La regulació gènica i els genomes

Totes les cèl·lules del teu cos tenen el mateix ADN; tanmateix, una neurona i una cèl·lula muscular són molt diferents. Explica a què es deu aquesta diferència fent referència a l'expressió gènica.

Què és un gen constitutiu i què és un gen regulable? Posa un exemple de cada tipus i explica per què convé a la cèl·lula regular alguns dels seus gens.

Què significa que un gen està silenciat en una cèl·lula? Explica una manera com la cèl·lula pot impedir que un gen determinat s'arribi a transcriure.

Què és un operó? Indica en quin tipus d'organismes es troben i anomena els components bàsics d'un operó induïble com l'operó lac.

L'esquema representa l'operó lac d'Escherichia coli en dues situacions (A i B). Indica en quina de les dues hi ha lactosa en el medi, anomena els elements assenyalats (P, O, Z-Y-A i ?) i explica què passa amb l'expressió dels gens estructurals en cada situació.

En un laboratori s'estudia una soca mutant d'Escherichia coli que presenta una deleció completa en el gen regulador lacI (fenotip I⁻). Un alumne prediu que aquest bacteri transcriurà de manera màxima els gens estructurals de l'operó lac en qualsevol circumstància, ja que el repressor mai no s'unirà a l'operador.

Per posar a prova la seva hipòtesi, la soca es cultiva en tres medis amb concentracions equivalents de nutrients bàsics:

• Medi A: glucosa com a única font de carboni.

• Medi B: presència simultània de glucosa i lactosa.

• Medi C: lactosa com a única font de carboni.

1. a) Avalua si la predicció de l'alumne és correcta. Justifica quin nivell de transcripció de l'operó (nul, basal molt baix o alt) s'observarà en cadascun dels tres medis, detallant el mecanisme molecular implicat (paper del complex CAP-cAMP i de l'adenilil ciclasa).
2. b) Prediu raonadament què passaria amb la transcripció en el Medi C si la soca patís una segona mutació que inactivés el gen de la proteïna CAP.

Què és un promotor i quin paper té en la regulació de la transcripció? Explica què pot passar si una mutació inutilitza el promotor d'un gen.

En les cèl·lules eucariotes l'ADN s'empaqueta unit a histones formant la cromatina. Explica com influeix el grau de compactació de la cromatina en l'expressió dels gens.

Els microARN són ARN petits que no codifiquen proteïnes però regulen l'expressió gènica. Explica com actuen sobre els ARNm diana, si el seu efecte és activador o inhibidor, i per què es consideren un nivell de regulació posttranscripcional.

En una biòpsia de carcinoma colorectal es detecta que el gen supressor de tumors MLH1 està totalment silenciat, fet que impedeix la reparació d'aparellaments erronis a l'ADN. En seqüenciar el gen al tumor, la seva seqüència de nucleòtids és idèntica a la del teixit sa; tanmateix, una anàlisi molecular revela una densa hipermetilació de citosines en illes CpG de la seva regió promotora. En cultivar les cèl·lules tumorals amb 5-azacitidina (inhibidor de les ADN metiltransferases), es reprèn l'expressió d'MLH1.

1. a) A partir d'aquestes dades, justifica per què el silenciament d'MLH1 en aquest tumor constitueix un esdeveniment epigenètic i no una mutació genètica.
2. b) Explica el mecanisme fisicomolecular pel qual la presència de grups metil a les citosines del promotor impedeix la transcripció del gen, fent referència a la unió de factors de transcripció i a la remodelació de la cromatina.
3. c) Quan aquestes cèl·lules tumorals tractades amb 5-azacitidina es divideixen en un medi sense el fàrmac, les noves generacions cel·lulars poden heretar el patró de metilació i tornar a silenciar el gen. Justifica com es manté i transmet la metilació de l'ADN durant la replicació cel·lular mitjançant les metiltransferases de manteniment.

A finals del segle XIX, August Weismann va proposar que la diferenciació cel·lular durant el desenvolupament embrionari es produïa per una pèrdua selectiva i progressiva de gens: cada estirp cel·lular conservaria únicament l'ADN necessari per exercir la seva funció especialitzada.

1. a) Descriu el fonament d'un experiment històric (com la transferència nuclear en amfibis de Gurdon o la clonació de l'ovella Dolly) i raona com els seus resultats van refutar definitivament la hipòtesi de Weismann.
2. b) Si una neurona i un hepatòcit d'un mateix individu humà adult posseeixen exactament el mateix genoma, justifica quins mecanismes moleculars (factors de transcripció específics i modificacions epigenètiques com la metilació de l'ADN i l'acetilació d'histones) permeten que cadascuna expressi un conjunt de proteïnes en gran part diferent i mantingui la seva identitat de manera estable.

En Drosophila melanogaster, la mutació dominant amb guany de funció Antennapedia (Antp) provoca que el gen Antp, l'expressió normal del qual està restringida al segon segment toràcic per induir el desenvolupament de potes, es transcrigui erròniament en els discs imaginals del cap. Com a conseqüència, les mosques desenvolupen potes plenament formades en lloc d'antenes.

1. a) A partir d'aquest cas, dedueix quina funció molecular exerceixen les proteïnes codificades pels gens homeòtics (Hox) i explica com l'activació d'un únic gen és capaç de desencadenar la morfogènesi coordinada d'un apèndix complet.
2. b) Un alumne planteja la hipòtesi que, si s'aïlla una mosca amb una mutació nul·la per deleció d'Antp en homocigosi (pèrdua total de funció), l'embrió naixerà sense cap. Rebat aquesta hipòtesi i prediu raonadament quina alteració anatòmica esperaries observar en el tòrax d'aquest individu.

Anomena dues diferències generals entre el genoma d'una cèl·lula procariota i el d'una cèl·lula eucariota (localització, forma de l'ADN, presència d'introns).

El genoma humà conté uns $20000$ gens codificants de proteïnes, però aquests ocupen només una petita part de l'ADN total. Indica quins altres tipus de seqüències conté el genoma i quines funcions s'atribueixen a algunes de les regions no codificants.

Analitza la taula següent amb dades genòmiques de tres organismes representatius:

1. a) Un estudiant afirma que, atès que Paris japonica té un genoma gairebé 50 vegades més gran que l'humà, ha de posseir una complexitat biològica i anatòmica proporcionalment superior. Rebat la seva afirmació a partir de les dades i explica en què consisteix la paradoxa del valor C.
2. b) A la vista de les dades de la taula, raona quins tipus de seqüències constitueixen la gran majoria de l'ADN no codificant en els eucariotes i per què un bacteri no pot tolerar una proporció tan elevada d'ADN no codificant.