Avances de la Genética

• Con motivo de la celebración en 2016 de los 50 años de la puesta en marcha del Servicio de Genética del Hospital Universitario La Paz de la Comunidad de Madrid, donde desde 1966 se han realizado más de un millón de pruebas genéticas, repasamos los principales hitos de la Genética en los últimos 150 años
• Con la ayuda de los doctores Pablo Lapunzina, coordinador del Instituto de Genética Médica y Molecular (INGEMM) del Hospital Universitario La Paz, Luis Pérez Jurado, Catedrático de Genética de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona y Ángel Campos, jefe de laboratorio de Endocrinología Molecular del INGEMM, participantes en un encuentro conmemorativo organizado por el hospital madrileño, destacamos algunos de los hitos más importantes de la Genética en los pasados 150 años: Las leyes de Mendel
• Las leyes de Mendel, publicadas en 1865 por el naturalista Gregor Mendel, aportan el conjunto de reglas básicas sobre la transmisión por herencia genética de las características de los organismos de padres a sus hijos, y constituyen el fundamento de la genética. Aunque sería hacia 1900 cuando se redescubre a Mendel, sus leyes se trasladan a los humanos y se realizan los primeros estudios en la mosca ('Drosophila').Los hallazgos sobre las células
• Durante la primera mitad del siglo XX crece el interés en los aspectos médicos y se realizan descubrimientos morfológicos sobre la célula, el núcleo y las partículas de colores de su interior, a las que se llamó cromosomas (cromo-color y soma-cuerpo). El descubrimiento del ácido nucleico en los cromosomas dio paso al conocimiento de que la información contenida en el núcleo era la responsable de los caracteres hereditarios. El modelo de doble hélice
• El modelo de la estructura de doble hélice del ADN en 1953 por Francis Crick y James Watson permitirá explicar cómo se reproducen las células entre sí y de este modo los sistemas genéticos de la reproducción humana. Se dio paso entonces al desarrollo de los servicios genéticos en diversos países entre los años 50 y los 60 con el objetivo primordial de descubrir la base de las enfermedades genéticas.El síndrome de Down
• Entre los años 59 y 61 un joven investigador francés, Jérôme Lejeune, describió la causa de la primera enfermedad genética, el síndrome de Down, al descubrir la copia extra del cromosoma 21.
• Con el conocimiento del código de instrucciones de cada célula, su estructura y propiedades, en los años 70 fue posible comenzar a manipular dicho código a través de estudios en el laboratorio, como copiar o clonar y secuenciar el material genético o ADN. En 1996 se conseguirá realizar la primera clonación de un mamífero a partir de una célula adulta, hablamos de la oveja Dolly.La reacción en cadena de polimerasa
• Entre 1985 y 1990 el genetista Kary Mullis y sus colegas desarrollan la técnica de la reacción en cadena de polimerasa (PCR) para ampliar y detectar una secuencia de ADN específica de manera muy rápida in vitro.Utilización de herramientas genéticas
• En 1986 se identifica el primer gen causante de una enfermedad humana mediante herramientas genéticas (clonación posicional), el de un trastorno inmunológico denominado enfermedad granulomatosis crónica.El Proyecto del Genoma Humano
• En el año 90 del pasado siglo comienza el Proyecto del Genoma Humano, cuya secuencia se ha completado en el año 2006. No hay un genoma de referencia sino que cada persona tenemos nuestro genoma único, y hay que tener en cuenta las variaciones estructurales y los cambios de secuencia que nos confieren la individualidad, además de las alteraciones que nos causan enfermedad. Los nacimientos in vitro
• En 2000 nació el primer bebé "a la carta" libre de la Anemia de Fanconi que padecía su hermana y cuyas células de cordón sirvieron para curarla. La técnica de análisis embrionario (diagnóstico preimplantación tras fecundación in vitro) nos permite evitar el nacimiento de niños con determinadas enfermedades hereditarias. El conocimiento genético de las enfermedades
• En la actualidad se conoce la base molecular de unas 5.000 enfermedades. Se espera que hacia 2020 se conozcan las causas genéticas de la mayoría de las enfermedades raras. Con ello se podrán diagnosticar de manera precoz dichas enfermedades y trabajar con las familias mediante asesoramiento genético para minimizar los riesgos de heredabilidad en la descendencia.

Genoma Humano y Leyes

El genoma humano es la codificación genética en la que están contenida gran parte de informaciones hereditarias. La estructura genética de mayor complejidad es la del mundo animal, tiene la información necesaria para poder generar un mismo genoma, la misma mantendría los mismos rasgos.

Un estudio cromosómico ha develado la compleja composición de esta estructura, arrojando los siguientes datos: El mismo está formado por 23 pares de cromosomas, cada uno con una función diferente, aportan al ADN material hereditario fundamental, en total, 22 cromosomas son estructurales, y el último par, llevan la información sexual.


Dentro de los aspectos legales de la clonación, están la determinación jurídica de la persona y la protección al otorgar la materia. Frente a esto el derecho es llamado para conjurar amenazas de lo que vendrá y legitima nuevas adquisiciones de la genética.

Clonación y Dolly

En los animales superiores, la única forma de reproducción es la sexual, por la que dos células germinales o gametos (óvulo y espermatozoide) se unen, formando un zigoto (o huevo), que se desarrollará hasta dar el individuo adulto. La reproducción sexual fue un invento evolutivo (del que quedaron excluidas las bacterias y muchos organismos unicelulares), que garantiza que en cada generación de una especie van a aparecer nuevas combinaciones de genes en la descendencia, que posteriormente será sometida a la dura prueba de la selección y otros mecanismos evolutivos. Las células de un animal proceden en última instancia de la división repetida y diferenciación del zigoto.

Las células somáticas han perdido la capacidad de generar nuevos individuos y cada tipo se ha especializado en una función distinta (a pesar de que, salvo excepciones, contienen el mismo material genético).

Tipos de clonación

• ·         Partición (fisión) de embriones tempranos: analogía con la gemelación natural. Los individuos son muy semejantes entre sí, pero diferentes a sus padres. Es preferible emplear la expresión gemelación artificial, y no debe considerarse como clonación en sentido estricto.
• ·         Paraclonación: transferencia de núcleos procedentes de células fetales en cultivo a óvulos no fecundados enucleados y a veces, a zigotos enucleados. El "progenitor" de los clones es el embrión o feto.
• ·         Clonación verdadera: transferencia de núcleos de células de individuos ya nacidos a óvulos o zigotos enucleados. Se originan individuos casi idénticos entre sí (salvo mutaciones somáticas) y muy parecidos al donante (del que se diferencian en mutaciones somáticas y en el genoma mitocondrial, que procede del óvulo receptor).
• ·         Gemelación artificial
• ·         Partición de un embrión, o separación de en embriones preimplantatorios (de 2-32 células). Cada mitad o trozo del embrión se introduce en una zona de otro óvulo, o en una cubierta artificial (ZPA), y se implanta.

Oveja Dolly

• Se toma una célula de la ubre y de ella se extrae el núcleo que contiene todos los cromosomas.
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•  Se detiene el reloj biológico de la célula mamaria para que se olvide su función anterior.
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• De otra oveja se toma un óvulo no fecundado, del cual se elimina el núcleo porque contiene solo la mitad de los cromosomas. El citoplasma provee los nutrientes para el futuro embrión
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• Se combinan el citoplasma y el núcleo. Este último tiene toda la herencia (ADN) de la oveja madre, por eso el clon será igual a ella.
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• Mediante una descarga eléctrica, las membranas externas del óvulo y la célula mamaria se fusionaron.
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• El núcleo con el ADN de la célula donante se integró en el interior del óvulo vacío.
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• Esta fusión hizo que la célula comenzara a dividirse y a reproducirse hasta convertirse en un embrión.
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• El embrión se implantó en el útero de una tercera oveja, que hizo la función de "madre de alquiler".
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• El desarrollo del embrión dio lugar a Dolly, una oveja exactamente igual a aquella a la que se le extrajo una célula de las glándulas mamarias.

Codificación de ADN

Las moléculas encargadas de transportar los aminoácidos hasta el ribosoma y de reconocer los codones del ARN mensajero durante el proceso de traducción son los ARN transferentes (ARN-t). Los ARN-t tienen una estructura en forma de hoja de trébol  con varios sitios funcionales:

Extremo 3': lugar de unión al aminoácido (contiene siempre la secuencia ACC).

Lazo dihidrouracilo (DHU): lugar de unión a la aminoacil ARN-t sintetasa o enzimas encargadas de unir una aminoácido a su correspondiente ARN-t.

Lazo de T ψ C: lugar de enlace al ribosoma.

Lazo del anticodón: lugar de reconocimiento de los codones del mensajero.

Normalmente el ARN-t adopta una estructura de hoja de trébol plegada en forma de L o forma de boomerang.

Los ARN-t suelen presentar bases nitrogenadas poco frecuentes como son la pseudouridina (ψ), metilguanosina (mG), dimetilguanosina (m2G), metilinosina (mI) y dihidrouridina (DHU, UH2).

El que realiza el reconocimiento del codón correspondiente del ARN-m es el anticodón del ARN-t y no el aminoácido. Mediante un experimento se demostró que era posible transformar el cisteinil-ARN-t mediante tratamiento con hidruro de níquel en alanil-ARN-t. Este tratamiento convierte la cisteína en alanina. De esta manera se consiguió un ARN-t específico de cisteina que en lugar de llevar unida cisteina llevaba unida alanina. Cuando se empleo este ARN-t híbrido para sintetizar proteínas se pudo comprobar que en el lugar en el que debía aparecer cisteina en la secuencia del polipéptido aparecía alanina. Por tanto, el que llevaba a cabo el reconocimiento del codón del ARN-m era el anticodón del ARN-t y no el aminoácido.

La degeneración de l código se explica teniendo en cuenta dos motivos:

Algunos aminoácidos pueden ser transportados por distintas especies moleculares (tipos) de ARN transferentes (ARN-t) que contienen distintos anticodones.

Algunas especies moleculares de ARN-t pueden incorporar su aminoácido específico en respuesta a varios codones, de manera que poseen un anticodón que es capaz de emparejarse con varios codones diferentes. Este emparejamiento permisivo se denomina Flexibilidad de la 3ª base del anticodón o tambaleo.

Flexibilidad de la 3º base del anticodón, tambaleo: La tercera base del anticodón, la que ocupa la posición 5' no está especialmente confinada de forma que en algunos casos puede emparejarse con distintas bases del codón. En la siguiente gráfica se observa que cuando en la posición 5' del anticodón hay una G, esta guanina puede emparejarse con un uracilo (U) de la posición 3' del codón o con una citosina (C).

Alimentos Trangénicos

Los alimentos genéticamente modificados (GM) tienen un ADN modificado usando genes de otras plantas o animales. Los científicos toman el gen de un rasgo deseado de una planta o animal e insertan ese gen dentro de una célula de otra planta o animal.

Funciones

La ingeniería genética se puede realizar con plantas o bacterias y otros microorganismos muy pequeños. La ingeniería genética permite a los científicos pasar el gen deseado de una planta o animal a otro. Los genes también pueden pasarse de un animal a una planta, y viceversa. Otro nombre para esto es organismos genéticamente modificados, o OGM.

El proceso para crear alimentos GM es diferente a la cría selectiva. Ésta involucra la selección de plantas o animales con los rasgos deseados y su crianza. Con el tiempo, esto resulta en la descendencia con los rasgos deseados.

Uno de los problemas con la crianza selectiva es que también puede resultar en rasgos que no son deseados. La ingeniería genética permite a los cientíticos seleccionar el gen específico para implantar. Esto evita introducir otros genes con rasgos no deseados.

Los posibles beneficios de los alimentos transgénicos incluyen:

• ·         Alimentos más nutritivos
• ·         Alimentos más apetitosos
• ·         Plantas resistentes a la sequía y a las enfermedades, que requieren menos recursos ambientales (como agua y fertilizante)
• ·         Menos uso de pesticidas
• ·         Aumento en el suministro de alimentos a un costo reducido y con una mayor vida útil
• ·         Crecimiento más rápido en plantas y animales
• ·         Alimentos con características más deseables, como papas (patatas) que produzcan menos sustancias cancerígenas al freírlas
• ·         Alimentos medicinales que se podrían utilizar como vacunas u otros medicamentos

Marcadores Génicos

Un marcador genético es una secuencia de ADN específica cuya localización exacta ha sido identificada en su correspondiente cromosoma y cuya herencia puede ser rastreada. La secuencia de ADN que forma un marcador genético puede ser un gen completo o sólo una secuencia sin función conocida o no codificante. Se utilizan principalmente en el mapeo genético como señaladores de regiones del genoma de un determinado organismo.

Es muy frecuente que se utilice el término marcador molecular como sinónimo, aunque este término se refiere específicamente a un tipo de marcador genético.

Tipos de marcadores genéticos

Los marcadores genéticos se suelen dividir en dos grupos, los marcadores bioquímicos, detectados como variaciones en la secuencia de aminoácidos para la que codifica el marcador, y marcadores moleculares basados en el ADN, detectados a nivel de la secuencia de nucleótidos del marcador con o sin cambios observables en el fenotipo. Los llamados marcadores morfológicos, identificados mediante rasgos en el fenotipo (color, tamaño, etc), son hoy en día mucho menos utilizados.

Marcadores bioquímicos

Los marcadores bioquímicos se basan en la observación del polimorfismo en la secuencia de aminoácidos de una proteina. Los marcadores bioquímicos más utilizados son los marcadores isoenzimáticos, esto es, enzimas con la misma función pero con distinto tamaño, carga o conformación.

Algunos de los primeros marcadores de este tipo fueron los grupos sanguíneos y las inmunoglobulinas. Este tipo de marcadores presentan bajo polimorfismo y baja sensibilidad y por ello tienen aplicaciones limitadas en comparación con los marcadores genéticos moleculares basados en el ADN.

Marcadores moleculares

Estos marcadores detectan variaciones en la secuencia de nucleótidos del ADN: inversión, inserción, duplicado o eliminación. Generalmente detectan polimorfismo en secuencias no codificantes. Se pueden dividir en:

Marcadores asociados a variaciones en el número de repeticiones de una secuencia: se dividen a su vez en microsatélites y minisatélites.

Marcadores asociados a variaciones puntuales en el genoma, detectables o no por enzimas de restricción.

Algunos de los marcadores moleculares más utilizados son:

RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism o Polimorfismo en la longitud de fragmentos de restricción)

SSLP (Simple sequence length polymorphism o Polimorfismo en la longitud de secuencias simples)

AFLP (Amplified fragment length polymorphism o Polimorfismo en la longitud de fragmentos amplificados)

RAPD (Random amplification of polymorphic DNA o Amplificación aleatoria de ADN polimórfico)

VNTR (Variable number tandem repeat o Número variable de repeticiones en tándem. Minisatélite)

SSR (Simple sequence repeat o Repetición de secuencia simple. Microsatélite)

STR (Short tandem repeat o Repeticiones cortas en tándem. Microsatélite)

SNP (Single nucleotide polymorphism o Polimorfismo de nucleótido simple)

SFP (Single feature polymorphism o Polimorfismos de Característica Única)

TRAPs (Target Region Amplification Polymorphism, en español Polimorfismos para la amplificación de regiones blanco)

DArT (Diversity Arrays Technology, es espñaol Tecnología de Vectores, o Matrices, de Diversidad)

RAD (Restriction site associated DNA markers o marcadores de ADN asociados a sitios de restricción)

Aplicaciones

Los marcadores genéticos tienen incontables aplicaciones. Puede que una de las más evidentes sea la localización y estudio hereditario de rasgos genéticos, desde el color del pelo a enfermedades genéticas. Esta localización es muy importante, entre otros, en el ámbito médico. Comprender el área del genoma involucrada en la herencia de una determinada característica puede ayudar a entenderla y en algunas enfermedades puede suponer un avance importante en la prevención, diagnóstico y tratamiento. 

Manipulación del ADN

Los seres humanos, sin saberlo, han mezclado moléculas de ADN de distintos orígenes desde tiempos remotos. Las distintas variedades de animales domésticos, como las razas de perros o de ganado vacuno, o las variedades de cereales o de frutales, han sido mantenidas y multiplicadas en condiciones muy diferentes a las que se dan en la naturaleza, a veces como fruto del intercambio genético entre variedades que se encontraban originalmente tan alejadas que es imposible que se hubieran recombinado de una forma natural. Se trata de una primera forma de manipulación genética, aunque muy primitiva y azarosa.

Enzimas de restricción.

Hacia 1970 se descubrieron unas enzimas presentes en determinadas bacterias que eran capaces de romper el ADN extraño que podía infectarlas. Estas nucleasas de restricción rompenel ADN reconociendo secuencias específicas en él y generan, por tanto, los mismos fragmentos en un ADN determinado. Identificadas las enzimas y su secuencia de corte, se convierten en auténticas “tijeras moleculares” en las manos del ingeniero genético.

Se conocen más de 100 endonucleasas de restricción distintas, cada una de las cuales rompe en una secuencia diferente. Además se comercializan de forma industrial desde finales del siglo XX, facilitando mucho el trabajo a los investigadores y a los genetistas.

Al romper la molécula de ADN, algunas enzimas de restricción cortan las dos cadenas del ADN en el mismo nucleótido, pero, en cambio, hay muchas enzimas de restricción que cortan cada cadena por lugares separados.

Separación de fragmentos de ADN

Los fragmentos de ADN pueden separarse mediante electroforesis en un gel de agarosa, aprovechando la movilidad eléctrica que les da a las moléculas sus cargas negativas de fosfato. Las moléculas tienden a separarse según su tamaño; las más largas migran más despacio por los poros del gel y las más pequeñas lo hacen más rápidamente y pueden desplazarse a mayor distancia.

Una vez analizados los fragmentos que quedan de una digestión con una nucleasa de restricción, el siguiente paso es la ordenación de los fragmentos resultantes en el interior de la molécula de ADN hasta construir un mapa físico de la molécula. La rotura por varias nucleasas diferentes facilita mucho la labor de ordenar los fragmentos. Esta técnica nos sirve para hallar la secuencia (secuenciar)  un fragmento de ADN dado.