Un resumen de la expresión génica

Genetics

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Summary

Expresión génica es el proceso complejo que una célula utiliza su información genética para hacer productos funcionales. Este proceso está regulado a múltiples etapas, y cualquier misregulation podría conducir a enfermedades como el cáncer.

Este video pone de relieve importantes descubrimientos históricos relativos a la expresión de genes, incluyendo el entendimiento de cómo distintas combinaciones de bases de ADN codifican los aminoácidos que componen las proteínas. Preguntas clave en el campo de la investigación de expresión génica son exploradas, seguida por una discusión de varias técnicas utilizadas para medir la expresión génica e investigar su regulación. Por último, veremos cómo los científicos actualmente están utilizando estas técnicas para el estudio de expresión génica.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la genética. Un resumen de la expresión génica. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Expresión génica es el proceso donde la información contenida en el ADN de la célula se utiliza para hacer productos funcionales. Este procedimiento cuidadosamente orquestada está regulada en varias etapas, y misregulation a menudo puede resultar en enfermedades como el cáncer.

Este vídeo ofrece un resumen de la historia de gene expresión investigación, preguntas claves, métodos en el campo y cómo se aplican estas técnicas.

Comenzaremos revisando algunos importantes descubrimientos sobre la expresión génica.

El primer modelo convincente de cómo el ADN podría llevar información genética fue establecido en 1953, cuando Francis Crick y James Watson, con la ayuda de los datos de Rosalind Franklin, resuelven la estructura del ADN, una doble hélice de dos cadenas lineales de bases de nucleótidos que están dispuestos en una secuencia definida, pero infinitamente variable.

Cinco años más tarde, Crick propuso dos ideas importantes que formarían la columna vertebral de nuestra comprensión de la expresión génica. Su "hipótesis de la secuencia" sugieren que secuencia de nucleótidos del ADN es, por medio de un inestable RNA intermedio, como un código de secuencias de aminoácidos de proteínas. Al mismo tiempo, su "dogma central" hipótesis de los diferentes flujos de información genética que puede ocurrir y en particular, sostuvo que información no puede transferirse de proteína a los ácidos nucleicos.

En 1960, François Jacob y Jacques Monod — a través de su trabajo en metabolizar lactosa los genes en las bacterias — propuso un modelo para la regulación de la expresión génica. Sugiere que la expresión de "genes estructurales," que realizan funciones estructurales o enzimáticas, es controlada por los productos de "genes reguladores" que se unen a sitios regulatorios adyacentes. Ahora sabemos que substancialmente similares modos de regulación génica mediada por proteínas llamadas factores de transcripción, se producen en todos los organismos.

Un año más tarde, en 1961, Jacob, junto con Sydney Brenner, descubierto messenger o "m"-RNA como el intermedio inestable entre el ADN y las proteínas propuesto por Crick. Ese mismo año, Brenner y Crick comenzaron a agrietarse el "código genético", que dicta cómo la información en el ADN codifica proteínas. Determinaron que cada triplete de nucleótidos adyacentes, o un "codón", especifica uno de los 20 aminoácidos que constituyen las proteínas.

En los próximos años, investigadores liderado por Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana y Severo Ochoa utiliza múltiples enfoques para definir los aminoácidos codificados por los 64 codones posibles. Con el agrietarse de código genético, los científicos continuaron investigar cómo se regula la expresión génica.

Un descubrimiento importante vino en 1974, cuando Roger Kornberg y sus colegas demostraron que la DNA en las células eucariotas, como las de animales y plantas, es "envuelto" alrededor de los complejos de proteínas histonas, produciendo estructuras que ahora se llama "nucleosomas". Ahora sabemos que cambios en la estructura de la cromatina desempeñan papeles importantes en la regulación génica.

Otra vuelta de tuerca se produjo en 1977, cuando Phil Sharp y Rich Roberts encontraron que secuencias de mRNA no eran totalmente complementarias a sus correspondientes plantillas de la DNA. Ciertas "falta"regiones, que ahora se llaman intrones, se quitan entre los exones de la codificación de la proteína en la transcripción de RNA maduro en un proceso conocido como "splicing". Cinco años más tarde, el grupo de investigación de Ronald Evans demostraron que el empalme "alternativo" de la transcripción del mismo podría producir variantes o "isoformas de," de la misma proteína con funciones diferentes.

Desde 1990, nuestra comprensión de la complejidad de redes reguladoras del gene ampliado dramáticamente con el descubrimiento de silenciamiento génico mediado por RNA. Ahora sabemos que varias familias diferentes de small RNAs, con miembros que son 20−30 nucleótidos de tamaño, regulan la expresión del gene en una variedad de maneras.

Después de revisar la historia de gene expresión investigación, echemos un vistazo a algunas preguntas importantes en el campo.

Un tema que está investigando es cómo los factores de transcripción regulan genes. Los científicos no sólo están interesados en la identificación de las secuencias genómicas limitadas por factores de transcripción, pero son también buscan proteínas reguladoras cómo interactúan entre sí para integrar señales y regular la expresión génica.

Otros investigadores estudian splicing alternativo, y cómo este proceso está regulado en diferentes contextos biológicos. Además, algunos de ellos están intentando determinar si isoformas de la proteína siempre tienen funciones diferentes, distintas.

Finalmente, muchos investigadores están investigando el mecanismo de acción de ARNs pequeños y están tratando de identificar sus objetivos regulatorios. También hay un creciente interés en si pequeño RNAs pueden utilizarse como "biomarcadores" para diagnosticar enfermedades.

Ahora, echemos un vistazo a las herramientas de los investigadores utilizan para evaluar la expresión génica.

Un método popular es transcripción inversa o "RT"-PCR, que convierte el RNA en complementaria o "c"-ADN antes de someterlo a la amplificación. Mediante la inclusión de moléculas fluorescentes que se incorporan en la DNA durante PCR, es posible utilizar esta técnica para medir cuantitativamente la expresión génica y observar los resultados en "tiempo real".

Evaluar simultáneamente la expresión de miles de genes, puede ser utilizado microarrays. Aquí, las secuencias de ADN se "imprimen" en diapositivas, que están cruzado por hibridación para sondas fluorescentes generadas a partir de RNA de la muestra. El patrón resultante de fluorescencia puede utilizarse para identificar genes expresados.

Otra técnica a la expresión de gene de perfil es secuenciar el transcriptoma, o todos los RNAs expresados en una célula. Aquí, cDNA generado a partir de muestras de RNA está sometida a la secuenciación de alto rendimiento. A diferencia de microarrays, secuenciación de transcriptoma no requiere información genómica preexistente y puede utilizarse para identificar desconocidas transcripciones o isoformas de gene nuevo.

Los investigadores pueden evaluar también visualmente cuando se exprese un gen mediante hibridación en situ . En esta técnica, RNA primero se hibridó con sondas complementarias, que luego pueden ser reconocidas por los anticuerpos conjugados con enzimas que producen una señal visual de color o fluorescencia.

El ensayo del periodista es otra técnica que puede proporcionar la penetración en la regulación génica. El producto del gene del reportero genera una señal como el color o la fluorescencia. El reportero tal vez fusionada directamente con un gen de interés, o colocarse bajo el control de una secuencia reguladora, como el promotor que controla la transcripción de un gen, o un elemento reforzador distante más. La señal de reportero puede entonces actuar como lectura para la actividad del elemento regulador o el patrón de expresión del gen de interés.

Finalmente, la inmunoprecipitación de cromatina o "ChIP" puede utilizarse para identificar los sitios genómicos que factores de transcripción se unen al regulación de la expresión génica. Aquí, los complejos de proteínas y el ADN se unen están aislados por los anticuerpos y el ADN diana está identificado por PCR o secuenciación.

Después de examinar los métodos para el estudio de expresión génica, echemos un vistazo a algunas de sus aplicaciones.

Las células dentro de una población pueden exhibir diferencias sutiles en la expresión génica que puede tener consecuencias biológicas. En este estudio, los investigadores colocan células de madre embrionarias humanas individuales de la misma cultura en pocillos distintos de una placa. Usando RT-PCR cuantitativa, los científicos determinaron que la expresión de Nanog,una "marcador" de la célula de vástago, diferenciado dentro de una muestra.

Algunos investigadores investigan si diferentes isoformas de proteínas reguladoras de la función diferentemente. Aquí, ChIP fue aplicado a las células inmunes humanas para identificar los objetivos de la Unión de una proteína "largo" y "corto" isoformas. Resultados de la secuencia demostró que algunos objetivos gene sólo fueron reconocidos por la isoforma corta, apuntando a posibles diferencias funcionales.

Por último, ensayos reportero pueden utilizarse para evaluar la regulación génica mediada por RNAs pequeño, como microRNAs. MicroRNAs pueden inhibir la expresión génica al unirse a las regiones de 3¢ sin traducir de mRNAs, científicos une esta región de diferentes genes a un reportero de luciferasa como cada uno de ellos introducen células junto con un microRNA. Entonces se identificaron objetivos gene de lo microARN buscando las células con la señal de luminiscencia disminuida.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la expresión génica. Hemos analizado resultados importantes en la investigación de expresión del gene, prominente preguntas y métodos en el campo y algunas aplicaciones actuales. ¡Como siempre, gracias por ver!

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