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. Explica a qué se debe esta diferencia haciendo referencia a la expresión génica.

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

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

¿Qué es un operón? Indica en qué tipo de organismos se encuentran y nombra 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). Indica en cuál de ellas hay lactosa en el medio, nombra los elementos señalados (P, O, Z-Y-A y ?) y explica 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. Explica cuál será el estado del operón lac en esas condiciones y describe qué ocurrirá con la expresión de sus genes estructurales cuando se agote la glucosa y se añada lactosa al medio.

En un laboratorio se estudia una cepa mutante de Escherichia coli que presenta una deleción completa en el gen regulador lacI (fenotipo I⁻). Un alumno predice que esta bacteria transcribirá de forma máxima los genes estructurales del operón lac en cualquier circunstancia, ya que el represor nunca se unirá al operador.

Para poner a prueba su hipótesis, la cepa se cultiva en tres medios con concentraciones equivalentes de nutrientes básicos:

• Medio A: glucosa como única fuente de carbono.

• Medio B: presencia simultánea de glucosa y lactosa.

• Medio C: lactosa como única fuente de carbono.

1. a) Evalúa si la predicción del alumno es correcta. Justifica qué nivel de transcripción del operón (nulo, basal muy bajo o alto) se observará en cada uno de los tres medios, detallando el mecanismo molecular implicado (papel del complejo CAP-cAMP y de la adenilil ciclasa).
2. b) Predice razonadamente qué ocurriría con la transcripción en el Medio C si la cepa sufriese una segunda mutación que inactivase el gen de la proteína CAP.

En bacterias haploides, tanto una mutación nula en el gen del represor (I⁻) como una mutación puntual en la secuencia del operador (Oᶜ) impiden la represión del operón lac, dando lugar a un fenotipo constitutivo en ausencia de lactosa.

Para discriminar ambos mecanismos, François Jacob y Jacques Monod generaron cepas diploides parciales (merocigotos) mediante plásmidos F'. Analiza las dos cepas siguientes:

• Cepa 1: I⁺ Oᶜ Z⁺ / I⁺ O⁺ Z⁻

• Cepa 2: I⁺ O⁺ Z⁻ / I⁻ O⁺ Z⁺

(donde Z⁺ codifica β-galactosidasa funcional y Z⁻ una enzima no funcional).

1. a) Predice razonadamente si se producirá β-galactosidasa activa en la Cepa 1 y en la Cepa 2 al cultivarlas en un medio que carece de lactosa.
2. b) A partir de tu predicción, clasifica al represor y al operador como reguladores que actúan en cis o en trans, justificando la diferencia molecular entre ambos tipos de control.

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

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

En las células eucariotas el ADN se empaqueta unido a histonas formando la cromatina. Explica 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. Explica cómo pueden actuar a tanta distancia, haciendo referencia al plegamiento de la cromatina y a los factores de transcripción.

Los microARN son pequeños ARN que no codifican proteínas pero regulan la expresión génica. Explica cómo actúan sobre los ARNm diana, si su efecto es activador o inhibidor, y por qué se consideran un nivel de regulación postranscripcional.

Compara 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 razona por qué en las células eucariotas existen más puntos posibles de regulación.

En un experimento con hepatocitos en cultivo se compara el mecanismo de acción de dos hormonas: la adrenalina (hormona hidrosoluble que actúa mediante un receptor de membrana acoplado a proteína G) y el cortisol (hormona esteroidea liposoluble que se une a un receptor intracelular).

Para investigar la vía de señalización, se añade a la mitad de los cultivos actinomicina D (un potente inhibidor de la transcripción que bloquea a la ARN polimerasa II). A continuación, se mide la respuesta celular (activación enzimática y síntesis de glucosa) a lo largo del tiempo.

1. a) Interpreta y justifica por qué la respuesta celular desencadenada por la adrenalina tarda solo segundos o minutos en manifestarse, mientras que la del cortisol requiere varias horas.
2. b) Predice cómo afectará la presencia de actinomicina D a la respuesta generada por cada una de las dos hormonas. Razona tu respuesta a nivel molecular.
3. c) Razona por qué, tras lavar el medio y retirar ambas hormonas, los efectos metabólicos inducidos por el cortisol persisten durante un tiempo mucho más prolongado que los de la adrenalina.

En una biopsia de carcinoma colorrectal se detecta que el gen supresor de tumores MLH1 está totalmente silenciado, lo que impide la reparación de emparejamientos erróneos en el ADN. Al secuenciar el gen en el tumor, su secuencia de nucleótidos es idéntica a la del tejido sano; sin embargo, un análisis molecular revela una densa hipermetilación de citosinas en islas CpG de su región promotora. Al cultivar las células tumorales con 5-azacitidina (inhibidor de las ADN metiltransferasas), se reanuda la expresión de MLH1.

1. a) A partir de estos datos, justifica por qué el silenciamiento de MLH1 en este tumor constituye un evento epigenético y no una mutación genética.
2. b) Explica el mecanismo físico-molecular por el cual la presencia de grupos metilo en las citosinas del promotor impide la transcripción del gen, haciendo referencia a la unión de factores de transcripción y a la remodelación de la cromatina.
3. c) Cuando estas células tumorales tratadas con 5-azacitidina se dividen en un medio sin el fármaco, las nuevas generaciones celulares pueden heredar el patrón de metilación y volver a silenciar el gen. Justifica cómo se mantiene y transmite la metilación del ADN durante la replicación celular mediante las metiltransferasas de mantenimiento.

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) Describe el fundamento de un experimento histórico (como la transferencia nuclear en anfibios de Gurdon o la clonación de la oveja Dolly) y razona 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, justifica 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.

En Drosophila melanogaster, la mutación dominante con ganancia de función Antennapedia (Antp) provoca que el gen Antp, cuya expresión normal está restringida al segundo segmento torácico para inducir el desarrollo de patas, se transcriba erróneamente en los discos imaginales de la cabeza. Como consecuencia, las moscas desarrollan patas plenamente formadas en lugar de antenas.

1. a) A partir de este caso, deduce qué función molecular desempeñan las proteínas codificadas por los genes homeóticos (Hox) y explica cómo la activación de un único gen es capaz de desencadenar la morfogénesis coordinada de un apéndice completo.
2. b) Un alumno plantea la hipótesis de que, si se aísla una mosca con una mutación nula por deleción de Antp en homocigosis (pérdida total de función), el embrión nacerá sin cabeza. Rebate esta hipótesis y predice razonadamente qué alteración anatómica esperarías observar en el tórax de dicho individuo.

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

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

El genoma humano contiene unos $20000$ genes codificantes de proteínas, pero estos ocupan solo una pequeña parte del ADN total. Indica 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. Calcula a cuántos pares de bases equivale ese porcentaje en un genoma de $3 \times 10^9$ pares de bases y explica qué se sabe hoy del resto del genoma (secuencias reguladoras, intrones, elementos móviles, repeticiones).

Analiza 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. Rebate su afirmación a partir de los datos y explica en qué consiste la paradoja del valor C.
2. b) A la vista de los datos de la tabla, razona 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.

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) Identifica los dos errores fundamentales cometidos en el diseño y explica las causas biológicas y moleculares de dicho fracaso.
2. b) Rediseña la estrategia utilizando el sistema de regulación del operón lac: indica 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.