Transcript spanish ppt format, 14.9 MB - Universidad Autónoma de San Luis

Conformaciones, Compactación
del DNA, Viroides, Partículas
Subvirales y Priones
CA García Sepúlveda MD PhD
Laboratorio de Genómica Viral y Humana
Facultad de Medicina, Universidad Autónoma de San Luis
Potosí
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Contenido
• Conformaciones
– A DNA, B DNA & Z DNA
– mRNA, tRNA & rRNA
• Compactación del DNA y jerarquias organizacionales
– Supercoiling
– Compactación plectonémica y solenoide
– Nucleosomas e histonas
– Fibras cromatínicas de 30 nm
– Loops y dominios
– Andamiaje nuclear
– Cromátides y cromosomas
– Centrómeros y telómeros
• Genomas
• Viroides, partículas subvirales y priones
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Conformaciones del RNA
• mRNA, tRNA & rRNA
Mucha mayor variedad.
Interpretación de relevancia relativamente facil
más no totalmente comprendida.
En el caso de mRNA, simplemente un
fragmento lineal de ácido nucleico que sirve de
intermediario entre el DNA y la proteina.
miRNA es un “simple fragmento” de mRNA que
tiene una función altamente
especializada...silenciar un gen.
En general cualquier ácido nucleico de cadena
sencilla tiende a formar estructuras
secundarias.
Las estructuras secundarias dependen de
secuencias y palindromos que permiten el
apareamiento...dificil de predecir.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Conformaciones
• mRNA, tRNA & rRNA
La estructura del tRNA es
un claro ejemplo de
formación de estructuras
secundarias por parte de
un ssNA...
solo que esta fue
provechosa para la vida y
se volvió necesaria y
común.
Casi simétrica.
Unidad funcional de la
traducción, anti-codon (el
codon está en el DNA que
está siendo leido).
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Conformaciones
• mRNA, tRNA & rRNA
Y si esto se veia complejo, no se
iguala al nivel de complejidad
exhibido por el rRNA,
constituyente crucial de la
maquinaria proteosintética.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Conformaciones
• mRNA, tRNA & rRNA
PyMol
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
Compactación y
jerarquias
organizacionales
Matemáticas elementales:
3,000'000,000 de bases en genoma humano
0.34 nm ocupados por cada escalon del DNA
Aproximadamente 1080 millones de nanómetros = 1.08 metros de DNA (Conf B)
...en cada célula, y hay miles de millones de células...
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
•
Los cromosomas bacterianos circulares se
compactan con poliaminas (como la
espermina) las cuales se unen a las cargas
negativas del DNA para neutralizar su carga y
evitar la repulsión con el objeto de permitir la
formación de madejas.
•
El problema se agrava cuando se contempla
que el ser humano posee 3 mil millones de
pares de bases...pero no somos los más
“grandes”
•
La salamandra común...poseee 4x más DNA
que nosotros.
•
Incluso algunas plantas poseen más DNA que
nosotros.
•
Paradoja del valor C...el tamaño del genoma
no es directamente proporcional a la
complejidad del organismo.
+
+
+
+ +
+
++
++
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
•
El DNA (ca 2 mts de largo) se
almacena en el núcleo de las
células eucariótas.
•
El diámetro del núcleo celular
fluctúa entre 5 y 10 m.
•
El contorno de los cromosomas
mide entre 1.6 y 8.2 cm.
•
Compactación cromosómica
human altamente eficiente:
•
Condensación de 100,000 X
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Supercoiling (super-embobinado)
Es crítico para compactación del DNA.
Especialmente util durante eventos de división nuclear.
Las cohesinas y condensinas (Proteinas de mantenimiento estructural de los
cromosomas) la inducen para condensar las cromátides.
Resulta de la apertura del duplex de DNA durante la síntesis de DNA/RNA para
darle acceso a la polimerasa (girasa, una topoisomerasa tipo II).
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Supercoiling (super-embobinado)
Plectonémica
Solenoide
Superbobina
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Supercoiling (super-embobinado)
En procariotas la plectonémica es suficiente para
su pequeño genoma circular.
Eucariotas emplean diversos grados de ambos
tipos (pero la solenoidal es más eficiente).
La solenoide reduce el espacio ocupado por DNA
acoplado a histonas a través de giros que lo
compactan en fibras de 10 y 30 nm.
Compactación plectonémica:
Bobinas extendidas con sentido horario.
Se observa en DNA in vitro.
Compactación Toroidal (solenoidal):
Giros anti-horarios muy apretados
DNA in vivo
Más compacto que la plectonémica.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Supercoiling (super-embobinado)
Duplex relajado, una vuelta sobre su eje cada 10 bp.
Una molécula de DNA circular (como en las bacterias)
puede ser sometida a torceduras que la obliguen a ocupar
menos espacio...DNA-B
Figura 8 = super-embobinado (plectonémico) elemental.
Lóbulos de figura 8 exhibirán rotación horaria o antihoraria
(sobreembobinado o infraembobinado).
Superembobinado
Compactación en levaduras
Relajado
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Supercoiling (super-embobinado)
Topoisomerasas generan o relajan el
super-embobinamiento.
La Topoisomerasa II eucariota no puede
introducir giros negativos.
El super-embobinado positivo es
deseable por que:
1.- Reduce la posibilidad de interacciones
con proteínas (hendidura M y m).
2.- Reduce el espacio físico ocupado por
el DNA.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosomas
Estructura propuesta por Roger Kornberg (1974).
Premio Nobel Quimica 2006 “base molecular de la
transcripción de DNA hacia RNA”
Cromatosoma = Nucleosoma + proteina
espaciadora.
Nucleosoma posee coro de histonas (octámero) y
ca 146 bp DNA.
Compactación: 7x
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosomas
Hijo de Arthur Kornberg
Premio Nobel Medicina o Fisiología 1959 “Mecanismos de la
síntesis del DNA”
Descubrio DNA polimerasa I (primera de uso in vitro)
Tuvo tres hijos:
•Roger, Nobel 2006
•Thomas, Descubridor de DNA polimerasa II
•Kenneth, Arquitecto especializado en el diseño de laboratorios.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosomas
Estructura propuesta por Roger Kornberg (1974).
Premio Nobel Quimica 2006 “base molecular de la
transcripción de DNA hacia RNA”
Cromatosoma = Nucleosoma + proteina
espaciadora.
Nucleosoma posee coro de histonas (octámero) y
ca 146 bp DNA.
Compactación: 7x
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosomas
Histonas poseen carga positiva y hacen función de poliaminas bacterianas.
Coro formado por ocho histonas formando disco de 11 nm de diámetro.
146 bp de DNA se enrollan alrededor de coro.
Particulas de coro separadas entre ellas por 54 bp (varía desde 8 hasta 114 bp) de DNA
espaciador envuelto alrededor de proteina espaciadora (H1).
Cantidad total en particula cromatosomal
ca 200 bp de DNA.
Las histonas interfieren con la unión de
otras proteinas al DNA.
El enrollamiento del DNA alrededor de las
histonas es un proceso dinámico y
regulado.
1.8 vueltas de DNA por nucleosoma.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosoma
•
Coro nucleosomal compuesto por
octamero de histonas.
•2 x H2A
•2 x H2B
•2 x H3
•2 x H4
•
6 x 11 nm dimensiones.
•
Péptidos entre 10 y 25 kDa
•
Cargados positivamente para
interactuar con DNA negativo.
•
Peptidos ricos en Arg y Lys.
6 nm
11 nm
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosoma
•
Coro nucleosomal compuesto por
octamero de histonas.
•2 x H2A
•2 x H2B
•2 x H3
•2 x H4
•
6 x 11 nm dimensiones.
•
Péptidos entre 10 y 25 kDa
•
Cargados positivamente para
interactuar con DNA negativo.
•
Peptidos ricos en Arg y Lys.
6 nm
11 nm
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosoma
•
Coro nucleosomal compuesto
por octamero de histonas.
•2 x H2A
Azules
•2 x H2B
Amarillos
•2 x H3
Rojos
•2 x H4
Verdes
•
6 x 11 nm dimensiones.
•
Péptidos entre 10 y 25 kDa
•
Cargados positivamente para
interactuar con DNA negativo.
•
Peptidos ricos en Arg y Lys.
6 nm
11 nm
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosoma
•
Coro nucleosomal compuesto por
octamero de histonas.
•2 x H2A
Azules
•2 x H2B
Amarillos
•2 x H3
Rojos
•2 x H4
Verdes
•
6 x 11 nm dimensiones.
•
Péptidos entre 10 y 25 kDa
•
Cargados positivamente para
interactuar con DNA negativo.
•
Peptidos ricos en Arg y Lys.
6 nm
11 nm
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosoma
•
Coro nucleosomal compuesto por
octamero de histonas.
•2 x H2A
Azules
•2 x H2B
Amarillos
•2 x H3
Rojos
•2 x H4
Verdes
•
6 x 11 nm dimensiones.
•
Péptidos entre 10 y 25 kDa
•
Cargados positivamente para
interactuar con DNA negativo.
•
Peptidos ricos en Arg y Lys.
6 nm
11 nm
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Nucleosoma
•
Coro nucleosomal compuesto por
octamero de histonas.
•2 x H2A
Azules
•2 x H2B
Amarillos
•2 x H3
Rojos
•2 x H4
Verdes
•
6 x 11 nm dimensiones.
•
Péptidos entre 10 y 25 kDa
•
Cargados positivamente para
interactuar con DNA negativo.
•
Peptidos ricos en Arg y Lys.
6 nm
11 nm
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
•
Formación del nucleosoma aporta al super-embobinamiento negativo (DNA in
vivo)...por lo que no necesitamos una enzima para lograrlo (topo II no puede).
Modelo de collar de cuentas en ME:
• Cuentas = nucleosomas
• Hilo = DNA espaciador
• H1 se une al DNA espaciador
• Pérdida de H1 no disrumpe nucleosoma
• Observable bajo microscopía electrónica.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Solenoide - Fibras de 30 nm
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Solenoide - Fibras de 30 nm
6 nucleosomas forman un arreglo helicoidal.
El arreglo helicoidal resultado del superembobinamiento solenoidal del “collar de cuentas”
forma una fibra de 30 nm.
El “collar de cuentas” se fija al andamiaje nuclear.
Fibra cromatínica observada en ME.
En general solo regiones inactivas (sin expresión
genética).
Corresponde a la mayor
parte de la heterocromatina.
1
6
2
Compactación: 100x
5
4
3
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Asas de 300 nm
Fibras de 30 nm forman asas largas (300 nm de
largo) ancladas al andamiaje nuclear.
Cada asa posee aprox 75,000 bp
Asas de 300 nm = Dominios estructurales (no
confundir con dominios funcionales...otro cuento).
Andamiaje nuclear
Asas
300 nm
Andamio
(c) Looped domains (300-nm fiber)
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Rosetas
En los cromosomas condensados (de metafase) las
asas (entre 6 y 9) de 300 nm forman estructura
helicoidal llamada kernel o roseta.
Andamiaje nuclear = cromosómico
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Bobinas
Las rosetas (ca 30) se apiñan una sobre otra de manera
helicoidal formando las bobinas de las cromátides.
Bobina cromatínica (solenoide cromatínico) = como el
cordón teléfono.
Bobina
Roseta
Asa
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Cromátides
Bobinas cromatínicas empalmadas
forman cromátides.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Cromosomas
Cromosoma de metafase forma más compacta.
DNA depletado de
histonas
Compactación: 15,000 x
En los procariotas el cromosoma consiste en una
sola molécula circular de DNA de doble cadena
desnuda (con excepción de las poliaminas).
Andamiaje
cromosómico
Los eucariotas poseen un conjunto diploide de
cromosomas lineares.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Compactación y jerarquias organizacionales
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Cromosomas
Especie
Num. Cromosomas
(diploide)
D. melanogaster
Cobayo
Pichón
Caracol de tierra
Lombriz de tierra
Zorro
Gato
Cerdo
Ratón
Rata
Conejo
Hamster
Liebre
Humano
Gorillas, chimpances
Oveja
Elefante
Vaca
Burro
Caballo
Perro
Pollo
Carpa dorada
8
16
16
24
36
36
38
38
40
42
44
44
46
46
48
54
56
60
62
64
78
78
104
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Cromosomas
¿Cual es el organismo que mayor número
de cromosomas posee?
¿Cuantos tiene?
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Cromosomas
¿Cual es el organismo que mayor número
de cromosomas posee?
¿Cuantos tiene?
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Cromosomas
Ophioglossum
“Adder’s-tongue Fern”
Tropical/Subtropical
1400 Cromosomas
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Centrómeros y Telómeros
Centrómero formado por heterocromatina empleada en la
fijación a huso mitótico/meiótico (microtúbulos).
Telómero formado por heterocromatina repetitiva destinada a
proteger extremos cromosómicos.
Centrómeros y telómeros contienen cantidades abundantes
de DNA de secuencia simple repetitiva (SSR).
SSR: Multiples copias en tandem de secuencias cortas).
SSR desempeñan funciones estructurales en telómeros y
centrómeros.
¡Los centrómeros humanos poseen una
secuencia de 170 bp repetida entre 500 y 3,000
veces!
¡Misma secuencia telomérica para todos los
vertebrados! TTAGGG
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Telómeros
•
Existen telómeros en los extremos de todos los cromosomas eucariotas lineares.
•
Son una solución al “problema de la replicación de lo extremos cromosómicos”.
•
Cada vez que la célula se divide se pierde algo del extremo terminal (telómero)
de los cromosomas.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Telómeros y telomerasa
•
La telomerasa extiende los extremos 3´
descubiertos que quedan después de retirar
el primer de RNA al final de la replicación.
•
Telomerasa es una transcriptasa inversa,
sintetiza DNA a partir de RNA.
•
El RNA de referencia forma parte de la
misma Telomerasa.
•
La Telomerasa agrega multiples copias de
la secuencia de referencia al extremo 3'.
•
La DNA polimerasa convencional entonces
se encarga de extender los extremos 5'.
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Sesión #3 Niveles de organización de los ácidos nucleicos
Panorama global
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