otra cadena se dice que forman un par de bases. A se parea con T y G

con C.

Las dos cadenas se encuentran arregladas en una estructura helicoidal

alrededor de un eje común por lo que recibe el nombre de doble hélice.

Las bases se encuentran acomodadas hacia el eje de la doble hélice,

mientras que el azúcar y los fosfatos se encuentran orientados hacia el

exterior de la molécula.



Figura 1. Estructura de las Bases Nitrogenadas.

Figura 2. Estructura de un Nucleótido.



Figura 3. Unión Fosfodiester en los Ácidos Nucleicos.

Los nucleótidos se unen para formar el polinucleótido por uniones fosfodiester

entre el carbono 5' de un nucleótido y el carbono 3' del siguiente. Un

dinucleótido en el que se unieron un nucleótido con la base A con un nucleótido con la base G y el enlace fosfodiester se formó entre el carbono 3' del

nucleótido con base A y el 5' del nucleótido con base G, se representa

simplemente como AG. Si a este dinucleótido se le agrega otro nucleótido en el

carbono 3' y este nucleótido tiene una base T, el trinucleótido resultante se

representará por AGT. Ésta es la forma simplificada en que se acostumbra representar los polinucleótidos.

El tamaño de la molécula de ADN de doble hélice se expresa en miles de bases

o kb. La longitud de 1kb es entonces 0.34 micras. Una molécula de ADN de un

milímetro de longitud estará formada de 3 mil kb o sea tres millones de bases. ADN es un largo filamento de 20 Angstrom de diámetro cuya longitud depende

del número de kb.



Figura 4. Estructura de los Pares de Bases.

TIPS PARA RECORDAR

La estructura anatómica del ADN porta la información química que permite la exacta transmisión de la información genética desde una célula madre a

sus células y desde una generación a la próxima (Replicación del ADN).

La estructura primaria del ADN determina la secuencia aminoacídica de las

cadenas polipetídicas de las proteínas (Síntesis de Proteína).

El conocimiento de la secuencia de una cadena permite determinar la

secuencia polinucleotídica de la otra cadena

La complementariedad de bases nitrogenadas del ADN permite la reparación exacta, eficiente y correcta del ADN (Reparación del ADN).



En los cromosomas estas moléculas se arreglan en estructuras más compactas en las que la doble hélice se enrolla sobre sí misma. En el caso de las

bacterias, la molécula de ADN de más de un milímetro de longitud se arregla

dentro de la bacteria que sólo tiene una longitud de una micra (o sea es una

longitud mil veces menor).

Figura 5. Estructura de la Doble Hélice

Clases de ADN

Mientras que el mayor énfasis de la genética se da al ADN que codifica

proteínas, es importante anotar que menos del 5% de los 3 billones de pares de nucleótidos que posee el genoma humano realiza esta función. Se

desconoce, por lo tanto, la función del 95% restante del ADN. Como se

expresó con anterioridad, el ADN es el constituyente básico de la cromatina

(cromosoma) nuclear en las células eucarióticas, pero también existe en pequeña cantidad en las mitocondrias.



Para un mejor entendimiento de la naturaleza del ADN, es mejor clasificarlo brevemente en los diferentes tipos existentes:

1. -ADN de copia única comprende aproximadamente el 45% del total de ADN del genoma humano. Es la primera y más importante clase de ADN. Como

su nombre lo indica, son secuencias de ADN de una sola copia que son vistos

una sola vez en el genoma (o posiblemente muy pocas veces) y está formado

por segmentos de aproximadamente 1.000 pares de nucleótidos de longitud. Una pequeña parte del ADN de copia única incluye los genes que codifican

proteínas. De esta pequeña porción representada por los genes, solamente una

ínfima porción está conformada por las secuencias de ADN que codifican

proteínas (los exones), ya que la mayor parte de los genes está conformada

por los intrones. El resto del ADN de copia única lo forman las secuencias de ADN que se intercala entre los genes.

2. -ADN repetitivo (55%) son secuencias que se repiten una y otra vez en el

genoma, a menudo miles de veces. Se clasifican en ADN satélite o ADN

altamente repetitivo y en ADN repetitivo disperso.

a. ADN satélite o altamente repetitivo representa el 10% del genoma. Son

unidades cortas de pares de nucleótidos que se repiten en el genoma.

Las repeticiones satélites están agrupadas en ciertas localizaciones cromosómicas, donde se encuentran dispuestas en tándem, es decir, el

comienzo de una repetición ocurre inmediatamente después del final de

la otra.

El término satélite se deriva del hecho que estas secuencias, debido a su

composición, pueden ser fácilmente separadas por centrifugación. El ADN

aparece como un “satélite” separado del otro ADN en el gradiente. Este

término no debe ser confundido con los “satélites” que pueden ser observados microscópicamente sobre ciertos cromosomas. El ADN

satélite puede ser subdividido en varias categorías:

ADN α-satélite el cual ocurre en repeticiones en tándem de secuencia de 171 pares de bases (pb) y pueden extenderse a

varios millones de pb o más. Este tipo de ADN satélite se encuentra

cerca de los centrómeros de los cromosomas.

Minisatélites son bloques de repeticiones en tándem (cada una de 14 a 500 pb) cuya longitud total es mucho menor, usualmente

pocos cientos de pb.

Microsatélites son unidades de repetición de 1 a 13 pb, y la

longitud total del arreglo es usualmente menor a la de cientos de pb.

b. ADN repetitivo disperso como su nombre lo indica son repeticiones

dispersas a través de todo el genoma representando el 45% del mismo.



Estas repeticiones no ocurren en tándem. Estas repeticiones se pueden subclasificar en varios tipos. Las dos categorías más comunes son los

elementos cortos interpuestos (SINEs: short interspersed elements) y

elementos largos interpuestos (LINEs: long interspersed elements). Los

SINEs varían en tamaño de 90 a 500 pb, mientras que los LINEs pueden

llegar a medir 7.000 pb. Uno de los tipos más importantes de SINEs son las llamadas “repeticiones Alu”. Estas repeticiones de aproximadamente

300 pb deben su nombre porque son secuencias que pueden ser

cortadas por la enzima de restricción Alu. Estas repeticiones se agrupan

en familias de genes, lo que significa que todos tienen una secuencia de ADN muy similar. Cerca de 1 millón de repeticiones Alu están dispersas

en todo el genoma y constituyen cerca del 10% de todo el ADN humano.

Una característica llamativa de las repeticiones Alu y de algunas

secuencias LINEs, es que algunas de ellas pueden generar copias de sí mismas, que luego pueden ser insertadas en otras partes del genoma.

Estas inserciones pueden algunas veces interrumpir un gen que codifica

proteína, causando enfermedades genéticas.

TIPS PARA RECORDAR

Menos del 5% de los 3 billones de pares de nucleótidos del ADN que posee el genoma humano codifica para una proteína por lo que para un mejor entendimiento de la naturaleza del ADN, es mejor clasificarlo brevemente

en los diferentes tipos existentes

ADN de copia única (45%). Son secuencias de ADN son vistos una sola

vez en el genoma. Una pequeña parte del ADN de copia única incluye los

genes que codifican proteínas

ADN Repetitivo son secuencias que se repiten una y otra vez en el

genoma, a menudo miles de veces. Se clasifican en ADN satélite (ADN

altamente repetitivo) y en ADN repetitivo disperso.

El ADN satélite (10%) son unidades cortas de pares de nucleótidos que se

repiten en el genoma. Se clasifica en ADN α-satélite, mini-satélites y microsatélites. El ADN repetitivo disperso (45%) son repeticiones

dispersas a través de todo el genoma que no ocurren en tándem. Se

subclasifica SINEs y LINEs.



REPLICACIÓN DEL ADN

La estructura de la doble hélice para el ADN fue originalmente propuesta por

Watson y Crick en 1953, postulando que la secuencia en la cual se

encuentran las bases a lo largo de la molécula de ADN es lo que contiene la información genética. No existe ningún impedimento estérico

que limite la secuencia de bases, cualquier base puede seguir a cualquier otra.

Con estas bases, Watson y Crick propusieron el mecanismo de duplicación del

ADN por medio del cual, las dos células hijas provenientes de una división celular contienen copias idénticas del ADN presente en la célula que se dividió.

A la duplicación del ADN se le conoce con el nombre de replicación.

Por lo tanto, la replicación del ADN es la capacidad que tiene el ADN de hacer

copias o réplicas de su molécula. Este proceso es fundamental para la

transferencia de la información genética de generación en generación. El modelo de replicación del ADN se dice que es semi-conservado, porque la

mitad del ADN de un cromosoma, una cadena completa, proviene de la célula

materna y la otra mitad, la otra cadena, se sintetiza durante el proceso de

replicación. Es decir, la doble hélice se separa y cada una de las cadenas sirve de molde para la síntesis una nueva cadena complementaria. El resultado final

son dos moléculas idénticas a la original.

En casi todos los organismos celulares, la replicación de las moléculas de ADN

tiene lugar en el núcleo, justo antes de la división celular. Empieza con la

separación de los enlaces de hidrógenos que unen a las dos cadenas de polinucleótidos, cada una de las cuales actúa a continuación como plantilla

para el montaje de una nueva cadena complementaria ya que quedan

moléculas monocatenarias con bases desapareadas. La clave para la

replicación del ADN es el apareamiento de adenina con timina y citosina con guanina, conocido como complementariedad de las bases. El principio de

complementariedad de las bases dicta que las bases desapareadas atraerán a

nucleótidos libres si el nucleótido tiene la complementariedad apropiada. A

medida que la cadena original se abre, cada uno de los nucleótidos de las dos cadenas resultantes atrae a otro nucleótido complementario previamente

formado por la célula. Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces de

hidrógeno para formar los travesaños de una nueva molécula de ADN. A

medida que los nucleótidos complementarios van encajando en su lugar, una



enzima llamada ADN polimerasa los une enlazando el grupo fosfato de uno con la molécula de azúcar del siguiente, para así construir la hebra lateral de la

nueva molécula de ADN. La ADN polimerasa no formará la unión fosfodiester, a

menos que la base que está entrando a la molécula, sea complementaria a la

base existente en la cadena patrón. Es decir, la ADN polimerasa viaja a lo largo

de la molecula monocatenaria de ADN que está sirviendo de plantilla y va añadiendo nucleótidos libres al extremo 3´de la nueva cadena. Los nucleótidos

solo pueden ser añadidos en el extremo 3ýa que la dirección a la que viaja la

ADN polimerasa (dirección de la replicación) es 5á 3´. Cuando se refiere a la

orientación de la secuencia a lo largo del gen, la dirección 5´se llama “cascada arriba” (“upstream”) y la dirección 3´se llama “cascada abajo”

(“downstream”). A medida que la ADN polimerasa va añadiendo nucleótidos

libres hace una lectura y revisión de su trabajo, ya que chequea que el

nucleótido añadido es el correcto. Si este no es el adecuado, entonces escinde el nucleótido errado y lo reemplaza por uno que cumpla el principio de

complementariedad de las bases. Este proceso continúa hasta que se ha

formado una nueva cadena de polinucleótidos a lo largo de la antigua; se

reconstruye así una nueva molécula con estructura de doble hélice. Cuando ocurre un error en la replicación y este error no es exitosamente reparado se

produce una mutación. La frecuencia con la que se inserta una base

equivocada es menor a 1 en 100 millones.

Si se substituye una base púrica por otra, o una pirimidínica por otra, al

cambio se le llama transición; pero si se substituye una base púrica por una pirimidínica al cambio se le llama transversión. Por otra parte, si se agrega o

elimina una base entonces se produce lo que se llama un cambio del marco

de lectura. En este último caso, se lee en forma errónea todo el mensaje que

codificado en la secuencia de ADN ya que esta se hace de tres en tres. En algunas ocasiones, cuando se modifica una de las bases y la ADN polimerasa

no la identifica, entonces introduce una A y el cambio final será la introducción

de una T en la cadena patrón. La célula tiene mecanismos para eliminar los

errores o cambios que ocurren en el ADN, bien sea durante la síntesis o

cuando ya está formado. Si la célula no repara los cambios y entra en el proceso de duplicación con el ADN modificado, el cambio se fija y se vuelve

permanente. El gen modificado puede ahora codificar una proteína diferente, y

si este es el caso, se dice que tuvo lugar una mutación. En la Tabla 2 se

presenta el efecto de los cambios en el ADN sobre la estructura primaria del polipéptido que codifica.



Tabla 1. Tipos de Mutaciones en un gen o secuencia de ADN

Tipo de mutación Secuencia del ADN Secuencia del polipéptido Cadena

superior

Ninguna AAT CGG GAG

TTA GCC CTC

Asn Arg Val

Transversión

(GC:TA)

AAT CCG TAG

TTA GCC ATC

Asn Arg (fin)

Transición GC:AT AAT ACC AAG

TTA GCC TTC

Asn Arg Lis

Inserción, cambio de marco

Produce la sig. secuencia

AXA TCG GGA

T T AGC CCT

ATA TCG CCT TAT AGC CCT

Ileu Ser Gli

La tasa de replicación del ADN humano es de aproximadamente 40 a 50

nucleótido por segundo, lo cual es comparativamente baja con respecto a la de

algunas bacterias cuya tasa de replicación alcanza a 500 a 1.000 nucleótidos por segundos. Dado que algunos cromosomas humanos tienen más de 250

millones de nucleótidos, la replicación de ese cromosoma tardaría mucho (casi

dos meses). Para evitar este largo proceso, al replicación en humano comienza

en diferentes puntos a lo largo del cromosoma, llamados orígenes de

replicación. Las múltiples separaciones resultantes de la cadena de ADN son llamadas burbujas de replicación.

Existen varias substancias que incrementan significativamente la frecuencia

con la que ocurren cambios en las bases que se introducen en el ADN que se está sintetizando y se les denomina mutágenos. La mayoría de los

cancerígenos son mutágenos.



Tabla2 Mutágenos y su Efecto sobre el ADN.

Mutágeno Mecanismo Resultado en el

ADN

Agentes alquilantes

(nitrosourea, nitrosoguanidina)

Se une covalentemente y

forma sitios apurínicos

Transición y

transversión

Agentes desaminantes

(ácido nitroso)

Adenina-hipoxantina

y citosina-uracilo

Transición

Base análoga (2-aminopurina)

Substitución durante la replicación del ADN

Transición

Agente intercalante

(antridinas, antraciclinas)

Inserción o eliminación de

pares de bases

Cambio del marco

de lectura

Fraccionadores de las cadenas (radiaciones ionizantes)

Translocación cromosómica Cambio de una o más bases

Si la substitución, inserción o eliminación de una base tuvo lugar en alguna

parte del ADN que codifica una proteína, entonces puede cambiar un codón y dar lugar a una modificación que produzca la introducción de un aminoácido

diferente o se codifique por terminación de la cadena peptídica.

Las mutaciones se clasifican de acuerdo al efecto que tienen sobre el producto

del gene modificado. Se dice que la mutación es: 1) sin sentido, si el

producto es inactivo o incompleto, 2) de pérdida del sentido, si el producto es defectuoso y 3) silenciosa, si no se altera ni la función ni la cantidad del

producto activo.



DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR:

ADN-ARN-PROTEINAS

Como se dijo con anterioridad, la información genética está contenida en el ADN el cual se encuentra super-enrollado en los cromosomas los cuales se

encuentran dentro del núcleo celular, pero la síntesis de proteína, durante la

cual se utiliza la información codificada en el ADN, toma lugar en el citoplasma.

Esta compartimentalización refleja el hecho que la especie humana es un organismo eucariota. Dicho en otras palabras, las células humanas tienen un

verdadero núcleo que contiene ADN, el cual es separado por una membrana

nuclear del citoplasma. De esta manera, el núcleo dirige las actividades de la

célula y en él tienen lugar procesos tan importantes como la autoduplicación o

replicación del ADN, antes de comenzar la división celular, y la trascripción o producción de los distintos tipos de ARN, que servirán para la síntesis de

proteínas. Debido a esta compartimentalización de las células eucariotas, la

transferencia de información desde el núcleo al citoplasma es un proceso muy

complejo. Por lo tanto, la función principal del ADN es mantener a través de un sistema de claves (código genético) la información necesaria para que las

células hijas sean idénticas a las progenitoras (información genética). Este

proceso se almacena en la secuencia de las bases, que tiene una disposición

que es copiada al ARNm en un proceso que se conoce como traducción para que en el ribosoma sintetice determinada proteína. Este proceso es también

denominado "DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR".

EL ÁCIDO RIBONUCLEICO

El enlace molecular entre estos dos tipos de información (el código de ADN de

los genes y el código de aminoácidos de las proteínas) es el Ácido RiboNucleico (ARN). La estructura química del ARN es similar al del ADN

excepto que cada nucleótido de ARN tiene como azúcar a la ribosa en lugar de

desoxirribosa; además, el uracilo reemplaza a la timina.

El ARN es un filamento de una sola cadena que no forma doble hélice. La

presencia de un oxígeno en la posición 2' de la ribosa impide que se forme la doble cadena de la manera en que se forma en el ADN. El filamento de ARN se

puede enrollar sobre sí mismo mediante la formación de pares de bases en

algunas secciones de la molécula.



En líneas generales, la información genética es almacenada en el ADN por medio de un código (código genético) en el cual la secuencia de las bases

adyacentes determina la secuencia de aminoácidos en el polipéptido

codificado. Primero, el ARN es sintetizado desde el ADN templete, a través de

un proceso conocido como transcripción. El ARN que tiene la información

codificada es llamado ARN mensajero (ARNm) y es luego transportado desde el núcleo al citoplasma, donde la secuencia de ARN es decodificada, o

traducida, para determinar la secuencia de aminoácido en la proteína que está

siendo sintetizada. El proceso de traducción ocurre en los ribosomas, los

cuales son organelos citoplasmáticos con sitios de unión para todas las moléculas interactuantes, incluyendo el ARNm, involucrado en la síntesis de

proteína. Los ribosomas están formado de diferentes proteínas estructurales en

asociación con un tipo especializado de ARN conocido como ARN ribosómico

(ARNr). La traducción involucra un tercer tipo de ARN, el ARN de transferencia (ARNt), el cual proporciona el enlace molecular entre la secuencia de bases

nitrogenadas codificada del ARN y la secuencia aminoacídica de la proteína.

TIPS PARA RECORDAR

Existen varios tipos de ARN cada uno con función distinta.

Los que forman parte de las subunidades de los ribosomas se les denomina

ARN ribosómico (ARNr).

Los ARN que tienen la función de transportar los aminoácidos activados, desde el citoplasma hasta el lugar de síntesis de proteínas en los

ribosomas; se les conoce por ARN de transferencia (ARNt).

Los ARN que son portadores de la información genética y la transportan del

genoma (molécula de ADN en el cromosoma) a los ribosomas (citoplasma)

son llamados ARN mensajero (ARNm).



ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN DE LOS GENES

El Proyecto Genoma Humano es una iniciativa internacional que se inició en 1990, para dar a conocer las instrucciones precisas de carácter químico que

van a definir a los organismos vivos: el genoma completo. El término Genoma

es el nombre colectivo que se emplea para agrupar las diferentes moléculas de

ADN que se encuentran en una célula.

En el organismo humano existen 25 moléculas diferentes de ADN:

a) - 24 de ellas constituyen el ADN presente en los núcleos de la células, y están contenidas en las 22 unidades de cada pareja de cromosomas, más el

cromosoma X y el cromosoma Y; su conjunto se denomina genoma nuclear;

b) - la molécula de ADN especial que se encuentra en las mitocondrias.

En su forma más simple, un gen es una secuencia lineal organizada de

nucleótidos en la molécula de ADN, que contiene la información necesaria para

la síntesis de una macromolécula con función celular específica, normalmente

proteínas, pero también ARNm, ARNr y ARNt. Es decir, un gen es una sección

de la cadena de ADN que lleva las instrucciones de una función específica.

El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información

genética y unidad de herencia al transmitir esa información a la descendencia.

Los genes se ubican dentro del cromosoma ocupando una posición

determinada llamada locus. Se denomina genoma al conjunto de genes de una especie, y por tanto, al total de cromosomas donde residen esos genes

El número total de genes en el genoma humano, según los más recientes

cálculos y previsiones, está entre 30.000 y 50.000. De ellos 37 son

mitocondriales y todo el resto son nucleares. Estas estimaciones están muy por

debajo de los 50.000 a 100.000 genes que se previeron hace unos años; sin embargo, no hay todavía certeza sobre el número exacto de genes.

El tamaño total del genoma humano es de una 3.200 Mb de ADN que se

distribuyen entre los cromosomas de manera irregular, desde las 270 Mb que

contiene el cromosoma 1 hasta las 45 Mb del cromosoma más pequeño, el 21.

Los genes humanos no se distribuyen de modo igual por los cromosomas, lo que hace que su densidad (número de genes por unidad de ADN) varían



sustancialmente de un cromosoma a otro y, dentro de un cromosoma, de una porción a otra. El tamaño de los genes humano es muy diferente; y puede

variar desde menos de 1 kb (el gen del interferón a hasta el gen de la

distrofina que tiene cerca de 2.500 kb). La mayoría del ADN con capacidad

codificadora se utiliza para fabricar ARN mensajero (ARNm) y, a partir de él,

para elaborar los polipéptidos formados gracias al ensamblaje de aminoácidos. Pero un 10% de los genes humanos codifican ARN que después no va a regular

la formación de polipéptidos (ARNr y ARNt).

Figura 6. Diagrama esquemático de un gen corto.

En la figura se aprecia dentro de la estructura en doble hélice del ADN que al comprimirse va formando un cromosoma (derecha). Se trata de un gen eucariota (el procariota carece de intrones).

Además, no toda la cadena del ADN de un gen tiene capacidad para codificar sus productos, ya que es interrumpida por una o más regiones no-codificantes

llamadas intrones. Estos intrones son inicialmente transcriptos en el ARN del

núcleo pero no están presentes en el ARN maduro que se encuentra en el citoplasma. De esta manera, la información de una secuencia intrónica del gen

(ADN) no está normalmente representada en el producto final proteíco. En la

gran mayoría de los genes humanos que codifican polipéptidos, la información

genética viene en segmentos de ADN que son codificadores y se denominan exones. Estos exones están alternados o separados por los intrones. Pocos

genes humanos no contienen intrones y sorpresivamente, en muchos genes la



longitud acumulativa de la secuencias intrónicas es mayor que la longitud de

todos los exones.

Características Estructurales de un Gen Humano

Hemos definido gen como una secuencia del ADN cromosómico que es

requerida para la producción de una molécula funcional, ya sea una

proteína o una molécula de ARN funcional. Desde el punto de vista estructural

un gen incluye no solamente de la secuencia codificante requerida para la producto de la molécula funcional sino también de todas las secuencias

nucleotídicas requeridas para la expresión apropiada del gen, es decir, para la

producción adecuada de una molécula normal ARNm, en la cantidad correcta,

en el lugar correcto y en el momento correcto durante el desarrollo o durante el ciclo celular (regulación espacio-temporal de la expresión génica).

Figura 7. Localización de un gen o secuencia de ADN

Las secuencias nucleotídicas adyacentes proporcionan las señales moleculares

del “inicio” o “comienzo” y de la “terminación” para la síntesis de un ARNm

transcripto desde el gen. En el extremo 5´ del gen descansa una región

http://www.ferato.com/wiki/index.php/Imagen:20080515_mgb_Gen_.jpg



promotora, la cual incluye la secuencia responsable de la iniciación apropiada de la transcripción. Dentro de la región 5´ hay varios elementos de ADN cuya

secuencia es conservada durante el proceso evolutivo de las especies. Esta

conservación, junto con los estudios funcionales de expresión génica en

muchos laboratorios de biología molecular, indica que estas secuencias

particulares juegan un papel importante en la regulación de la expresión génica. También, hay varios tipos diferentes de promotores encontrado en el

genoma humano, con diferentes propiedades regulatorias que determina los

patrones de desarrollo, así como los niveles de expresión de un gen particular

en diferentes tejidos. Tanto los promotores como otros elementos regulatorios, incluyendo los amplificadores (enhancers), los silenciadores (silencers) y

regiones que controlan al locus (locus control region) se describirán mejor en

la sección Regulación de la Expresión Génica (páginas 20 y 21).

Figura 8. Representación Esquemática de un Gen Humano Típico

En el extremo 3´del gen descansa una región no-traducida que contiene una

señal para la adición de una secuencia de residuo de adenosina (llamado tallo

de poli-A) al extremo final del ARNm maduro.



FUNDAMENTOS DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

TRANSCRIPCIÓN

La transcripción es el proceso por el cual se forma una secuencia de ARN a partir de una secuencia templete de ADN. El tipo de ARN producido por el proceso de transcripción es el llamado ARN mensajero (ARNm). Para dar inicio

a la transcripción del ARNm una de las dos tipos de enzima ARN polimerasa, la

ARN polimerasa tipo II, se une a un sitio promotor del ADN. Luego, la ARN

polimerasa separa a las dos cadenas de ADN. Una de las dos cadenas de ADN

proporciona el templete para la secuencia de los nucleótidos de ARN. Aunque en principio las dos cadenas de ADN pueden servir como templete para la

síntesis de ARNm, solamente se escoge a una en una región dada del

cromosoma. Esta escogencia viene dada por la secuencia del promotor, la cual

orienta la ARN polimerasa en una dirección especifica a lo largo de la secuencia de ADN. Debido a que la molécula del ARNm solamente puede ser sintetizada

en dirección 5á 3´, el promotor al especificar la direccionalidad, determina

cuál cadena de ADN servirá como templete. Este templete de ADN es conocido

como la cadena antisentido. La ARN polimerasa se mueves en dirección 3á 5á lo largo de la cadena de ADN, ensamblando la cadena de ARNm desde 5á

3´. Debido al apareamiento de bases complementarias, la secuencia

nucleotídica del ARNm es idéntica a la cadena de ADN que no sirve como

templete –cadena con sentido- excepto, claro está, la sustitución de uracilo

por timina.

Tan pronto como comienza la síntesis de ARN, el extremo 5´de la molécula de ARN en crecimiento es modificada (“capped”) por la adición de un nucleótido

de guanina químicamente modificada. Este cap 5´ (gorra o capuchón 5´)

parece ayudar a prevenir la degradación de la molécula de ARN, y luego ayuda

a indicar la posición del comienzo para la traducción de la molécula de ARNm en proteína. La transcripción continúa hasta que se alcance un grupo de bases

llamada secuencia de terminación. Cerca de este punto, se añade una serie

de 100 a 200 bases de adenina al extremo 3´de la molecula de ARN. Esta

estructura, el tallo poli-A, puede estar involucrada en la estabilización de la molécula de ARNm de tal manera que no sea degrada cuando alcance el

citoplasma. La localización del punto del tallo de poli-A es determinado en

parte por la secuencia AAUAAA (o variante de ésta), usualmente encontrada en

el extremo 3ńo-traducido. La ARN polimerasa usualmente continua

transcribiendo el ADN de varios miles de bases adicionales, pero las bases de ARN que se unen después del tallo de poli-A eventualmente se remueven.

Finalmente, las cadenas de ADN y la ARN polimerasa se separan de la cadena

de ARN lo que deja una molécula monocatenaria de ARN llamado transcripto

primario. Estas modificaciones pos-transcripcionales toman lugar en el núcleo



a medida que se realiza el proceso de empalme de ARN. En el caso de los genes que contienen múltiples exones, este transcripto primario contiene las

secuencias complementarias, tanto de los exones como de los intrones del

gen. Posteriormente, el transcripto primario de ARN sufre un proceso de corte

y empalme (splicing) del ARN que son una serie de reacciones por las que los

segmentos de ARN intrónico son seccionados y eliminados, y los segmentos de ARN exónico se van juntando uniéndose un cabo a otro (empalme), dando

origen a un segundo transcripto de ARN que es más corto. El ARN

completamente procesado, conocido ahora como ARNm, es luego transportado

al citoplasma, donde toma lugar la traducción. Algunos genes tienen contienen sitios alternativos de empalme, lo cual permite al mismo transcripto

primario ser empalmado en diferentes formas, produciendo diferentes

proteínas a partir del mismo gen.

Para algunos genes en la especie humana, tal es el caso del gen de la

distrofina, proteína alterada en la distrofia muscular de Duchenne-Becker,

existen varios diferentes promotores y se localizan en diferentes partes del gen. De esta manera, la transcripción del gen puede comenzar en diferentes

lugares, resultando en la producción de diferentes proteínas en cuanto a

tamaño y función. Esto permite que la misma secuencia génica codifique para

diferentes productos polipeptídicos en diferentes tejidos (p. ej., tejido muscular

versus tejido cerebral).

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

Algunos genes –casi una pequeña cantidad- se transcriben en todas las

células. Estos genes son llamados genes de mantenimiento o housekeeping

codifican proteínas que son requeridas para el mantenimiento y metabolismo

de la célula. Los promotores de muchos genes housekeeping a menudo

contienen una alta proporción de citosina y guanina en relación al ADN que los rodean. Tales promotores ricos en CG a menudo se localizan en regiones del

genoma llamadas islas CG o CpG, llamadas así por la inusual alta

concentración del dinucleótido 5´-CG-3´. Algunas de estas secuencias ricas en

CpG encontradas en los elementos promotores sirven de sitios de unión para

factores de transcripción específicos.



Sin embargo, la mayoría de los genes son transcriptos solamente en tejidos específicos y en puntos específicos del tiempo. Por lo tanto, hay una fina y

delicada regulación temporo-espacial de la expresión génica. Esta especificidad

explica porque hay una gran variedad de diferentes tipos celulares que

producen diferentes tipos proteínas a pesar que todas las células, salvo

excepciones, tienen la misma secuencia de ADN.

Figura 9. Proceso de corte y empalme (splicing) de ARN

En la figura se desarrolla la evolución del transcripto final maduro de ARN. El gen (en azul) contiene 3 exones (codificadores) y

2 intrones (no codificadores). El transcripto primario de ARN (en rojo) posee todas las secuencias complementarias.

Posteriormente, se cortan y eliminan las secuencias intrónicas (GU....AG) y se empalman las exónicas (E1, E2, E3) para

originar el ARN maduro. (Figura tomada de: Stracham T, Read AP. Human Molecular Genetics, 3ª ed., New York, Garland

Publishing 2004).



Diversas proteínas participan en el proceso de la transcripción. Algunas de estas proteínas son requeridas para la transcripción de genes estructurales.

Son los llamados factores de transcripción general. Pero existen otros que

tienen papeles más especializados, activando ciertos genes en ciertos estadios

del desarrollo. Estos últimos son conocidos como factores de transcripción

específicos. Un elemento transcripcional clave es la ARN polimerasa tipo II. Aunque esta enzima juega un papel vital en la iniciación de la transcripción

al unirse con la región promotora del gen, no puede localizar la región

promotora por sus propios medios. Además, es incapaz de producir cantidades

significativas de ARNm por sí misma. Una transcripción efectiva requiere las interacciones de un gran complejo formado por aproximadamente más de 50

diferentes tipos de proteínas. Estas incluyen factores de transcripción general

(o basales), los cuales se unen a la ARN polimerasa II y a secuencias

especificas de ADN en la región promotora (por ejemplo la secuencia TATA y otras necesarias para la iniciación de la transcripción). Los factores de

transcripción general permite a la ARN polimerasa II unirse a la región

promotora de tal manera que la transcripción pueda desarrollarse

efectivamente.

La actividad transcripcional (la expresión génica) de ciertos genes puede ser

incrementada por la interacción con secuencia llamadas amplificadores

(enhancers), los cuales pueden estar localizados cascada arriba o cascada

abajo del gen. Los amplificadores o enhancers no interactúan directamente con el gen. En su lugar, ellos se unen a una clase de factores de transcripción

específicos, llamados activadores. Los

activadores se unen a una segunda clase

de factores de transcripción específicos llamados co-activadores, los cuales a su

vez se unen a otros factores de

transcripción. Esta cadena de

interacciones, del amplificador al activador de este al co-activador, y de este último a

los factores de transcripción general y

finalmente al gen, incrementa la

transcripción de genes específicos en

sitios específicos en el momento apropiado. Mientras que los enhancers

ayudan a incrementar la actividad

transcripcional, otras secuencias de ADN, conocidos como silenciadores, ayuda

a reprimir la transcripción de genes a través de una serie de interacciones.



Por otra parte, los factores de transcripción localizan secuencias específicas del ADN a través de los motivos de unión al ADN (DNA-binding motifs) que son

configuraciones en secuencias de las proteínas-factores de transcripción que

permiten unirse y estabilizar una pequeña y específica porción del ADN de

doble hélice. Un ejemplo muy particular de motivos de unión al ADN son las

clases de proteínas del grupo de alta movilidad (High-Mobility Group: HMG) las cuales son capaces de doblar el ADN y pueden facilitar interacciones entre

enhancers de localizaciones físicamente muy distantes con factores basales de

transcripción apropiados y promotores.

La expresión génica o actividad transcripcional del gen también puede estar relacionado a los patrones de enrollamiento o condensación del material

genético. Cuando se habla de cromatina se refiere a la combinación de ADN,

pequeñas cantidades de ARN y ciertas proteínas que permiten la condensación

del material genético, llamadas histonas. Cuando la cromatina está altamente

condensadas las histonas son acetiladas (que es la unión de un grupo acetilo al aminoácido lisina de la histona) y no permite el acceso de la maquinaria de

transcripción por lo que estas regiones, llamadas heterocromatina, son

transcripcionalmente inactivas y de difícil replicación. En contraste hay

regiones del genoma que se encuentran más descondensadas (menos acetiladas) o “abiertas” o “accesibles” a la maquinaria transcripcional. En estas

regiones se encuentran los genes que codifican proteínas y son llamadas

eucromatina.

TRADUCCIÓN Y EL CÓDIGO GENÉTICO

La traducción es el proceso en el cual el ARNm proporciona un templete para la síntesis de un polipéptido. Sin embargo, el ARNm no puede unirse

directamente a los aminoácidos. En el citoplasma, el ARNm es traducido a

proteína por la acción de una variedad de moléculas de ARNt, cada una de las cuales determina un aminoácido en particular. El ARNt es una cadena de ARN

en forma de trébol de aproximadamente 80 nucleótidos (entre 70 a 100

nucleótidos) y tienen el trabajo de transferir el aminoácido correcto a su

posición correcta a lo largo del templete de ARNm, para ser añadido a la

cadena polipeptídica en crecimiento. La síntesis de proteína ocurre sobre los ribosomas, complejos macromoleculares compuestos de ARNr (codificados por

los genes ARNr 18S y 28S) y varias docenas de proteínas ribosómicas. La

función del ARNr es ayudar a la unión del ARNm y ARNt al ribosoma.



El lenguaje utilizado para describir el proceso de dirección de la síntesis de proteínas por los genes del cromosoma refleja la interpretación de que se trata

de un flujo de información. El mensaje que está contenido en el genoma se

encuentra escrito en un lenguaje de 4 letras (las cuatro bases), el cual se

transcribe usando el mismo lenguaje, al sintetizar el ARNm. La síntesis de

proteínas se le denomina traducción porque ahora se pasa del lenguaje de 4 letras a otro con 20 letras (los 20 aminoácidos). Para pasar de un lenguaje a

otro se necesita un código para hacer la traducción y se le denomina código

genético.

Existen equivalencias entre los dos lenguajes que se aprecian en la Tabla 3.

Tres bases contiguas (triplete) codifican un aminoácido, así como también

para la puntuación del mensaje. Se ha determinado qué triplete codifica cada aminoácido y qué triplete indica el inicio y la terminación del mensaje. Al

triplete se le ha dado el nombre de codón. Se encontró que algunos

aminoácidos podían ser codificados por más de un codón, o sea hay codones

que son sinónimos. Por esta razón se dijo que el código genético es

degenerado.

Una característica significativa del código genético es que es universal: virtualmente todos los organismos vivos usan el mismo código de ADN para

determinar los aminoácidos. Una excepción conocida a esta regla ocurre en las

mitocondrias. Las mitocondrias tienen sus propias moléculas de ADN

extranuclear. Varios codones de ADN mitocondrial codifican diferentes

aminoácidos al mismo codón del ADN nuclear.

La traducción de un ARNm procesado se inicia siempre en un codón que determina la metionina. La metionina es por lo tanto, el primer aminoácido

codificado (extremo amino-terminal) de cada cadena polipeptídica, el cual

usualmente es removido antes que la síntesis de proteína se complete. El

codón para metionina (codón iniciador, AUG) establece el marco de lectura del ARNm, cada codón posterior se lee otra vez para predecir la secuencia

aminoacídica de la proteína.

La unión molecular entre los codones y los aminoácidos son las moléculas

específicas de ARNt. Cada molécula de ARNt tiene un sitio particular en el



extremo 3´para la unión de un aminoácido por un enlace covalente. En el extremo opuesto el ARNt forma un anticodón de tres bases que es

complementario a un codón específico sobre el ARNm. Un encaje entre el

codón y el anticodón lleva el aminoácido apropiado a la próxima posición sobre

el ribosoma para su unión y la formación de un péptido unido al extremo

carboxilo-terminal en la cadena polipeptídica en crecimiento. El ribosoma luego se desliza a lo largo del ARNm de exactamente tres bases, llevando el próximo

codón en la línea para el reconocimiento por otro ARNt con el próximo

aminoácido. De esta manera, las proteínas son sintetizadas desde el extremo

amino-terminal (NH2) al extremo carboxilo-terminal (COOH), lo cual

corresponde a la traducción de ARNm en dirección 5á 3´.

En este proceso, los ribosomas proporcionan una enzima que cataliza la formación de enlaces peptídicos covalentes entre los aminoácidos adyacentes,

resultando en un polipéptido en crecimiento. Como se mencionó con

anterioridad, la traducción y la formación del polipéptido finalizan cuando un

codón de terminación (UGA, UAA o UAG) se introduce al marco de lectura como se hizo con el codón de iniciación. La cadena polipeptídica completa es

luego liberada desde el ribosoma, lo cual viene a estar disponible para

comenzar la síntesis de una nueva proteína.

Antes que el polipéptido recién sintetizado pueda comenzar su existencia como

una proteína funcional, a menudo desarrolla un procesamiento posterior,

llamado modificación post-transduccional. Estas modificaciones pueden tomar una variedad de formas, incluyendo clivaje o rotura en pequeñas unidades

polipeptídicas o combinaciones con otros polipéptidos para formar una proteína

de mayor tamaño. Otras posibles modificaciones incluye la adición al

polipéptido de cadenas laterales de carbohidratos. Dichas modificaciones pueden ser necesarias, por ejemplo, para producir una armazón apropiada de

la proteína madura o estabilizar su estructura. En otras palabras, la cadena

polipeptídica que es el producto primario de la traducción es ensamblada y

moldeada a una estructura tridimensional específica que está determinada por

la secuencia de los aminoácidos que la constituyen. Dos o más cadenas polipeptídicas proveniente del mismo gen o de genes diferentes, pueden

combinarse para formar un solo complejo proteíco maduro. La remoción de

secuencias especificas amino-terminal puede dar lugar después que la proteína

ha funcionado para dirigirla a su correcta localización en la célula.



Tabla 3. El Código Genético

U C A G

U Phe

Phe

Leu Leu

Ser

Ser

Ser Ser

Tyr

Tyr

Alto Alto

Cys

Cys

Alto Trp

U

C

A G

C Leu

Leu

Leu

Leu

Pro

Pro

Pro

Pro

His

His

Gln

Gln

Arg

Arg

Arg

Arg

U

C

A

G

A Ile

Ile

Ile

Met (Inicio)

Thr

Thr

Thr

Thr

Asn

Asn

Lys

Lys

Ser

Ser

Arg

Arg

U

C

A

G

G Val

Val

Val

Val

Ala

Ala

Ala

Ala

Asp

Asp

Glu

Glu

Gly

Gly

Gly

Gly

U

C

A

G

Primera

Posición

(5'-)

Segunda Posición

Tercera

Posición

(3'-)



Figura 10. Mecanismo de Replicación, Transcripción y Traducción

(A manera de Resumen)

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EL GENOMA HUMANO