Biología (plan 1997) 2023-1

Optativas, Biología Molecular

BIOLOGIA MOLECULAR (OPTATIVA)

Prof. Dr. César N. Cortés Rubio ................. caesar23@ciencias.unam.mx

Prof. Dra. Nadia A. Rivero Segura............... nrivero@inger.gob.mx

Objetivos del curso:

• Que los alumnos comprendan, consoliden y manejen los conceptos relacionados con el flujo de la información genética desde el punto de vista del Dogma Central de la Biología Molecular.
• Que los alumnos integren aspectos relacionados con la Biología Molecular (Genómica Estructural, Evolutiva, Funcional y Epigenética) a través del manejo de herramientas básicas de Bioinformática.
• Que los alumnos desarrollen habilidades de investigación científica a través de la discusión de artículos y la formulación de preguntas de investigación en el área de Biología Molecular.

Particularidades del curso:

El curso contará con sesiones tanto Teóricas-Prácticas (Dry lab) como Prácticas (Wet lab), dependiendo de los temas a revisar.

Algunas de las sesiones Teórico-Prácticas requerirán que el alumno posea y lleve consigo una computadora básica (Laptop) que pueda conectarse a internet. Nosotros les avisaremos en que sesiones será indispensable llevar su computadora. Utilizaremos la red inalámbrica PC-PUMA (de libre acceso en todas las aulas de la Facultad de Ciencias).

Durante las clases, les proporcionaremos a los estudiantes, los capítulos de los libros revisados en formato digital, para que todos puedan consultarlos.

Metodología de enseñanza:

El curso está organizado en 4 unidades y 19 temas. Durante el curso los profesores y alumnos expondremos los temas teóricos (temas con número) y para reforzar la teoría, desarrollaremos actividades teórico-prácticas personalizadas durante la clase (temas con viñetas).

El reporte de la actividad práctica, se deberán entregar una semana después de su realización.

Evaluación del curso:

• 40% exámenes teóricos (3 exámenes)
• 30% actividades prácticas
• 30% Proyecto final

TEMARIO 2023-1

UNIDAD 1. EL DNA Y LA GENóMICA

1.1 Historia de la Biología Molecular: Desde una perspectiva global.

1.2 Alcances y perspectivas de la Biología Molecular en nuestra era: ¿Por qué estudiar Biología molecular?

1.3 Estructura molecular de los ácidos nucleicos (DNA y RNA).

1.3.1. Características y propiedades fisico-químicas de los ácidos nucleicos: Estabilidad y formación de enlaces en los ácidos nucleicos, estructura primaria/secundaria de los ácidos nucleicos y el DNA como la molécula que almacena la información genética.

1.4 Genómica Estructural I: Organización del genoma (genes y genomas).

1.4.1 El tamaño del genoma, el número y la distribución de los genes en el genoma de diferentes organismos.

1.4.2 Proyecto del Genoma Humano.

1.4.3 El tamaño del genoma, el número y la distribución de los genes en el genoma humano.

1.4.3.1 Estructura de la cromatina.

1.4.3.2 Genes y cromosomas.

1.5.-Genómica Comparada/Evolutiva (semejanzas y diferencias entre los genomas de diferentes organismos).

1.5.1-Las tasas genómicas de sustitución neutral y el reloj molecular.

• Tiempo de divergencia entre los grupos de primates.

1.5.2-El origen genómico de la novedad funcional.

1.5.3-La duplicación genómica.

• Los receptores olfatorios en vertebrados.

1.5.4-Las familias génicas (ortologías y paralogías).

1.5.4.1Uso de herramientas bioinformáticas:

-Blast (programa utilizado para encontrar similitud entre una determinada secuencia vs una base de datos).

-Uso de Genebank (obtención de secuencias genómicas de referencia) y su manipulación mediante los programas de EMBOSS.

• El origen de SARS Cov1 y SARS Cov2.

-Clustal Omega (programa de alineamiento múltiple de secuencias) y obtención de porcentajes de identidad entre secuencias.

-Uso de MEGA. Reconstrucción filogenética basados en distancias: Neighbor-joining y UPGMA (hipótesis de relación entre secuencias).

1.5.5 Genoma mitocondrial.

UNIDAD 2-TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA.

2.1.-El Dogma Central de la Biología Molecular (DNA→RNA→Proteína).

2.2.-Replicación del DNA (DNA→DNA).

2.2.1-Componentes de la maquinaria de replicación del DNA.

2.2.2-Iniciación/elongación/terminación de la replicación.

2.3.-El comportamiento dinámico del DNA.

2.3.1-El DNA puede ser modificado por agentes físicos, químicos y biológicos.

2.3.2-El DNA es sujeto a reparación.

2.3.3-El proceso de recombinación.

2.3.4-Mutaciones.

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

2.4.-Aspectos prácticos de la replicación del DNA.

2.4.1-Preparación de las muestras biológicas.

2.4.2-Extracción de los ácidos nucleicos.

• Selección de una región deseada en el DNA para ser amplificada y el diseño de primers.
• Reacción en cadena de la polimerasa (PCR in silico).
• Electroforesis de ácidos nucleicos in silico.

2.4.3-Generación de Librerías.

2.4.4-Secuenciación de siguiente generación (NGS).

• Análisis bioinformático de datos provenientes de secuenciación masiva*(Usearch y SeqinR 2.0-1).

2.5.-Tecnologías que nos permiten manipular/alterar el DNA (clonación y vectores de expresión, mutagénesis sitio dirigida, producción de Knock-outs, Knock-ins y la edición genética mediante CRISPR-Cas9).

• Edición del receptor CCR5 y la búsqueda de resistencia a la infección por VIH-1.

UNIDAD 3. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA

3.1.-El cromosoma único procariota.

3.1.1-Organización.

3.1.2-Reguladores en cis y trans.

3.1.3-Regulación de la transcripción en bacterias (Modelo del operón).

3.2.-La cromatina eucariota.

3.2.1-Promotores, enhancers, silencers, insulators y factores de transcripción.

3.2.2-Regulación epigenética de la transcripción (metilación del DNA, complejos remodeladores ATP dependientes y modificaciones de histonas).

3.2.2.1-Mecanismos epigenéticos que permitieron “la explosión cámbrica”(surgimiento de filos de animales).

• Análisis de la metilación en el DNA.*

3.3.-Transcripción (DNA→mRNA).

3.3.1- Componentes de la maquinaria de transcripción.

3.3.1.1-Tipos de RNA polimerasas (RNA pol II).

3.3.2- Iniciación/elongación/terminación de la transcripción.

3.3.3-El procesamiento del mRNA (splicing).

3.3.4-La modificación del mRNA.

• Extracción de regiones promotoras de genes y la localización de los sitios de unión para factores de transcripción.
• Anotación de intrones/exones en secuencias de DNA.

3.3.5 Transcripción de tRNA y rRNA y su procesamiento.

3.4. Genómica Funcional: El transcriptoma como medida de la expresión dinámica del genoma.

3.4.1-Técnicas para analizar la expresión genética (microarreglos y RNAseq).

3.4.2-Análisis global de la expresión génica.

3.4.3-Relación entre el transcriptoma y el fenotipo celular.

3.4.4-Análisis global de la expresión diferencial (comparación entre dos muestras).

3.5.-Traducción (síntesis de proteínas) (mRNA→proteína).

3.5.1-Componentes de la maquinaria de traducción (ribosoma) y RNAs.

3.5.2-El código genético.

3.5.3- El uso preferencial de codones.

• Que tan “perfecto” es el código genético (en la amortiguación de cambios).

3.5.4 Iniciación/elongación/terminación de la traducción.

3.5.5 Regulación de la traducción.

3.5.6- Modificación postraduccional de proteínas.

3.6.-Genómica Estructural II: Estructura, función e interacción de las proteínas.

3.6.1-Estructura primaria.

3.6.2-Plegamiento de la proteína (estructura secundaria y terciaria).

• Visualización de la estructura secundaria y terciaria de una proteína mediante UCSF Chimera.

3.6.3-Funciones de las proteínas: Estructural y enzimática.

• Interacción proteína-proteína (interactoma).

UNIDAD 4-APLICACIONES DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR EN NUESTRA ERA

4.1 La Biología sintética.

4.1.1-La célula mínima, el genoma mínimo y la vida sintética.

4.1.2-La Ingeniería recombinante múltiple (TRMR) y las tecnologías para el diseño y la edición de genomas.

4.1.3-Los ladrillos proteicos y el ensamblaje de los polipéptidos.

4.1.4-El diseño espacial para biología sintética: compartimentos, andamiajes y comunidades.

• Ejercicio de Biología sintética.

4.2 Ciencias ~ómicas y sus aplicaciones (Invitados).

4.2.1 Genómica.

4.2.2 Transcriptómica.

4.2.3 Proteómica.

4.2.4 Metabolómica.

4.3 Perspectivas futuras en el campo de la Biología Molecular.

4.3.1-Perspectivas bioéticas.

Bibliografía básica

-Alberts B., et al (2015). Molecular Biology of the Cell. Sixth edition. Garland Science. USA.

-Berg J., et al (2015). Biochemistry. Eighth edition. W. H. Freeman & Company. USA.

-Herraéz A. (2012). Texto ilustrado e Interactivo de Biología Molecular e Ingeniería Genética. Segunda edición. Elsevier. España.

-Herron J., and Freeman S. (2014). Evolutionary Analysis. Fifth edition. Pearson. USA.

-Jiménez L, y Merchant H. (2003). Biología Celular y Molecular. Prentice Hall. México.

-Krebs J., et al (2014). Lewin´s Genes XI. Jones & Bartlett learning. Eleventh edition. USA.

-Pevsner J., (2015). Bioinformatics and Functional Genomics. Wiley Blackwell. 3rd edition. UK.

-Nelson, D. et al (2019). Lehninger: princípios de Bioquímica. Séptima edición. Omega. España.

Bibliografía complementaria

-Cabej N., (2020). Epigenetic mechanisms of the cambrian explosion. Elselvier. Academic Press. United Kingdom.

-Crick, F. (1966).Codon—anticodon pairing: The wobble hypothesis. Journal of Molecular Biology. 19(2); 548–555.

-Crick F. (1966).The genetic code–yesterday, today, and tomorrow. Cold Spring Harbor Symposia Quantitative Biology. 31; 1–9.

-Crick, F. (1970).Central Dogma of Molecular Biology. Nature. 227(5258); 561–563.

-Crick F., (2008). Qué loco propósito. Metatemas Tusquets editores. Segunda edición. España.

-Jinek, M.; Chylinski, K.; Fonfara, I.; Hauer, M.; Doudna, J.A.; Charpentier, E. (2012). A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science, 337 (6096); 816–821.

-Lander E, et al (2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature. 409(6822); 860-921.

-Margulis, L., & Sagan, D. (2008). Acquiring genomes: A theory of the origins of species. Basic Books.

-Meyers R. (2015). Synthetic Biology. Advances in Molecular Biology and Medicine. Wiley-VCH. Alemania.

-Mukherjee S., (2017). El Gen. Una historia personal. Debate. México.

-Nurk S., et al (2022). The complete sequence of a human genome. Science. 376 (6588).

-Pieczynski J., et al (2021). Designer babies?! ̈A CRISPR based learning module for undergraduates built around the CCR5 gene. Biochemistry and Molecular Biology Education. 49; 80-93.

-Pluta, A.; Jaworski, J.P.; Cortés-Rubio, C.N. (2021). Balance between Retroviral Latency and Transcription: Based on HIV Model. Pathogens. 10(1): 16;1-26.

-The ENCODE Project Consortium (2012). An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature. 489(7414); 57-74.

-Watson, J. D., & Crick, F. H. (1953). Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, 171(4356); 737-738.

-Watson J., (1981). La doble hélice. Ciencia y desarrollo. Conacyt Editor. México.