3.9: Intrones y Exones

Múltiples intrones grandes pueden hacer que algunos genes eucariotas sean muy grandes. Los genes eucariotas se pueden dividir en muchos (>60), a veces exones muy pequeños (por ejemplo <60 pb, codificando 100kb <20 amino acids), separated by very large introns (as large as >), dando como resultado algunos genes enormes (>500 kb). Por ejemplo, el gen DMD (que cuando muta puede causar distrofia muscular de Duchenne) es de casi 1 Mb, ¡aproximadamente 1/4 del tamaño del cromosoma de E. coli! El tamaño promedio de los genes de organismos más complejos es considerablemente mayor que los de los más simples, pero el tamaño promedio del ARNm es aproximadamente el mismo, reflejando la presencia de cada vez más intrones más grandes en los organismos más complejos. Los genes de ARNt y ARNr también contienen intrones

Encontrar exones en secuencias genómicas largas usando programas de computadora

Se han descubierto muchos más exones e intrones (o más exactamente, predichos) a través del análisis de secuencias de ADN genómico de los que jamás se podrían descubrir mediante experimentación directa. Los diferentes tipos de exones, la enorme longitud de los intrones y otros factores han complicado la tarea de encontrar firmas diagnósticas confiables para exones en secuencias genómicas. Sin embargo, se han logrado avances considerables y continúan en las investigaciones actuales. Algunos de los enfoques comúnmente utilizados se resumen en la Figura 3.27.

Figura 3.27. Los intrones en el gen de la b-globina se pueden identificar de manera confiable computat

Los intrones se eliminan mediante el empalme de precursores de ARN

Figura 3.28. Los intrones se retiran del pre-ARNm para generar ARNm.

El corte y empalme alternativo genera más de un polipéptido del mismo gen

Figura 3.29.

Algunos segmentos de ARN pueden estar incluidos en el ARNm maduro (exones) pero no incluidos en otros productos empalmados. Los productos alternativos pueden realizarse en diferentes tejidos o en diferentes etapas de desarrollo, es decir, se puede regular el empalme alternativo.

Los genes divididos pueden mejorar la tasa de evolución

Muchos exones codifican una unidad muy cercana a un dominio proteico, por ejemplo, los exones de leghemoglobina, o las regiones variables y constantes de inmunoglobulinas, o dominios (por ejemplo, “kringle”) en el precursor de EGF que también se encuentran en parte del receptor de LDL. La organización exónica tiende a estar bien conservada en especies altamente divergentes. Los intrones tienden a ocurrir entre aquellas porciones de genes que codifican dominios estructurales de proteínas.

La duplicación de los exones que codifican dominios estructurales y la posterior recombinación pueden conducir a una evolución más rápida de una nueva proteína, esencialmente utilizando las partes de genes evolucionados anteriormente. Análogamente a construir una casa a partir de piezas prefabricadas, a diferencia de un clavo y una tabla a la vez, comience con paredes preensambladas, vigas de techo, etc.

Sin embargo, la relación entre los exones y los dominios estructurales de las proteínas no es exacta, y algunos límites exón-intrón varían (un poco) en genes para diferentes especies. Un modelo diferente sostiene que los intrones son elementos transponibles (algunos ciertamente lo son, ver más adelante). Pueden insertarse en cualquier parte de un gen, pero son menos disruptivas en los límites del dominio, y es más probable que estas últimas inserciones se fijen en una población que las inserciones en la mitad de una región que codifica un dominio. Entonces los resultados después de largos años de evolución es que los intrones tienden a estar entre dominios codificantes de regiones, pero el gen estaba originalmente intacto, no ensamblado a partir de exones discretos.

Familias multigénicas y grupos de genes

Muchos genes eucariotas se encuentran en múltiples copias. Algunos de ellos están regulados por el desarrollo, como los grupos de genes HOX y los grupos de genes de globina.

Figura 3.30.

Una familia multigénica contiene múltiples genes de secuencia similar que codifican proteínas similares; por ejemplo, genes de globina (Figura 3.30). Los genes de globina se expresan en diferentes momentos de desarrollo. El orden de expresión del desarrollo es el mismo que su orden a lo largo del cromosoma, por ejemplo, el gen de la e-globina se expresa en los glóbulos rojos embrionarios tempranos, el gen de la g-globina se expresa a un nivel alto en los glóbulos rojos fetales y el gen de la b-globina se expresa en los glóbulos rojos después del nacimiento. Como veremos más adelante, esto se correlaciona con su distancia desde un elemento de control dominante en el extremo 5' del cúmulo, la Región Control del Locus.

El orden de los genes HOX también se alinea con su expresión espacial en el embrión. Este es otro ejemplo de alineación entre la posición cromosómica y la regulación de la expresión.

Otras familias multigénicas incluyen las que codifican histonas, inmunoglobulinas, actinas, ciclinas, proteínas quinasas dependientes de ciclina y ARNr. Algunas de estas familias están unidas en grupos de genes, pero otras están dispersas alrededor del genoma. Tener múltiples copias de genes puede ser más la regla que la excepción en genomas eucariotas.

Las técnicas experimentales que revelan familias multigénicas incluyen las siguientes.

La purificación y el análisis de un tipo particular de proteína, por ejemplo, hemoglobinas, inmunoglobulinas y muchas enzimas, pueden revelar heterogeneidad. La purificación adicional (vía cromatografía y electroforesis) y la secuenciación pueden mostrar que la heterogeneidad observada es el resultado de proteínas relacionadas pero no idénticas, y se deduce que estas proteínas similares están codificadas por múltiples genes con secuencias similares, es decir, una familia multigénica.

El análisis de los clones obtenidos mediante el cribado de una biblioteca de ADN genómico clonado puede revelar múltiples secuencias relacionadas, cada una con un mapa de restricción distintivo. En muchos casos se trata de clones de diferentes genes relacionados que comprenden una familia multigénica (Figura 3.31).

La hibridación de transferencia Southern del ADN genómico escindido por restricción puede revelar múltiples copias de genes, simplemente como múltiples bandas en la transferencia hibridada. Aunque el número de fragmentos generados a partir del ADN genómico total es demasiado para resolverse en un gel, después de la transferencia a una membrana, fragmentos particulares pueden visualizarse mediante hibridación con una sonda específica. El número de fragmentos de hibridación se correlaciona aproximadamente con el número de copias de genes relacionados. Algunos genes son escindidos por la enzima de restricción, produciendo múltiples bandas, pero algunos fragmentos pueden tener múltiples genes. Una verdadera medida del número de genes relacionados proviene de un mapeo de restricción o secuenciación más detallado.

Figura 3.31. Análisis de hibridación por transferencia de clones de ADN genómico y ADN genómico que muestra que hay múltiples copias de genes presentes. Un conjunto de clones superpuestos que contenían ADN genómico de conejo se digirieron y se procesaron en un gel de agarosa (panel A), se transfirieron a una membrana y se hibridaron con una sonda radiomarcada que detectó genes de hemoglobina embrionaria y se expusieron a película de rayos X. El autorradiograma resultante se muestra en el panel B. El panel C muestra los resultados de un análisis de hibridación por transferencia de ADN genómico total de conejo, utilizando la misma sonda. Muchas de las mismas bandas se ven como en el ADN clonado, lo que confirma la existencia de múltiples fragmentos de hibridación. El mapeo de los fragmentos mostró que representaban genes separados.

Mantener homogéneas las familias multigénicas

A veces, múltiples copias de genes se mantienen prácticamente idénticas a lo largo de la evolución: por ejemplo, genes de ARNr, genes de histonas, genes de a-globina (en primates). En estos casos, las copias múltiples están coevolucionando (evolución concertada).

diferencias de secuencia

Humano: A | A | A | entre los genes humanos: 1%

entre humanos y chimpancés 5%

Chimpancé: A | A | A | entre los genes de chimpancés: 1%

entre chimpancé y mono 10%

Mono: A | A | A | entre los genes de mono: 1%

Dado que los tres primates tienen 3 genes A, inferimos que el ancestro común tenía 3 genes (las duplicaciones precedieron a los eventos de especiación). Si en el tiempo transcurrido desde que el humano y el chimpancé divergieron, los genes A han divergido 5%, ¿por qué los genes A en humanos (e.g.) también divergieron 5% entre sí? ¡Han estado separados incluso más tiempo que los cromosomas humanos y chimpancés que los portan! Los genes A dentro de una especie están “hablando entre sí”, o co-evolucionando o evolucionando en concierto.

La homogeneidad de secuencia en una familia multigénica puede surgir debido a la reciente amplificación génica (Figura 3.32 part1). En este caso los genes no han estado separados entre sí el tiempo suficiente para acumular variación en sus secuencias. Otras familias multigénicas han existido desde hace mucho tiempo, pero mantienen la homogeneidad de la secuencia a pesar de la amplia oportunidad de divergencia. Se han visto dos mecanismos que mantienen similitud. El primero son múltiples rondas de cruce desigual. Como se ilustra en la Figura 3.32, parte 2, las expansiones y contracciones de genes repetidos pueden dar como resultado una nueva variante predominante en la agrupación de genes. El otro método para mantener la homogeneidad es la conversión génica entre homólogos. Cuando surge una nueva mutación, se puede eliminar por conversión con el alelo no mutado, o la mutación puede transmitirse al otro alelo. De cualquier manera, las secuencias de los dos alelos se vuelven iguales.

En ocasiones los productos de las duplicaciones génicas, o transposiciones duplicativas, acumulan mutaciones por lo que ya no son funcionales. Estos remanentes de genes que alguna vez estuvieron activos se denominan pseudogenes.

Figura 3.32.