10.4: La estructura y función de los genomas celulares

Objetivos de aprendizaje

• Definir gen y genotipo y diferenciar genotipo de fenotipo
• Describir la estructura y empaquetamiento del cromosoma
• Comparar cromosomas procariotas y eucariotas
• Explicar por qué el ADN extracromosómico es importante en una célula

Hasta el momento, hemos discutido la estructura y función de piezas individuales de ADN y ARN. En esta sección, discutiremos cómo todo el material genético de un organismo, denominado colectivamente su genoma, se organiza dentro de la célula. Dado que la genética de un organismo en gran medida dicta sus características, no debería sorprender que los organismos difieran en la disposición de su ADN y ARN.

Genotipo versus Fenotipo

Todas las actividades celulares están codificadas dentro del ADN de una célula. La secuencia de bases dentro de una molécula de ADN representa la información genética de la célula. Los segmentos de las moléculas de ADN se denominan genes, y los genes individuales contienen el código de instrucción necesario para sintetizar varias proteínas, enzimas o moléculas de ARN estables.

La colección completa de genes que una célula contiene dentro de su genoma se llama su genotipo. Sin embargo, una célula no expresa todos sus genes simultáneamente. En cambio, enciende (expresa) o apaga ciertos genes cuando es necesario. El conjunto de genes que se expresan en cualquier momento determinado determina las actividades de la célula y sus características observables, denominadas su fenotipo. Los genes que siempre se expresan se conocen como genes constitutivos; algunos genes constitutivos se conocen como genes constitutivos porque son necesarios para las funciones básicas de la célula.

Si bien el genotipo de una célula permanece constante, el fenotipo puede cambiar en respuesta a señales ambientales (por ejemplo, cambios en la temperatura o disponibilidad de nutrientes) que afectan qué genes no constitutivos se expresan. Por ejemplo, la bacteria oral Streptococcus mutans produce una capa pegajosa de limo que le permite adherirse a los dientes, formando placa dental; sin embargo, los genes que controlan la producción de la capa de limo solo se expresan en presencia de sacarosa (azúcar de mesa). Así, mientras que el genotipo de S. mutans es constante, su fenotipo cambia dependiendo de la presencia y ausencia de azúcar en su ambiente. La temperatura también puede regular la expresión génica. Por ejemplo, la bacteria gramnegativa Serratia marcescens, un patógeno frecuentemente asociado a infecciones adquiridas en el hospital, produce un pigmento rojo a 28 °C pero no a 37 °C, la temperatura interna normal del cuerpo humano (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Ambas placas contienen cepas de Serratia marcescens que tienen el gen para pigmento rojo. Sin embargo, este gen se expresa a 28 °C (izquierda) pero no a 37 °C (derecha). (crédito: modificación de obra por Ann Auman)

Organización del Material Genético

La gran mayoría del genoma de un organismo está organizado en los cromosomas de la célula, que son estructuras discretas de ADN dentro de las células que controlan la actividad celular. Recordemos que si bien los cromosomas eucariotas se alojan en el núcleo unido a la membrana, la mayoría de los procariotas contienen un solo cromosoma circular que se encuentra en una zona del citoplasma llamada nucleoide (ver Características únicas de las células procariotas). Un cromosoma puede contener varios miles de genes.

Organización del Cromosoma Eucariota

La estructura cromosómica difiere algo entre las células eucariotas y procariotas. Los cromosomas eucariotas son típicamente lineales, y las células eucariotas contienen múltiples cromosomas distintos. Muchas células eucariotas contienen dos copias de cada cromosoma y, por lo tanto, son diploides.

La longitud de un cromosoma excede en gran medida la longitud de la célula, por lo que un cromosoma necesita ser empaquetado en un espacio muy pequeño para encajar dentro de la célula. Por ejemplo, la longitud combinada de todos los 3 mil millones de pares de bases ¹ del ADN del genoma humano mediría aproximadamente 2 metros si se estira completamente, y algunos genomas eucariotas son muchas veces más grandes que el genoma humano. El superenrollamiento de ADN se refiere al proceso por el cual el ADN se tuerce para encajar dentro de la célula. El superenrollamiento puede dar como resultado ADN que está subenrollado (menos de una vuelta de la hélice por 10 pares de bases) o sobreenrollado (más de una vuelta por 10 pares de bases) desde su estado relajado normal. Las proteínas que se sabe que están involucradas en el superenrollamiento incluyen las topoisomerasas; estas enzimas ayudan a mantener la estructura de los cromosomas superenrollados, evitando el sobrebobinado del ADN durante ciertos procesos celulares como la replicación del ADN.

Durante el empaquetamiento del ADN, las proteínas de unión a ADN llamadas histonas realizan varios niveles de envoltura de ADN y unión a proteínas de andamiaje. La combinación de ADN con estas proteínas unidas se conoce como cromatina. En eucariotas, el empaquetamiento del ADN por las histonas puede estar influenciado por factores ambientales que afectan la presencia de grupos metilo en ciertos nucleótidos de citosina del ADN. La influencia de los factores ambientales en el empaquetamiento del ADN se llama epigenética. La epigenética es otro mecanismo para regular la expresión génica sin alterar la secuencia de nucleótidos. Los cambios epigenéticos se pueden mantener a través de múltiples rondas de división celular y, por lo tanto, pueden ser heredables.

Enlace al aprendizaje

Vea esta animación desde el Centro de Aprendizaje de ADN para conocer más sobre el empaquetamiento de ADN en eucariotas.

Organización de Cromosomas Procariotas

Los cromosomas en bacterias y arqueas suelen ser circulares, y una célula procariota generalmente contiene solo un solo cromosoma dentro del nucleoide. Debido a que el cromosoma contiene solo una copia de cada gen, los procariotas son haploides. Al igual que en las células eucariotas, el superenrollamiento del ADN es necesario para que el genoma encaje dentro de la célula procariota. El ADN en el cromosoma bacteriano está dispuesto en varios dominios superenrollados. Al igual que con los eucariotas, las topoisomerasas están involucradas en el superenrollamiento del ADN. La ADN girasa es un tipo de topoisomerasa, que se encuentra en bacterias y algunas arqueas, que ayuda a prevenir el sobrebobinado del ADN. (Algunos antibióticos matan las bacterias al apuntar a la ADN girasa). Además, las proteínas similares a histonas se unen al ADN y ayudan en el empaquetamiento del ADN. Otras proteínas se unen al origen de replicación, la ubicación en el cromosoma donde se inicia la replicación del ADN. Debido a que las diferentes regiones de ADN se empaquetan de manera diferente, algunas regiones de ADN cromosómico son más accesibles a las enzimas y, por lo tanto, pueden usarse más fácilmente como moldes para la expresión génica. Curiosamente, se ha demostrado que varias bacterias, incluyendo Helicobacter pylori y Shigella flexneri, inducen cambios epigenéticos en sus huéspedes tras la infección, lo que lleva a la remodelación de la cromatina que puede causar efectos a largo plazo sobre la inmunidad del huésped. ²

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

1. ¿Cuál es la diferencia entre el genotipo de una célula y su fenotipo?
2. ¿Cómo encaja el ADN dentro de las células?

ADN no codificante

Además de los genes, un genoma también contiene muchas regiones de ADN no codificante que no codifican proteínas o productos de ARN estables. El ADN no codificante se encuentra comúnmente en áreas previas al inicio de secuencias codificantes de genes así como en regiones intergénicas (es decir, secuencias de ADN localizadas entre genes) (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Los cromosomas suelen tener una cantidad significativa de ADN no codificante, que a menudo se encuentra en regiones intergénicas.

Los procariotas parecen usar sus genomas de manera muy eficiente, con solo un promedio de 12% del genoma siendo absorbido por secuencias no codificantes. En contraste, el ADN no codificante puede representar aproximadamente 98% del genoma en eucariotas, como se ve en humanos, pero el porcentaje de ADN no codificante varía entre especies. ³ Estas regiones de ADN no codificantes alguna vez fueron referidas como “ADN basura”; sin embargo, esta terminología ya no es ampliamente aceptada porque los científicos han encontrado papeles para algunas de estas regiones, muchas de las cuales contribuyen a la regulación de la transcripción o traducción a través de la producción de pequeñas moléculas de ARN no codificantes, empaquetamiento de ADN y estabilidad cromosómica. Aunque es posible que los científicos no comprendan completamente los roles de todas las regiones no codificantes del ADN, generalmente se cree que tienen propósitos dentro de la célula.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Cuál es el papel del ADN no codificante?

ADN extracromosómico

Aunque la mayor parte del ADN está contenido dentro de los cromosomas de una célula, muchas células tienen moléculas adicionales de ADN fuera de los cromosomas, llamadas ADN extracromosómico, que también forman parte de su genoma. Los genomas de las células eucariotas también incluirían los cromosomas de cualquier orgánulo como mitocondrias y/o cloroplastos que estas células mantengan (Figura\(\PageIndex{3}\)). El mantenimiento de los cromosomas circulares en estos orgánulos es vestigio de sus orígenes procariotas y apoya la teoría endosimbiótica (ver Fundamentos de la Teoría Celular Moderna). En algunos casos, los genomas de ciertos virus de ADN también se pueden mantener independientemente en las células hospedadoras durante la infección viral latente. En estos casos, estos virus son otra forma de ADN extracromosómico. Por ejemplo, el virus del papiloma humano (VPH) puede mantenerse en células infectadas de esta manera.

Figura\(\PageIndex{3}\): El genoma de una célula eucariota consiste en el cromosoma alojado en el núcleo, y ADN extracromosómico que se encuentra en las mitocondrias (todas las células) y cloroplastos (plantas y algas).

Además de los cromosomas, algunos procariotas también tienen bucles de ADN más pequeños llamados plásmidos que pueden contener uno o algunos genes no esenciales para el crecimiento normal (Figura 3.3.1). Las bacterias pueden intercambiar estos plásmidos con otras bacterias en un proceso conocido como transferencia génica horizontal (HGT). El intercambio de material genético en plásmidos a veces proporciona microbios con nuevos genes beneficiosos para el crecimiento y supervivencia en condiciones especiales. En algunos casos, los genes obtenidos de plásmidos pueden tener implicaciones clínicas, codificando factores de virulencia que dan a un microbio la capacidad de causar enfermedad o hacer que un microbio sea resistente a ciertos antibióticos. Los plásmidos también se utilizan mucho en ingeniería genética y biotecnología como una forma de mover genes de una célula a otra. El papel de los plásmidos en la transferencia horizontal de genes y la biotecnología se discutirá más a fondo en Mecanismos de Genética Microbiana y Aplicaciones Modernas de Genética

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

¿Cómo intervienen los plásmidos en la resistencia a los antibióticos?

Plásmidos Letales

María, una estudiante de antropología de 20 años de Texas, recientemente enfermó en la nación africana de Botswana, donde estaba realizando investigaciones como parte de un programa de estudios en el extranjero. La investigación de María se centró en los métodos tradicionales africanos de curtir pieles para la producción de cuero. Durante un periodo de tres semanas, visitó diariamente una curtiduría durante varias horas para observar y participar en el proceso de curtido. Un día, después de regresar de la curtiduría, María desarrolló fiebre, escalofríos y dolor de cabeza, junto con dolor en el pecho, dolores musculares, náuseas y otros síntomas similares a la gripe. Al principio no le preocupaba, pero cuando su fiebre se disparaba y empezó a toser sangre, su familia de acogida africana se alarmó y la llevó de urgencia al hospital, donde su condición siguió empeorando.

Después de enterarse de su reciente trabajo en la curtiduría, la médica sospechó que María había estado expuesta al ántrax. Ordenó una radiografía de tórax, una muestra de sangre y una punción espinal, e inmediatamente la inició con un ciclo de penicilina intravenosa. Desafortunadamente, las pruebas de laboratorio confirmaron el diagnóstico presuntivo del médico. La radiografía de tórax de María mostró derrame pleural, la acumulación de líquido en el espacio entre las membranas pleurales y una tinción de Gram de su sangre reveló la presencia de bacterias grampositivas en forma de varilla en cadenas cortas, consistentes con Bacillus anthracis. También se demostró que la sangre y las bacterias estaban presentes en su líquido cefalorraquídeo, lo que indica que la infección había progresado a meningitis. A pesar del tratamiento de apoyo y la terapia antibiótica agresiva, María se deslizó en un estado de inrespuesta y murió tres días después.

El ántrax es una enfermedad causada por la introducción de endosporas de la bacteria grampositiva B. anthracis en el cuerpo. Una vez infectados, los pacientes suelen desarrollar meningitis, a menudo con resultados fatales. En el caso de María, inhaló las endosporas mientras manejaba las pieles de animales que habían sido infectados.

El genoma de B. anthracis ilustra cómo pequeñas diferencias estructurales pueden conducir a grandes diferencias en la virulencia. En 2003 se secuenciaron y compararon los genomas de B. anthracis y Bacillus cereus, una bacteria similar pero menos patógena del mismo género. ⁴ Los investigadores descubrieron que las secuencias génicas del ARNr 16S de estas bacterias son más del 99% idénticas, lo que significa que en realidad son miembros de la misma especie a pesar de su clasificación tradicional como especies separadas. Aunque sus secuencias cromosómicas también revelaron una gran similitud, se encontró que varios factores de virulencia de B. anthracis estaban codificados en dos plásmidos grandes no encontrados en B. cereus. El plásmido pX01 codifica una toxina de tres partes que suprime el sistema inmune del huésped, mientras que el plásmido pX02 codifica un polisacárido capsular que protege adicionalmente a la bacteria del sistema inmune del huésped (Figura\(\PageIndex{4}\)). Dado que B. cereus carece de estos plásmidos, no produce estos factores de virulencia, y aunque sigue siendo patógena, generalmente se asocia con casos leves de diarrea de los que el cuerpo puede recuperarse rápidamente. Desafortunadamente para María, la presencia de estos plásmidos codificantes de toxinas en B. anthracis le da su virulencia letal.

Figura\(\PageIndex{4}\): La secuenciación genómica de Bacillus anthracis y su pariente cercano B. cereus revela que la patogenicidad de B. anthracis se debe al mantenimiento de dos plásmidos, pX01 y pX02, que codifican factores de virulencia.

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

¿Qué crees que pasaría con la patogenicidad de B. anthracis si perdiera uno o ambos de sus plásmidos?

Foco Clínico: Resolución

Dentro de las 24 horas, los resultados de la prueba diagnóstica de la muestra de heces de Alex revelaron que fue positiva para enterotoxina lábil al calor (LT), enterotoxina termoestable (ST) y factor de colonización (CF), confirmando la sospecha del médico hospitalario de ETEC. Durante un seguimiento con el médico de familia de Alex, este médico señaló que los síntomas de Alex no se estaban resolviendo rápidamente y estaba experimentando molestias que le impidieron regresar a clases. El médico de familia le recetó a Alex un curso de ciprofloxacino para resolver sus síntomas. Afortunadamente, el ciprofloxacino resolvió los síntomas de Alex en pocos días.

Alex probablemente contrajo su infección por ingerir alimentos o agua contaminados. Los países industrializados emergentes como México siguen desarrollando prácticas de saneamiento que impiden la contaminación del agua con materia fecal. Los viajeros en esos países deben evitar la ingestión de alimentos poco cocidos, especialmente carnes, mariscos, verduras y productos lácteos no pasteurizados. También deben evitar el uso de agua que no haya sido tratada; esto incluye agua potable, cubitos de hielo e incluso agua utilizada para cepillarse los dientes. El uso de agua embotellada para estos fines es una buena alternativa. Una buena higiene (lavado de manos) también puede ayudar a prevenir una infección ETEC. Alex no había tenido cuidado con su consumo de comida o agua, lo que provocó su enfermedad.

Los síntomas de Alex fueron muy similares a los del cólera, causados por la bacteria gramnegativa Vibrio cholerae, que también produce una toxina similar a ST y LT. En algún momento de la historia evolutiva de ETEC, una cepa no patógena de E. coli similar a las que se encuentran típicamente en el intestino puede haber adquirido los genes que codifican las toxinas ST y LT de V. cholerae. El hecho de que los genes que codifican esas toxinas estén codificados en plásmidos extracromosómicos en ETEC respalda la idea de que estos genes fueron adquiridos por E. coli y probablemente se mantengan en poblaciones bacterianas a través de la transferencia horizontal de genes.

Genomas Virales

Los genomas virales presentan una diversidad significativa en la estructura. Algunos virus tienen genomas que consisten en ADN como material genético. Este ADN puede ser monocatenario, como se ejemplifica por parvovirus humanos, o bicatenario, como se ve en los herpesvirus y poxvirus. Adicionalmente, aunque toda la vida celular utiliza el ADN como material genético, algunos genomas virales están hechos de moléculas de ARN monocatenario o bicatenario, como hemos comentado. Los genomas virales suelen ser más pequeños que la mayoría de los genomas bacterianos, codificando solo unos pocos genes, ya que dependen de sus huéspedes para llevar a cabo muchas de las funciones requeridas para su replicación. La diversidad de estructuras genómicas virales y sus implicaciones para los ciclos de vida de replicación viral se discuten con más detalle en El ciclo de vida viral.

Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

¿Por qué los genomas virales varían ampliamente entre los virus?

El tamaño del genoma importa

Existe una gran variación en el tamaño de los genomas entre diferentes organismos. La mayoría de los eucariotas mantienen múltiples cromosomas; los humanos, por ejemplo, tienen 23 pares, dándoles 46 cromosomas. A pesar de ser grande con 3 mil millones de pares de bases, el genoma humano está lejos del genoma más grande. Las plantas a menudo mantienen genomas muy grandes, hasta 150 mil millones de pares de bases, y comúnmente son poliploides, teniendo múltiples copias de cada cromosoma.

El tamaño de los genomas bacterianos también varía considerablemente, aunque tienden a ser más pequeños que los genomas eucariotas (Figura\(\PageIndex{5}\)). Algunos genomas bacterianos pueden ser tan pequeños como solo 112,000 pares de bases. A menudo, el tamaño del genoma de una bacteria se relaciona directamente con cuánto depende la bacteria de su huésped para sobrevivir. Cuando una bacteria depende de la célula huésped para llevar a cabo ciertas funciones, pierde los genes que codifican las habilidades para llevar a cabo esas funciones por sí misma. Estos tipos de endosimbiontes bacterianos recuerdan los orígenes procariotas de las mitocondrias y los cloroplastos.

Desde una perspectiva clínica, los patógenos intracelulares obligados también tienden a tener genomas pequeños (alrededor de 1 millón de pares de bases). Debido a que las células hospedadoras suministran la mayoría de sus nutrientes, tienden a tener un número reducido de genes que codifican funciones metabólicas. Debido a sus pequeños tamaños, los genomas de organismos como Mycoplasma genitalium (580,000 pares de bases), Chlamydia trachomatis (1.0 millones), Rickettsia prowazekii (1.1 millones) y Treponema pallidum (1.1 millones) fueron algunos de los genomas bacterianos anteriores secuenciado. Respectivamente, estos patógenos causan uretritis e inflamación pélvica, clamidia, tifus y sífilis.

Mientras que los patógenos intracelulares obligados tienen genomas inusualmente pequeños, otras bacterias con una gran variedad de capacidades metabólicas y enzimáticas tienen genomas bacterianos inusualmente grandes. Pseudomonas aeruginosa, por ejemplo, es una bacteria que se encuentra comúnmente en el medio ambiente y es capaz de crecer en una amplia gama de sustratos. Su genoma contiene 6.3 millones de pares de bases, lo que le confiere una alta capacidad metabólica y la capacidad de producir factores de virulencia que causan varios tipos de infecciones oportunistas.

Curiosamente, también ha habido una variabilidad significativa en el tamaño del genoma en virus, que va desde 3,500 pares de bases hasta 2.5 millones de pares de bases, superando significativamente el tamaño de muchos genomas bacterianos. La gran variación observada en los tamaños del genoma viral contribuye aún más a la gran diversidad de características del genoma viral ya discutidas.

Figura\(\PageIndex{5}\): Existe una gran variabilidad así como solapamiento entre los tamaños genómicos de diversos grupos de organismos y virus.

Enlace al aprendizaje

Visite la base de datos del genoma del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) para ver los genomas que han sido secuenciados y sus tamaños.

Conceptos clave y resumen

• Todo el contenido genético de una célula es su genoma.
• Los genes codifican proteínas, o moléculas de ARN estables, cada una de las cuales realiza una función específica en la célula.
• Aunque el genotipo que posee una célula permanece constante, la expresión de genes depende de las condiciones ambientales.
• Un fenotipo es las características observables de una célula (u organismo) en un momento dado y resulta del complemento de genes que se están utilizando actualmente.
• La mayor parte del material genético está organizado en cromosomas que contienen el ADN que controla las actividades celulares.
• Los procariotas son típicamente haploides, por lo general tienen un solo cromosoma circular que se encuentra en el nucleoide. Los eucariotas son diploides; el ADN se organiza en múltiples cromosomas lineales que se encuentran en el núcleo.
• El superenrollado y el empaquetamiento de ADN usando proteínas de unión a ADN permiten que moléculas largas encajen dentro de una célula. Los eucariotas y las arqueas usan proteínas histonas, y las bacterias usan diferentes proteínas con función similar.
• Los genomas procariotas y eucariotas contienen ADN no codificante, cuya función no se entiende bien. Algunos ADN no codificantes parecen participar en la formación de pequeñas moléculas de ARN no codificantes que influyen en la expresión génica; algunos parecen desempeñar un papel en el mantenimiento de la estructura cromosómica y en el empaquetamiento del ADN.
• El ADN extracromosómico en eucariotas incluye los cromosomas encontrados dentro de orgánulos de origen procariótico (mitocondrias y cloroplastos) que evolucionaron por endosimbiosis. Algunos virus también pueden mantenerse extracromosómicamente.
• El ADN extracromosómico en procariotas se mantiene comúnmente como plásmidos que codifican algunos genes no esenciales que pueden ser útiles en condiciones específicas. Los plásmidos se pueden propagar a través de una comunidad bacteriana mediante transferencia génica horizontal.
• Los genomas virales muestran una amplia variación y pueden estar compuestos por ARN o ADN, y pueden ser bicatenarios o monocatenarios.

Notas al pie

1. 1 Instituto Nacional de Investigaciones del Genoma Humano. “La finalización del proyecto del genoma humano: preguntas frecuentes”. https://www.genome.gov/11006943. Accedido junio 10, 2016
2. 2 H. Bierne et al. “Epigenética e Infecciones Bacterianas”. Cold Spring Harbor Perspectivas en Medicina 2 núm. 12 (2012) :a010272.
3. 3 R.J. Taft et al. “La relación entre el ADN no codificante de proteínas y la complejidad eucariota”. Bioensayos 29 núm. 3 (2007) :288—299.
4. 4 N. Ivanova et al. “Secuencia Genómica de Bacillus cereus y Análisis Comparativo con Bacillus anthracis.” Naturaleza 423 núm. 6935 (2003) :87—91.