Genoma hum??

De Viquip??dia

El genoma hum?? ??s el genoma d'Homo sapiens. Est?? constituit per 24 cromosomes diferents (22 autosomes + 2 cromosomes sexuals: X, Y) amb una mida total aproximada de 3.200 milions de parells de bases d'ADN (3.200 Mb) que contenen uns 20.000 - 25.000 gens^[1]. De les 3.200 Mb unes 2.950 Mb corresponen a eucromatina i unes 250 Mb a heterocromatina. El projecte Genoma Hum?? va produir una seq????ncia de refer??ncia del genoma hum?? eucrom??tic, utilitzat a tot el m??n en les ci??ncies biom??diques.

La seq????ncia d'ADN que conforma el genoma hum?? cont?? codificada la informaci?? necess??ria per a l'expressi??, altament coordinada i adaptable a l'ambient, del proteoma hum??, ??s a dir, del conjunt de prote??nes de l'??sser hum??. Les prote??nes, i no l'ADN, s??n les biomol??cules efectores; organitzant-se en enormes xarxes funcionals d'interaccions. En definitiva, el proteoma fonamenta la particular morfologia i funcionalitat de cada c??l??lula. Aix?? mateix, l'organitzaci?? estructural i funcional de les diferents c??l??lules conforma cada teixit i cada ??rgan i, finalment l'organisme viu en el seu conjunt. Aix??, el genoma hum?? cont?? la informaci?? necess??ria per al desenvolupament b??sic d'un ??sser hum?? complet.

El genoma hum?? presenta una densitat de gens molt inferior a la que inicialment s'havia predit, amb nom??s un 1'5%^[2] de la seva longitud constitu??da per exons codificants de prote??nes. Un 70% est?? constiuit per ADN extrag??nic i un 30% per seq????ncies relacionades amb gens. Del total d'ADN extrag??nic, aproximadament un 70% correspon a repeticions disperses, de manera que, m??s o menys, la meitat del genoma hum?? correspon a seq????ncies repetitives d'ADN. D'altra banda, del total d'ADN relacionat amb els gens s'estima que el 95% correspon a ADN no codificant: pseudog??ns, fragments de gens, introns, seq????ncies UTR, etc.

[edita] Components

[edita] Cromosomes

El genoma hum?? (com el de qualsevol organisme eucariota) est?? format per cromosomes, que s??n llargues seq????ncies cont??nues d'ADN altament organitzades espacialment (amb ajuda de prote??nes histones i no histones) per a adoptar una forma ultracondensada en metafase. S??n observables amb microsc??pia ??ptica convencional o de fluoresc??ncia mitjan??ant t??cniques de citogen??tica i s'ordenen formant un cariotip.

El cariotip hum?? cont?? un total de 24 cromosomes distints: 22 parells d'autosomes m??s 2 cromosomes sexuals que determinen el sexe de l'individu. Els cromosomes 1-22 van ser numerats en ordre decreixent de grand??ria sobre la base del cariotip. No obstant aix??, posteriorment va poder comprovar-se que el cromosoma 22 ??s en realitat major que el 21.

Imatge 1. Representaci?? gr??fica del cariotip hum?? normal.

Les c??l??lules som??tiques d'un organisme posse??xen en el seu nucli un total de 46 cromosomes (23 parells): una dotaci?? de 22 autosomes procedents de cada progenitor i un parell de cromosomes sexuals, un cromosoma X de la mare i un X o un Y del pare. (Veure imatge 1). Els g??metes -??vuls i espermatozoides- posseeixen una dotaci?? haploide de 23 cromosomes.

[edita] ADN intrag??nic

[edita] Gens

Un gen ??s la unitat b??sica de l'her??ncia, i porta la informaci?? gen??tica necess??ria per a la s??ntesi d'una prote??na (gens codificants) o d'un ARN no codificant (gens d'ARN). Est?? format per una seq????ncia promotora, que regula la seva expressi??, i una seq????ncia que es transcriu, composta al seu torn per: seq????ncies UTR (regions flanquejants no tradu??des), necess??ries per a la traducci?? i l'estabilitat de l'ARNm, exons (codificants) i introns, que s??n seq????ncies de ADN no tradu??des situades entre dos exons que seran eliminades en el processament de l'ARNm (empalmament, splicing en angl??s).

Aquest diagrama esquem??tic mostra un gen en relaci?? a la seva estructura f??sica (doble h??lix d'ADN) i a un cromosoma (dreta). Els introns s??n regions freq??entment trobades en els gens d'eucariotes, que es transcriuen, per?? s??n eliminades en el processament de l'ARN (empalmament) per a produir un ARNm format nom??s per exons, encarregats de |traduir una prote??na. Aquest diagrama ??s a l'exc??s simplificat ja que mostra un gen compost per uns 40 parells de bases quan en realitat la seva grand??ria mitja ??s de 20.000-30.000 parells de bases.

Actualment s'estima que el genoma hum?? cont?? entre 20.000 i 25.000 gens codificants de prote??nes, estimaci?? molt inferior a les prediccions inicials que parlaven d'uns 100.000 gens o m??s. Aix?? implica que el genoma hum?? t?? menys del doble de gens que organismes eucariotes molt m??s simples, com la mosca de la fruita o el nematode Caenorhabditis elegans. No obstant aix??, les c??l??lules humanes recorren ??mpliament al splicing (empalmament) alternatiu per a produir diverses prote??nes distintes a partir d'un mateix gen, per la qual cosa el proteoma hum?? ??s m??s ampli que el d'altres organismes molt m??s simples. En la pr??ctica, el genoma tan sols porta la informaci?? necess??ria per a una expressi?? perfectament coordinada i regulada del conjunt de prote??nes que conformen el proteoma, sent aquest l'encarregat d'executar la major part de les funcions cel??lulars.

[edita] Gens d'ARN

A m??s dels gens codificants de prote??nes, el genoma hum?? cont?? diversos milers de gens d'ARN, la transcripci?? dels quals produeix ARN de transfer??ncia (ARNt), ARN ribos??mic (ARNr), microARN (miARN), o altres gens ARN no codificants. Els ARN ribos??mics i de transfer??ncia s??n essencials en la constituci?? dels ribosomes i en la traducci?? de les prote??nes. Per la seva banda, els microARN tenen gran import??ncia en la regulaci?? de l'expressi?? g??nica, estimant-se que fins a un 20-30% dels gens del genoma hum?? pot estar regulat pel mecanisme d'interfer??ncia per miARN. Fins al moment s'han identificat m??s de 300 gens de miARN i s'estima que poden existir uns 500.

[edita] Distribuci?? de gens

A continuaci?? es mostren alguns valors terme mitj?? del genoma hum??. Cap advertir, no obstant aix??, que l'enorme heterogene??tat que presenten aquestes variables fa poc representatius als valors terme mitj??, encara que tenen valor orientatiu.

La densitat mitja de gens ??s d'1 gen cada 100 kb, amb una grand??ria mitja de 20-30 kb, i un nombre d'exons terme mitj?? de 7-8 per cada gen, amb una grand??ria mitja de 150 nucle??tids. La grand??ria mitja d'un ARNm ??s de 1,8-2,2 kb, incloent les regions UTR (regions no tradu??des flanquejants), sent la longitud mitja de la regi?? codificant d'1,4 kb.

Isocors. Freq????ncia i riquesa en G+C i gens, en el genoma hum??.

El genoma hum?? es caracteritza per presentar una gran heterogene??tat en la seva seq????ncia. En particular, la riquesa en bases de guanina (G) i citosina (C) enfront de les d'adenina (A) i timina (T) es distribu??x heterog??niament, amb regions molt riques en G+C flanquejades per regions molt pobres, sent el contingut mig de G+C del 41%, menor al te??ricament esperat (50%). Aquesta heterogene??tat est?? correlacionada amb la riquesa en gens, de manera que els gens tendeixen a concentrar-se en les regions m??s riques en G+C. Aquest fet era conegut ja des de fa anys gr??cies a la separaci?? mitjan??ant centrifugaci?? en gradient de densitat de regions riques en G+C (que van rebre el nom d'isocors H; de l'angl??s High) i regions riques en A+T (isocors L; de l'angl??s Low).

[edita] Seq????ncies reguladores

El genoma hum?? t?? diversos sistemes de regulaci?? de l'expressi?? g??nica, basats en la regulaci?? de la uni?? de factors de transcripci?? a les seq????ncies promotores, en mecanismes de modificaci?? epigen??tica (metilaci?? de l'ADN o metilaci??-acetilaci?? d'histones) o en el control de l'accessibilitat als promotors determinada pel grau de condensaci?? de la cromatina; tots ells molt interrelacionats. A m??s, hi ha altres sistemes de regulaci?? a nivell del processament, estabilitat i traducci?? de l'ARNm, entre d'altres. Per tant, l'expressi?? g??nica est?? intensament regulada, la qual cosa permet desenvolupar els m??ltiples fenotips que caracteritzen els diferents tipus cel??lulars d'un organisme eucariota multicel??lular, al mateix temps que dota a la c??l??lula de la plasticitat necess??ria per a adaptar-se a un mitj?? canviant. No obstant aix??, tota la informaci?? necess??ria per a la regulaci?? de l'expressi?? g??nica, en funci?? de l'ambient cel??lular, est?? codificada en la seq????ncia d'ADN igual que ho estan els gens.

Les seq????ncies reguladores s??n t??picament seq????ncies curtes presents en les proximitats o en l'interior (freq??entment en introns) dels gens. En l'actualitat, el coneixement sistem??tic d'aquestes seq????ncies i de com actuen en complexes xarxes de regulaci?? g??nica, sensibles a senyals ex??gens, ??s molt esc??s i est?? comen??ant a desenvolupar-se mitjan??ant estudis de gen??mica comparada, bioinform??tica i biologia de sistemes. La identificaci?? de seq????ncies reguladores es basa en part en la recerca de regions no codificants evolutivament conservades^[4]. Per exemple, la diverg??ncia evolutiva entre el ratol?? i l'??sser hum?? va oc??rrer fa 70-90 milions d'anys^[5]. Mitjan??ant estudis de gen??mica comparada, alineant seq????ncies d'ambd??s genomes poden identificar-se regions amb alt grau de coincid??ncia, moltes corresponents a gens i altres a seq????ncies no codificants de prote??nes per?? de gran import??ncia funcional, at??s que han estat sotmeses a pressi?? selectiva.

[edita] Elements ultraconservats

Reben aquest nom regions que han mostrat una const??ncia evolutiva gaireb?? total, major fins i tot que les seq????ncies codificants de prote??nes, mitjan??ant estudis de gen??mica comparada. Aquestes seq????ncies generalment se solapen amb introns de gens implicats en la regulaci?? de la transcripci?? o en el desenvolupament embrionari i amb exons de gens relacionats amb el processament de l'ARN. La seva funci?? ??s generalment poc coneguda, per?? probablement d'extrema import??ncia donat el seu nivell de conservaci?? evolutiva, tal com s'ha exposat en el punt anterior.

En l'actualitat s'han trobat uns 500 segments d'una grand??ria major a 200 parells de bases totalment conservats (100% de coincid??ncia) entre els genomes d'hum??, ratol?? i rata, i gaireb?? totalment conservats en gos (99%) i pollastre (95%)^[6].

[edita] Pseudogens

En el genoma hum?? s'han trobat aix?? mateix uns 19.000 pseudogens, que s??n versions completes o parcials de gens que han acumulat diverses mutacions i que generalment no es transcriuen. Es classifiquen en pseudogens no processats (30%) i pseudogens processats (70%)^[7].

• Els pseudogens no processats s??n c??pies de gens generalment originades per duplicaci??, que no es transcriuen per mancar d'una seq????ncia promotora i haver acumulat m??ltiples mutacions, algunes de les quals sense sentit (el que origina codons d'aturada prematurs). Es caracteritzen per posseir tant exons com introns.
• Els pseudogens processats, per contra, s??n c??pies d'ARN missatger retrotranscrites i inserides en el genoma. En conseq????ncia manquen d'introns i de seq????ncia promotora.

[edita] ADN interg??nic

Com s'ha dit, les regions interg??niques o extrag??niques comprenen la major part de la seq????ncia del genoma hum??, i la seva funci?? ??s generalment desconeguda. Bona part d'aquestes regions est?? composta per elements repetitius, classificables com repeticions en t??ndem o repeticions disperses, encara que la resta de la seq????ncia no respon a un patr?? definit i classificable. Gran part de l'ADN interg??nic pot ser un artefacte evolutiu sense una funci?? determinada en el genoma actual, pel que tradicionalment aquestes regions han estat denominades ADN "escombraria" (Junk DNA), denominaci?? que inclou tamb?? les seq????ncies intr??niques i pseudog??ns. No obstant aix??, aquesta denominaci?? no ??s la m??s encertada donat el paper regulador conegut de moltes d'aquestes seq????ncies. A m??s el notable grau de conservaci?? evolutiva d'algunes d'aquestes seq????ncies sembla indicar que posseeixen altres funcions essencials encara desconegudes o poc conegudes. Per tant, alguns prefereixen denominar-lo "ADN no codificant" (encara que l'anomenat "ADN escombraria" inclou tamb?? transposons codificants) o "ADN repetitiu".

Freq????ncia de las diverses regions interg??niques i intrag??niques del cromosoma 22. Adaptat de: Dunham, I., et al., 1999. The DNA sequence of human chromosome 22, Nature 402(6761):489???495

[edita] ADN repetit en t??ndem

S??n repeticions que s'ordenen de manera consecutiva, de manera que seq????ncies id??ntiques, o gaireb??, es disposen unes darrere d'unes altres.

[edita] Sat??l??lits

El conjunt de repeticions en t??ndem de tipus sat??l??lit compr??n un total de 250 Mb del genoma hum??. S??n seq????ncies d'entre 5 i diversos centenars de nucle??tids que es repeteixen en t??ndem milers de vegades generant regions repetides amb grand??ries que oscil??len entre 100 kb (100.000 nucle??tids) fins a diverses megabases.

Reben el seu nom de les observacions inicials de centrifugacions en gradient de densitat de l'ADN gen??mic fragmentat, que reportaven una banda principal corresponent a la major part del genoma i tres bandes sat??l??lit de menor densitat. Aix?? es deu al fet que les seq????ncies sat??l??lit tenen una riquesa en nucl??tids Adenosina+Timina superior a la mitjana del genoma i en conseq????ncia s??n menys denses.

Hi ha principalment 6 tipus de repeticions de ADN sat??l??lit^[6]:

1. Sat??l??lit 1: seq????ncia b??sica de 42 nucle??tids. Situat en els centr??mers dels cromosomes 3 i 4 i l'el bra?? curt dels cromosomes acroc??ntrics (en posici?? distal respecte al cl??ster codificant d'ARNr).
2. Sat??l??lit 2: la seq????ncia b??sica ??s ATTCCATTCG. Present en les proximitats dels centr??mers dels cromosomes 2 i 10, i en la constricci?? secund??ria d'1 i 16.
3. Sat??l??lit 3: la seq????ncia b??sica ??s ATTCC. Present en la constricci?? secund??ria dels cromosomes 9 i Y, i en posici?? proximal respecte al cl??ster d'ADNr del bra?? curt dels cromosomes acroc??ntrics.
4. Sat??l??lit alfa: seq????ncia b??sica de 171 nucle??tids. Forma part de l'ADN dels centr??mers cromos??mics.
5. Sat??l??lit beta: seq????ncia b??sica de 68 nucle??tids. Apareix entorn del centr??mer en els cromosomes acroc??ntrics i en la constricci?? secund??ria del cromosoma 1.
6. Sat??l??lit gamma: seq????ncia b??sica de 220 nucle??tids. Pr??xim al centr??mer dels cromosomes 8 i X.

[edita] Minisat??l??lits

Estan composts per una unitat b??sica de seq????ncia de 6-25^[6] nucle??tids que es repeteix en t??ndem generant seq????ncies d'entre 100 i 20.000 parells de bases. S'estima que el genoma hum?? cont?? uns 30.000 minisat??l??lits.

Diversos estudis han relacionat els minisat??l??lits amb processos de regulaci?? de l'expressi?? g??nica, com el control del nivell de transcripci??, l'empalmament (splicing) alternatiu o la empremta (imprinting). Aix?? mateix, s'han associat amb punts de fragilitat cromos??mica at??s que se situen pr??xims a llocs preferents de trencament cromos??mic, translocaci?? gen??tica i recombinaci?? mei??tica. Finalment, alguns minisat??l??lits humans (10%) s??n hipermutables, presentant una taxa mitja de mutaci?? entre el 0.5% i el 20% en les c??l??lules de la l??nia germinal, sent aix?? les regions m??s inestables del genoma hum?? conegudes fins a la data.

En el genoma hum??, aproximadament el 90% dels minisat??l??lits se situen en els tel??mers dels cromosomes. La seq????ncia b??sica de sis nucle??tids TTAGGG es repeteix milers de vegades en t??ndem, generant regions de 5-20 kb que conformen els tel??mers.

Alguns minisat??l??lits per la seva gran inestabilitat presenten una notable variabilitat entre individus distints. Es consideren polimorfismes multial??l??lics, at??s que poden presentar-se en un nombre de repeticions molt variable, i es denominen VNTR (acr??nim de Variable number tandem repeat). S??n marcadors molt utilitzats en gen??tica forense, ja que permeten establir una petjada gen??tica caracter??stica de cada individu, i s??n identificables mitjan??ant transfer??ncia d'RNA i hibridaci??.

[edita] Microsat??l??lits

Estan composts per seq????ncies b??siques de 2-4 nucle??tids, la repetici?? dels quals en t??ndem origina freq??entment seq????ncies de menys de 150 nucle??tids. Alguns exemples importants s??n el dinucle??tid CA i el trinucle??tid CAG.

Els microsat??l??lits s??n tamb?? polimorfismes multial??l??lics, denominats STR (acr??nim de Short Tandem Repeats) i poden identificar-se mitjan??ant PCR, de manera r??pida i senzilla.

S'estima que el genoma hum?? cont?? uns 200.000 microsat??l??lits, que es distribueixen m??s o menys homog??niament, al contrari que els minisat??l??lits, el que els fa m??s informatius com marcadors.

[edita] ADN repetit dispers

S??n seq????ncies d'ADN que es repeteixen de manera dispersa per tot el genoma, constituint el 45% del genoma hum??. Els elements quantitativament m??s importants s??n els LINEs i SINEs, que es distingeixen per la grand??ria de la unitat repetida.

Aquestes seq????ncies tenen la potencialitat d'autopropagar-se al transcriure's a un ARNm intermediari, retrotranscriure's i inserir-se en un altre punt del genoma. Aquest fenomen es produeix amb una baixa freq????ncia, estimant-se que 1 de cada 100-200 nounats porten una inserci?? nova d'un Alu o un L1, que poden resultar patog??nics per mutag??nesi insercional, per desregulaci?? de l'expressi?? de gens pr??xims (pels propis promotors dels SINE i LINE) o per recombinaci?? il??leg??tima entre dues c??pies id??ntiques de diferent localitzaci?? cromos??mica (recombinaci?? intra o intercromos??mica), especialment entre elements Alu.

ileg??tima entre dos copias id??nticas de distinta localizaci??n cromos??mica (recombinaci??n intra o intercromos??mica), especialmente entre elementos Alu.

[edita] SINE

Acr??nim de l'angl??s Short Interspersed Nuclear Elements (Elements nuclears dispersos curts). S??n seq????ncies curtes, generalment d'uns pocs centenars de bases, que apareixen repetides milers de vegades en el genoma hum??. Suposen el 13% del genoma hum??^[6], un 10% degut exclusivament a la fam??lia d'elements Alu (caracter??stica de primats).

Els elements Alu s??n seq??encies de 250-280 nucle??tids presents en 1.500.000^[6] c??pies disperses per tot el genoma. Estructuralment s??n d??mers quasi id??ntics, excepte que la segona unitat cont?? un afegit de 32 nucle??tids, sent major que la primera. Quant a la seva seq????ncia, tenen una considerable riquesa en G+C (56%)^[6], pel que predominen en les bandes R, i ambd??s mon??mers presenten una cua poliA (seq????ncia d'adenines) vestigi del seu origen d'ARNm. A m??s, posseeixen un promotor de l'ARN polimerasa III per a transcriure's. Es consideren retrotransposons no aut??noms, ja que depenen per a propagar-se de la retrotranscripci?? del seu ARNm per una retrotranscriptasa present en el medi.

[edita] LINE

Esquema simplificat del mecanisme de retrotransposici?? d'un element LINE i un SINE. Un element LINE ??s transcrit produint un ARNm que surt del nucli cel??lular. En el citoplasma es |tradueix en els seus dos marcs de lectura oberts generant ambdues prote??nes (vegi's el text), que per a simplificar s'han representat com ORF1p i ORF2p. Ambdues permeten retrotranscriure l'ARNm del LINE i d'altres retrotransposons no aut??noms, com SINEs i pseudog??ns processats. Durant la retrotranscripci?? la nova seq????ncia d'ADN s'integra en un altre punt del genoma.

Acr??nim de l'angl??s Long Interspersed Nuclear Elements (Elements nuclears dispersos llargs). Constitu??xen el 20% del genoma hum??. La fam??lia de major import??ncia quantitativa ??s LINE-1 o L1 que ??s una seq????ncia de 6 kb repetida unes 800.000 vegades de manera dispersa per tot el genoma, encara que la gran majoria de les c??pies ??s incompleta al presentar l'extrem 5' truncat per una retrotranscripci?? incompleta. Aix??, s'estima que hi ha unes 5.000 c??pies completes de L1, nom??s 90 de les quals s??n actives^[6], estant la resta inhibides per metilaci?? del seu promotor.

La seva riquesa en G+C ??s del 42%^[6], pr??xima a la mitjana del genoma (41%) i es localitzen preferentment a les bandes G dels cromosomes. Posseeixen, a m??s, un promotor de l'ARN polimerasa II.

Els elements LINE complets s??n codificants. En concret LINE-1 codifica dues prote??nes:

1. Prote??na d'uni?? a ARN (??????RNA-binding protein??????): codificada pel marc de lectura obert 1 (ORF1, acr??nim de l'angl??s ??????Open reading Frame 1??????)
2. Enzim amb activitat retrotranscriptasa i endonucleasa: codificada per l'ORF2.

Per tant, es consideren retrotransopsons aut??noms, ja que codifiquen les prote??nes que necessiten per a propagar-se. La ARN polimerasa II present en el medi transcriu el LINE, i aquest ARNm es tradueix en ambd??s marcs de lectura produint una retrotranscriptasa que actua sobre l'ARNm generant una c??pia d'ADN del LINE, potencialment capa?? d'inserir-se en el genoma. Aix?? mateix aquestes prote??nes poden ser utilitzades per pseudog??ns processats o elements SINE per a la seva propagaci??.

Diversos estudis han mostrat que les seq????ncies LINE poden tenir import??ncia en la regulaci?? de l'expressi?? g??nica, havent-se comprovat que els gens pr??xims a LINE presenten un nivell d'expressi?? inferior. Aix?? ??s especialment rellevant perqu?? aproximadament el 80% dels gens del genoma hum?? cont?? algun element L1 en els seus introns^[6].

[edita] HERV

Acr??nim de Human Endogenous RetroVirus (retrovirus endogen hum??). Els retrovirus s??n virus el genoma dels quals est?? compost per ARN, capa??os de retrotranscriure's i integrar el seu genoma en el de la c??l??lula infectada. Aix??, els HERV s??n c??pies parcials del genoma de retrovirus integrats en el genoma hum?? al llarg de l'evoluci?? dels vertebrats, vestigis d'antigues infeccions retrovirals que van afectar a c??l??lules de la l??nia germinal. Algunes estimacions estableixen que hi ha unes 98.000^[8] seq????ncies HERV, mentre que unes altres afirmen que s??n m??s de 400.000. En qualsevol cas, s'accepta que entorn del 5-8% del genoma hum?? est?? constitu??t per genomes antigament virals. La grand??ria d'un genoma retroviral complet ??s d'entorn de 6-11 kb, per?? la majoria dels HERV s??n c??pies incompletes.

Al llarg de l'evoluci?? aquestes seq????ncies sense inter??s per al genoma hostatge han anat acumulant mutacions sense sentit i delecions que els han inactivat. Encara que la majoria de les HERV tenen milions d'anys d'antiguitat, almenys una fam??lia de retrovirus es va integrar durant la diverg??ncia evolutiva d'humans i ximpanz??s, la fam??lia HERV-K(HML2), que suposa entorn del 1% dels HERV.

[edita] Transposons d'ADN

Sota la denominaci?? de transposons de vegades s'inclouen els retrotransposons, tals com els pseudog??ns processats, els SINEs i els LINEs. En tal cas es parla de transposons de classe I per a fer refer??ncia als retrotransposons, i de classe II per a referir-se a transposons d'ADN, als quals es dedica el present apartat.

Els transposons de ADN complets posse??xen la potencialitat de autopropagar-se sense un intermediari d'ARNm seguit de retrotranscripci??. Un transpos?? cont?? en gen d'un enzim transposasa, flanquejat per repeticions invertides. El seu mecanisme de transposici?? es basa en tallar i pegar, movent la seva seq????ncia a altra localitzaci?? distinta del genoma. Els diferents tipus de transposases actuen de manera diferent, havent algunes capaces d'unir-se a qualsevol part del genoma mentre que unes altres s'uneixen a seq????ncies diana espec??fiques. La transposasa codificada pel propi transpos?? ho extreu realitzant dues corts flanqujeants en el bri d'ADN, generant extrems cohesius, i ho insereix en la seq????ncia diana en altre punt del genoma. Una ADN polimerasa emplena els buits generats pels extrems cohesius i una ADN lligasa reestablece els enlla??os fosfodi??ster, recuperant la continu??tat de la seq????ncia de ADN. Aix?? comporta una duplicaci?? de la seq????ncia diana entorn del transpos??, en la seva nova localitzaci??.

S'estima que el genoma hum?? cont?? unes 300.000 c??pies^[6] d'elements repetits dispersos originats per transposons d'ADN, constituint un 3% del genoma. Hi ha m??ltiples fam??lies, de les quals cap destacar per la seva import??ncia patog??nica per la generaci?? de reordenacions cromos??miques els elements mariner, aix?? com les fam??lies MER1 i MER2.

[edita] Variabilitat

Si b?? dos ??ssers humans del mateix sexe comparteixen un percentatge elevad??ssim (entorn del 99,9%^[6]) de la seva seq????ncia d'ADN, el que ens permet treballar amb una ??nica seq????ncia de refer??ncia, petites variacions gen??miques fonamenten bona part de la variabilitat fenot??pica interindividual. Una variaci?? en el genoma, per substituci??, deleci?? o inserci??, es denomina polimorfisme o al??lel gen??tic. No tot polimorfisme gen??tic provoca una alteraci?? en la seq????ncia d'una prote??na o del seu nivell d'expressi??, ??s a dir, molts s??n silenciosos i manquen d'expressi?? fenot??pica.

[edita] SNPs

La principal font de variabilitat en els genomes de dos ??ssers humans procedeix de les variacions en un sol nucle??tid, coneguts cin SNPs (Sengonal Nucleotide Polimorphisms), en les quals s'han centrat la major part dels estudis. Donada la seva import??ncia, en l'actualitat existeix un projecte internacional (International HapMap Project) per a catalogar a gran escala els SNPs del genoma hum??. En aquest context, la denominaci?? de SNP freq??entment es restringeix a aquells polimorfismes d'un sol nucle??tid en els quals l'al??lel menys freq??ent apareix en almenys el 1% de la poblaci??.

Els SNP s??n marcadors tetral??l??lics, at??s que en teoria en una posici?? pot haver quatre nucle??tids distints, cadascun dels quals identificaria un al??lel; no obstant aix??, en la pr??ctica solen presentar nom??s dos al??lels en la poblaci??. S'estima que la freq????ncia de SNPs en el genoma hum?? ??s d'un SNP cada 500-100 parells de bases, dels quals una part rellevant s??n polimorfismes codificants, que causen la substituci?? d'un amino??cid per un altre en una prote??na.

Gr??cies a la seva abund??ncia i que presenten una distribuci?? aproximadament uniforme en el genoma, han tingut gran utilitat com marcadors per als mapes de lligament, eina fonamental del Projecte Genoma Hum??. A m??s s??n f??cilment detectables a gran escala mitjan??ant l'ocupaci?? de microxips de DNA (comunament coneguts com microarrays).

[edita] Variaci?? estructural

Recentment, s'ha comen??at a estudiar una nova forma de variaci?? en el genoma hum??: l'estructural. Aquest tipus de variacions es refereix a duplicacions, inversions, insercions o variants en el nombre de c??pies de segments grans del genoma (en general de 1000 nucle??tids o m??s). Aquestes variants impliquen a una gran proporci?? del genoma, pel que es pensa que s??n, almenys, tan importants com els SNPs^[9].

A pesar que aquest camp d'estudi ??s relativament nou (els primers estudis a gran escala es van publicar en els anys 2004 i 2005), ha tingut un gran auge, fins al punt que s'ha creat un nou projecte per a estudiar aquest tipus de variants en els mateixos individus en els quals es va basar el Projecte HapMap.

Encara que encara queden dubtes sobre les causes d'aquest tipus de variants, cada vegada existeix m??s evid??ncia a favor que ??s un fenomen recurrent que encara cont??nua modelant i creant noves variants del genoma.

Aquest tipus de variacions han potenciat la idea que el genoma hum?? no ??s una entitat est??tica, sin?? que es troba en constant canvi i evoluci??.

[edita] Malalties gen??tiques

L'alteraci?? de la seq????ncia d'ADN que constitu??x el genoma hum?? pot causar l'expressi?? anormal d'un o m??s gens, originant un fenotip patol??gic. Les malalties gen??tiques poden estar causades per mutaci?? de la seq????ncia d'ADN, amb afectaci?? de la seq????ncia codificant (produint prote??nes incorrectes) o de seq????ncies reguladores (alterant el nivell d'expressi?? d'un gen), o per alteracions cromos??miques, num??riques o estructurals. L'alteraci?? del genoma de les c??l??lules germinals d'un individu es transmet freq??entment a la seva descend??ncia. Actualment el nombre de malalties gen??tiques conegudes ??s aproximadament de 4.000, sent la m??s comuna la fibrosi qu??stica.

L'estudi de les malalties gen??tiques freq??entment s'ha englobat dintre de la gen??tica de poblacions. Els resultats del Projecte Genoma Hum?? s??n de gran import??ncia per a la identificaci?? de noves malalties gen??tiques i per al desenvolupament de nous i millors sistemes de diagn??stic gen??tic, aix?? com per a la investigaci?? en nous tractaments, inclosa la ter??pia g??nica.

[edita] Mutacions

Les mutacions g??niques poden ser:

• Substitucions (canvis d'un nucle??tid per altre): Les substitucions es denominen transicions si suposen un canvi entre bases del mateix tipus qu??mic, o transversions si s??n un canvi purina (A,G)???pirimidina (C,T) o pirimidina???purina.

• Delecions o insercions: s??n respectivament l'eliminaci?? o addici?? d'una determinada seq????ncia de nucle??tids, de longitud variable. Les grans delecions poden afectar fins i tot a diversos gens, fins al punt de ser apreciables a nivell cromos??mic amb t??cniques de citogen??tica. Insercions o deleciones d'uns pocs parells de bases en una seq????ncia codificant poden provocar despla??ament del marc de lectura (frameshift), de manera que la seq????ncia de nucle??tids de l'ARNm es llegeix de manera incorrecta.

Les mutacions g??nica poden afectar a:

• ADN codificant: Si el canvi en un nucle??tid provoca el canvi d'un amino??cid de la prote??na la mutaci?? es denomina no sin??nima. En cas contrari es denominen sin??nimes o silencioses (possible perqu?? el codi gen??tic ??s degenerat). Les mutacions no sin??nimes aix?? mateix es classifiquen en mutacions amb canvi de sentit (missense) si provoquen el canvi d'un amino??cid per un altre, mutacions sense sentit (non-sense) si canvien un cod?? codificant per un cod?? d'aturada (TAA, TAG, TGA) o amb guany de sentit si succe??x al rev??s.

• ADN no codificant: Poden afectar a seq????ncies reguladores, promotores o implicades en l'empalmament (splicing). Aquestes ??ltimes poden causar un erroni processament de l'ARNm, amb conseq????ncies diverses en l'expressi?? de la prote??na codificada per aquest gen.

[edita] Trastorns d'un sol gen

S??n malalties gen??tiques causades per mutaci?? en un sol gen, que presenten una her??ncia de tipus mendeli??, f??cilment predictible. En la taula es resumeixen els principals patrons d'her??ncia que poden mostrar, les seves caracter??stiques i alguns exemples.

[edita] Trastorns polig??nics i multifactorials

Altres alteracions gen??tiques poden ser molt m??s complexes en la seva associaci?? amb un fenotip patol??gic. S??n les malalties multifactorials o polig??niques, ??s a dir, aquelles que estan causades per la combinaci?? de m??ltiples al??lel genot??pics i de factors ex??gens, tals com l'ambient o l'estil de vida. En conseq????ncia no presenten un patr?? hereditari clar, i la diversitat de factors etiol??gics i de risc dificulta l'estimaci?? del risc, el diagn??stic i el tractament. Alguns exemples de malalties multifactorials amb etiologia parcialment gen??tica s??n:

• Autisme
• Malaltia cardiovascular
• Hipertensi??
• Diabetis
• Obesitat
• C??ncer

[edita] Alteracions cromos??miques

Les alteracions gen??tiques poden produir-se tamb?? a escala cromos??mica (cromosomopaties), causant severs trastorns que afecten a m??ltiples gens i que en moltes ocasions s??n letals provocant avortaments prematurs. Freq??entment estan provocades per un error durant la divisi?? cel??lular, que no obstant aix?? no impedeix la seva conclusi??. Les alteracions cromos??miques reflecteixen una anormalitat en el nombre o en l'estructura dels cromosomes, pel que es classifiquen en num??riques i estructurals. Provoquen fenotips molt diversos, per?? freq??entment presenten uns trets comuns:

• Retard mental i retard del desenvolupament.
• Alteracions facials i anomalies al capdavant i coll.
• Malformacions cong??nites, amb afectaci?? preferent d'extremitats, cor, etc.

[edita] Num??riques

??s una alteraci?? del nombre normal de cromosomes d'un individu, que normalment presenta 23 parells de cromosomes (46 en total), sent cada dotaci?? cromos??mica d'un progenitor (diplo??dia). Si l'alteraci?? afecta a un nom??s parell de cromosomes es parla d'aneuplo??dia, de manera que pot haver un sol cromosoma (monosomia) o m??s de dos (trisomia, tetrasomia...). Un exemple de gran prevalen??a ??s la trisomia 21, responsable de la s??ndrome de Down. Si per contra l'alteraci?? afecta a tots els cromosomes es parla d'euplo??dia, de manera que en teoria l'individu t?? una sola dotaci?? cromos??mica (haplo??dia, 23 cromosomes en total) o m??s de dues dotacions (triplo??dia: 69 cromosomes; tetraplo??dia: 92 cromosomes...). En la pr??ctica les euplo??dies causen letalitat embrion??ria (avortaments) sent molt pocs els nascuts vius, i moren molt primerencament. Les aneuplo??dies s??n majorit??riament letals, excepte les trisomies dels cromosomes 13, 18, 21, X i Y (XXY, XYY), i la monosomia del cromosoma X. En la taula es mostren les freq????ncies de nascuts vius amb aquestes alteracions.

[edita] Estructurals

Es denominen aix?? les alteracions en l'estructura dels cromosomes, tals com les grans delecions o insercions, reordenacions del material gen??tic entre cromosomes... detectables mitjan??ant t??cniques de citogen??tica.

• Delecions: eliminaci?? d'una porci?? del genoma. Alguns trastorns coneguts s??n la s??ndrome de Wolf-Hirschhorn per deleci?? parcial del bra?? curt del cromosoma 4 (4p), i la s??ndrome de Jacobsen o deleci?? 11q terminal.

• Duplicacions: una regi?? considerable d'un cromosoma es duplica. Un exemple ??s la malaltia de Charcot-Marie-Tooth tipus 1A, que pot ser causada per duplicaci?? del gen codificant de la prote??na miel??nica perif??rica 22 (PMP22) en el cromosoma 17.

• Translocaciones: quan una porci?? d'un cromosoma es transfereix a un altre cromosoma. Hi ha dos tipus principals de translocacions: la translocaci?? rec??proca, en la qual s'intercanvien segments de dos cromosomes distints, i la translocaci?? robertsoniana, en la qual dos cromosomes acroc??ntrics (13, 14, 15, 21, 22) es fusionen pels seus [[centr??mer]s (fusi?? c??ntrica).

• Inversions: una part del genoma es trenca i es reorienta en direcci?? oposada abans de reassociar-se, amb el que aquesta seq????ncia apareix invertida. Poden ser parac??ntriques (si afecten nom??s a una bra??) o peric??ntriques (si la seq????ncia invertida inclou el centr??mer).

• Cromosomes en anells: una porci?? del genoma es trenca i forma un anell per circularitzaci??. Aix?? pot oc??rrer amb p??rdua de material o sense p??rdua de material.

• Isocromosomes: cromosomes sim??trics, amb els seus dos bra?? id??ntics per deleci?? d'un dels bra??os i duplicaci?? de l'altre. El m??s habitual ??s l'isocromosoma X, en el qual es perd el bra?? curt del cromosoma X, originant fenotips de s??ndrome de Turner.

Les s??ndromes d'inestabilitat cromos??mica s??n un grup de trastorns caracteritzats per una gran inestabilitat dels cromosomes, que sofrixen amb gran freq????ncia alteracions estructurals. Estan associats amb un augment de la malignitat de neopl??sies.

[edita] Evoluci??

Els estudis de gen??mica comparada es basen en comparan??a de seq????ncies gen??miques a gran escala, generalment mitjan??ant eines bioinform??tiques. Aquests estudis permeten aprofundir en el coneixement d'aspectes evolutius d'escala temporal i espacial molt diversa, des de l'estudi de l'evoluci?? dels primers ??ssers vius fa milers de milions d'anys o les radiacions filogen??tiques en mam??fers, fins a l'estudi de les migracions d'??ssers humans en els ??ltims 100.000 anys, que expliquen l'actual distribuci?? de les diferents races humanes.

[edita] Gen??mica comparada (entre esp??cies)

Els estudis de gen??mica comparada amb genomes de mam??fers suggereixen que aproximadament el 5% del genoma hum?? s'ha conservat evolutivament en els ??ltims 200 milions d'anys; la qual cosa inclou la gran majoria dels gens i seq????ncies reguladores. No obstant aix??, els gens i les seq????ncies reguladores actualment conegudes suposen nom??s el 2% del genoma, el que suggereix que la major part de la seq????ncia gen??mica amb gran import??ncia funcional ??s desconeguda. Un percentatge important dels gens humans presenta un alt grau de conservaci?? evolutiva. La similitud entre el genoma hum?? i el del ximpanz?? (Pan troglodytes) ??s del 98,77%. En terme mitj??, una prote??na humana es diferencia de la seva ort??loga de ximpanz?? en tan sols dos amino??cids, i gaireb?? un ter?? dels gens t?? la mateixa seq????ncia. Una difer??ncia important entre els dos genomes ??s el cromosoma 2 hum??, que ??s el producte d'una fusi?? entre els cromosomes 12 i 13 del ximpanz??^[10].

Una altra conclusi?? de la comparan??a del genoma de diferents primats ??s la notable p??rdua de gens de receptors olfactius que s'ha produ??t paral??lelament al desenvolupament de la visi?? en color (tricr??mica) durant l'evoluci?? de primats^[11].

[edita] Gen??mica comparada (entre genomes humans)

Mapa de les migracions humanes creat a partir de gen??mica comparada amb els genomes mitocondrials d'individus actuals. Els nombres de la llegenda representen milers d'anys abans del present. La l??nia blava ratllada delimita l'??rea coberta de gel o de tundra durant l'??ltima glaciaci??. Les lletres englobades per cercles indiquen els halogrups d'ADN mitocondrial; els halogrups s'usen per a definir subpoblacions gen??tiques, que freq??entment tenen una correlaci?? geogr??fica. Els principals halogrups d'ADNmt s??n: ??frica: L, L1, L2, L3. Orient pr??xim: J, N. Europa meridional: J, K. Europa (general): H, V. Europa septentrional: T, O, X. ??sia: A, B, C, D, I, F, G (en el dibuix: M est?? composta per C, D, I, i G). Nadius Americans: A, B, C, D i sovint X. Vegi's l'article: Haplogrups mitocondrials humans

Durant d??cades les ??niques evid??ncies que permetien aprofundir en el coneixement de l'origen i l'expansi?? de l'Homo sapiens han estat les escasses troballes arqueol??gics. No obstant aix??, en l'actualitat, els estudis de gen??mica comparada a partir de genomes d'individus actuals de tot el m??n, estan aportant informaci?? molt rellevant. El seu fonament b??sic consisteix a identificar un polimorfisme, una mutaci??, que s'assumeix que es va originar en un individu d'una poblaci?? ancestral, i que ha heretat tota la seva descend??ncia fins a l'actualitat. A m??s, at??s que les mutacions semblen produir-se a un ritme constant, pot estimar-se l'antiguitat d'una determinada mutaci?? sobre la base de la grand??ria de l'haplotip en el qual se situa, ??s a dir, la grand??ria de la seq????ncia conservada que flanqueja la mutaci??. Aquesta metodologia es veu complicada pel fenomen de recombinaci?? entre els parells de cromosomes d'un individu, procedents dels seus dos progenitors. No obstant aix??, hi ha dues regions en les quals no existeix dita inconvenient perqu?? presenten una her??ncia uniparental: el genoma mitocondrial (d'her??ncia matrilineal), i el cromosoma Y (d'her??ncia patrilineal).

En les ??ltimes d??cades, els estudis de gen??mica comparada basada en el genoma mitocondrial, i en menor mida en el cromosoma Y, han reportat conclusions de gran inter??s. En diversos estudis s'ha tra??at la filog??nia d'aquestes seq????ncies, estimant-se que tots els ??ssers humans actuals comparteixen un avantpassat femen?? com?? que va viure a ??frica fa uns 150.000 anys. Per la seva banda, per raons encara poc conegudes, la major converg??ncia de l'ADN del cromosoma Y estableix que l'avantpassat mascul?? com?? m??s recent data de fa uns 60.000 anys. Aquests individus han estat batejats com Eva mitocondrial i cromosoma Y d'Adan.

La major diversitat de marcadors gen??tics i en conseq????ncia, els haplotips de menor longitud, s'han trobat a ??frica. Tot la resta de la poblaci?? mundial presenta nom??s una petita part d'aquests marcadors, de manera que la composici?? gen??mica de la resta de la poblaci?? humana actual ??s nom??s un subconjunt de la qual pot apreciar-se a ??frica. Aix?? indu??x a afirmar que un petit grup d'??ssers humans (potser entorn d'un miler) va emigrar del continent afric?? cap a les costes d'??sia occidental, fa uns 50.000-70.000 anys, segons estudis basats en el genoma mitocondrial. Fa uns 50.000 anys van arribar Austr??lia i fa entorn de 40.000-30.000 anys altres subpoblacions colonitzaren Europa occidental i el centre d'??sia. Aix?? mateix, s'estima que fa 20.000-15.000 anys van arribar el continent americ?? a trav??s de l'estret de Bering (el nivell del mar era menor durant l'??ltima glaciaci??, o glaciaci?? de W??rm o Wisconsin), poblant Sud-Am??rica fa uns 15.000-12.000 anys. No obstant aix??, aquestes dades nom??s s??n estimacions, i la metodologia presenta certes limitacions. En l'actualitat, la tend??ncia ??s combinar els estudis de gen??mica comparada basats en l'ADN mitocondrial amb an??lisi de la seq????ncia del cromosoma Y.

[edita] Genoma mitocondrial

??s el genoma propi dels mitocondris de c??l??lules eucariotes. El mitocondri ??s un org??nul subcel??lular essencial en el metabolisme aerobi o oxidatiu de les c??l??lules eucariotes. El seu origen ??s endosimbiont, ??s a dir, antigament van ser organismes procariotes independents captats per una c??l??lula eucariota ancestral, amb la qual van desenvolupar una relaci?? simbi??tica. Les caracter??stiques del seu genoma, per tant, s??n molt semblants a les d'un organisme procariota actual, i el seu codi gen??tic ??s lleugerament distint al considerat universal. Per a adaptar-se al n??nxol intracel??lular i augmentar la seva taxa de replicaci??, el genoma mitocondrial s'ha anat reduint substancialment al llarg del seu coevoluci??, presentant en l'actualitat una grand??ria de 16.569 parells de bases. Aix??, la gran majoria de les prote??nes localitzades als mitocondris (1500 en mam??fers) estan codificades pel genoma nuclear (al que fan refer??ncia tots els apartats anteriors), de manera que molts d'aquests gens van ser transferits del mitocondri al nucli cel??lular durant la coevoluci?? de la c??l??lula eucariota. En la majoria de mam??fers, nom??s la femella transmet a el zigot els seus mitocondris, pel que presenten, com ja s'ha dit, un patr?? hereditari matrilineal. En general una c??l??lula humana mitjana cont?? 100-10.000 c??pies del genoma mitocondrial per cada c??l??lula, a ra?? d'unes 2-10 mol??cules d'ADN per mitocondri.

Diagrama simplificat del genoma mitocondrial. Poden apreciar-se els 37 gens i la seq????ncia origen de replicaci?? no codificant. En aquest esquema no s'assenyalen la cadena lleugera ni la pesada.

El genoma mitocondrial posseeix 37 gens:

• 13 gens codificants de prote??nes: codifiquen 13 polip??ptids que formen part dels complexos multienzim??tics de la fosforilaci?? oxidativa (sistema OXPHOS). S??n 7 subunitatss del Complex I (NADH deshidrogenasa), una subunitat del complex III (citocrom b), 3 subunitats del Complex IV (citocrom oxidasa) i 2 subunitats del Complex V (ATPsintasa).
• 2 gens ARNr, que codifiquen les dues subunitats de l'ARN ribos??mic de la matriu mitocondrial.
• 22 gens ARNt, que codifiquen els 22 ARN transferents necessaris per a la s??ntesi proteica en la matriu mitocondrial.

AL contrari del que succe??a amb el genoma nuclear, on nom??s el 1,5% era codificant, en el genoma mitocondrial el 97% correspon a seq????ncies codificants. ??s una ??nica mol??cula d'ADN de doble cadena circular. Una de les hemicadenes rep el nom de cadena pesada o cadena H, i cont?? 28 dels 37 gens (2 ARNr, 14 ARNt i 12 polip??ptids). La hemicadena complement??ria (cadena lleugera o L) codifica els 9 gens restants. En ambdues cadenes, els gens dels ARNt apareixen distribu??ts entre dos gens ARNr o codificants de prote??nes, la qual cosa ??s de gran import??ncia per al processament de l'ARN mitocondrial.

[edita] Vegeu tamb??

• Gen??tica humana

[edita] Refer??ncies