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2 GENERAL VIEW OF THE HUMAN GENOME

3 Gene landscape In prokaryotes, genes are often tandemly arranged, with little or no spacer sequences in between In eukaryotes, there is considerable spacer DNA between genes some is repetitive DNA: identical or nearly identical repeated units (much is derived from mobile genetic elements) …but also are unique sequences

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5 GENERAL VIEW OF THE HUMAN GENOME

6 Segmental duplications (low-copy repeats)Large block (1 >200Kb) Highly Similar (>97%) Without characteristic sequences A A’

7 3) Segmental duplicationsClosely related sequence blocks at different genomic loci Transfer of 1-200kb blocks of genomic sequence Segmental duplications can occur on homologous chromosomes (intrachromosomal) or non homologous chromosomes (interchromosomal) Not always tandemly arranged Relatively recent (population polymorphisms) Found especially around centromeres and telomeres

8 Segmental duplicationsInterchromosomal segments duplicated among non-homologous chromosomes Intrachromosomal duplications occur within a chromosome / arm Nature Reviews Genetics 2, (2001);

9 Duplications (and rearrangements) are very common:intrachromosomal

10 SEGMENTAL DUPLICATIONS ON CHROMOSOME 9: IINTERCHROMOSOMAL DUPLICATIONS HUMPHRAY et al. (2004), Nature 429, SEGMENTAL DUPLICATIONS ON CHROMOSOME 9: IINTERCHROMOSOMAL DUPLICATIONS LARGE DUPLICATIONS (GREATER THAN 10 kb) ARE SHOWN WITH CHROMOSOME 9 MAGNIFIED; OTHER CHROMOSOMES ARE ARRANGED IN THE ORDER IN WHICH THEY MATCH CHROMOSOME (GRAY RECTANGLE IS HETEROCHROMATIN)

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13 Recent segmental duplications are polymorphicCNVs IN POPULATIONS Recent segmental duplications are polymorphic CNVs AND DISEASE

14 GENERAL VIEW OF THE HUMAN GENOME

15 Tandemly repetitive DNA

16 (SSRs) (about 3% of Human Genome)

17 Variable Nucleotide Tandem Repeats(VNTRs) VNTRs are short segments of DNA that repeat a few to hundreds of times These unusual repeats occurs many different spots on human chromosomes Each individual will have different numbers of these VNTRs at each of these spots Each of these spots, or loci, are given different names (MSRs, STRs, AmpFLPs, etc) VNTRs are inheritable – the numbers of repeats at each location in you are a random combination of the VNTRs in your parents

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19 Practical Applications with VNTR’s 1Practical Applications with VNTR’s 1. Genetic Identification Services (GIS) was established in 1994 to serve the agriculture, aquaculture, and wildlife ecology communities through the development and use of custom genetic markers for a wide variety of applications. GIS has developed libraries for academic, commercial, and government entities. GIS has also developed a data base of loci in studies involving a wide range of plant and animal species EXAMPLES OF GIS APPLICATIONS Identification of economically important genetic traits Selective breeding Population structure and dynamics Monitoring genetic diversity Wildlife forensics Proprietary stock and strain protection Parent-offspring identification Sexing

20 PROBLEMS with determining a reasonable VNTR “match” VNTRs, are not distributed evenly across all of human population. A given VNTR cannot, therefore, have a stable probability of occurrence; it will vary depending on an individual's genetic background. The difference in probabilities is particularly visible across racial lines. Some VNTRs that occur very frequently among Hispanics will occur very rarely among Caucasians or African-Americans. Additionally, the heterogeneous genetic composition of interracial individuals, who are growing in number, presents an entirely new set of questions. This type of population genetics has been hindered by controversy, because the idea of identifying people through genetic anomalies along racial lines comes alarmingly close to the eugenics and ethnic purification movements and, some argue, could provide a scientific basis for racial discrimination.

21 GENERAL VIEW OF THE HUMAN GENOME

22 Tandemly repetitive DNA

23 Human telomeres: (TTAGGG)n / variable total length

24 Satellite DNA

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27 Chromosomal location of tandemly repetitive DNA

28 GENERAL VIEW OF THE HUMAN GENOME

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30 Transposable elements in the human genome

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47 transposase gene IR IR DNA TE transposition DNA breakrepair of double-strand break, using sister chromatid

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50 Transposable elements in the human genome

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62 Other SINEs: SVA elements

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67 retrotransposon in DNAreverse transcription DNA:RNA hybrid DNA “2nd strand” synthesis integration at new position in DNA original copy still there

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73 . Relative positions of the apolipoprotein(a) [apo(a)] gene and its enhancer element. Thelong interspersed nuclear element (LINE) (green) is located approximately 20 kilobases upstream from the start of transcription of the apo(a) gene (blue). The enhancer element (red) is located entirely within the LINE element and is competent to enhance expression levels of apo(a). Tissue specificity is provided by the core promoter element (yellow). Modified, with permission, from [28].

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79 AUMENTO DE LA CAPACIDAD INFORMACIONALGENOMA PROTEOMA DUPLICACIONES GÉNICAS SEGMENTALES POLIPLOIDÍA CAMBIOS EN REGIONES REGULADORAS IMPORTACIÓN DE GENES DE OTROS ORGANISMOS DISTINTOS PROMOTORES SEÑALES DE poli(A) SPLICING ALTERNATIVO EDITING MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES … (SÓLO SE MUESTRAN ALGUNOS MECANISMOS)

80 TRANSFERENCIA HORIZONTALTRANSFERENCIA PARCIAL (COMÚN EN PROCARIONTES) EL SISTEMA FOTOSINTÉTICO EL SISTEMA INMUNE (COMBINATORIO) ENDOSIMBIOSIS BACTERIANA RETROVIRAL

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83 TRANSFERENCIA HORIZONTAL DE GENOMAS COMPLETOS(ENDOSIMBIOSIS) BACTERIANA (EL/LOS ORIGEN/ES DE LA CÉLULA EUCARIONTE) RETROVIRAL (TODOS LOS GENOMAS MULTICELULARES)

84 -Transcriptasa Inversa (RT)RNA (diploide) Membrana lipídica Env Superficie (SU) Transmembrana (TM) Gag - cápsida (CA) -matriz (MA) - Nucleocápsida (NC) Pol -proteasa (PR) -Integrasa (IN) -Transcriptasa Inversa (RT)

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88 gag pol env gag pol env RNA (PARTÍCULA VIRAL) Retrotranscripción LTRProteínas estructurales Enzimas Proteínas de cubierta DNA (PROVIRUS INTEGRADO)

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91 -Transcriptasa Inversa (RT)RNA (diploide) Membrana lipídica Env Superficie (SU) Transmembrana (TM) Gag - cápsida (CA) -matriz (MA) - Nucleocápsida (NC) Pol -proteasa (PR) -Integrasa (IN) -Transcriptasa Inversa (RT)

92 ? + Retrotranscripción INTEGRACIÓN EN EL GENOMA ssRNA dsDNA ProteínasRECEPTOR CELULAR INTEGRACIÓN EN EL GENOMA ssRNA dsDNA ? Proteínas virales mRNAs TRANSCRIPCIÓN + RNA viral no procesado R-U5-gag-pol-env-U3-R

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95 ¿? RETROVIRUS ENDÓGENOS RETROVIRUS EXÓGENOSPARTÍCULA VIRAL (INFECTIVA) CÉLULAS GERMINALES CÉLULAS SOMÁTICAS INTEGRACIÓN VIRAL (ENDOGENIZACIÓN) INTEGRACIÓN VIRAL REPLICACIÓN VIRAL DIVISIONES MITÓTICAS TRANSMISIÓN A LA DESCENDENCIA (HERENCIA MENDELIANA) ¿? INFECCIÓN A OTROS INDIVIDUOS (TRANSMISIÓN HORIZONTAL) RETROVIRUS ENDÓGENOS RETROVIRUS EXÓGENOS

96 ¿POR QUÉ SE MANTIENEN EN LOS GENOMAS?PARASITISMO: SU ÚNICA FUNCIÓN ES AUTOPERPETUARSE EN COMPETENCIA CON LAS SECUENCIAS CELULARES (DNA EGOÍSTA O DNA BASURA) SIMBIONTES: UNA VEZ INTEGRADOS, ALGUNAS DE SUS FUNCIONES SON APROVECHADAS POR LA CÉLULA (EXAPTACIÓN O DOMESTICACIÓN) ALTERNATIVA: CONFORMAN LOS GENOMAS Y FUNCIONAN EN COORDINACIÓN CON EL RESTO DE LAS SECUENCIAS (SON NECESARIAS PARA LOS ORGANISMOS) SON UN MECANISMO PRINCIPAL DE CAMBIO GENÓMICO SENSIBLE A LOS CAMBIOS AMBIENTALES (SON NECESARIOS PARA LA EVOLUCIÓN ORGÁNICA)

97 ¿SON NECESARIOS PARA LOS ORGANISMOS?LOS RETROVIRUS ENDÓGENOS ESTÁN PRESENTES EN (CASI) TODOS LOS ORGANISMOS EUCARIONTES SON SECUENCIAS ACTIVAS Y PARTICIPAN EN LAS FUNCIONES CELULARES NORMALES SUS FUNCIONES ESTÁN INTEGRADAS EN LOS PROCESOS FISIOLÓGICOS COMPLEJOS DE LOS ORGANISMOS

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99 TRANSMISIÓN HORIZONTAL A NUEVOS INDIVIDUOS Y/O ESPECIESUNIVERSALIDAD Y ESPECIFICIDAD INSERCIÓN EN LÍNEA GERMINAL TRANSMISIÓN VERTICAL MUTACIÓN RETROTRANSPOSICIÓN RECOMBINACIÓN NUEVAS COMBINACIONES NUEVOS PROVIRUS NUEVAS CARACTERÍSTICAS INFECTIVAS TRANSMISIÓN VERTICAL TRANSMISIÓN HORIZONTAL A NUEVOS INDIVIDUOS Y/O ESPECIES DESCENDENCIA

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102 FUNCIONES CELULARES DE LOS RETROVIRUS ENDÓGENOSPROTEÍNAS Estructurales Unión específica a DNA/RNA gag GENES ESTRUCTURALES Inmunomoduladoras fusogénicas env Retrotranscriptasa Rnasa H Integrasa dUTPasa* Pro pol GENES DE ENZIMAS Promotores/Enhancers Procesamiento de RNAs (Señales de splicing y poliadenilación) LTRs Funciones Reguladoras

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105 PROMOTORES ESPECÍFICOSFACTORES DE TRANSCRIPCIÓN HORMONAS (y otros…) LTRs RNA polimerasa II PROMOTORES ESPECÍFICOS DE TIPO CELULAR QUE RESPONDEN A SEÑALES INTERNAS Y EXTERNAS A LA CÉLULA GENES PROVIRALES OTROS GENES (MILES DE LTRs SOLITARIAS DISPERSAS POR EL GENOMA)

106 MÚLTIPLES PRODUCTOS PROTEICOS CON DISTINTOS DOMINIOS Y CONLTRs SEÑALES DE SPLICING SEÑALES DE POLIADENILACIÓN POLI-A-POLIMERASA SPLICEOSOME SPLICING ALTERNATIVO SPLICING INTERGÉNICO mRNAs QUIMÉRICOS MÚLTIPLES PRODUCTOS PROTEICOS CON DISTINTOS DOMINIOS Y CON FUNCIONES DIFERENTES

107 EL SISTEMA INMUNOLÓGICO DE LA MADRE DEBERÍA RECHAZAR UN EMBRIÓNLOS RETROVIRUS ENDÓGENOS EN LOS PROCESOS FISIOLÓGICOS COMPLEJOS: LA PLACENTACIÓN PROBLEMAS GENÉTICOS DE LA PLACENTACIÓN: EL SISTEMA INMUNOLÓGICO DE LA MADRE DEBERÍA RECHAZAR UN EMBRIÓN “MEDIO EXTRAÑO” LA MADRE DEBE CONTROLAR LA INVASIÓN Y EL CRECIMIENTO DEL FETO

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109 EL SISTEMA INMUNOLÓGICO DE LA MADRE DEBERÍA RECHAZAR UN EMBRIÓN“MEDIO EXTRAÑO” LA MADRE DEBE CONTROLAR LA INVASIÓN Y EL CRECIMIENTO DEL FETO INMUNOSUPRESOR env PARTÍCULAS VIRALES FUSOGÉNICO

110 CONTROL DEL CRECIMIENTO FETALINMUNOSUPRESIÓN INFECCIÓN LOCAL DE MACRÓFAGOS MATERNOS PARTÍCULAS VIRALES VARIOS HERVs SINCITINA (HERV-W) SINCITIOTROFOBLASTO DIFERENCIACIÓN TERMINAL DEL TROFOBLASTO INVASIVO CONTROL DEL CRECIMIENTO FETAL

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112 CONTROL DEL CRECIMIENTO FETALINMUNOSUPRESIÓN INFECCIÓN LOCAL DE MACRÓFAGOS MATERNOS PARTÍCULAS VIRALES VARIOS HERVs SINCITINA (HERV-W) SINCITIOTROFOBLASTO DIFERENCIACIÓN TERMINAL DEL TROFOBLASTO INVASIVO CONTROL DEL CRECIMIENTO FETAL

113 LA PLACENTACIÓN ES UN PROCESO COMPLEJO QUE INTEGRA MÚLTIPLES FACTORESINTERLEUKINAS LOS VIRUS ACTIVAN LOS GENES DE INTERLEUKINAS FACTORES DE CRECIMIENTO HERV-E-PTN ESPECÍFICO DE PLACENTA BALANCE ENERGÉTICO MATERNO-FETAL LA LEPTINA PLACENTARIA Y SU RECEPTOR SON ISOFORMAS CONTROLADAS POR HERVs OTROS MUCHOS GENES... LAS LTRs SON PROMOTORES ALTERNATIVOS ESPECÍFICOS DE PLACENTA PARA ALGUNOS GENES (APO-C-I; EBR...)

114 Nature Jul 5;487(7405):57-63. Embryonic stem cell potency fluctuates with endogenous retrovirus activity. Macfarlan TS, Gifford WD, Driscoll S, Lettieri K, Rowe HM, Bonanomi D, Firth A, Singer O, Trono D, Pfaff SL. Embryonic stem (ES) cells are derived from blastocyst-stage embryos and are thought to be functionally equivalent to the inner cell mass, which lacks the ability to produce all extraembryonic tissues. Here we identify a rare transient cell population within mouse ES and induced pluripotent stem (iPS) cell cultures that expresses high levels of transcripts found in two-cell (2C) embryos in which the blastomeres are totipotent. We genetically tagged these 2C-like ES cells and show that they lack the inner cell mass pluripotency proteins Oct4 (also known as Pou5f1), Sox2 and Nanog, and have acquired the ability to contribute to both embryonic and extraembryonic tissues. We show that nearly all ES cells cycle in and out of this privileged state, which is partially controlled by histone-modifying enzymes. Transcriptome sequencing and bioinformatic analyses showed that many 2C transcripts are initiated from long terminal repeats derived from endogenous retroviruses, suggesting this foreign sequence has helped to drive cell-fate regulation in placental mammals.

115 RETROVIRUS ENDÓGENOS LOS RETROVIRUS ENDÓGENOS COMO MECANISMOSDEL CAMBIO GENÓMICO: PLASTICIDAD GENÓMICA RETROVIRUS ENDÓGENOS RECOMBINACIÓN RETROTRANSPOSICIÓN RETROTRANSFECCIÓN

116 EFECTOS DE LA RECOMBINACIÓN ENTRE DISTINTASSECUENCIAS RETROVIRALES ENDÓGENAS: DUPLICACIÓN GÉNICA (ESTRUCTURAL) GANANCIA / PÉRDIDA DE EXONES (i.e. DE DOMINIOS PROTEICOS FUNCIONALES) REORDENACIONES CROMOSÓMICAS (i.e. REORGANIZACIONES GENÓMICAS MASIVAS)

117 INCREMENTO DE LA CAPACIDAD COMBINATORIAEFECTOS DERIVADOS DE LA RETROTRANSPOSICIÓN AMPLIFICACIÓN MOVILIDAD ADQUISICIÓN DE NUEVAS FUNCIONES CONFERIR DISTINTA REGULACIÓN A OTRAS SECUENCIAS PRODUCCIÓN DE NUEVOS RNAs QUIMÉRICOS DIVERSIDAD ALÉLICA EN LAS POBLACIONES (MHC) MUTAGÉNESIS INSERCIONAL INCREMENTO DE LA CAPACIDAD COMBINATORIA

118 RNAs RETROPSEUDOGENES RETROGENES CAPACIDAD DE RETROTRANSFECCIÓNESTRUCTURALES O ENZIMÁTICOS CODIFICANTES mRNAs tRNAs snRNAs snoRNAs stRNAs ... GERMINALES SOMÁTICOS ENCAPSULAMIENTO EN LA PARTÍCULA RETROVIRAL INFECCIÓN DE LA LÍNEA GERMINAL RETROGENES RETROPSEUDOGENES

119 INCREMENTO DE LA CAPACIDAD INFORMACIONALtRNAs snRNAs snoRNAs stRNAs ... mRNAs GERMINALES SOMÁTICOS WEISSMAN INFECCIÓN DE LA LÍNEA GERMINAL RETROGENES RETROPSEUDOGENES MULTIPLICACIÓN FUNCIONAL DE SECUENCIAS CON CAMBIO DE ENTORNO REGULADOR INCREMENTO DE LA CAPACIDAD INFORMACIONAL

120 + INCREMENTO DE LA CAPACIDAD COMBINATORIAINCREMENTO DE LA CAPACIDAD INFORMACIONAL GENERACIÓN DE DIVERSIDAD ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL REMODELACIÓN GLOBAL DE LOS GENOMAS

121 LAS REORGANIZACIONES GENÓMICAS MEDIADAS POR LOS RETROVIRUS ENDÓGENOS DEPENDEN DE LAS CONDICIONES AMBIENTALES CONDICIONES EXTERNAS CRÍTICAS SITUACIONES DE SHOCK GENÓMICO TRANSPOSICIÓN CONCERTADA DE ELEMENTOS MÓVILES

122 (ALGUNAS) SITUACIONES DE STRESS AMBIENTALENDOGAMIA FORZADA HIBRIDACIÓN INTERESPECÍFICA CULTIVOS CELULARES PROLONGADOS AGENTES MUTAGÉNICOS EXTERNOS -RAYOS UVB -ANÁLOGOS DE BASES INFECCIONES VIRALES Y BACTERIANAS FALLO CELULAR GENERALIZADO (p.e. NEOPLASIA) DESREGULACIÓN CUANTITATIVA Y ESPACIO-TEMPORAL DE LOS RETROVIRUS ENDÓGENOS

123 LOS RETROVIRUS ENDÓGENOS FORMAN PARTE DE LA RESPUESTA CELULAR ANTE SITUACIONES CRÍTICAS DE STRESS INDUCIDO AUMENTO DE ACTIVIDAD CAMBIOS GENÓMICOS EXTENSIVOS CONDICIONES AMBIENTALES ADVERSAS FORMACIÓN DE PARTÍCULAS VIRALES EXTENSIÓN A LA POBLACIÓN DE NUEVAS COMBINACIONES O SALTO DE ESPECIE CAMBIO GENÓMICO INDUCIDO POR LAS CONDICIONES AMBIENTALES Y MEDIADA POR LOS RETROVIRUS ENDÓGENOS

124 DISCONTINUIDADES EVOLUTIVASANTE SITUACIONES AMBIENTALES CRÍTICAS SE PRODUCEN EXPLOSIONES RETROTRANSPOSICIONALES QUE IMPLICAN REORGANIZACIONES GENÓMICAS GLOBALES LAS TASAS DE CAMBIO GENÓMICO NO SON CONSTANTES APARECEN NUEVAS ORGANIZACIONES MORFO-FISIOLÓGICAS DISCONTINUIDADES EVOLUTIVAS

125 LOS CAMBIOS GENÓMICOS PROVOCADOS POR LOS RETROVIRUS ENDÓGENOS:NO SON GRADUALES: NO TIENEN UNA TASA CONSTANTE SINO QUE SE ALTERNAN ETAPAS DE REMODELACIÓN EXTENSIVA CON OTRAS DE (RELATIVA) ESTABILIDAD NO SUCEDEN AL AZAR, SINO DE MANERA COORDINADA Y EN RESPUESTA A LAS CONDICIONES AMBIENTALES

126 ALGUNAS IMPLICACIONES PRÁCTICAS:TRATAMIENTOS ANTI-SIDA LOS RETROVIRUS COMO VECTORES DE TERAPIA GÉNICA XENOTRASPLANTES