La regulación génica y los genomas

Todas las células de tu cuerpo poseen el mismo ADN, sin embargo una neurona y una célula muscular son muy diferentes. Explicá a qué se debe esta diferencia haciendo referencia a la expresión génica.

¿Qué es un gen constitutivo y qué es un gen regulable? Poné un ejemplo de cada tipo y explicá por qué le conviene a la célula regular algunos de sus genes.

¿Qué significa que un gen está silenciado en una célula? Explicá una forma en la que la célula puede impedir que un gen determinado llegue a transcribirse.

¿Qué es un operón? Indicá en qué tipo de organismos se encuentran y nombrá los componentes básicos de un operón inducible como el operón lac.

El esquema representa el operón lac de Escherichia coli en dos situaciones (A y B). Indicá en cuál de ellas hay lactosa en el medio, nombrá los elementos señalados (P, O, Z-Y-A y ?) y explicá qué ocurre con la expresión de los genes estructurales en cada situación.

Una cepa de E. coli crece en un medio con glucosa y sin lactosa. Explicá cuál será el estado del operón lac en esas condiciones y describí qué ocurrirá con la expresión de sus genes estructurales cuando se agote la glucosa y se añada lactosa al medio.

¿Qué es un factor de transcripción? Explicá brevemente qué papel desempeña en la regulación de la expresión génica y a qué regiones del ADN se une.

En las células eucariotas el ADN se empaqueta unido a histonas formando la cromatina. Explicá cómo influye el grado de compactación de la cromatina en la expresión de los genes.

En las células eucariotas existen secuencias reguladoras llamadas potenciadores (enhancers) que pueden encontrarse a miles de pares de bases del gen que regulan. Explicá cómo pueden actuar a tanta distancia, haciendo referencia al plegamiento de la cromatina y a los factores de transcripción.

Definí intrón y exón, e indicá qué les ocurre a los unos y a los otros durante la maduración del ARNm en las células eucariotas.

¿Qué es un promotor y qué papel desempeña en la regulación de la transcripción? Explicá qué puede ocurrir si una mutación inutiliza el promotor de un gen.

Un equipo de biotecnología diseña un plásmido para que Escherichia coli produzca insulina humana recombinante. En su primer ensayo, clonaron directamente el gen humano extraído del ADN nuclear (con sus intrones y exones) junto a un promotor bacteriano constitutivo fuerte. El resultado fue un fracaso: el cultivo celular murió prematuramente por acumulación tóxica de proteína anómala no funcional.

1. a) Identificá los dos errores fundamentales cometidos en el diseño y explicá las causas biológicas y moleculares de dicho fracaso.
2. b) Rediseñá la estrategia utilizando el sistema de regulación del operón lac: indicá qué tipo de ácido nucleico deben emplear como molde para la secuencia codificante, qué elementos reguladores bacterianos indispensables deben incluir en el vector de expresión y cómo controlarán temporalmente la inducción en el fermentador para que la bacteria alcance primero una alta densidad celular antes de iniciar la síntesis proteica.

Nombrá dos diferencias generales entre el genoma de una célula procariota y el de una célula eucariota (localización, forma del ADN, presencia de intrones).

Compará la regulación de la expresión génica en procariotas y en eucariotas (número de niveles de control, velocidad de respuesta al medio, organización de los genes) y razoná por qué en las células eucariotas existen más puntos posibles de regulación.

A finales del siglo XIX, August Weismann propuso que la diferenciación celular durante el desarrollo embrionario se producía por una pérdida selectiva y progresiva de genes: cada estirpe celular conservaría únicamente el ADN necesario para desempeñar su función especializada.

1. a) Describí el fundamento de un experimento histórico (como la transferencia nuclear en anfibios de Gurdon o la clonación de la oveja Dolly) y razoná cómo sus resultados refutaron definitivamente la hipótesis de Weismann.
2. b) Si una neurona y un hepatocito de un mismo individuo humano adulto poseen exactamente el mismo genoma, justificá qué mecanismos moleculares (factores de transcripción específicos y modificaciones epigenéticas como la metilación del ADN y la acetilación de histonas) permiten que cada una exprese un conjunto de proteínas en gran parte diferente y mantenga su identidad de manera estable.

El genoma humano contiene unos $20000$ genes codificantes de proteínas, pero estos ocupan solo una pequeña parte del ADN total. Indicá qué otros tipos de secuencias contiene el genoma y qué funciones se atribuyen a algunas de las regiones no codificantes.

Solo alrededor del $1,5\ \%$ del genoma humano corresponde a secuencias codificantes de proteínas. Calculá a cuántos pares de bases equivale ese porcentaje en un genoma de $3 \cdot 10^9$ pares de bases y explicá qué se sabe hoy del resto del genoma (secuencias reguladoras, intrones, elementos móviles, repeticiones).

Analizá la siguiente tabla con datos genómicos de tres organismos representativos:

1. a) Un estudiante afirma que, dado que Paris japonica tiene un genoma casi 50 veces mayor que el humano, debe poseer una complejidad biológica y anatómica proporcionalmente superior. Rebatí su afirmación a partir de los datos y explicá en qué consiste la paradoja del valor C.
2. b) A la vista de los datos de la tabla, razoná qué tipos de secuencias constituyen la gran mayoría del ADN no codificante en los eucariotas y por qué una bacteria no puede tolerar una proporción tan elevada de ADN no codificante.