Biología (plan 1997) 2020-2

Optativas, Biología Molecular

Dr. Humberto Gutiérrez. Investigador en Ciencias Médicas. Instituto Nacional de Medicina Genómica (hgutierrez@ciencias.unam.mx).

Dr. Luis Robledo Arratia. Departamento de Biología, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (luis.robledo@inin.gob.mx).

El presente temario está dirigido a estudiantes de quinto o sexto semestre del programa de Biología y tiene por objetivo profundizar en la comprensión de la biología molecular y su importancia en la biología moderna. Con objeto de maximizar la actualización de los estudiantes en este tema, se hace especial énfasis en los desarrollos conceptuales más recientes en este campo, tanto en términos de los desarrollos tecnológicos más novedosos, como en los más modernos enfoques de gran escala de la era genómica. En la medida de lo posible, se fomentará, entre los estudiantes, la revisión y discusión de literatura científica primaria en el área.

Función y estructura del DNA

• DNA como material genético en bacterias, virus y células eucariontes (¿Cómo sabemos esto?)
• Composición química del DNA
• Estructura de doble hélice.
• Bases estructurales de la herencia

Función y estructura de proteínas

• Estructura química (primaria)
• Estructura secundaria
• Estructura terciaria
• Las proteínas como máquinas moleculares
• Dinámicas conformacionales
• Actividad enzimática
• Funciones estructurales.

Dogma central de Biología molecular

• Del gen a la proteína: Transcripción, síntesis de RNA, mecanismos específicos en procariontes y eucariontes, procesamiento alternativo y maduración de RNA
• Del gen a la proteína: Traducción (maquinaria ribosomal, código genético, preferencia del uso de aminoácidos, proteostásis, vida media y dinámicas de recambio).

Actividades enzimáticas sobre el DNA

• Enzimas de restricción
• Metilasas
• DNA polimerasas
• Topoisomerasas y helicasas.

Comportamiento dinámico del DNA 1

• Mecanismos de replicación
• Mecanismos de recombinación
• Mecanismos de reparación
• Elementos móviles, virus y retrovirus
• DNA repetitivo
• Genes y pseudogenes.

Comportamiento dinámico del DNA 2

• Niveles de plegamiento del DNA
• Estructura de la cromatina
• Metilación, cromatina y determinantes epigenéticos.

Mecanismos de regulación de expresión génica 1

• ¿Quién prende y apaga a los genes?
• Reguladores en cis
• Regulación en trans
• Regulación de la transcripción en bacterias
• RNA policistrónico y modelo del operón.

Mecanismos de regulación de expresión génica 2

• Regulación de transcripción en eucariontes
• Promotores eucariontes, enhancers, silencers
• Complejidad regulatoria
• ¿Quién regula al regulador?
• Circuitos regulatorios y su papel en la diferenciación y el desarrollo.

Tecnología y manipulación de DNA 1

• Técnicas de clonación y vectores de expresión
• Detección de DNA (amplificación PCR, RT-PCR)

• Técnicas de separación
• Inmunoprecipitación de cromatina
• Técnicas de secuenciación.

Tecnología y manipulación de DNA 2

• Mutagénesis dirigida
• Deleción dirigida de genes y generación de Knock-outs
• Knock-ins y tecnologías de transgénesis
• Edición genómica (Cirspr/Cas9).

Aproximaciones genómicas de gran escala: Genómica estructural

• Genes y cromosomas
• ¿De qué tamaño es el genoma?
• Número de genes en distintas especies
• Paradoja C
• Distribución de genes en el genoma (¿es esto al azar?).

Aproximaciones genómicas de gran escala: Genómica comparativa

• Evolución del genoma
• Tazas genómicas de sustitución neutral y reloj molecular
• Origen genómico de novedad funcional
• Duplicación genómica
• Familias génicas (ortologías, paralogías)

• Aplicaciones de genómica comparativa
• Aplicaciones de genómica comparativa intraespecie: perfiles de polimorfismos (SNPs) y estudios de asociación (GWAS).

Aproximaciones genómicas de gran escala: Genómica funcional 1

• Dinámicas globales de expresión de RNA: transcriptómica
• El transcriptoma como la expresión dinámica del genoma
• Tecnologías de análisis de expresión a gran escala: microarreglos, secuenciación de RNA (SAGE, RNAseq)
• Expression Sequence Tags (ESTs)
• Distribuciones globales de expresión génica.

Aproximaciones genómicas de gran escala: Genómica funcional 2

• Relación entre transcriptoma y fenotipo celular (¿es el cáncer un trascriptoma enfermo?)

• Análisis global de expresión diferencial
• Análisis global de patrones de co-expresion
• Detección de redes transcripcionales funcionales.

Perspectivas futuras en Biología Molecular

• Problemas abiertos en biología molecular (¿se ha descifrado el código genético?)
• ¿Cabe en el genoma la información que se requiere para crear a un organismo?
• Consideraciones éticas (¿debemos diseñar a nuestros hijos?)
• Consideraciones sociales (¿debemos patentar modificaciones genéticas?).

R E F E R E N C I A S

• Lewin, B.: Genes XI. Oxford University Press. New York, 2014.
• Lewin, B.: Genes X (versión en línea): https://archive.org/details/LewinGenesX/page/n17
• Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P., ... & Watson, J. (2002). Molecular biology of the cell. New York: Garland science; 2002.
• Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P., ... & Watson, J. (2002). Molecular biology of the cell. New York: Garland science; 4th edition. Versión en línea: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21054/
• Intro to Biotechnology: Techniques and Applications. Cambridge, MA: NPG Education, 2010 (Versión en línea: https://www.nature.com/scitable/ebooks/)
• International Human Genome Sequencing Consortium. (2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature, 409(6822), 860.
• Venter, J. C., Adams, M. D., Myers, E. W., Li, P. W., Mural, R. J., Sutton, G. G., ... & Gocayne, J. D. (2001). The sequence of the human genome. Science, 291(5507), 1304-1351.
• Genomics. Cambridge, MA: NPG Education, 2010. (Versión en línea: https://www.nature.com/scitable/ebooks/)
• Watson, J. D., & Crick, F. H. (1953). Molecular structure of nucleic acids. Nature, 171(4356), 737-738.
• ENCODE Project Consortium. (2012). An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature, 489(7414), 57.
• Shalem, O., Sanjana, N. E., & Zhang, F. (2015). High-throughput functional genomics using CRISPR–Cas9. Nature Reviews Genetics, 16(5), 299-311.
• Castillo-Morales, A., Monzón-Sandoval, J., Urrutia, A. O., & Gutiérrez, Humberto. (2019). Postmitotic cell longevity–associated genes: A transcriptional signature of postmitotic maintenance in neural tissues. Neurobiology of aging, 74, 147-160.
• Increased brain size in mammals is associated with size variations in gene families with cell signalling, chemotaxis and immune-related functions. A Castillo-Morales, J Monzón-Sandoval, AO Urrutia and Humberto Gutiérrez. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 281 (1775), 20132428
• Protein amino acid composition: a genomic signature of encephalization in mammals. Humberto Gutierrez, A Castillo, J Monzon, AO Urrutia. PloS one 6 (11), e27261.
• Correcting for differential transcript coverage reveals a strong relationship between alternative splicing and organism complexity. L Chen, SJ Bush, JM Tovar-Corona, A Castillo-Morales, AO Urrutia. Molecular biology and evolution 31 (6), 1402-1413.
• Chen, L., Tovar-Corona, J. M., & Urrutia, A. O. (2012). Alternative splicing: a potential source of functional innovation in the eukaryotic genome. International journal of evolutionary biology, 2012.