Ahora se ha establecido que el número de genes en organismos superiores está en el rango de 20,000 a 35,000, ya sea una planta o un animal. ¿Son suficientes unos miles de estos comandos por cada gen para dar cuenta de toda la complejidad fisiológica y morfológica de un organismo, digamos un ser humano?

En resumen, diría que no. En la biología, los genes solían ser el rey, ahora entendemos su expresión génica. Si bien la genética es la huella ecológica, la expresión genética es el constructor. La respuesta, en mi opinión, está en ADN no codificante.

Algunos antecedentes
Parece haber una suposición básica de que más genes significa más complejidad y como cualquier curva de campana que, en general, podría ser correcta. Pero eso no significa que sea una suposición correcta.

Anteriormente en biología molecular, cuando la secuenciación acababa de comenzar y era un proceso de mano lento en el laboratorio, asumieron que más ADN significa más complejidad. A medida que secuenciamos organismos más simples como E.Coli, esto pareció ser cierto. Pero cuando llegamos a las células eucariotas las cosas comenzaron a verse mal. La ameba unicelular tenía 100 veces más ADN que los humanos y ciertamente no eran más complejos. El número de pares de bases en el genoma haploide se conoce como el valor C y este problema con valores C muy grandes en organismos muy simples se conoce como la “paradoja del valor C”.

Aquí hay un ejemplo de genomas que señalan esto:
Arabidopsis thaliana – thale berro – 0.135 x 10 ^ 9 PBs – 27.407 genes
Picea abies – Pícea de Noruega – 19.6 x 10 ^ 9 PBs – 28,354 genes

Thale berro es una hierba muy pequeña

La picea de Noruega es un árbol de hoja perenne muy grande:

A medida que avanzamos en la secuenciación y descifrado del ADN, muchos investigadores, como Eric Davidson, descubrieron que muy poco ADN no repetitivo corresponde al ARNm (solo el 2,7% en su modelo de gástrula de erizo de mar). Esto condujo a lo que se convirtió en “ADN basura” – ADN que estaba presente que no codificaba proteínas y, por lo tanto, no eran “genes” – no codificaba. El pensamiento común era que este ADN no desempeñaba ningún papel en la síntesis de proteínas, ya que era inútil y no tenía ningún papel en el fenotipo. El trabajo pasó a la descodificación del propósito de varias proteínas que a su vez determinarían el propósito de los genes.

Descifrando el ADN no codificante
Durante la década de 1960, este ADN basura fue ignorado. Pero a medida que se secuenciaron más y más genomas de organismos, se hizo evidente que los organismos complejos, como los mamíferos, tenían más ADN basura. Por ejemplo, más del 98% del ADN humano no codifica, mientras que el ADN bacteriano no codificante promedio es solo del 2%. Tenga en cuenta que la tasa de microevolución bacteriana es rápida, son capaces de lidiar rápidamente con los parámetros ambientales cambiantes, su macroevolución es muy lenta y no son muy complejas. Por supuesto, desde el principio las personas se dieron cuenta de que algunas proteínas no codificarían, como el ARN de transferencia y el ARN ribosómico, pero pronto se agregaron centrómeros, telómeros y SARS a esta lista.

Cuando las técnicas de biotecnología avanzaron (ver Visualización de moléculas de ARN dentro del núcleo de livi … [Métodos, 2003]) a principios de la década de 2000, más investigaciones mostraron que había mucho más ARN en la envoltura nuclear que en el citoplasma. Esto significaba que se transcribía mucho más ADN que en un principio se pensó, pero aparentemente la transcripción no implicaba función. Pero aquí estamos discutiendo el mundo de la química molecular, donde las unidades básicas son muy pequeñas e, incluso en el pequeño espacio del núcleo de una sola célula, hay mucho espacio para muchos átomos que forman muchas moléculas. Una mejilla humana típica tiene un volumen de aproximadamente 10 ^ -13 m³ (http: //www.bioscience.heacademy …). Con algunas suposiciones y aproximaciones, son 10 ^ 16 átomos, dar o tomar un par de órdenes de magnitud, eso es mucho espacio de reacción. Tal vez algunos de esos ARN transcritos realmente tenían una función. Pronto se hizo evidente que el “ADN basura” no era todo “ADN basura”.

Se siguió investigando para clasificar y encontrar el propósito de estas diversas moléculas de ARN, denominadas “no funcionales”, ya que no codifican proteínas. Terminamos con un grupo, como Piwi-interacting RNA (piRNA), microRNA (miRNA), pequeño RNA interferente (siRNA), endoribonuclease-prepared siRNAs (esiRNA), repetir asociado pequeño RNA interferente (rasiRNA). Resulta que muchos de ellos se deben a la regulación genética, como silenciar un gen o detener la transcripción cuando se produce una cierta concentración.

También hay razones físicas por las que el ADN adicional es importante. La mayoría de los genes están separados por largos espacios de ADN no codificante. Esta es una razón por la cual los organismos con una gran cantidad de ADN no codificante mutan más lentamente. Si se produce una mutación en una parte de un cromosoma, como la inserción, no se modifica el cromosoma completo. Agrega protección contra mutaciones que son fatales. Debido a que las moléculas reaccionan ante la presencia de otras personas a su alrededor a través de leyes químicas, se forman moléculas como las selenoproteínas. En este caso, la presencia de ADN no codificante obliga a un ciclo cerrado en otra sección del ADN y eso hace que la ARN polimerasa cree un codón de ARNm para la selenocisteína donde solo estaría la cisteína, incluso en humanos.

Como resulta, una gran cantidad de este ADN no codificante realmente juega un papel en el fenotipo a través de la regulación de la expresión génica. Para un buen ejemplo, lea sobre los sitios de factor de transcripción que varían ampliamente entre diferentes organismos de la misma especie. El proyecto ENCODE publicó un documento en septiembre de 2012 que afirmaba que el 80% del genoma humano realmente desempeñaba un papel en la función biológica (Primera visión holística de cómo funciona realmente el genoma humano: el estudio ENCODE produce conjuntos de datos masivos). Esto es ampliamente discutido. Es aproximadamente el momento en que me retiré de mi investigación y no soy tan versado en estudios más recientes, pero tiendo a estar de acuerdo en que es mucho más alto que el 8.2% que generalmente se acepta, y cuando consideras todas las diversas reacciones moleculares, puedo acepta su 80%. Creo que con el tiempo vamos a entender más y más, especialmente con los procedimientos modernos de biotecnología. Si bien la epigenética solía estar en el ámbito de la biología del desarrollo, ahora también está firmemente arraigada en la biología molecular porque estamos descifrando las interacciones moleculares subyacentes.

Entonces, al final, mientras más ADN tengas, más complejo serás incluso si ese ADN no es “genes”. Los mecanismos de regulación de genes apenas comienzan a entenderse lo suficiente como para convertirse en conocimiento común en la comunidad de investigación de biología. Como todo lo demás, más cerebros y más dinero acelerarán esto. Estoy seguro de que después de todo, encontraremos más y más regiones no codificantes, incluso si se trata de un papel menor. La suma de estos papeles menores, si bien no es tan poderosa en los roles principales de los genes, conduce a la diversidad y complejidad de los organismos.

La cantidad de genes no es totalmente cierta: lista de genomas eucariotas secuenciados – Wikipedia. La mayoría de los vertebrados caen en ese rango, pero el arroz tiene 50,000 genes y el álamo balsámico aproximadamente 45,000.

Y la respuesta es “sí y no”. Lo que importa en “complejidad” es la expresión génica. La expresión génica es el gen que en realidad se transcribe al ARN mensajero y luego se transforma en proteínas. Los seres humanos tienen más de 200 “fenotipos” diferentes de células: células nerviosas, cartílagos, células del músculo esquelético, células del músculo cardíaco, células endoteliales, células hepáticas (al menos 3 fenotipos), etc. Todas usan menos que el complemento completo de genes . Por ejemplo, el hueso expresa una proteína única, la osteocalcina, que no tiene otro fenotipo. Las células que cubren el hueso – periostio – expresan una proteína única diferente llamada “periostin” y no expresan osteocalcina.

Todas las células expresan un conjunto de herramientas básicas de genes para el metabolismo y el mantenimiento celular (membranas celulares, ribosomas, mitocondrias, etc.) llamados “genes de mantenimiento”. Gen de limpieza – Wikipedia Entonces cada fenotipo expresa una combinación única de genes que proporciona las propiedades de ese fenotipo particular.

Mucho de lo que llamamos “complejidad morfológica” está controlado por varios cientos de genes de desarrollo. Recuerde que los genes vienen en “alelos” – diferentes formas del mismo gen. Los diferentes alelos pueden tener propiedades muy diferentes. Piense en el alelo de células falciformes para la hemoglobina.

Cambiar los alelos de los genes del desarrollo puede tener enormes efectos sobre la morfología. Disparar, simplemente cambiando la cantidad de tiempo que un gen de desarrollo se expresa durante el desarrollo embrionario puede tener un gran cambio. Por ejemplo, la estructura de los huesos de la “mano” y “muñeca” en las aves es muy diferente a la de los humanos:

Pero esa diferencia no da como resultado genes diferentes. Resulta en el momento en que un gen particular, Bmp , se expresa durante el desarrollo embrionario. Tan solo unas pocas horas más convierten la muñeca y los metacarpianos de la mano humana a los de las aves.

La expresión está controlada por factores de transcripción . Los factores de transcripción se unen a la región de control del ADN para los genes y determinan si ese gen está expresado o no. Un alelo diferente de un factor de transcripción cambiará el momento de la expresión de un gen y cambiará la morfología. Recientemente, se descubrió que los microARN también actúan como factores de transcripción.

Otro ejemplo es el gen FOXP2 . Los humanos tienen un alelo diferente a todos los otros mamíferos vivos. El alelo que tenemos cambia la forma de los músculos alrededor de la laringe, lo que permite el habla compleja. Las personas que tienen una mutación que convierte el gen FOXP2 de nuevo al alelo en otros mamíferos no pueden formar el habla. 32. Evolución molecular de FOXP2, un gen involucrado en el habla y el lenguaje. Wolfgang Enard, Molly Przeworski, Simon E. Fisher, Cecilia SL Lai, Victor Wiebe, Takashi Kitano, Anthony P. Mónaco, Svante Pääbo Nature 418, 869 – 872 (22 de agosto de 2002) http://www.nature.com/nature / jou …

Entonces, entre cambiar qué genes se expresan en diferentes tipos de células, tener múltiples alelos de cada gen (entre especies) y la expresión de genes durante el desarrollo embrionario, hay suficiente complejidad dentro del genoma para producir la complejidad fisiológica y morfológica de, y las diferencias entre, plantas y animales.

20 a 35k de genes pueden sonar algunos para el organismo complejo, pero en el organismo superior hay algo llamado splicing alternativo que conduce a diferentes proteínas del mismo gen (secuencia de ADN). Es por eso que Proteomics, el estudio de todas las proteínas en un organismo es tan complejo y gana más atención, porque mientras usted tiene, digamos, un organismo eucariota con 20k genes, puede encontrar hasta 100k de proteínas.

¿Cuál es el empalme alternativo ? sabemos que todos los organismos superiores tienen exones e intrones en sus genes, los exones son las secuencias que expresan e intrusionan la información que se ignora, pero a veces también se ignoran algunos exones. Así que empalmar es cuando ocurre este proceso, y todos los exones están incluidos, es un proceso en todos los genes de organismos superiores. El splicing alternativo es cuando cambia el número de exones incluidos, por ejemplo:

Digamos que el gen X tiene 5 exones y 4 intrones (recuerde que los intrones nunca se transcriben):

Empalme: los 5 exones se transcriben a ARNm.

Corte y empalme alternativo: (1) Solo los exones 1,2 y 5 se transcriben a ARNm, (2) solo se transcriben los exones 2 y 3, (3) se transcriben los exones 1,2 y 4.

Entonces el gen X puede producir 4 tipos de proteínas, cada una con su propia función biológica única.