La revolución genética

1. La revolución genética

2. Historia de la genética • 1.- La prehistoria de la genética: Selección artificial: • Ganadería • Agricultura • 2.- Primeras etapas de la genética. • Aparición de la genética como ciencia • Primeros descubrimientos 3.- La era del ADN 4.- La era de la genómica Tema 4: La revolución genética

3. Genética clásica • 1865: Publicación del artículo de Gregor Mendel Experiments on Plant Hybridization • 1869: Friedrich Miescher descubre lo que hoy se conoce como ADN. • 1905: William Bateson acuña el término «genética» en una carta dirigida a Adam Sedgwick. • 1906: William Bateson propone el término «genética». • 1908: Ley de Hardy-Weinberg. • 1910: Thomas Morgan demuestra que los genes residen en los cromosomas. • 1913: Alfred Sturtevant realiza el primer mapa genético de un cromosoma. Tema 4: La revolución genética

4. Genética clásica • 1913: Los mapas genéticos muestran cromosomas conteniendo genes organizados linealmente. • 1928: Frederick Griffith descubre que el material hereditario de bacterias muertas puede ser incorporado en bacterias vivas. • 1931: se identifica el “sobrecruzamiento” como la causa de la recombinación genética. • 1933: Jean Brachet demuestra que el ADN se encuentra en los cromosomas y que el ARN está presente en el citoplasma de todas las células. • 1941: Edward Lawrie Tatum y George Wells Beadle muestran que los genes codifican las proteínas. Tema 4: La revolución genética

5. La era del ADN • 1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty aíslan ADN como material genético. • 1950 Erwin Chargaff muestra que los cuatro nucleótidos no están presentes en los ácidos nucleicos en proporciones estables. • 1952 El experimento Hershey-Chase prueba que la información genética de todos los organismos es ADN. • 1953 James D. Watson y Francis Crick demuestran la estructura de doble hélice del ADN. • 1956 Joe Hin Tjio y Albert Levan establecen en 46 el número de cromosomas en humanos . • 1958 El experimento Meselson-Stahl demuestra que el ADN se replica de modo semiconservador. Tema 4: La revolución genética

6. 1961 El código genético se ordena en tripletes • 1964 Howard Temin muestra, utilizando virus de ARN, que la dirección de transcripción ADN-ARN puede revertirse • 1970 Se descubren las enzimas de restricción, lo que permite a los científicos cortar y pegar fragmentos de ADN Tema 4: La revolución genética

7. La era de la genómica • 1972: Walter Fiers y su equipo, en el Laboratorio de biología molecular de la Universidad de Ghent (Bélgica) fueron los primeros en determinar la secuencia de un gen: el gen para la proteína del pelo del bacteriófago MS2. • 1976 Walter Fiers y su equipo determinan la secuencia completa del ARN del bacteriófago MS2 • 1977 Primera secuenciación del ADN por Fred Sanger, Walter Gilbert, y Allan Maxam. • 1983 Kary Banks Mullis descubre la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). • 1989 Francis Collins y Lap-Chee Tsui secuencian el gen humano codificador de la proteína CFTR Tema 4: La revolución genética

8. 1995. Se secuencia por primera vez el genoma de un organismo vivo (Haemophilus influenzae) • 1996: Primera secuenciación de un genoma eucariota: Saccharomyces cerevisiae • 1998: Primera secuenciación del genoma de un eucariota multiceular: Caenorhabditis elegans • 2001: Primeras secuencias del genoma humano por el Proyecto Genoma Humano y Celera Genomics. • 2003: El Proyecto Genoma Humano publica la primera secuenciación completa del genoma humano con un 99.99% de fidelidad Tema 4: La revolución genética

9. Antes de Mendel Preformismo: La observación de espermatozoides con un microscopio en el s.XVIII hizo creer que tras la fecundación, solo por crecimiento, estos daban individuos adultos. Epigénesis: Al mejorar las técnicas microscópicas se postuló que además de crecimiento había transformaciones estructurales. Pangénesis. Los órganos producen unas gémulas que viajan por la sangre a los genitales y de ahí a los hijos. Tema 4: La revolución genética

10. Caracteres adquiridos (Lamarck): Teoría de Lamarck, que consideraba que las variaciones eran adquiridas y hereditarias. Los individuos cambian para adaptarse al medio y estás características se transmiten a los descendientes. Plasma germinal (Weissmann): Existe un plasma formado por los tejidos reproductores que se perpetúa a sí mismo. Las modificaciones del plasma germinal originarían modificaciones en el cuerpo. Hay diferencia entre células germinales y células somáticas. Tema 4: La revolución genética

11. Herencia mendeliana Monje agustino católico y naturalista, en la actual República Checa, que describió las llamadas Leyes de Mendel que rigen la herencia genética, por medio de los trabajos que llevó a cabo con diferentes variedades de la planta del guisante. Su trabajo no fue valorado cuando lo publicó en el año 1866. Hugo de Vries, botánico holandés, junto a Carl Correns y Erich von Tschermak, redescubrieron las leyes de Mendel por separado en el año 1900. Tema 4: La revolución genética

12. Experimentos de Mendel Mendel seleccionó siete caracteres para sus experimentos, cada uno de los cuales tenía dos posibilidades y obtuvo razas puras de guisantes para cada uno de estos caracteres. Posteriormente cruzó entre sí las razas puras que presentaban diferencias respecto a uno de los caracteres elegidos Tema 4: La revolución genética

13. Tema 4: La revolución genética

14. Conclusiones de Mendel La herencia se transmite por factores hereditarios almacenadas en los gametos. Dichos factores son de procedencia materna y paterna que se unen en el nuevo individuo sin mezclarse, y volviéndose a separar al formar las células reproductoras. La herencia sigue normas estadísticas sencillas. Tema 4: La revolución genética

15. Leyes de Mendel Primera Ley de Mendel o Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación (F1). , y dice que cuando se cruzan dos variedades individuos de raza pura ambos (homocigotos) para un determinado carácter, todos los híbridos (hereocigotos) de la primera generación son iguales. AA aa P (generación paterna) Aa F1 (generación filial) Tema 4: La revolución genética

16. Interpretación del experimento: El polen de la planta progenitora aporta a la descendencia un alelo para el color de la semilla, y el óvulo de la otra planta progenitora aporta el otro alelo para el color de la semilla ; de los dos alelos, solamente se manifiesta aquél que es dominante (A), mientras que el recesivo (a) permanece oculto. Tema 4: La revolución genética

17. Segunda ley, o Principio de la segregación: “Ciertos individuos son capaces de transmitir un carácter aunque en ellos no se manifieste”. El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda generación filial en la cual reaparece el fenotipo "a", a pesar de que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo "A“ Esto hace presumir a Mendel que el carácter "a" no había desaparecido, sino que sólo había sido "opacado" por el carácter "A", pero que al reproducirse un individuo, cada carácter segrega por separado. Aa Aa AA Aa Aa aa Tema 4: La revolución genética

18. Tercera ley, o Principio de la transmisión independiente: Esta ley hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido: cuando se considera un carácter; polihibrido: cuando se consideran dos o más caracteres). Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las características que él observaba (color de la semilla y rugosidad de su superficie) se encontraban en cromosomas separados. De esta manera, observó que los caracteres se transmitían independientemente unos de otros. Esta ley sólo se cumple si los caracteres estudiados están en cromosomas distintos. Tema 4: La revolución genética

19. Tema 4: La revolución genética

20. Después de Mendel 1900. Redescubrimiento de las Leyes de Mendel. 1910. Experimentos de Morgan. Demuestra que los genes están en los cromosomas, y los que están en el mismo cromosoma se transmiten juntos y los que están en cromosomas independientes se transmiten por separado. Se comprobó la existencia de recombinación o intercambio entre cromosomas homólogos (los dos cromosomas iguales que proceden uno del padre y otro de la madre) 1944. El ADN es el portador de la información genética (Experimentos de Avery) Tema 4: La revolución genética

21. Estas experiencias demostraban que el ADN era la molécula que contenía la información necesaria para que las bacterias S fueran virulentas y que, a pesar de estar muertas, su ADN no estaba destruido y podía pasar al medio y de aquí a las bacterias de cepa R integrándose en el genoma de éstas y transformándolas en virulentas Tema 4: La revolución genética

22. Biología molecular Ciencia que nace a partir del descubrimiento de la estructura del ADN (1953, Watson y Crick) • Estudio de la vida a nivel molecular • Esclarece la estructura molecular del ADN • Estudia los procesos de formación de un ser vivo a partir del ADN: • Replicación del ADN • Transcripción a ARN • Síntesis de proteínas • Regulación de los genes Tema 4: La revolución genética

23. El ADN El ADN está formado por dos cadenas antiparalelas de nucleótidos. Los puentes de hidrógeno que unen ambas cadenas dan estabilidad a la estructura . La combinación de las secuencias de bases nitrogenadas (A, T, G y C) forma los distintos ADN’s. Esta enorme variabilidad origina todas las diferentes proteínas que podemos encontrar en los seres vivos. • Las uniones siempre son: • A-T • C-G Tema 4: La revolución genética

24. Relación entre genes y proteínas El ADN (más concretamente, los genes que contiene y que se definen como segmentos de ADN que codifican una proteína) contiene la información con las características de los seres vivos. Esta información se expresa en forma de proteínas. Las proteínas son las que finalmente definen al ser vivo, junto con la influencia que puede ejercer el medio ambiente. La relación entre genes y proteínas se expresa a través del dogma central de la Biología Molecular (1970, Crick) Tema 4: La revolución genética

25. Replicación ADN ARN m Proteínas Transcripción Traducción Replicación ADN Transcripción ARN m Proteínas Traducción Retrotranscripción Tema 4: La revolución genética

26. A raíz de la modificación del Dogma central de la Biología Molecular se han cuestionado los conceptos de gen y ADN basura (ADN que no codifica información para proteínas). Actualmente se cree que este ADN basura puede tener un papel regulador importante, así como que un gen puede dar lugar a varias proteínas (hasta hace muy poco, el concepto fundamental era “un gen, una proteína”). Tema 4: La revolución genética

27. Replicación del ADN La replicación es el proceso en que se sintetizan dos copias idénticas de ADN tomando como molde otra cadena de ADN. Es una replicación semiconservativa. Tiene lugar en el núcleo de la célula Se basa en la complementariedad de las bases nitrogenadas (al igual que en los procesos de reparación de secuencias dañadas y transcripción del ARN) Se realiza antes de cada división celular para que las células hijas lleven la misma información que la célula madre. Tema 4: La revolución genética

28. Modelos de replicación del ADN Modelo conservativo Modelo semiconservativo Modelo dispersivo Tema 4: La revolución genética

29. Replicación del ADN Tema 4: La revolución genética

30. Complementariedad de bases La complementariedad de bases es útil para saber el contenido de bases de un ADN o conocer a partir de una secuencia como será la cadena complementaria: Ejercicio 8 (pag 105): Si un ADN tiene un contenido de C+G del 42%, ¿qué porcentaje habrá de cada una de las bases? C+G=42% A+T=58% C= 42:2= 21%; G= 42:2= 21%; A= 58:2= 29%; C= 58:2= 29% Tema 4: La revolución genética

31. Ejercicio 11 (pag 105): Dada una hebra simple de ADN 3’-TACGGAATTCAT-5’, construye la hebra complementaria y la cadena de ADN que se formaría tomando como referencia la hebra inicial. Hebra ADN: 3’-TACGGAATTCAT - 5’ Cadena complementaria: 5’- ATGCCTTAAGTA - 3’ Hebra ADN: 3’- TACGGAATTCAT- 5’ Cadena de ARM m: 5’- AUGCCUUAAGUA-3’ Tema 4: La revolución genética

32. Transcripción del ADN Se basa en el mismo mecanismo (complementariedad de bases) que la replicación, pero intervienen enzimas diferentes y se sustituye la base nitrogenada Timina por Uracilo. Tiene lugar en el núcleo celular. El ARN resultante sufre un proceso de maduración, y el ARN maduro sale al citoplasma celular. El ARNm lleva la información a los ribosomas donde se producirá la síntesis de proteínas Tema 4: La revolución genética

33. Tema 4: La revolución genética

34. Traducción del ADN • Es la formación de proteínas a partir de la información que lleva el ARNm • Tiene lugar en los ribosomas (citoplasma) • Son necesarias otras moléculas como: • ARNt • Aminoácidos • Enzimas diversos • El proceso de traducción se hace según el Código Genético Tema 4: La revolución genética

35. Traducción del ADN Las proteínas están formadas por aminoácidos. El orden de colocación de los aminoácidos viene dado por la secuencia de bases del ARNm. Cada tres bases de ARNm (triplete o codón) indica la colocación de un aminoácido. Con las 4 bases nitrogenadas (A, U, G, C) se pueden formar 64 tripletes diferentes, que llevan la información para los 20 aminoácidos que forman todas las proteínas de los seres vivos Tema 4: La revolución genética

36. 61 codones para aminoácidos • (existen 20 aminoácidos diferentes) • 3 codones de terminación El código genético está compuesto por codones (codón= 3 bases nitrogenadas) que definen el proceso de traducción El código genético es universal El código genético es redundante (varios codones para un mismo aminoácido) Ejemplo: El aminoácido glicina está codificado por GGU, GGC, GGA y GGG

37. Código genético Tema 4: La revolución genética

38. A partir de un ARN m: AUG - CCU – AAG – UUU – GCU – CUC …. MET PRO LYS PHE ARG LEU PROTEÍNA Tema 4: La revolución genética

39. El Código genético Es un código universal. Todos los seres vivos conocidos lo utilizan (hay una excepción, las mitocondrias, un orgánulo del interior de las células eucariotas). Es un código redundante o degenerado. Hay más tripletes de bases que aminoácidos. Es un código sin superposición o sin solapamientos: dos aminoácidos sucesivos no comparten nucleótidos de sus tripletes. La lectura del ARN mensajero es continua, sin interrupciones. Cualquier pérdida o ganancia de un sólo ribonucleótido produce a partir de ese punto una modificación de la pauta de lectura, cambiando todos los aminoácidos desde el lugar de la alteración. Tema 4: La revolución genética

40. Ingeniería genética Se puede definir como la formación in vitro de nuevas combinaciones de material genético, por medio de la inserción de un ADN de interés en un vehículo genético (vector), de modo que tras su introducción en un organismo huésped, el ADN híbrido (recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y eventualmente expresarse. Lo que se pretende mediante la ingeniería genética es lograr ciertos fines tanto en la ciencia pura como en la aplicada (producción microbiana de productos, plantas y animales transgénicos, nuevos diagnósticos). Tema 4: La revolución genética

41. ADN recombinante El ADN recombinante es aquel que tiene fragmentos de distinta procedencia. De forma natural existen ADN recombinantes, cuando los virus insertan su ADN en el ADN de la célula huésped. Se pensó hacer lo mismo de manera artificial en el laboratorio utilizando enzimas de restricción. Tema 4: La revolución genética

42. Enzimas de restricción Estas enzimas, procedentes de bacterias, tienen la capacidad de reconocer una secuencia determinada de nucleótidos y extraerla del resto de la cadena. Esta secuencia puede volver a colocarse con la ayuda de otra clase de enzimas, las ligasas. La enzima de restricción actúa como una "tijera de ADN", y la ligasa en el "pegamento". Por lo tanto, es posible quitar un gen de la cadena principal y en su lugar colocar otro. Tema 4: La revolución genética

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45. Vectores génicos Son elementos móviles, en los que se inserta el gen a transferir. Son fácilmente manipulables y pueden transferirse hasta la célula huésped para obtener las células transgénicas. • Los principales vectores utilizados son: • Plásmidos • Bacteriófagos • Cósmidos • Cromosomas artificiales de levaduras (YAC) Tema 4: La revolución genética

46. Genes marcadores En los vectores, además del gen de interés se colocan otros genes denominados marcadores. Son genes que permiten identificar aquellas células que han incorporado el ADN del vector. En general, estos genes dan a la célula que los contiene resistencia a antibióticos, de tal forma que si añadimos el antibiótico a una mezcla de células con y sin el ADN de interés, las que no lo tengan (y por tanto, tampoco el gen de resistencia al antibiótico), morirán. Tema 4: La revolución genética

47. Las bacterias que no crecen en presencia de tetraciclina pero que crecen en presencia de ampicilina son las que contienen un plásmido recombinado. Tema 4: La revolución genética

48. Amplificación del ADN El estudio y manipulación del ADN requiere muchas copias de los fragmentos de ADN que se quieren estudiar. El método clásico de obtención de copias era la clonación mediante bacterias. Era un proceso lento y costoso. En 1983, Mullis diseño un mecanismo para obtener múltiples copias de forma mucho más sencilla. Este método denominado PCR (Polimerasa Chain Reaction) ha sido determinante en multiples areas del conocimiento que utilizan ADN Tema 4: La revolución genética

49. PCR Tema 4: La revolución genética

50. PCR Esta técnica requiere conocer la secuencia de nucleótidos de los extremos del fragmento que se quiere amplificar para diseñar dos oligonucleótidos sintéticos (P1 y P2) de DNA complementarios a una porción de cada una de las dos cadena de la doble hélice. La mezcla de reacción contiene la secuencia de DNA que se quiere amplificar, los dos oligonucleótidos sintéticos, una DNA polimerasa termoestable (Taq) y los cuatro nucleótidos (dATP, dGTP, dCTP y dTTP) La mezcla de reacción se somete a ciclos que constan cada uno de una fase de desnaturalización, una de hibridación y una de elongación. Durante la desnaturalización, que se realiza por calentamiento de la mezcla a 95 ºC, se separan las dos cadenas del DNA molde. Durante la hibridación, la temperatura de incubación se reduce para permitir el apareamiento de las bases de ambos cebadores en el sitio donde encuentran una secuencia complementaria. Durante la fase de elongación, la mezcla se calienta a 72 ºC, temperatura a la cual la DNA polimerasa extiende la cadena complementaria a partir del extremo 3' de los cebadores. Al finalizar cada ciclo, tenemos el doble de ADN Tema 4: La revolución genética