Exercicis: 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.

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).

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.

Defineix intró i exó, i indica què els passa als uns i als altres durant la maduració de l'ARNm en les cèl·lules eucariotes.

Què és un factor de transcripció? Explica breument quin paper té en la regulació de l'expressió gènica i a quines regions de l'ADN s'uneix.

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.

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.

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.

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.

Una soca d'E. coli creix en un medi amb glucosa i sense lactosa. Explica quin serà l'estat de l'operó lac en aquestes condicions i descriu què passarà amb l'expressió dels seus gens estructurals quan s'esgoti la glucosa i s'afegeixi lactosa al medi.

En les cèl·lules eucariotes hi ha seqüències reguladores anomenades potenciadors (enhancers) que es poden trobar a milers de parells de bases del gen que regulen. Explica com poden actuar a tanta distància, fent referència al plecament de la cromatina i als factors de transcripció.

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.

Compara la regulació de l'expressió gènica en procariotes i en eucariotes (nombre de nivells de control, velocitat de resposta al medi, organització dels gens) i raona per què en les cèl·lules eucariotes hi ha més punts possibles de regulació.

Només al voltant del $1,5\ \%$ del genoma humà correspon a seqüències codificants de proteïnes. Calcula a quants parells de bases equival aquest percentatge en un genoma de $3 \cdot 10^9$ parells de bases i explica què se sap avui de la resta del genoma (seqüències reguladores, introns, elements mòbils, repeticions).

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.

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.

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.

En bacteris haploides, tant una mutació nul·la en el gen del repressor (I⁻) com una mutació puntual en la seqüència de l'operador (Oᶜ) impedeixen la repressió de l'operó lac, donant lloc a un fenotip constitutiu en absència de lactosa.

Per discriminar ambdós mecanismes, François Jacob i Jacques Monod van generar soques diploides parcials (merozigots) mitjançant plasmidis F'. Analitza les dues soques següents:

• Soca 1: I⁺ Oᶜ Z⁺ / I⁺ O⁺ Z⁻

• Soca 2: I⁺ O⁺ Z⁻ / I⁻ O⁺ Z⁺

(on Z⁺ codifica β-galactosidasa funcional i Z⁻ un enzim no funcional).

1. a) Prediu raonadament si es produirà β-galactosidasa activa a la Soca 1 i a la Soca 2 en cultivar-les en un medi que no conté lactosa.
2. b) A partir de la teva predicció, classifica el repressor i l'operador com a reguladors que actuen en cis o en trans, justificant la diferència molecular entre ambdós tipus de control.

En un experiment amb hepatòcits en cultiu es compara el mecanisme d'acció de dues hormones: l'adrenalina (hormona hidrosoluble que actua mitjançant un receptor de membrana acoblat a proteïna G) i el cortisol (hormona esteroidal liposoluble que s'uneix a un receptor intracel·lular).

Per investigar la via de senyalització, s'afegeix a la meitat dels cultius actinomicina D (un potent inhibidor de la transcripció que bloqueja l'ARN polimerasa II). A continuació, es mesura la resposta cel·lular (activació enzimàtica i síntesi de glucosa) al llarg del temps.

1. a) Interpreta i justifica per què la resposta cel·lular desencadenada per l'adrenalina triga només segons o minuts a manifestar-se, mentre que la del cortisol requereix diverses hores.
2. b) Prediu com afectarà la presència d'actinomicina D a la resposta generada per cadascuna de les dues hormones. Raona la teva resposta a nivell molecular.
3. c) Raona per què, després de rentar el medi i retirar ambdues hormones, els efectes metabòlics induïts pel cortisol persisteixen durant un temps molt més prolongat que els de l'adrenalina.

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.

Un equip de biotecnologia dissenya un plasmidi perquè Escherichia coli produeixi insulina humana recombinant. En el seu primer assaig, van clonar directament el gen humà extret de l'ADN nuclear (amb els seus introns i exons) juntament amb un promotor bacterià constitutiu fort. El resultat va ser un fracàs: el cultiu cel·lular va morir prematurament per acumulació tòxica de proteïna anòmala no funcional.

1. a) Identifica els dos errors fonamentals comesos en el disseny i explica les causes biològiques i moleculars d'aquest fracàs.
2. b) Redissenya l'estratègia utilitzant el sistema de regulació de l'operó lac: indica quin tipus d'àcid nucleic han d'emprar com a motlle per a la seqüència codificant, quins elements reguladors bacterians indispensables han d'incloure en el vector d'expressió i com controlaran temporalment la inducció en el fermentador perquè el bacteri assoleixi primer una alta densitat cel·lular abans d'iniciar la síntesi proteica.