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4.8: Tipos de mutaciones - Biología

4.8: Tipos de mutaciones - Biología



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¿Qué causa el albinismo?

Este raro cocodrilo albino debe tener las "instrucciones" específicas, o ADN, para tener esta cualidad. La causa del albinismo es una mutación en un gen de la melanina, una proteína que se encuentra en la piel y los ojos. Tal mutación puede dar como resultado que no se produzca melanina en absoluto o una disminución significativa en la cantidad de melanina.

Mutaciones

Un cambio en la secuencia de bases en el ADN o ARN se denomina mutación. ¿La palabra mutación te hace pensar en ciencia ficción y monstruos de ojos saltones? Piensa otra vez. Todo el mundo tiene mutaciones. De hecho, la mayoría de las personas tienen decenas o incluso cientos de mutaciones en su ADN. Las mutaciones son esenciales para que ocurra la evolución. Son la fuente última de todo el material genético nuevo - nuevo alelos - en una especie. Aunque la mayoría de las mutaciones no tienen ningún efecto sobre los organismos en los que ocurren, algunas mutaciones son beneficiosas. Incluso las mutaciones dañinas rara vez causan cambios drásticos en los organismos.

Tipos de mutaciones

Existe una variedad de tipos de mutaciones. Dos categorías principales de mutaciones son las mutaciones de la línea germinal y las mutaciones somáticas.

  • Mutaciones de la línea germinal ocurren en los gametos. Estas mutaciones son especialmente significativas porque pueden transmitirse a la descendencia y todas las células de la descendencia tendrán la mutación.
  • Mutaciones somáticas ocurren en otras células del cuerpo. Estas mutaciones pueden tener poco efecto en el organismo porque se limitan a una sola célula y sus células hijas. Las mutaciones somáticas no se pueden transmitir a la descendencia.

Las mutaciones también difieren en la forma en que se cambia el material genético. Las mutaciones pueden cambiar la estructura de un cromosoma o simplemente cambiar un solo nucleótido.

Alteraciones cromosómicas

Alteraciones cromosómicas son mutaciones que cambian la estructura cromosómica. Ocurren cuando una sección de un cromosoma se rompe y se vuelve a unir incorrectamente o no se vuelve a unir en absoluto. Las posibles formas en que pueden ocurrir estas mutaciones se ilustran en Figura debajo. Vaya a este enlace para ver un video sobre alteraciones cromosómicas: http://www.youtube.com/watch?v=OrXRSqa_3lU (2:18).

Alteraciones cromosómicas. Las alteraciones cromosómicas son cambios importantes en el material genético.

Las alteraciones cromosómicas son muy graves. A menudo resultan en la muerte del organismo en el que ocurren. Si el organismo sobrevive, puede verse afectado de múltiples formas. Un ejemplo de alteración cromosómica humana es la mutación que causa el síndrome de Down. Es una mutación por duplicación que conduce a retrasos en el desarrollo y otras anomalías.

Mutaciones puntuales

A mutación puntual es un cambio en un solo nucleótido en el ADN. Este tipo de mutación suele ser menos grave que una alteración cromosómica. Un ejemplo de una mutación puntual es una mutación que cambia el codón UUU por el codón UCU. Las mutaciones puntuales pueden ser mutaciones silenciosas, sin sentido o sin sentido, como se muestra en Mesa debajo. Los efectos de las mutaciones puntuales dependen de cómo cambian el código genético. Puede ver una animación sobre mutaciones sin sentido en este enlace: www.biostudio.com/d_%20Nonsen ... 20Mutation.htm.

EscribeDescripciónEjemploEfecto
Silenciocódigos de codones mutados para el mismo aminoácidoCAA (glutamina) → CAG (glutamina)ninguno
Sin sentidocódigos de codones mutados para un aminoácido diferenteCAA (glutamina) → CCA (prolina)variable
DisparatesEl codón mutado es un codón de parada prematuro.CAA (glutamina) → UAA (detener)generalmente serio

Mutaciones por desplazamiento de fotogramas

A mutación con desplazamiento de la pauta de lectura es una deleción o inserción de uno o más nucleótidos que cambia la leyendo cuadro de la secuencia de bases. Las deleciones eliminan nucleótidos y las inserciones agregan nucleótidos. Considere la siguiente secuencia de bases en el ARN:

AUG-AAU-ACG-GCU = inicio-asparagina-treonina-alanina

Ahora, suponga que ocurre una inserción en esta secuencia. Digamos un A El nucleótido se inserta después del codón de inicio. AGO:

AUG-AAA-UAC-GGC-U = inicio-lisina-tirosina-glicina

Aunque el resto de la secuencia no cambia, esta inserción cambia el marco de lectura y, por lo tanto, todos los codones que lo siguen. Como muestra este ejemplo, una mutación de desplazamiento de marco puede cambiar drásticamente la forma en que se leen los codones en el ARNm. Esto puede tener un efecto drástico en el producto proteico.

Resumen

  • Las mutaciones de la línea germinal ocurren en los gametos. Las mutaciones somáticas ocurren en otras células del cuerpo.
  • Las alteraciones cromosómicas son mutaciones que cambian la estructura cromosómica.
  • Las mutaciones puntuales cambian un solo nucleótido.
  • Las mutaciones por desplazamiento de marco son adiciones o deleciones de nucleótidos que provocan un cambio en el marco de lectura.

Explora más

Utilice este recurso para responder las siguientes preguntas.

  • Las mutaciones son cambios en la información genética. en http://www.dnaftb.org/27/animation.html.
  1. ¿Qué es una mutación puntual?
  2. ¿Cuáles son los efectos de una mutación puntual?
  3. ¿Qué es una mutación de cambio de marco?
  4. ¿Qué causa un cambio de fotograma?
  5. ¿Quién identificó las mutaciones puntuales?

Revisar

  1. Identifica tres tipos de alteraciones cromosómicas.
  2. Distinga entre mutaciones puntuales silenciosas, sin sentido y sin sentido.
  3. ¿Qué es una mutación de cambio de marco? ¿Qué causa este tipo de mutación?
  4. Suponga que una mutación puntual cambia el codón AUU por AUC. ¿Por qué es esta una mutación silenciosa?
  5. Observe la siguiente mutación: AUG-GUC-CCU-AAA → AUG-AGU-CCC-UAA-A. La base A se insertó siguiendo el codón de inicio AUG. Describe cómo esta mutación afecta la secuencia de aminoácidos codificada.
  6. Comparar y contrastar mutaciones de la línea germinal y mutaciones somáticas.

Mutaciones y mecanismos de los supresores tumorales de la vía WNT en el cáncer

La activación inducida por mutaciones de la señalización de WNT-β-catenina es un evento impulsor frecuente en el cáncer humano. La activación sostenida de la vía de la WNT-β-catenina confiere a las células cancerosas propiedades de crecimiento de autorrenovación sostenido y se asocia con resistencia a la terapia. En las células madre adultas sanas, la actividad de la vía WNT se controla cuidadosamente mediante supresores de tumores de la vía central, así como reguladores de retroalimentación negativa. Los experimentos de inactivación de genes en modelos de ratón demostraron inequívocamente la relevancia de las mutaciones de pérdida de función del supresor de tumores WNT para el crecimiento del cáncer. Sin embargo, en el cáncer humano, ha surgido un cuadro mucho más complejo en el que mutaciones sin sentido o truncadas median la expresión estable de proteínas mutantes, con distintas ramificaciones funcionales y fenotípicas. En este documento, revisamos los avances y desafíos recientes en nuestra comprensión de cómo los diferentes subconjuntos mutacionales de genes supresores de tumores WNT se vinculan con distintos tipos de cáncer, resultados clínicos y estrategias de tratamiento.


El modelo ANGPTL3-4-8, un mecanismo molecular para el tráfico de triglicéridos

La lipoproteína lipasa (LPL) es una enzima limitante de la velocidad para hidrolizar los triglicéridos circulantes (TG) en ácidos grasos libres que son absorbidos por los tejidos periféricos. La actividad de la LPL posprandial aumenta en el tejido adiposo blanco (WAT), pero disminuye en el corazón y el músculo esquelético, por lo que dirige los TG circulantes a WAT ​​para su almacenamiento, lo contrario ocurre durante el ayuno. Sin embargo, el mecanismo para la regulación específica de tejido de la actividad de LPL durante el ciclo de alimentación rápida ha sido difícil de alcanzar. La identificación reciente de lipasina / angiopoyetina similar 8 (Angptl8), una hepatoquina inducida por la alimentación, junto con Angptl3 y Angptl4, proporciona información intrigante, pero desconcertante, porque los tres miembros de Angptl son inhibidores de la LPL y la deficiencia (sobreexpresión) de cualquiera causa hipotrigliceridemia (hipertrigliceridemia). Entonces, ¿por qué la naturaleza necesita los tres? Nuestros datos recientes de que Angptl8 regula negativamente la actividad de LPL específicamente en los músculos cardíacos y esqueléticos sugieren un modelo de Angptl3-4-8: la alimentación induce a Angptl8, activando la vía Angptl8-Angptl3, que inhibe la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos, lo que hace que los TG circulantes estén disponibles para captación por WAT, en la que la actividad de LPL se eleva debido a la disminución de Angptl4, ocurre lo contrario durante el ayuno, que suprime Angptl8 pero induce Angptl4, dirigiendo así los TG a los músculos. El modelo sugiere un marco general de cómo se regula el tráfico de TG.

1. Lipoproteína lipasa

Los triglicéridos (TG), la principal forma de lípidos para almacenar y proporcionar energía al cuerpo, son esenciales para la vida humana. Para permitir que los TG circulen en el sistema sanguíneo, los lípidos son emulsionados por proteínas, formando lipoproteínas. Los quilomicrones y las lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) son las dos clases principales de lipoproteínas ricas en TG. Después de una comida, los quilomicrones se forman a partir de los TG de la dieta en las células de la mucosa dentro de las vellosidades del duodeno y llegan al torrente sanguíneo a través del sistema linfático. Durante el ayuno, la VLDL se produce en el hígado mediante la síntesis de TG y se secreta directamente al torrente sanguíneo. Estas lipoproteínas ricas en TG transportan y distribuyen TG a varios tejidos para su almacenamiento u oxidación para generar energía. En los capilares de estos tejidos, la hidrólisis de TG y la captación de los ácidos grasos resultantes dependen en gran medida de una sola enzima, la lipoproteína lipasa (LPL) [1-5].

El descubrimiento de la LPL se debió a una observación fortuita hecha por Hahn, hace más de siete décadas, de que el plasma heparinizado eliminó la lipemia inducida por la dieta en perros, pero la heparina por sí sola no tuvo este efecto, lo que indica que la inyección de heparina libera un factor que elimina la grasa. en el plasma [6]. Como señaló Hahn [6], "este fenómeno fue tan sorprendente, incluso en los casos en que el grado de lipemia era tal que el plasma sugería una crema ligera". Este factor de aclaramiento liberado por heparina se identificó posteriormente como LPL [7], porque su activación depende de la apolipoproteína C2, un componente de las lipoproteínas, incluidas las VLDL, las lipoproteínas de alta densidad (HDL) y los quilomicrones [1-5].

La LPL es una enzima limitante de la velocidad para hidrolizar los TG que se presentan en las lipoproteínas circulantes, generando ácidos grasos libres que son absorbidos por los tejidos periféricos [8], incluidos el corazón [9-11], los músculos [12-14] y la grasa [4]. . La LPL se expresa abundantemente en el corazón y el músculo esquelético, que dependen principalmente de la oxidación de los ácidos grasos para la producción de energía, y en el tejido adiposo blanco (WAT), que almacena energía mediante la resíntesis de TG a partir de los ácidos grasos absorbidos [15]. Tanto en humanos como en ratones, la deficiencia de LPL da como resultado una hipertrigliceridemia grave [16-18]. Debido al papel fundamental que desempeña la LPL en el metabolismo de las lipoproteínas y en la entrega y utilización de sustratos específicos de tejido, la actividad de la LPL se orquesta cuidadosamente de una manera específica de tejido para satisfacer las demandas de energía de varios tejidos en diferentes estados nutricionales. Por ejemplo, la alimentación regula al alza la actividad de LPL en WAT pero regula a la baja su actividad en el corazón y el músculo esquelético, lo contrario ocurre durante el ayuno [4]. En general, se acepta que la mayoría de las variaciones fisiológicas en la actividad de LPL, como durante el ciclo de alimentación rápida, están determinadas por mecanismos postraduccionales que involucran proteínas que interactúan, incluidas las apolipoproteínas y miembros de la familia de proteínas similares a la angiopoyetina (Angptl) [4].

2. GPIHBP1

La LPL hidroliza los TG en lipoproteínas ricas en TG en la superficie de los capilares de los tejidos periféricos, incluido el corazón, el músculo esquelético y el WAT; sin embargo, la LPL no se expresa en las células endoteliales capilares, sino que es producida por las células parenquimatosas, los miocitos y los adipocitos [3]. . Por lo tanto, la LPL debe transportarse a través de las células endoteliales hasta la superficie luminal de los capilares. Un descubrimiento importante con respecto a la biología de la LPL es que una proteína de unión a lipoproteínas de alta densidad anclada en glicosilfosfatidilinositol de una proteína de células endoteliales 1 (GPIHBP1) transporta la LPL a los capilares, donde la LPL permanece anclada a la pared capilar por GPIHBP1 [19-21]. En los ratones knockout (KO) de Gpihbp1, la LPL está mal localizada en los espacios intersticiales que rodean a los miocitos y adipocitos, y los ratones KO exhiben hipertrigliceridemia severa (quilomicroniemia) [20, 21]. En los seres humanos, las mutaciones con pérdida de función de GPIHBP1 dan lugar a quilomicroniemia familiar [22-25]. Sin GPIHBP1, la LPL no puede alcanzar la luz capilar y las lipoproteínas ricas en TG no se unen a la luz de los capilares [19]. Por tanto, la GPIHBP1 es necesaria para que la LPL funcione en la superficie capilar y es una plataforma clave para el procesamiento lipolítico de las lipoproteínas ricas en TG [26-28].

3. Angptl3 y Angptl4

Angptl3 y Angptl4 son inhibidores bien establecidos de LPL [29]. El primer indicio de la participación de las proteínas Angptl en el metabolismo de los lípidos provino del estudio de ratones KK / San, que exhiben niveles de TG en suero extremadamente bajos. Al realizar la clonación posicional, Koishi et al. [30] identificó una mutación con pérdida de función en Angptl3 en estos ratones, lo que sugiere que el bajo nivel de TG se debe a la deficiencia de Angptl3. Angptl3 es un factor circulante secretado por el hígado, donde se expresa específicamente [30]. Además, la sobreexpresión de Angptl3, ya sea por infección por adenovirus o por proteína recombinante i.v. inyección, rescata los fenotipos de TG bajos de los ratones KK / San y conduce a la hipertrigliceridemia en los ratones de tipo salvaje [30]. De manera constante, la deleción de Angptl3 en ratones reduce los niveles de colesterol y de TG en suero [29, 31].

Mecánicamente, Angptl3 aumenta los niveles de TG circulantes al inhibir la actividad de LPL. En ratones que carecen de Angptl3, la tasa de eliminación de VLDL-TG aumentó, mientras que la síntesis o secreción de VLDL-TG no se vio afectada [32]. Angptl3 tiene dos dominios funcionales, un dominio de espiral en espiral N-terminal y un dominio de tipo fibrinógeno C-terminal. Angptl3 es escindido proteolíticamente por proproteína convertasas mediante reconocimiento en la posición 221-224 para producir el dominio N-terminal, que es suficiente y necesario para la inhibición de LPL [33,34]. Un anticuerpo monoclonal de Angptl3 que se une al dominio N-terminal, consistentemente, reduce los niveles de TG en suero en ratones y monos [35, 36]. En ratones Angptl3 KO, la actividad de LPL y la incorporación de VLDL-TG aumentan en los tejidos oxidativos, incluidos el corazón, los músculos y la grasa parda [37].

Angptl4 fue identificado como un nuevo miembro de la familia Angptl inducido por ayuno a través del receptor activado por proliferador de peroxisoma (PPAR) en adipocitos [38-40]. Angptl4 es un potente inhibidor de la LPL [29,41] y desempeña un papel importante en la regulación de la actividad de la LPL en condiciones de ayuno y ejercicio [42]. De forma similar a la estructura del dominio de Angptl3, Angptl4 se escinde en la secuencia de reconocimiento de proproteína convertasa conservada en la posición 161-164, RRKP, para liberar el dominio de espiral en espiral N-terminal, que inhibe de forma potente la LPL [43, 44]. Se han propuesto diferentes mecanismos por los cuales Angptl4 inhibe la LPL [45-48]. El dominio N-terminal de ANGPTL4 inhibe irreversiblemente la actividad de LPL al interrumpir su dimerización, convirtiendo la enzima en monómeros inactivos [47,48]. Utilizando un sistema de cultivo celular para examinar LPL complejado con GPIHBP1 en la superficie de la célula endotelial, Chi et al. [46] mostró que Angptl4 puede unirse e inactivar LPL complejado con GPIHBP1 y que la inactivación de LPL por Angptl4 reduce en gran medida la afinidad de LPL por GPIHBP1.

Los ratones inyectados con un anticuerpo monoclonal contra el dominio N-terminal de Angptl4 exhiben fenotipos similares a los de los ratones sin Angptl4, como niveles bajos de TG en plasma [35,49]. De hecho, los ratones nulos para Angptl4 exhiben TG plasmáticos más bajos y una actividad LPL plasmática aumentada después de la heparina, a la inversa, la inyección de Angptl4 recombinante o su sobreexpresión transgénica aumenta los TG plasmáticos [29,41]. Angptl4 parece inhibir la LPL de una manera específica del tejido adiposo [50,51]. Por ejemplo, por exposición al frío, la cantidad de TG marcados incorporados en WAT y BAT se alteró en ratones Angptl4 KO, mientras que la incorporación de TG en el músculo fue comparable entre ratones KO y ratones de tipo salvaje [50].

Las variaciones de secuencia de ANGPTL3 y ANGPTL4 están fuertemente vinculadas a los perfiles de lípidos mediante estudios de asociación de todo el genoma (GWAS). En los seres humanos, los homocigotos o heterocigotos compuestos para mutaciones con pérdida de función de ANGPTL3 causan hipolipidemia combinada familiar, caracterizada por una reducción de todas las clases de lipoproteínas, como VLDL, LDL y HDL [52,53]. La sustitución de E40K en ANGPTL4 se asocia con concentraciones plasmáticas más bajas de TG y HDL-C [54,55]. La nueva secuenciación de las regiones codificantes de proteínas mostró que el 1% de la población del Dallas Heart Study (DHS) y el 4% de los participantes con un TG plasmático en el cuartil más bajo tienen mutaciones con pérdida de función en ANGPTL3, ANGPTL4 o ANGPTL5 [56 ].

4. Lipasin / Angptl8

Los roles funcionales en el metabolismo de los lípidos de un gen previamente no caracterizado, Gm6484, fueron descubiertos e informados por múltiples grupos en 2012, con varios nombres, como RIFL [57], lipasina [58], Angptl8 [59] y betatrofina [60]. En octubre de 2015, el comité de nomenclatura de genes HUGO [61] asignó el nombre oficial de este gen como ANGPTL8 (humano) y Angptl8 (ratón), que se adoptaron en la revisión actual. La investigación activa sobre Angptl8 en los últimos años ha proporcionado información crítica sobre su función, mecanismo de acción y potencial terapéutico [62,63].

Sobreexpresamos Angptl8 en el hígado de ratón usando adenovirus mediante inyección en la vena de la cola, y la sobreexpresión de Angptl8 condujo a un aumento espectacular de los niveles de TG en suero [58]. Quagliarini et al. [59] encontraron que Angptl8 sobreexpresado aumentaba los niveles de TG en suero de una manera dependiente de Angptl3. Los ratones que carecen de Angptl8 exhiben consistentemente niveles de TG más bajos debido a un mayor aclaramiento de TG en plasma al tener una mayor actividad de LPL post-heparina [64,65]. Recientemente descubrimos que los ratones Angptl8 KO tienen una mayor actividad de LPL específicamente en los músculos cardíaco y esquelético [66]. Este resultado sugiere que Angptl8 regula negativamente la actividad de LPL en estos dos tejidos. Además, Angptl8 es una diana terapéutica porque su neutralización con un anticuerpo monoclonal (el epítopo es E97IQVEE) reduce los niveles de TG en suero [66].

La expresión de Angptl8 está muy enriquecida en el hígado, WAT y BAT [57-59]. Además, la expresión de Angptl8 se reduce con el ayuno y es altamente inducida por la alimentación tanto en el hígado como en el tejido adiposo [57-59]. En la grasa parda, Angptl8 se regula al alza por la exposición al frío [67]. Utilizando ratones que carecen de diferentes isoformas de la proteína de unión al elemento regulador de esteroles (Srebp), se demostró que Angptl8 se induce mediante la alimentación independiente de Srebp [59]. Se demostró que la proteína quinasa activada por AMP suprime la expresión de Angptl8 inducida por señalización de LXR / SREBP-1 en células HepG2 [68]. Angptl8 está altamente regulado durante la adipogénesis y su caída suprime significativamente la diferenciación de adipocitos [57]. Además, Angptl8 está regulado positivamente por la hormona tiroidea y modula la autofagia [69].

En humanos, se ha demostrado que las variaciones de la secuencia de ANGPTL8 están asociadas con perfiles de lípidos por GWAS. Tres SNP de ANGPTL8 están fuertemente asociados con los perfiles de lípidos.El primer SNP, rs2278426, representa una transición de nucleótidos (C versus T, de CGG a TGG) que da como resultado un cambio de aminoácidos no sinónimos, de arginina (R) a triptófano (W) en el residuo 59. Quagliarini et al. [59] encontraron que la variante 59W está asociada con niveles más bajos de LDL-C y HDL-C en varios grupos étnicos. De manera consistente, en un estudio compuesto por 4361 mexicanos, Weissglas-Volkov et al. encontraron que los homocigotos WW tenían un C-HDL un 14% más bajo que los homocigotos RR. Los afroamericanos en el DHS tenían un 15% menos de LDL-C en homocigotos WW que en homocigotos RR [70]. El segundo SNP, rs145464906, representa una transición de nucleótidos (C frente a T, de CAG a TAG) que da como resultado un codón de parada prematuro en el residuo 121 y, por lo tanto, este SNP genera un ANGPTL8 truncado. Los portadores de esta mutación de pérdida de función presuntamente parcial con ascendencia europea eran 10 mg dl -1 más altos en HDL-C y un 15% más bajos en los niveles de TG [71]. También se ha encontrado que el tercer SNP, rs737337, está asociado con los niveles de HDL-C [28], y este SNP se encuentra en la región aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción de ANGPTL8 [72].

Los niveles circulantes de ANGPTL8 en fisiología y patología humanas han sido un área de investigación activa. Se encontró que los niveles circulantes de ANGPTL8 en humanos disminuían con el ayuno nocturno [59] y aumentaban 2 h después de una comida definida [73]. Se encontró que los niveles circulantes de ANGPTL8 aumentaban en la diabetes tipo 2 [73-80], la diabetes gestacional [81-83], los niños obesos con resistencia a la insulina [84] y la diabetes tipo 1 [78,85]. No obstante, la relación entre los niveles circulantes de ANGPTL8 y la diabetes y la obesidad no es concluyente [86,87]. También se encontró que los niveles de ANGPTL8 estaban asociados con otras condiciones metabólicas [88-96].

Por lo tanto, la evidencia abrumadora de los estudios de pérdida y ganancia de función en ratones y GWAS humano ha demostrado que Angptl8 es una hepatocina inducida por la alimentación que es un potente regulador del metabolismo de los lípidos.

5. El modelo Angptl3-4-8

Los TG se dirigen a WAT ​​para su almacenamiento después de la alimentación, y al corazón y al músculo esquelético para que se oxiden y generen energía durante el ayuno. Ahora está claro que el proceso de tráfico de TG está críticamente determinado por LPL. Después de la alimentación, la actividad de LPL aumenta en WAT pero disminuye en los músculos a la inversa, durante el ayuno, la actividad de LPL disminuye en WAT pero aumenta en los músculos. Sin embargo, el mecanismo para regular la actividad LPL específica de tejido durante el ciclo de alimentación rápida sigue siendo en gran parte desconocido.

Los descubrimientos de Angptl3 y Angptl4 han ofrecido información significativa sobre este proceso, ya que ambos son potentes inhibidores de LPL. Sin embargo, basándose únicamente en Angptl3 y Angptl4, no se puede explicar la regulación de LPL entre WAT, el corazón y el músculo esquelético. El descubrimiento de Angptl8 parece completar el juego de jugadores para la regulación de LPL, pero es desconcertante que los tres miembros de Angptl sean inhibidores de LPL, y que la deficiencia (sobreexpresión) de cualquiera de ellos resulte en hipotrigliceridemia (hipertrigliceridemia). Entonces, ¿por qué la naturaleza necesita a los tres miembros de Angptl para regular la actividad de LPL? Nuestro hallazgo de que Angptl8 regula negativamente la actividad LPL específicamente en el corazón y el músculo esquelético sugirió inmediatamente un modelo por el cual la regulación del tráfico de TG se explica por Angptl3, Angptl4 y Angptl8 (modelo de Angptl3-4-8 figura 1) [66].

Figura 1. El modelo ANGPTL3-4-8. ANGPTL8, ANGPTL3 y ANGPTL4 regulan el tráfico de triglicéridos (TG) inhibiendo la lipoproteína lipasa, de una manera específica de tejido, en diferentes estados nutricionales. El nivel de ANGPTL3 es estable, independientemente del estado nutricional, pero requiere activación por ANGPTL8. El ayuno induce ANGPTL4, que inhibe la LPL en WAT para dirigir los TG circulantes a los músculos cardíacos y esqueléticos para su oxidación (a) a la inversa, la alimentación induce ANGPTL8, activando la vía ANGPTL8-ANGPTL3, que inhibe la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos para dirigir los TG circulantes a WAT ​​para su almacenamiento (B).

Según este modelo, Angptl8 activa Angptl3, de manera endocrina, para inhibir la actividad de LPL en el corazón y el músculo esquelético, mientras que Angptl4, que involucra especies intracelulares y circulantes, inhibe la actividad de LPL en WAT. El ayuno regula al alza Angptl4 pero regula a la baja a Angptl8 y, en consecuencia, la actividad de LPL en WAT se reduce pero en los músculos aumenta y, por lo tanto, los TG se dirigen a los músculos para su oxidación. Por el contrario, la ingesta de alimentos regula negativamente Angptl4 pero aumenta Angptl8 y, en consecuencia, la actividad de LPL en WAT aumenta pero en los músculos se reduce, dirigiendo así los TG circulantes a WAT ​​para su almacenamiento (figura 1) [66].

Cabe señalar varios hallazgos provocativos. En 1964, Eagle & amp Robinson [97] demostraron que en WAT, el bloqueo de la transcripción con actinomicina aumenta la actividad de LPL durante el ayuno. De manera consistente, Olivecrona y colaboradores [98] demostraron que la expresión de un gen debe activarse para regular negativamente la actividad de la LPL adiposa. Ahora, ha quedado claro que esta proteína inducida por el ayuno hipotética que inhibe WAT LPL es Angptl4. Al estudiar una amplia gama de cepas de ratones, Ben-Zeev et al. [99] sugirió que genes separados regulan la actividad de LPL en el tejido adiposo y en el corazón. Es importante destacar que Olivecrona y colaboradores [100] encontraron que, de manera similar al tejido adiposo, un mecanismo dependiente de la transcripción está involucrado en la modulación de la actividad de la LPL del corazón. Después de la inyección de actinomicina D, se incrementó la actividad de la LPL posprandial en el corazón. Por lo tanto, propusieron que la alimentación inducía una proteína que inhibe la actividad de la LPL cardíaca posprandial [100]. Es probable que esta proteína inducida por la alimentación hipotetizada sea Angptl8.

6. Angptl8 y Angptl3 funcionan en la misma vía

La evidencia actual apoya la noción de que Angptl8 y Angptl3 funcionan en la misma vía, es decir, Angptl8 inhibe LPL, de una manera dependiente de Angptl3, en músculos cardíacos y esqueléticos, mientras que Angptl3, aunque es abundante en la circulación independientemente del estado nutricional, necesita para ser activado por Angptl8, que es inducido por la alimentación. Al considerar conjuntamente el modelo Angptl3-4-8 y los fenotipos de ratones deficientes en Angptl8 o Angptl3, podemos obtener más información sobre la relación entre los dos miembros de Angptl.

Los ratones Angptl8 KO exhibieron una mayor actividad de LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos en estado de alimentación, lo que sugiere que se requiere Angptl8 para la inhibición de LPL en estos tejidos [66]. Este resultado se obtuvo en ratones con abundante Angptl3, lo que sugiere que en ausencia de Angptl8, Angptl3 no suprime eficazmente la LPL en estos tejidos. En otras palabras, Angptl3 requiere que Angptl8 sea funcionalmente activo para inhibir la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos.

Los ratones Angptl3 KO exhibieron una mayor actividad de LPL en el músculo cardíaco y esquelético en el estado alimentado [37], lo que sugiere que se requiere Angptl3 para la inhibición de LPL en estos tejidos. Este resultado se obtuvo en estado alimentado, es decir, Angptl8 era abundante, lo que sugiere que Angptl8 requería Angptl3 para inhibir la LPL muscular. De manera constante, la sobreexpresión hepática de Angptl8 en ratones aumentó drásticamente los niveles de TG en suero [58], pero este aumento se anuló en los ratones Angptl3 KO [59].

Se demostró que Angptl8 interactúa con Angptl3 y mejora la escisión de Angptl3, liberando el dominio N-terminal, que inhibe de forma potente la LPL [59]. Este resultado conduce a múltiples posibilidades para los mecanismos de funcionamiento de Angptl8 y Angptl3. Una posibilidad es que Angptl8 mejore la escisión de Angptl3, liberando el dominio N-terminal, que a su vez se dirige a la LPL muscular, pero el propio Angptl8 permanece en la circulación. Otra posibilidad es que las dos proteínas formen un complejo que se traslade a los capilares musculares para inhibir la LPL. Esto último parece más probable por las siguientes razones. Los ratones Angptl8 KO no mostraron niveles reducidos del dominio N-terminal de Angptl3 [65] y, por lo tanto, Angptl8 no es necesario para la escisión de Angptl3. Además, en ratones con sobreexpresión de Angptl8, los niveles circulantes de Angptl3 se redujeron [59], lo que respalda la idea de que el Angptl8 exógeno formaba complejos con Angptl3, que, a su vez, se trasladaban a los capilares del corazón y el músculo esquelético, lo que resultaba en niveles reducidos de Angptl3 circulante. .

Tanto Angptl8 como Angptl3 son secretados por el hígado a la circulación y no se expresan en el corazón ni en el músculo esquelético, por lo que es probable que funcionen de manera endocrina. Tomados en conjunto, estos resultados sugieren fuertemente que Angptl8, inducido por la alimentación, se une y activa a Angptl3 para inhibir la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos, de manera endocrina.

7. Explicación de los niveles de triglicéridos en ratones con expresión alterada de Angptl8, Angptl3 o Angptl4 por el modelo Angptl3-4-8

Un fenotipo sorprendente en ratones Angptl8 KO es que la realimentación disminuye los niveles de TG en suero [65,66] (figura 2C). Este fenotipo sorprendente está muy bien explicado por el modelo. Según el modelo Angptl3-4-8, en ratones Angptl8 KO, la actividad de LPL en el corazón y el músculo esquelético permanece activa tanto en ayunas como en estado de alimentación. Sin embargo, en el estado de ayuno, abundante Angptl4 inhibe WAT LPL, mientras que después de la realimentación, Angptl4 disminuye, lo que da como resultado una mayor actividad de WAT LPL, una mayor absorción de ácidos grasos WAT, una mayor depuración de TG circulantes y, por lo tanto, niveles más bajos de TG en suero.

Figura 2. Cambios en los niveles de triglicéridos en ratones deficientes o que sobreexpresan Angptl8 explicados por el modelo Angptl3-4-8. (a) En el estado alimentado, los ratones sin Angpt18-null tienen una alta actividad LPL tanto en WAT como en los músculos, lo que resulta en niveles más bajos de TG circulantes. (B) Por el contrario, en el estado de ayuno, los ratones que sobreexpresan Angpt18 tienen una baja actividad de LPL tanto en WAT como en los músculos, lo que resulta en niveles de TG circulantes dramáticamente más altos. (CD) Niveles de TG en Angptl8 KO (C) y sobreexpresando (D) ratones. Los ratones se mantuvieron en ayunas durante 24 horas o se volvieron a alimentar durante 4 horas después del ayuno. Paneles (CD) se reproducen a partir de los datos de la figura 3 de [66] con permiso de Scientific Reports. Los datos se presentan como media ± s.e.m. norte = 6–8 por grupo. KO, knockout WAT, tejido adiposo blanco. *pag & lt 0.05 # pag & lt 0.01.

En el estado de alimentación, los ratones Angptl8 KO también tienen niveles bajos de Angptl4, lo que resulta en una mayor actividad de LPL tanto en WAT como en los músculos y, por lo tanto, los TG circulantes se hidrolizan y absorben de manera efectiva tanto WAT como los músculos, lo que lleva a hipotrigliceridemia [65,66 ] (Figura 2C.A). En ayunas, debido a que se induce Angptl4, se retiene la inhibición de WAT LPL y, por lo tanto, los niveles de TG circulantes no mostraron diferencias significativas con los de los ratones de tipo salvaje (tabla 1 y figura 2).C). En el caso de la sobreexpresión de Angptl8, en estado alimentado, debido a que la actividad de LPL en WAT es todavía alta en ausencia de Angptl4, la elevación de TG circulante es modesta. Sin embargo, en el estado de ayuno, la LPL tanto en WAT como en los músculos se inhibe, lo que resulta en una notable elevación de los TG circulantes (figura 2b, d).

Tabla 1. Niveles séricos de triglicéridos y actividad de LPL en ratones con expresión alterada de Angptl8 [66]. ↑, aumentado ↓, disminuido -, sin cambios ^, ligeramente incrementado.


¿Cómo funciona el ADN?

En el genoma humano hay entre 50.000 y 100.000 genes. A medida que la ADN polimerasa copia la secuencia de ADN, se producen algunos errores. Por ejemplo, una base de ADN en un gen puede sustituirse por otra. A esto se le llama mutación (específicamente un mutación puntual) o variación en el gen. Debido a que el código genético tiene redundancias incorporadas, este error podría no tener mucho efecto sobre la proteína producida por el gen. En algunos casos, el error puede estar en la tercera base de un codón y aún así especificar el mismo aminoácido en la proteína. En otros casos, puede estar en otra parte del codón y especificar un aminoácido diferente. Si el aminoácido modificado no se encuentra en una parte crucial de la proteína, es posible que no se produzcan efectos adversos. Sin embargo, si el aminoácido modificado se encuentra en una parte crucial de la proteína, entonces la proteína puede ser defectuosa y no funcionar tan bien o, en absoluto, este tipo de cambio puede provocar una enfermedad.

Otros tipos de mutaciones en el ADN pueden ocurrir cuando pequeños segmentos de ADN se desprenden del cromosoma. Estos segmentos pueden volver a colocarse en otro lugar del cromosoma e interrumpir el flujo normal de información. Este tipo de mutaciones (deleciones, inserciones, inversiones) suelen tener graves consecuencias.

Como se señaló anteriormente, hay mucho ADN adicional en el genoma humano que no codifica proteínas. Lo que hace este ADN extra no codificante está siendo investigado activamente. Quizás algo de esto sea simplemente espaciamiento para mantener los genes a cierta distancia separados para las enzimas de transcripción. Algunos pueden ser lugares donde los químicos ambientales pueden unirse y afectar la transcripción y / o traducción del ADN. Además, dentro de este ADN adicional, hay muchas secuencias de variación que se utilizan en la tipificación del ADN (consulte Cómo funciona la evidencia de ADN).

Secuencia ADN

El Proyecto del Genoma Humano (HGP) se inició en la década de 1990 con el objetivo de determinar la secuencia de todo el genoma humano. ¿Qué genes estaban presentes? ¿Dónde estaban ubicados? ¿Cuáles fueron las secuencias de los genes y el ADN que interviene (ADN no codificante)? Esta tarea fue monumental, siguiendo la orden del Proyecto Apolo de EE. UU. Para colocar a un hombre en la Luna. Los científicos y contratistas de HGP desarrollaron nuevas tecnologías para secuenciar el ADN que eran automatizadas y menos costosas.

Básicamente, para secuenciar el ADN, colocas todas las enzimas y nucleótidos (A, G, C y T) necesarios para copiar el ADN en un tubo de ensayo. Un pequeño porcentaje de los nucleótidos tiene un tinte fluorescente adherido a ellos (un color diferente para cada tipo). Luego coloca el ADN que desea secuenciar en el tubo de ensayo y déjelo incubar por un tiempo.

Durante el proceso de incubación, la muestra de ADN se copia una y otra vez. Para cualquier copia dada, el proceso de copia se detiene cuando se le coloca un nucleótido fluorescente. Entonces, al final del proceso de incubación, tiene muchos fragmentos del ADN original de diferentes tamaños y terminando en uno de los nucleótidos fluorescentes. Para ver una animación de este proceso de secuenciación de ADN, visite DNA Interactive, vaya a Técnicas, luego Clasificación y secuenciación.

La tecnología del ADN seguirá desarrollándose a medida que intentemos comprender cómo funcionan e interactúan los elementos del genoma humano con el medio ambiente.

Para obtener mucha más información sobre el ADN y temas relacionados, consulte los enlaces a continuación.

Un gen en su ADN codifica para un enzima (tipo de proteína que acelera una reacción química) que le permite descomponer un aminoácido específico llamado fenilalanina encontrado en la leche. En algunas personas, este gen falta o está defectuoso. No producen la enzima y no pueden degradar la fenilalanina. Cuando son bebés, si estas personas reciben leche o productos lácteos con regularidad, la fenilalanina ininterrumpida se acumulará y causará daño cerebral (la enfermedad se llama fenilcetonuria). Afortunadamente, se realiza una prueba genética al nacer que puede identificar a estos bebés, que luego pueden ser alimentados con productos lácteos que carecen de fenilalanina (como la leche de soja).


Un virus que es más transmisible y menos patógeno tiene más probabilidades de sobrevivir - Carolyn Williamson

Williamson y sus colegas encontraron que esta versión del virus Covid-19 porta ocho mutaciones distintivas en la proteína de pico, incluidas tres que se cree que han contribuido a su mayor transmisibilidad.

"No sabemos cómo surgió esta variante", dice Williamson. Pero ella especula que también pudo haber ocurrido en alguien con una infección de larga duración. "Por lo general, el SARS-CoV-2 es una infección aguda y se elimina rápidamente. En algunos individuos puede haber una replicación continua que permite que se produzca la evolución viral".

Entre las mutaciones que detectaron Williamson y su equipo se encontraba la mutación N501Y también observada en la variante británica B117. Se ha sugerido que otra de las mutaciones, K417N, se combine con N501Y para aumentar la fuerza con la que el virus puede unirse al receptor ACE2 en células humanas, pero otro trabajo de modelado por computadora ha sugerido que K417N puede contrarrestar el aumento de unión observado en N501Y.

Actualmente no hay indicios de que cause una enfermedad más grave, pero parece que se propaga más rápidamente que las formas anteriores del virus. "Un virus que es más transmisible y menos patógeno tiene más probabilidades de sobrevivir", dice Williamson. Esto se debe a que si un virus mata a su anfitrión demasiado rápido, no tendrá tiempo de replicarse tanto y propagarse a otras personas.

La nueva variante que se propaga por Brasil ha mostrado signos de que puede reinfectar a personas que ya han tenido el virus (Crédito: Mauro Pimentel / Getty Images)

Sin embargo, los estudios han sugerido que la mutación K417N puede reducir la sensibilidad del virus a los anticuerpos humanos. Una tercera mutación llamada E484K también parece reducir la vulnerabilidad del virus a los anticuerpos. Un estudio sugiere que los cambios en el sitio E484 en la proteína de pico pueden producir una reducción de 10 veces en la capacidad de algunos anticuerpos para neutralizarla. Más recientemente, los investigadores detectaron la mutación E484K en algunas muestras de la variante B117 en el suroeste de Inglaterra, lo que generó preocupaciones de que también pueda adquirir la capacidad de evadir algunos aspectos de la inmunidad si se propaga.

Los resultados de un pequeño ensayo de la vacuna Novavax contra Covid-19 sugieren que es menos eficaz contra la variante sudafricana que contra las variantes original y británica del virus. También se ha descubierto que los anticuerpos producidos por la vacuna Pfizer son ligeramente menos efectivos contra la variante sudafricana, mientras que la vacuna Oxford / Astrazenica proporciona solo una protección mínima contra el Covid-19 leve-moderado en adultos jóvenes infectados por la variante sudafricana.

Pero aún no está claro si la variante sudafricana también será menos vulnerable a otros tipos de inmunidad, como las que proporcionan las células T. (Lea más sobre la importancia de la inmunidad de las células T.) También hay algunos resultados alentadores que sugieren que aquellos que han sido previamente infectados por una forma anterior del virus y luego han aumentado su inmunidad a través de una vacuna podrían ser resistentes a la variante sudafricana, pero esto solo se ha demostrado en pruebas con muestras de anticuerpos. de los pacientes en lugar de en el mundo real.

La variante brasileña

La mutación E484K está demostrando ser importante en otra variante preocupante que ahora se está extendiendo por todo el mundo. La variante P1 contiene 20 mutaciones únicas, incluido el cambio E484K que se encuentra en la variante sudafricana. Parece haber surgido por primera vez en la ciudad de Manaus, estado de Amazonas, en el norte de Brasil, que ha sido particularmente afectada por la pandemia. La variante también se detectó en cuatro viajeros que habían volado desde el norte de Brasil a Japón el 2 de enero de este año.

Esta versión del virus también lleva la mutación N501Y junto con el cambio E484K y una llamada K417T.Aunque los científicos todavía están investigando las consecuencias exactas de estas mutaciones, la cepa ha sido designada como una "Variante de preocupación" por los funcionarios de salud mundial y dicen que es probable que tenga niveles similares de escape de anticuerpos a la variante B1351 de Sudáfrica. .

La aparición de la variante brasileña P1 genera preocupaciones de que el virus pueda estar desarrollando una mayor propensión a volver a infectar a las personas, según el Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE. UU. En la primera semana de marzo de 2021, se detectó P1 en 25 países, incluidos EE. UU., Reino Unido, Italia y Bélgica.


El modelo ANGPTL3-4-8, un mecanismo molecular para el tráfico de triglicéridos

La lipoproteína lipasa (LPL) es una enzima limitante de la velocidad para hidrolizar los triglicéridos circulantes (TG) en ácidos grasos libres que son absorbidos por los tejidos periféricos. La actividad de la LPL posprandial aumenta en el tejido adiposo blanco (WAT), pero disminuye en el corazón y el músculo esquelético, por lo que dirige los TG circulantes a WAT ​​para su almacenamiento, lo contrario ocurre durante el ayuno. Sin embargo, el mecanismo para la regulación específica de tejido de la actividad de LPL durante el ciclo de alimentación rápida ha sido difícil de alcanzar. La identificación reciente de lipasina / angiopoyetina similar 8 (Angptl8), una hepatoquina inducida por la alimentación, junto con Angptl3 y Angptl4, proporciona información intrigante, pero desconcertante, porque los tres miembros de Angptl son inhibidores de la LPL y la deficiencia (sobreexpresión) de cualquiera causa hipotrigliceridemia (hipertrigliceridemia). Entonces, ¿por qué la naturaleza necesita los tres? Nuestros datos recientes de que Angptl8 regula negativamente la actividad de LPL específicamente en los músculos cardíacos y esqueléticos sugieren un modelo de Angptl3-4-8: la alimentación induce a Angptl8, activando la vía Angptl8-Angptl3, que inhibe la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos, lo que hace que los TG circulantes estén disponibles para captación por WAT, en la que la actividad de LPL se eleva debido a la disminución de Angptl4, ocurre lo contrario durante el ayuno, que suprime Angptl8 pero induce Angptl4, dirigiendo así los TG a los músculos. El modelo sugiere un marco general de cómo se regula el tráfico de TG.

1. Lipoproteína lipasa

Los triglicéridos (TG), la principal forma de lípidos para almacenar y proporcionar energía al cuerpo, son esenciales para la vida humana. Para permitir que los TG circulen en el sistema sanguíneo, los lípidos son emulsionados por proteínas, formando lipoproteínas. Los quilomicrones y las lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) son las dos clases principales de lipoproteínas ricas en TG. Después de una comida, los quilomicrones se forman a partir de los TG de la dieta en las células de la mucosa dentro de las vellosidades del duodeno y llegan al torrente sanguíneo a través del sistema linfático. Durante el ayuno, la VLDL se produce en el hígado mediante la síntesis de TG y se secreta directamente al torrente sanguíneo. Estas lipoproteínas ricas en TG transportan y distribuyen TG a varios tejidos para su almacenamiento u oxidación para generar energía. En los capilares de estos tejidos, la hidrólisis de TG y la captación de los ácidos grasos resultantes dependen en gran medida de una sola enzima, la lipoproteína lipasa (LPL) [1-5].

El descubrimiento de la LPL se debió a una observación fortuita hecha por Hahn, hace más de siete décadas, de que el plasma heparinizado eliminó la lipemia inducida por la dieta en perros, pero la heparina por sí sola no tuvo este efecto, lo que indica que la inyección de heparina libera un factor que elimina la grasa. en el plasma [6]. Como señaló Hahn [6], "este fenómeno fue tan sorprendente, incluso en los casos en que el grado de lipemia era tal que el plasma sugería una crema ligera". Este factor de aclaramiento liberado por heparina se identificó posteriormente como LPL [7], porque su activación depende de la apolipoproteína C2, un componente de las lipoproteínas, incluidas las VLDL, las lipoproteínas de alta densidad (HDL) y los quilomicrones [1-5].

La LPL es una enzima limitante de la velocidad para hidrolizar los TG que se presentan en las lipoproteínas circulantes, generando ácidos grasos libres que son absorbidos por los tejidos periféricos [8], incluidos el corazón [9-11], los músculos [12-14] y la grasa [4]. . La LPL se expresa abundantemente en el corazón y el músculo esquelético, que dependen principalmente de la oxidación de los ácidos grasos para la producción de energía, y en el tejido adiposo blanco (WAT), que almacena energía mediante la resíntesis de TG a partir de los ácidos grasos absorbidos [15]. Tanto en humanos como en ratones, la deficiencia de LPL da como resultado una hipertrigliceridemia grave [16-18]. Debido al papel fundamental que desempeña la LPL en el metabolismo de las lipoproteínas y en la entrega y utilización de sustratos específicos de tejido, la actividad de la LPL se orquesta cuidadosamente de una manera específica de tejido para satisfacer las demandas de energía de varios tejidos en diferentes estados nutricionales. Por ejemplo, la alimentación regula al alza la actividad de LPL en WAT pero regula a la baja su actividad en el corazón y el músculo esquelético, lo contrario ocurre durante el ayuno [4]. En general, se acepta que la mayoría de las variaciones fisiológicas en la actividad de LPL, como durante el ciclo de alimentación rápida, están determinadas por mecanismos postraduccionales que involucran proteínas que interactúan, incluidas las apolipoproteínas y miembros de la familia de proteínas similares a la angiopoyetina (Angptl) [4].

2. GPIHBP1

La LPL hidroliza los TG en lipoproteínas ricas en TG en la superficie de los capilares de los tejidos periféricos, incluido el corazón, el músculo esquelético y el WAT; sin embargo, la LPL no se expresa en las células endoteliales capilares, sino que es producida por las células parenquimatosas, los miocitos y los adipocitos [3]. . Por lo tanto, la LPL debe transportarse a través de las células endoteliales hasta la superficie luminal de los capilares. Un descubrimiento importante con respecto a la biología de la LPL es que una proteína de unión a lipoproteínas de alta densidad anclada en glicosilfosfatidilinositol de una proteína de células endoteliales 1 (GPIHBP1) transporta la LPL a los capilares, donde la LPL permanece anclada a la pared capilar por GPIHBP1 [19-21]. En los ratones knockout (KO) de Gpihbp1, la LPL está mal localizada en los espacios intersticiales que rodean a los miocitos y adipocitos, y los ratones KO exhiben hipertrigliceridemia severa (quilomicroniemia) [20, 21]. En los seres humanos, las mutaciones con pérdida de función de GPIHBP1 dan lugar a quilomicroniemia familiar [22-25]. Sin GPIHBP1, la LPL no puede alcanzar la luz capilar y las lipoproteínas ricas en TG no se unen a la luz de los capilares [19]. Por tanto, la GPIHBP1 es necesaria para que la LPL funcione en la superficie capilar y es una plataforma clave para el procesamiento lipolítico de las lipoproteínas ricas en TG [26-28].

3. Angptl3 y Angptl4

Angptl3 y Angptl4 son inhibidores bien establecidos de LPL [29]. El primer indicio de la participación de las proteínas Angptl en el metabolismo de los lípidos provino del estudio de ratones KK / San, que exhiben niveles de TG en suero extremadamente bajos. Al realizar la clonación posicional, Koishi et al. [30] identificó una mutación con pérdida de función en Angptl3 en estos ratones, lo que sugiere que el bajo nivel de TG se debe a la deficiencia de Angptl3. Angptl3 es un factor circulante secretado por el hígado, donde se expresa específicamente [30]. Además, la sobreexpresión de Angptl3, ya sea por infección por adenovirus o por proteína recombinante i.v. inyección, rescata los fenotipos de TG bajos de los ratones KK / San y conduce a la hipertrigliceridemia en los ratones de tipo salvaje [30]. De manera constante, la deleción de Angptl3 en ratones reduce los niveles de colesterol y de TG en suero [29, 31].

Mecánicamente, Angptl3 aumenta los niveles de TG circulantes al inhibir la actividad de LPL. En ratones que carecen de Angptl3, la tasa de eliminación de VLDL-TG aumentó, mientras que la síntesis o secreción de VLDL-TG no se vio afectada [32]. Angptl3 tiene dos dominios funcionales, un dominio de espiral en espiral N-terminal y un dominio de tipo fibrinógeno C-terminal. Angptl3 es escindido proteolíticamente por proproteína convertasas mediante reconocimiento en la posición 221-224 para producir el dominio N-terminal, que es suficiente y necesario para la inhibición de LPL [33,34]. Un anticuerpo monoclonal de Angptl3 que se une al dominio N-terminal, consistentemente, reduce los niveles de TG en suero en ratones y monos [35, 36]. En ratones Angptl3 KO, la actividad de LPL y la incorporación de VLDL-TG aumentan en los tejidos oxidativos, incluidos el corazón, los músculos y la grasa parda [37].

Angptl4 fue identificado como un nuevo miembro de la familia Angptl inducido por ayuno a través del receptor activado por proliferador de peroxisoma (PPAR) en adipocitos [38-40]. Angptl4 es un potente inhibidor de la LPL [29,41] y desempeña un papel importante en la regulación de la actividad de la LPL en condiciones de ayuno y ejercicio [42]. De forma similar a la estructura del dominio de Angptl3, Angptl4 se escinde en la secuencia de reconocimiento de proproteína convertasa conservada en la posición 161-164, RRKP, para liberar el dominio de espiral en espiral N-terminal, que inhibe de forma potente la LPL [43, 44]. Se han propuesto diferentes mecanismos por los cuales Angptl4 inhibe la LPL [45-48]. El dominio N-terminal de ANGPTL4 inhibe irreversiblemente la actividad de LPL al interrumpir su dimerización, convirtiendo la enzima en monómeros inactivos [47,48]. Utilizando un sistema de cultivo celular para examinar LPL complejado con GPIHBP1 en la superficie de la célula endotelial, Chi et al. [46] mostró que Angptl4 puede unirse e inactivar LPL complejado con GPIHBP1 y que la inactivación de LPL por Angptl4 reduce en gran medida la afinidad de LPL por GPIHBP1.

Los ratones inyectados con un anticuerpo monoclonal contra el dominio N-terminal de Angptl4 exhiben fenotipos similares a los de los ratones sin Angptl4, como niveles bajos de TG en plasma [35,49]. De hecho, los ratones nulos para Angptl4 exhiben TG plasmáticos más bajos y una actividad LPL plasmática aumentada después de la heparina, a la inversa, la inyección de Angptl4 recombinante o su sobreexpresión transgénica aumenta los TG plasmáticos [29,41]. Angptl4 parece inhibir la LPL de una manera específica del tejido adiposo [50,51]. Por ejemplo, por exposición al frío, la cantidad de TG marcados incorporados en WAT y BAT se alteró en ratones Angptl4 KO, mientras que la incorporación de TG en el músculo fue comparable entre ratones KO y ratones de tipo salvaje [50].

Las variaciones de secuencia de ANGPTL3 y ANGPTL4 están fuertemente vinculadas a los perfiles de lípidos mediante estudios de asociación de todo el genoma (GWAS). En los seres humanos, los homocigotos o heterocigotos compuestos para mutaciones con pérdida de función de ANGPTL3 causan hipolipidemia combinada familiar, caracterizada por una reducción de todas las clases de lipoproteínas, como VLDL, LDL y HDL [52,53]. La sustitución de E40K en ANGPTL4 se asocia con concentraciones plasmáticas más bajas de TG y HDL-C [54,55]. La nueva secuenciación de las regiones codificantes de proteínas mostró que el 1% de la población del Dallas Heart Study (DHS) y el 4% de los participantes con un TG plasmático en el cuartil más bajo tienen mutaciones con pérdida de función en ANGPTL3, ANGPTL4 o ANGPTL5 [56 ].

4. Lipasin / Angptl8

Los roles funcionales en el metabolismo de los lípidos de un gen previamente no caracterizado, Gm6484, fueron descubiertos e informados por múltiples grupos en 2012, con varios nombres, como RIFL [57], lipasina [58], Angptl8 [59] y betatrofina [60]. En octubre de 2015, el comité de nomenclatura de genes HUGO [61] asignó el nombre oficial de este gen como ANGPTL8 (humano) y Angptl8 (ratón), que se adoptaron en la revisión actual. La investigación activa sobre Angptl8 en los últimos años ha proporcionado información crítica sobre su función, mecanismo de acción y potencial terapéutico [62,63].

Sobreexpresamos Angptl8 en el hígado de ratón usando adenovirus mediante inyección en la vena de la cola, y la sobreexpresión de Angptl8 condujo a un aumento espectacular de los niveles de TG en suero [58]. Quagliarini et al. [59] encontraron que Angptl8 sobreexpresado aumentaba los niveles de TG en suero de una manera dependiente de Angptl3. Los ratones que carecen de Angptl8 exhiben consistentemente niveles de TG más bajos debido a un mayor aclaramiento de TG en plasma al tener una mayor actividad de LPL post-heparina [64,65]. Recientemente descubrimos que los ratones Angptl8 KO tienen una mayor actividad de LPL específicamente en los músculos cardíaco y esquelético [66]. Este resultado sugiere que Angptl8 regula negativamente la actividad de LPL en estos dos tejidos. Además, Angptl8 es una diana terapéutica porque su neutralización con un anticuerpo monoclonal (el epítopo es E97IQVEE) reduce los niveles de TG en suero [66].

La expresión de Angptl8 está muy enriquecida en el hígado, WAT y BAT [57-59]. Además, la expresión de Angptl8 se reduce con el ayuno y es altamente inducida por la alimentación tanto en el hígado como en el tejido adiposo [57-59]. En la grasa parda, Angptl8 se regula al alza por la exposición al frío [67]. Utilizando ratones que carecen de diferentes isoformas de la proteína de unión al elemento regulador de esteroles (Srebp), se demostró que Angptl8 se induce mediante la alimentación independiente de Srebp [59]. Se demostró que la proteína quinasa activada por AMP suprime la expresión de Angptl8 inducida por señalización de LXR / SREBP-1 en células HepG2 [68]. Angptl8 está altamente regulado durante la adipogénesis y su caída suprime significativamente la diferenciación de adipocitos [57]. Además, Angptl8 está regulado positivamente por la hormona tiroidea y modula la autofagia [69].

En humanos, se ha demostrado que las variaciones de la secuencia de ANGPTL8 están asociadas con perfiles de lípidos por GWAS. Tres SNP de ANGPTL8 están fuertemente asociados con los perfiles de lípidos. El primer SNP, rs2278426, representa una transición de nucleótidos (C versus T, de CGG a TGG) que da como resultado un cambio de aminoácidos no sinónimos, de arginina (R) a triptófano (W) en el residuo 59. Quagliarini et al. [59] encontraron que la variante 59W está asociada con niveles más bajos de LDL-C y HDL-C en varios grupos étnicos. De manera consistente, en un estudio compuesto por 4361 mexicanos, Weissglas-Volkov et al. encontraron que los homocigotos WW tenían un C-HDL un 14% más bajo que los homocigotos RR. Los afroamericanos en el DHS tenían un 15% menos de LDL-C en homocigotos WW que en homocigotos RR [70]. El segundo SNP, rs145464906, representa una transición de nucleótidos (C frente a T, de CAG a TAG) que da como resultado un codón de parada prematuro en el residuo 121 y, por lo tanto, este SNP genera un ANGPTL8 truncado. Los portadores de esta mutación de pérdida de función presuntamente parcial con ascendencia europea eran 10 mg dl -1 más altos en HDL-C y un 15% más bajos en los niveles de TG [71]. También se ha encontrado que el tercer SNP, rs737337, está asociado con los niveles de HDL-C [28], y este SNP se encuentra en la región aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción de ANGPTL8 [72].

Los niveles circulantes de ANGPTL8 en fisiología y patología humanas han sido un área de investigación activa. Se encontró que los niveles circulantes de ANGPTL8 en humanos disminuían con el ayuno nocturno [59] y aumentaban 2 h después de una comida definida [73]. Se encontró que los niveles circulantes de ANGPTL8 aumentaban en la diabetes tipo 2 [73-80], la diabetes gestacional [81-83], los niños obesos con resistencia a la insulina [84] y la diabetes tipo 1 [78,85]. No obstante, la relación entre los niveles circulantes de ANGPTL8 y la diabetes y la obesidad no es concluyente [86,87]. También se encontró que los niveles de ANGPTL8 estaban asociados con otras condiciones metabólicas [88-96].

Por lo tanto, la evidencia abrumadora de los estudios de pérdida y ganancia de función en ratones y GWAS humano ha demostrado que Angptl8 es una hepatocina inducida por la alimentación que es un potente regulador del metabolismo de los lípidos.

5. El modelo Angptl3-4-8

Los TG se dirigen a WAT ​​para su almacenamiento después de la alimentación, y al corazón y al músculo esquelético para que se oxiden y generen energía durante el ayuno. Ahora está claro que el proceso de tráfico de TG está críticamente determinado por LPL. Después de la alimentación, la actividad de LPL aumenta en WAT pero disminuye en los músculos a la inversa, durante el ayuno, la actividad de LPL disminuye en WAT pero aumenta en los músculos. Sin embargo, el mecanismo para regular la actividad LPL específica de tejido durante el ciclo de alimentación rápida sigue siendo en gran parte desconocido.

Los descubrimientos de Angptl3 y Angptl4 han ofrecido información significativa sobre este proceso, ya que ambos son potentes inhibidores de LPL. Sin embargo, basándose únicamente en Angptl3 y Angptl4, no se puede explicar la regulación de LPL entre WAT, el corazón y el músculo esquelético. El descubrimiento de Angptl8 parece completar el juego de jugadores para la regulación de LPL, pero es desconcertante que los tres miembros de Angptl sean inhibidores de LPL, y que la deficiencia (sobreexpresión) de cualquiera de ellos resulte en hipotrigliceridemia (hipertrigliceridemia). Entonces, ¿por qué la naturaleza necesita a los tres miembros de Angptl para regular la actividad de LPL? Nuestro hallazgo de que Angptl8 regula negativamente la actividad LPL específicamente en el corazón y el músculo esquelético sugirió inmediatamente un modelo por el cual la regulación del tráfico de TG se explica por Angptl3, Angptl4 y Angptl8 (modelo de Angptl3-4-8 figura 1) [66].

Figura 1. El modelo ANGPTL3-4-8. ANGPTL8, ANGPTL3 y ANGPTL4 regulan el tráfico de triglicéridos (TG) inhibiendo la lipoproteína lipasa, de una manera específica de tejido, en diferentes estados nutricionales. El nivel de ANGPTL3 es estable, independientemente del estado nutricional, pero requiere activación por ANGPTL8. El ayuno induce ANGPTL4, que inhibe la LPL en WAT para dirigir los TG circulantes a los músculos cardíacos y esqueléticos para su oxidación (a) a la inversa, la alimentación induce ANGPTL8, activando la vía ANGPTL8-ANGPTL3, que inhibe la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos para dirigir los TG circulantes a WAT ​​para su almacenamiento (B).

Según este modelo, Angptl8 activa Angptl3, de manera endocrina, para inhibir la actividad de LPL en el corazón y el músculo esquelético, mientras que Angptl4, que involucra especies intracelulares y circulantes, inhibe la actividad de LPL en WAT. El ayuno regula al alza Angptl4 pero regula a la baja a Angptl8 y, en consecuencia, la actividad de LPL en WAT se reduce pero en los músculos aumenta y, por lo tanto, los TG se dirigen a los músculos para su oxidación. Por el contrario, la ingesta de alimentos regula negativamente Angptl4 pero aumenta Angptl8 y, en consecuencia, la actividad de LPL en WAT aumenta pero en los músculos se reduce, dirigiendo así los TG circulantes a WAT ​​para su almacenamiento (figura 1) [66].

Cabe señalar varios hallazgos provocativos. En 1964, Eagle & amp Robinson [97] demostraron que en WAT, el bloqueo de la transcripción con actinomicina aumenta la actividad de LPL durante el ayuno. De manera consistente, Olivecrona y colaboradores [98] demostraron que la expresión de un gen debe activarse para regular negativamente la actividad de la LPL adiposa. Ahora, ha quedado claro que esta proteína inducida por el ayuno hipotética que inhibe WAT LPL es Angptl4. Al estudiar una amplia gama de cepas de ratones, Ben-Zeev et al. [99] sugirió que genes separados regulan la actividad de LPL en el tejido adiposo y en el corazón. Es importante destacar que Olivecrona y colaboradores [100] encontraron que, de manera similar al tejido adiposo, un mecanismo dependiente de la transcripción está involucrado en la modulación de la actividad de la LPL del corazón. Después de la inyección de actinomicina D, se incrementó la actividad de la LPL posprandial en el corazón. Por lo tanto, propusieron que la alimentación inducía una proteína que inhibe la actividad de la LPL cardíaca posprandial [100]. Es probable que esta proteína inducida por la alimentación hipotetizada sea Angptl8.

6. Angptl8 y Angptl3 funcionan en la misma vía

La evidencia actual apoya la noción de que Angptl8 y Angptl3 funcionan en la misma vía, es decir, Angptl8 inhibe LPL, de una manera dependiente de Angptl3, en músculos cardíacos y esqueléticos, mientras que Angptl3, aunque es abundante en la circulación independientemente del estado nutricional, necesita para ser activado por Angptl8, que es inducido por la alimentación. Al considerar conjuntamente el modelo Angptl3-4-8 y los fenotipos de ratones deficientes en Angptl8 o Angptl3, podemos obtener más información sobre la relación entre los dos miembros de Angptl.

Los ratones Angptl8 KO exhibieron una mayor actividad de LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos en estado de alimentación, lo que sugiere que se requiere Angptl8 para la inhibición de LPL en estos tejidos [66]. Este resultado se obtuvo en ratones con abundante Angptl3, lo que sugiere que en ausencia de Angptl8, Angptl3 no suprime eficazmente la LPL en estos tejidos. En otras palabras, Angptl3 requiere que Angptl8 sea funcionalmente activo para inhibir la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos.

Los ratones Angptl3 KO exhibieron una mayor actividad de LPL en el músculo cardíaco y esquelético en el estado alimentado [37], lo que sugiere que se requiere Angptl3 para la inhibición de LPL en estos tejidos. Este resultado se obtuvo en estado alimentado, es decir, Angptl8 era abundante, lo que sugiere que Angptl8 requería Angptl3 para inhibir la LPL muscular. De manera constante, la sobreexpresión hepática de Angptl8 en ratones aumentó drásticamente los niveles de TG en suero [58], pero este aumento se anuló en los ratones Angptl3 KO [59].

Se demostró que Angptl8 interactúa con Angptl3 y mejora la escisión de Angptl3, liberando el dominio N-terminal, que inhibe de forma potente la LPL [59]. Este resultado conduce a múltiples posibilidades para los mecanismos de funcionamiento de Angptl8 y Angptl3. Una posibilidad es que Angptl8 mejore la escisión de Angptl3, liberando el dominio N-terminal, que a su vez se dirige a la LPL muscular, pero el propio Angptl8 permanece en la circulación. Otra posibilidad es que las dos proteínas formen un complejo que se traslade a los capilares musculares para inhibir la LPL. Esto último parece más probable por las siguientes razones. Los ratones Angptl8 KO no mostraron niveles reducidos del dominio N-terminal de Angptl3 [65] y, por lo tanto, Angptl8 no es necesario para la escisión de Angptl3. Además, en ratones con sobreexpresión de Angptl8, los niveles circulantes de Angptl3 se redujeron [59], lo que respalda la idea de que el Angptl8 exógeno formaba complejos con Angptl3, que, a su vez, se trasladaban a los capilares del corazón y el músculo esquelético, lo que resultaba en niveles reducidos de Angptl3 circulante. .

Tanto Angptl8 como Angptl3 son secretados por el hígado a la circulación y no se expresan en el corazón ni en el músculo esquelético, por lo que es probable que funcionen de manera endocrina. Tomados en conjunto, estos resultados sugieren fuertemente que Angptl8, inducido por la alimentación, se une y activa a Angptl3 para inhibir la LPL en los músculos cardíacos y esqueléticos, de manera endocrina.

7. Explicación de los niveles de triglicéridos en ratones con expresión alterada de Angptl8, Angptl3 o Angptl4 por el modelo Angptl3-4-8

Un fenotipo sorprendente en ratones Angptl8 KO es que la realimentación disminuye los niveles de TG en suero [65,66] (figura 2C). Este fenotipo sorprendente está muy bien explicado por el modelo. Según el modelo Angptl3-4-8, en ratones Angptl8 KO, la actividad de LPL en el corazón y el músculo esquelético permanece activa tanto en ayunas como en estado de alimentación. Sin embargo, en el estado de ayuno, abundante Angptl4 inhibe WAT LPL, mientras que después de la realimentación, Angptl4 disminuye, lo que da como resultado una mayor actividad de WAT LPL, una mayor absorción de ácidos grasos WAT, una mayor depuración de TG circulantes y, por lo tanto, niveles más bajos de TG en suero.

Figura 2. Cambios en los niveles de triglicéridos en ratones deficientes o que sobreexpresan Angptl8 explicados por el modelo Angptl3-4-8. (a) En el estado alimentado, los ratones sin Angpt18-null tienen una alta actividad LPL tanto en WAT como en los músculos, lo que resulta en niveles más bajos de TG circulantes. (B) Por el contrario, en el estado de ayuno, los ratones que sobreexpresan Angpt18 tienen una baja actividad de LPL tanto en WAT como en los músculos, lo que resulta en niveles de TG circulantes dramáticamente más altos. (CD) Niveles de TG en Angptl8 KO (C) y sobreexpresando (D) ratones. Los ratones se mantuvieron en ayunas durante 24 horas o se volvieron a alimentar durante 4 horas después del ayuno. Paneles (CD) se reproducen a partir de los datos de la figura 3 de [66] con permiso de Scientific Reports. Los datos se presentan como media ± s.e.m. norte = 6–8 por grupo. KO, knockout WAT, tejido adiposo blanco. *pag & lt 0.05 # pag & lt 0.01.

En el estado de alimentación, los ratones Angptl8 KO también tienen niveles bajos de Angptl4, lo que resulta en una mayor actividad de LPL tanto en WAT como en los músculos y, por lo tanto, los TG circulantes se hidrolizan y absorben de manera efectiva tanto WAT como los músculos, lo que lleva a hipotrigliceridemia [65,66 ] (Figura 2C.A). En ayunas, debido a que se induce Angptl4, se retiene la inhibición de WAT LPL y, por lo tanto, los niveles de TG circulantes no mostraron diferencias significativas con los de los ratones de tipo salvaje (tabla 1 y figura 2).C). En el caso de la sobreexpresión de Angptl8, en estado alimentado, debido a que la actividad de LPL en WAT es todavía alta en ausencia de Angptl4, la elevación de TG circulante es modesta. Sin embargo, en el estado de ayuno, la LPL tanto en WAT como en los músculos se inhibe, lo que resulta en una notable elevación de los TG circulantes (figura 2b, d).

Tabla 1. Niveles séricos de triglicéridos y actividad de LPL en ratones con expresión alterada de Angptl8 [66]. ↑, aumentado ↓, disminuido -, sin cambios ^, ligeramente incrementado.


Lección todo tipo de mutaciones: Cambios en el código genético

Las unidades sirven como guías para un contenido o área temática en particular. Anidadas debajo de las unidades hay lecciones (en violeta) y actividades prácticas (en azul).

Tenga en cuenta que no todas las lecciones y actividades existirán bajo una unidad, sino que pueden existir como un plan de estudios "independiente".

Boletín TE

Una mutación genética causa batas blancas en algunos tigres.

Resumen

Conexión de ingeniería

Los ingenieros genéticos son capaces de manipular los genomas de los organismos, sin embargo, las consecuencias no siempre son beneficiosas. Para prevenir mutaciones dañinas y no deseadas, es importante que los ingenieros comprendan qué efectos resultan de ciertos cambios en los genomas de los organismos (varios de los cuales se pueden ver al estudiar mutaciones naturales) y cómo los factores ambientales pueden afectar la probabilidad de que ocurran mutaciones.

Objetivos de aprendizaje

Después de esta lección, los estudiantes deberían poder:

  • Enumere los diferentes tipos de mutaciones.
  • Describe algunos posibles efectos de las mutaciones.
  • Explica el papel de las mutaciones en los síndromes genéticos.

Estándares educativos

Cada Enseñar Ingeniería la lección o actividad está correlacionada con uno o más estándares educativos de ciencia, tecnología, ingeniería o matemáticas (STEM) de K-12.

Todos los 100,000+ estándares STEM K-12 cubiertos en Enseñar Ingeniería son recolectados, mantenidos y empaquetados por el Red de estándares de logros (ASN), un proyecto de D2L (www.achievementstandards.org).

En la ASN, los estándares están estructurados jerárquicamente: primero por fuente p.ej., por estado dentro de la fuente por tipo p.ej., ciencia o matemáticas dentro del tipo por subtipo, luego por grado, etc.

NGSS: Estándares de ciencia de próxima generación - Ciencia

HS-LS3-2. Hacer y defender una afirmación basada en la evidencia de que las variaciones genéticas heredables pueden resultar de: (1) nuevas combinaciones genéticas a través de la meiosis, (2) errores viables que ocurren durante la replicación y / o (3) mutaciones causadas por factores ambientales. (Grados 9-12)

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Los factores ambientales también afectan la expresión de rasgos y, por lo tanto, afectan la probabilidad de aparición de rasgos en una población. Por tanto, la variación y distribución de los rasgos observados depende tanto de factores genéticos como ambientales.

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Asociación Internacional de Educadores de Tecnología e Ingeniería - Tecnología
  • Las ciencias de la bioquímica y la biología molecular han hecho posible manipular la información genética que se encuentra en los seres vivos. (Grados 9-12) Más detalles

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Estándares estatales
Texas - Ciencia
  • identificar los componentes del ADN y describir cómo la información para especificar los rasgos de un organismo se transporta en el ADN (grados 9 a 11) Más detalles

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Hojas de trabajo y archivos adjuntos

Más currículo como este

Los estudiantes aprenden cómo los ingenieros aplican su conocimiento del ADN para manipular genes específicos para producir los rasgos deseados y cómo los ingenieros han utilizado esta práctica para abordar los problemas actuales que enfrenta la humanidad. Los estudiantes completan un diagrama de flujo para enumerar los métodos para modificar genes para crear OGM y el ejemplo a.

Como clase, los estudiantes trabajan con un ejemplo que muestra cómo el ADN proporciona la "receta" para producir proteínas del cuerpo humano. Ven cómo el patrón de bases de nucleótidos (adenina, timina, guanina, citosina) forma la forma de escalera de doble hélice del ADN y sirve como código para los pasos necesarios para producir un gen.

Los estudiantes usan perfiles de ADN para determinar quién robó un banco. Después de aprender cómo se usa el Sistema de Índice de ADN Combinado (CODIS) del FBI para hacer coincidir el ADN de la escena del crimen con el ADN de la muestra de tejido, los estudiantes usan los principios de CODIS y muestras de fragmentos de ADN para determinar cuál de los tres sospechosos coincide con la evidencia obtenida.

Se presenta a los estudiantes los últimos métodos de obtención de imágenes que se utilizan para visualizar estructuras moleculares y el método de electroforesis que se utiliza para identificar y comparar el código genético (ADN).

Conocimientos previos

Los estudiantes deben tener una buena comprensión de cómo se copia el ADN de una célula a otra a través de la meiosis o la mitosis. También deben saber que los cambios en el ADN o los genes dan como resultado la alteración de proteínas que pueden o no causar cambios notables en los rasgos de los organismos.

Introducción / Motivación

(Esté preparado para mostrar a la clase la presentación de 22 diapositivas de mutaciones, un archivo de PowerPoint®).

(Diapositivas 1-3) Introducción / Motivación: ¿Quién puede decirme cómo Cyclops de los X-Men obtuvo sus superpoderes? (Respuesta: Él es un mutante y nació con sus superpoderes). ¿Qué pasa con Hulk? (Respuesta: mutación debido a la exposición a la radiación gamma). ¿Y Spiderman? (Respuesta: mutado cuando lo muerde una araña radiactiva).

Entonces, hemos identificado a tres superhéroes que obtuvieron algún tipo de habilidades especiales a partir de mutaciones. Para Cyclops y cualquiera de los X-Men, los poderes fueron causados ​​por un ADN o una mutación del genoma antes del nacimiento. Los poderes de Hulk y Spiderman sucedieron de manera un poco diferente ya que las mutaciones ocurrieron más tarde cuando fueron expuestos a la radiactividad de una forma u otra.

Hoy discutiremos parte de la ciencia detrás de las mutaciones. Si bien los superpoderes y habilidades que acabamos de discutir pueden ser ficticios, es cierto que las mutaciones pueden tener un impacto significativo en las personas y existe evidencia de que la exposición a la radiación puede conducir a una mayor tasa de mutaciones. Primero, discutiremos los diferentes tipos de mutaciones, luego dónde o cómo pueden ocurrir. También hablaremos de algunos factores ambientales que pueden influir en la tasa de mutaciones, y terminaremos observando algunos posibles efectos de las mutaciones.

(Continúe presentando el contenido en la sección Antecedentes de la lección).

Antecedentes y conceptos de la lección para profesores

(Diapositiva 4) Tipos de mutaciones: Las mutaciones se pueden clasificar de diferentes formas. En esta lección, nos centraremos en clasificar las mutaciones por sus efectos sobre la estructura del ADN o un cromosoma. Para esta categorización, las mutaciones se pueden organizar en dos grupos principales, cada uno con múltiples tipos específicos. Las dos categorías generales son mutaciones a pequeña y gran escala. Similar al juego infantil del "teléfono", la actividad Mutation Telephone ayuda a los estudiantes a ilustrar cómo ocurren las mutaciones en la naturaleza.

Mutaciones a pequeña escala son aquellos que afectan al ADN a nivel molecular cambiando la secuencia normal de pares de bases de nucleótidos. Estos tipos de mutaciones pueden ocurrir durante el proceso de replicación del ADN durante la meiosis o la mitosis. Pueden ocurrir tres tipos posibles de mutaciones a pequeña escala: sustituciones, deleciones e inserciones.

(Diapositiva 5) También denominada mutación "puntual", sustituciones ocurren cuando un nucleótido se reemplaza con un nucleótido diferente en la secuencia de ADN. Las sustituciones más comunes implican el cambio de adenina y guanina (A ↔ G) o citosina y timina (C ↔ T). Dado que se conserva el número total de nucleótidos, este tipo de mutación solo afecta al codón de un solo aminoácido.

(Diapositiva 6) A supresión es la eliminación de un nucleótido de la secuencia de ADN. Las deleciones se denominan mutaciones de "cambio de marco" porque la eliminación de incluso un solo nucleótido de un gen altera posteriormente cada codón después de la mutación (se dice que el marco de lectura está "cambiado"). Esto se ilustra en la Figura 1 tanto para las deleciones como para inserciones. El cambio en el número de nucleótidos cambia cuáles normalmente se leen juntos.

Figura 1. Ejemplo de mutaciones a pequeña escala. Las sustituciones son mutaciones puntuales y cambian solo un aminoácido en la proteína. Las inserciones y deleciones son mutaciones de desplazamiento del marco de lectura y cambian cada aminoácido codificado después de la mutación.

(Diapositiva 7) Una inserción es la adición de un nucleótido a la secuencia de ADN. De manera similar a una deleción, las inserciones también se consideran mutaciones de "cambio de marco" y alteran cada codón que se lee después de la mutación.

(Diapositiva 8) Mutaciones a gran escala son aquellos que afectan porciones enteras de un cromosoma. Algunas mutaciones a gran escala afectan solo cromosomas individuales, otras ocurren en pares no homólogos. Algunas mutaciones a gran escala en el cromosoma son análogas a las mutaciones a pequeña escala en el ADN, la diferencia es que para las mutaciones a gran escala, se alteran genes enteros o conjuntos de genes en lugar de solo nucleótidos individuales del ADN. Es más probable que las mutaciones de un solo cromosoma ocurran por algún error en la etapa de replicación del ADN del crecimiento celular y, por lo tanto, podrían ocurrir durante la meiosis o la mitosis. Es más probable que ocurran mutaciones que involucran múltiples cromosomas en la meiosis durante el entrecruzamiento que ocurre durante la profase I. La mayoría de estas mutaciones se ilustran en la Figura 2.

Figura 2. Las mutaciones a gran escala afectan secciones enteras de un cromosoma.

(Diapositiva 9) Gran escala supresión es una mutación cromosómica única que implica la pérdida de uno o más genes del cromosoma original.

(Diapositiva 10) Duplicación es la adición de uno o más genes que ya están presentes en el cromosoma. Esta es una mutación de un solo cromosoma.

(Diapositiva 11) Una inversión La mutación implica la reversión completa de uno o más genes dentro de un cromosoma. Los genes están presentes, pero el orden es inverso al del cromosoma padre. Esta también es una mutación de un solo cromosoma.

(Diapositiva 12) Gran escala inserción involucra múltiples cromosomas. Para este tipo de inserción, se extraen uno o más genes de un cromosoma y se insertan en otro cromosoma no homólogo. Esto puede ocurrir por un error durante la profase I de la meiosis cuando los cromosomas están intercambiando genes para aumentar la diversidad.

(Diapositiva 13) Translocación también involucra múltiples cromosomas no homólogos. Aquí, los cromosomas intercambian uno o más genes con otro cromosoma.

(Diapositiva 14) A no disyunción la mutación no implica ningún error en la replicación o cruzamiento del ADN. En cambio, estas mutaciones ocurren durante la anafase y la telofase cuando los cromosomas no se separan correctamente en las nuevas células. Las no disyunciones comunes son cromosomas extra o faltantes. Cuando se producen gametos sin disyunciones durante la meiosis, puede resultar en descendencia con monosomía o trisomía (un cromosoma homólogo extra o faltante).

(Diapositiva 15) El efectos de mutaciones puede variar desde nada hasta la inviabilidad de una celda. Todas las mutaciones afectan las proteínas que se crean durante la síntesis de proteínas, pero no todas las mutaciones tienen un impacto significativo. Los efectos también se pueden ver de manera diferente entre las mutaciones a pequeña y gran escala.

(Diapositiva 16) El efectos de mutaciones a pequeña escala: Las mutaciones, inserciones y deleciones por desplazamiento de marco en genes tienen efectos similares. Cuando se agrega o elimina un nucleótido de la secuencia de ADN, la secuencia se desplaza y cada codón después de la mutación cambia, como se muestra en la Figura 1. Esto resulta en alteraciones severas de las proteínas que son codificadas por el ADN, lo que puede conducir a una pérdida de funcionalidad para esas proteínas.

Las sustituciones, o mutaciones puntuales, son mucho más sutiles y tienen tres efectos posibles. La tabla de la Figura 3 muestra cómo algunas mutaciones puntuales pueden conducir a trastornos comunes.

  • Silencio: El nucleótido se reemplaza, pero el codón todavía produce el mismo aminoácido.
  • Sentido equivocado: El codón ahora da como resultado un aminoácido diferente, que puede o no alterar significativamente la función de la proteína.
  • Disparates: El codón ahora da como resultado un comando de "parada", truncando la proteína en la ubicación donde se lee el codón mutado, esto casi siempre conduce a una pérdida de funcionalidad de la proteína.

Estas mutaciones pueden ocurrir en cualquier parte del ADN, por lo que el efecto de la mutación realmente depende de su ubicación. Si la mutación ocurre en un gen, el resultado es una proteína alterada, pero la mutación también puede ocurrir en una región no genética del ADN. En el último caso, la mutación no tiene ningún efecto sobre el organismo.

Figura 3. Mutaciones notables a pequeña escala y condiciones resultantes.

(Diapositivas 17-18) efectos de mutaciones a gran escala son más obvios que los de mutaciones a pequeña escala. La duplicación de múltiples genes hace que esos genes se sobreexpresen, mientras que las deleciones dan como resultado genes faltantes o incompletos. Las mutaciones que cambian el orden de los genes en el cromosoma, como deleciones, inversiones, inserciones y translocaciones, dan como resultado genes muy próximos que antes estaban separados por un conjunto de genes en el mismo cromosoma o en otro cromosoma. Cuando ciertos genes se colocan muy juntos, pueden codificar una "proteína de fusión", que es una proteína que normalmente no existiría pero que es creada por una mutación en la que se combinaron dos genes. Algunas de estas nuevas proteínas dan a las células una ventaja de crecimiento que conduce a tumores y cáncer. El astrocitoma, un tipo de tumor cerebral, es el resultado de una deleción que crea un nuevo gen de fusión que permite que las células se vuelvan cancerosas.

Figura 4. Un cariotipo masculino humano normal con XY como el par 23 de cromosomas.

(Diapositiva 19) A menudo, las mutaciones a gran escala conducen a células que no son viables (y mueren debido a la mutación). Esto es especialmente cierto con las mutaciones de no disyunción en los gametos en las que faltan o sobran cromosomas completos. En los seres humanos, cuando el gameto de un macho (esperma) fusiona sus cromosomas con el gameto de una hembra (óvulo), la descendencia recibe 23 cromosomas de cada padre para formar 23 pares homólogos, como se muestra en el cariotipo de la Figura 4. Sin embargo, cuando uno de los gametos tiene una mutación de no disyunción, la descendencia resultante termina con un solo homólogo en un par (monosomía) o con tres homólogos en un par (trisomía). La mayoría de las veces, estas crías no son viables.Los que dan como resultado una descendencia viable poseerán algunas diferencias notables debido al cromosoma extra o faltante, esta alteración conduce a un síndrome permanente en la descendencia. El síndrome más conocido es la trisomía 21, un cromosoma 21 adicional (este cariotipo se muestra en la Figura 5). Esta mutación particular de no disyunción conduce al síndrome de Down.

Figura 5. Un cariotipo que ilustra la trisomía 21, una mutación que conduce al síndrome de Down.

(Diapositiva 20) ¿Qué puede influir en las mutaciones? Las mutaciones ocurren naturalmente con el tiempo, que es la causa subyacente de la evolución. Como podemos ver, la evolución es un proceso muy lento con un beneficio neto para un organismo, pero algunos factores ambientales pueden influir o inducir mutaciones adicionales. Estas mutaciones inducidas a menudo conducen a enfermedades nocivas, como el cáncer.

La exposición a ciertas sustancias químicas es un factor ambiental que puede inducir mutaciones en el ADN. Por lo general, todo lo que identificamos como cancerígeno (puede causar cáncer) tiene efectos secundarios negativos en el ADN y puede provocar cáncer. Esto incluye las sustancias químicas que se encuentran en el humo del cigarrillo y las que se encuentran en las carnes cocinadas a la parrilla. Estos químicos pertenecen a una clase más grande llamada mutágenos, lo que significa que pueden provocar cambios en el material genético.

Los productos químicos no son los únicos tipos de mutágenos que encontramos; los mutágenos físicos también existen en el medio ambiente, a saber, la radiación. La radiación ultravioleta del sol puede dañar el material genético al cambiar las propiedades de los nucleótidos en el ADN. Se sabe que la sobreexposición a la radiación ultravioleta provoca cáncer de piel. Los rayos X y la radiación gamma también son mutágenos físicos y formas de radiación ionizante, esto significa que estos tipos de radiación poseen suficiente energía para eliminar los electrones de los átomos, formando iones y afectando la forma en que interactúan las diferentes biomoléculas. Si bien una dosis típica de rayos X recibida durante un procedimiento médico es baja, aumenta marginalmente el riesgo de cáncer de una persona.

Alternativamente, los retrovirus como el VIH experimentan naturalmente mutaciones a una tasa mucho más alta que otros organismos, lo que puede atribuirse al hecho de que poseen ARN en lugar de ADN. El proceso por el cual se copia y replica el ARN no es tan preciso como el del ADN. Por lo tanto, para cuando nuestro sistema inmunológico se haya adaptado para luchar contra un virus como el VIH, el virus del VIH ya ha mutado nuevamente y el sistema inmunológico debe comenzar de nuevo. Las mutaciones en el ARN del VIH provocan alteraciones en los marcadores de proteínas del virus al que se dirige el sistema inmunológico y, si el objetivo siempre cambia, es casi imposible que el sistema inmunitario elimine el virus.

(Diapositivas 21-22) Conexión de ingeniería: Si bien las mutaciones ocurren naturalmente con el tiempo, los ingenieros biológicos pueden modificar genéticamente varios organismos. Los seres humanos han estado modificando genéticamente plantas y animales durante miles de años. Los seres humanos han logrado esto mediante la cría selectiva o la endogamia para producir y "mejorar" rasgos específicos, como criar sandías para que sean más grandes y tengan menos semillas o criar pollos para tener más carne blanca y más carne de pechuga.

Con el avance de la tecnología, los ingenieros pueden manipular directamente el código genético de plantas y animales. Algunos ejemplos de organismos genéticamente modificados (y controvertidos) incluyen papaya resistente a enfermedades, arroz rico en vitamina A y maíz tolerante a la sequía. Actualmente, los investigadores están estudiando la edición de genes en el útero. Si se determina que un feto tiene una enfermedad o discapacidad, es posible que algún día podamos editar los genes del feto y evitar que el problema aparezca en el niño.

Actividades asociadas

  • Teléfono de mutación: como una forma de ilustrar cómo pueden ocurrir las mutaciones del ADN, los estudiantes realizan una actividad similar al juego de “teléfono” infantil que modela el proceso biológico relacionado con el paso del ADN de una célula a otra. Luego, los estudiantes actúan como depredadores para probar cómo varios tipos de mutación (normal, sustitución, deleción o inserción) afectan la capacidad de supervivencia de un organismo en la naturaleza, lo que sirve como demostración de la selección natural basada en la mutación.

Vocabulario / Definiciones

cromosoma: una hebra larga de ADN envuelta alrededor de una proteína que almacena instrucciones para crear varias proteínas. Los seres humanos tenemos 46 cromosomas compuestos por 23 pares de cromosomas homólogos.

disyunción: separación normal de los cromosomas durante la meiosis.

ADN: molécula que contiene la información genética completa de un organismo. Abreviatura de ácido desoxirribonucleico.

Replicación del ADN: proceso mediante el cual el ADN se copia y se transmite a nuevas células.

gameto: una célula sexual. En los mamíferos, los espermatozoides y los óvulos. Tiene la mitad de los cromosomas del organismo parental.

gen: un subconjunto de ADN que proporciona instrucciones para que una célula construya una sola proteína.

genoma: La información genética completa de un organismo incluye todos los cromosomas.

cariotipo: imagen del genoma de un organismo con los cromosomas organizados por pares homólogos.

meiosis: Un tipo de división celular que ocurre en organismos que se reproducen sexualmente y que típicamente resulta en cuatro células con la mitad del número de cromosomas del padre. En los seres humanos, la meiosis da como resultado la creación de espermatozoides u óvulos con 23 cromosomas cada uno.

mitosis: tipo de división celular que da como resultado dos células idénticas con el mismo número de cromosomas que la madre.

monosomía: Situación en la que falta un homólogo en un par de cromosomas. Por ejemplo, si solo existe un homólogo para el cromosoma 21, se denomina monomsomía 21.

mutágeno: Agente físico o químico que afecta el material genético.

mutación: Alteración permanente en la secuencia de nucleótidos del ADN durante la replicación del ADN o en un cromosoma durante la meiosis o la mitosis.

no disyunción: separación anormal de los cromosomas durante la meiosis.

síntesis de proteínas: proceso mediante el cual las instrucciones contenidas en el ADN se utilizan para producir proteínas para una célula u organismo.

trisomía: Situación en la que hay un cromosoma extra. Por ejemplo, si existen tres homólogos del cromosoma 21, se denomina trisomía 21 o síndrome de Down.

Evaluación

Evaluación previa a la lección

Preguntas sobre la mutación: Al comienzo de la clase, pida a los estudiantes que escriban respuestas breves a las tres preguntas en la Hoja de trabajo previa a la lección. Consejo: para ahorrar papel y tinta, dado que el color del tigre en la fotografía es importante para esta evaluación, muestre la hoja de trabajo con un proyector y pida a los estudiantes que escriban sus respuestas en sus propios papeles. Las respuestas de los estudiantes revelan su comprensión básica de la genética, los rasgos y las mutaciones.

Evaluación de resumen de la lección

Preguntas sobre la mutación: Después de la lección, pida a los estudiantes que escriban respuestas breves a las cuatro preguntas de la hoja de trabajo posterior a la lección. Consejo: para ahorrar papel y tinta, dado que el color del tigre en la fotografía es importante para esta evaluación, muestre la hoja de trabajo con un proyector y pida a los estudiantes que escriban sus respuestas en sus propios papeles. Las respuestas de los estudiantes revelan su comprensión del tema y el contenido de la lección.

Investigar: Haga que los estudiantes elijan un síndrome causado por una mutación (como cromosomas extra o faltantes) y escriban un breve párrafo de 3 a 5 oraciones sobre él. Asegúrese de que mencionen la mutación específica del cromosoma que conduce al síndrome y los efectos que causa esa mutación.

Derechos de autor

Colaboradores

Programa de apoyo

Agradecimientos

Este contenido de biblioteca digital fue desarrollado por la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Houston bajo el número de subvención GK-12 de la Fundación Nacional de Ciencias DGE 0840889. Sin embargo, estos contenidos no representan necesariamente las políticas de la NSF y no debe asumir el respaldo del gobierno federal.


Nivel de ARN

  • un & # 147r. & # 148 se usa para indicar que se describe un cambio a nivel de ARN
  • los nucleótidos se designan por las bases (en minúsculas) a (adenina), c (citosina), g (guanina) yu (uracilo)
    • 78u & gta denota que en el nucleótido 78 una U se cambia a una A
    • [r.76a & gtc r.76a & gtc + r.73_88del] denota el cambio de nucleótidos c.76A & gtC que causa la aparición de dos moléculas de ARN, una que solo lleva esta variación y otra que contiene además una deleción de los nucleótidos 73 a 88 (cambio del donante de empalme sitio dentro del exón)
    • [r. = r.88_89ins88 + 1_88 + 10 + r.88 + 2t & gtc] denota la mutación intrónica g.88 + 2T & gtC que provoca la aparición de dos moléculas de ARN, una normal (r. =) y otra que contiene una inserción del intrónico nucleótidos 88 + 1 a 88 + 10 con el cambio de nucleótido 88 + 2t & gtc
    • [r.88g & gta + r.88_89ins88 + 1_88 + 10] denota el cambio de nucleótido c.88G & gtA que causa una inserción de los nucleótidos intrónicos 88 + 1 a 88 + 10 (desplazamiento del sitio donante de empalme a una posición intrónica)

    Contenido

    Mutaciones del ADN Editar

    Cuando se copia el ADN, a veces se cometen errores, que se denominan mutaciones. Hay cuatro tipos principales de mutaciones:

    • Supresión, donde se omiten una o más bases de ADN.
    • Inserción, donde se coloca una o más bases extra.
    • Sustitución, donde una o más bases se cambian por otra base en la secuencia.
    • Duplicación, donde se copian genes completos.

    Mutaciones cromosómicas Editar

    Estos términos se explican en el tercer diagrama.

    • Supresión: se pierde un fragmento de cromosoma, junto con cualquier gen que pueda haber en él.
    • Duplicación: se repite parte de un cromosoma
    • Inversión: parte de un cromosoma se invierte de un extremo a otro
    • Inserción: se agrega un cromosoma más pequeño a un cromosoma más largo
    • Translocación: parte de un cromosoma se traslada a otro cromosoma

    Las mutaciones pueden ser malas para el organismo, o neutrales, o beneficiar al organismo. A veces, las mutaciones son fatales para el organismo: la proteína producida por el "nuevo" ADN no funciona en absoluto y provoca la muerte del embrión. Por otro lado, la evolución avanza mediante mutaciones, cuando la nueva versión de la proteína funciona mejor para el organismo.

    Las mutaciones son la fuente última de variación, sobre la cual seleccion natural hechos. Lo que sucede es que algunas mutaciones afectan la capacidad del organismo para vivir y reproducirse. Ésta es una parte importante de la teoría de la evolución. La cantidad de variación hereditaria que lleva una población puede ser enorme y, como resultado, las poblaciones naturales pueden cambiar y adaptarse a las condiciones de su entorno. [1]


    Ver el vídeo: 8 mutaciones genéticas que muchos consideran normales (Agosto 2022).