Ejercicios: 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.

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

¿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.

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

¿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.

¿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.

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.

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.

¿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.

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.

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.

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.

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

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.

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).

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, justificá por qué el silenciamiento de MLH1 en este tumor constituye un evento epigenético y no una mutación genética.
2. b) Explicá 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. Justificá cómo se mantiene y transmite la metilación del ADN durante la replicación celular mediante las metiltransferasas de mantenimiento.

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.

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.

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, deducí qué función molecular desempeñan las proteínas codificadas por los genes homeóticos (Hox) y explicá 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. Rebatí esta hipótesis y predecí razonadamente qué alteración anatómica esperarías observar en el tórax de dicho individuo.

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.