Genes y Cromosomas: Fundamentos de la Herencia
Como ya se ha estudiado en unidades anteriores, los genes se localizan en los cromosomas, y estos se hallan en el núcleo de la célula eucariota. También he estudiado la estructura del cromosoma, desde la doble hélice del ADN hasta la asociación de esta con las proteínas (histonas), para empaquetarse y originar los cromosomas que se pueden observar durante la mitosis o la meiosis.
Por tanto, cada cromosoma está constituido por una larga cadena de ADN; los genes son fragmentos de ese ADN, y miles de genes se disponen uno detrás de otro de forma lineal.
Pero todavía desconozco su verdadera función.
Hasta la década de 1940, el gen ya se consideraba la unidad fundamental de la herencia. Correspondía, en términos químicos, a esos factores que se heredaban de padres a hijos tal y como lo había descrito Mendel, pero se sabía muy poco acerca de cómo funcionaba, cuál era su estructura, si existían diferentes tipos, etc.
Hasta entonces, los genes solo se podían identificar cuando existían mutaciones que provocaban enfermedades o alteraciones visibles en los individuos. El primero en intentar explicar la función exacta de los genes había sido Archibald Edward Garrod en 1908. Estudiando la enfermedad de la alcaptonuria, concluyó que aquellos individuos que la presentaban debían tener algún defecto en su material genético para producir determinadas enzimas que impedían la degradación de los compuestos orgánicos. Él entendió con claridad: «un gen = una reacción metabólica».
Pero fueron George W. Beadle y Edward L. Tatum quienes finalmente establecieron la función de los genes.
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Biología Genética Mendeliana
Para ello, emplearon como organismo de ensayo el hongo Neurospora, originándole mutaciones con rayos X y comprobando posteriormente que dichas mutaciones afectaban a un solo gen que correspondía a una enzima de una vía metabólica. Corroboraron lo planteado por Garrod, si bien propusieron entonces la teoría de «un gen = una enzima».
Posteriormente se descubrieron la estructura del ADN, los trinucleótidos y el código genético, lo que permitió establecer esta teoría de forma definitiva.
En la década de 1950, el término de cistrón fue introducido por Benzer para definir las unidades genéticas funcionales. Como tales, se entiende la unidad mínima que contiene la información necesaria para sintetizar una proteína. Se descubrió que muchas enzimas están constituidas por varias cadenas de polipéptidos, cada una codificada por genes diferentes y que, además, no todas las proteínas son enzimas.
Por lo tanto, la teoría anterior se modificó a «un cistrón = una cadena polipeptídica».
- ¿A qué crees que fue debido que se pudiera llegar a la hipótesis de «un gen = una enzima»?
- ¿Qué hecho fue determinante para que las investigaciones pudieran relacionar los genes con las proteínas?
- ¿Por qué Garrod no pudo ir más allá? ¿Qué viene a significar en definitiva la expresión «un gen = una enzima»?
No siempre los genes codifican cadenas polipeptídicas. Existen genes que portan la información para la síntesis de ARN, como el ARN ribosómico o el ARN de transferencia.
Características de los Genes
El número de genes es variable entre las especies. Así, por ejemplo, el ser humano contiene aproximadamente 25 000 genes repartidos en 46 cromosomas (23 pares); una bacteria puede contener entre 500 y 6000 genes; los hongos, unos 6000; los virus con ADN, hasta 300; y los que portan ARN, hasta 25.
Los organismos pueden ser haploides si portan un solo juego de cromosomas, o diploides si portan dos juegos, uno procedente del padre y otro de la madre. Los seres humanos somos organismos diploides, por lo que poseemos dos copias de cada uno de nuestros genes.
Estas copias pueden presentar variaciones muy pequeñas en su secuencia de nucleótidos, y entonces se les denomina alelos.
Los alelos pueden ser, en términos mendelianos, dominantes o recesivos. Aunque las variaciones sean mínimas, pueden ocasionar diferencias significativas en el individuo, ya sean morfológicas o fisiológicas, positivas o negativas. Estas variaciones se conocen como mutaciones y son la base del proceso evolutivo de las especies.
Genética Molecular: De la Información al Fenotipo
La genética molecular estudia los procesos que ocurren en los genes, específicamente cómo se transfiere la información de los genes a las proteínas. Es una disciplina relativamente nueva —se desarrolla a partir de la década de 1940—, posee múltiples aplicaciones en diferentes campos biomédicos y representa un campo de la biología con gran futuro en la investigación.
Cuando se descubre la relación entre los genes y las proteínas, se intenta dar respuesta a cómo se transmite la información contenida en los genes a las proteínas.
Desde ese momento, se puede decir que la genética molecular nace y se encarga de dilucidar cómo el genotipo de un individuo —es decir, el conjunto de genes que conforma su ADN— puede contener un mensaje codificado.
Este mensaje en forma de ADN se duplica cuando la célula se divide, pero también se transcribe, expresándose en otro tipo de molécula, el ARN, que sirve de mensajero intermedio entre el ADN y las proteínas.
Ese ARN se traduce finalmente a proteínas, las cuales serán las encargadas de llevar a cabo la misión encomendada o el mensaje contenido en el ADN y manifestar de esa forma las características propias del individuo, es decir, su fenotipo.
- ¿Qué crees que es lo primero que necesitaban para poder manipular los genes?
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El descubrimiento de estas potentes herramientas dio lugar a la revolucionaria tecnología del ADN recombinante, que no es más que la creación en el laboratorio de un ADN que procede de la unión de secuencias de ADN de dos especies diferentes.
El proceso en sí es sencillo: basta con extraer la secuencia de nucleótidos deseada de un organismo e insertarla en otro con el fin de producir proteínas para uso farmacológico (como vacunas o proteínas humanas) o para estudiar la expresión de un gen.
Pero estas técnicas, aunque totalmente revolucionarias en su época, eran bastante limitadas, ya que los investigadores solo podían trabajar con los genes cuyas proteínas se conocían. Su trabajo era por este orden:
- Descifrar la secuencia de aminoácidos de una proteína.
- Luego, con la ayuda del código genético, deducir la probable secuencia del gen para dicha proteína.
- Entonces, con las enzimas de las que disponían, podían localizar a ciegas, cortar y aislar ese gen para la proteína.
- Ese gen lo incorporaban al genoma de las bacterias.
- Posteriormente, cultivaban las bacterias modificadas, produciendo grandes cantidades de la proteína.
Pero no sabían dónde se localizaba dicho gen para esa proteína en la enorme secuencia del ADN o en alguno de los cromosomas humanos. Es decir, no disponían de ningún medio para localizar un gen en un cromosoma concreto. Se necesitaba un mapa del genoma humano.
A partir de ahí, comenzó la carrera para elaborar un mapa de cada uno de nuestros genes: su secuencia de nucleótidos, en qué cromosoma se encuentra y, dentro de este, en qué punto exacto. Así, comenzó el Proyecto Genoma Humano.
Técnicas Clave en Genética Molecular
- ¿Para qué crees que se usó esta técnica por primera vez?
El primer uso de las enzimas de restricción y del ADN recombinante fue la manipulación de la bacteria Escherichia coli para producir insulina humana para los diabéticos.
Entre las técnicas de genética molecular se incluyen, además, la clonación y la transferencia de genes. Para estas técnicas, a menudo se necesita un vector.
- ¿Qué es la clonación de un gen?
Proceso que comporta la separación de un gen específico o de un fragmento de ADN de un cromosoma mucho mayor y su unión a una pequeña molécula de ADN portador, para después replicar este ADN modificado miles o millones de veces, mediante el aumento del número de células y la creación de múltiples copias del ADN clonado en cada célula.
Pasos que se llevan a cabo en la clonación de una secuencia de ADN:
- Fragmentación: Inicialmente, el ADN de interés necesita ser fragmentado para obtener un segmento relevante de ADN de un tamaño adecuado. Unas enzimas llamadas endonucleasas específicas de secuencia actúan como tijeras moleculares.
- Ligación: Un procedimiento de ligación se emplea cuando el fragmento de interés se inserta en un vector, que es una molécula de ADN capaz de replicarse en una célula y servir como vehículo para transferir a esa célula el ADN que se le ha insertado. Una enzima llamada ligasa une dicho vector y el ADN que se desea clonar.
- Transferencia: Después de la ligación, el vector con el gen de interés se transfiere a una célula huésped que proporciona la maquinaria enzimática necesaria para la replicación.
- Selección: Finalmente, las células transferidas se cultivan. Como este procedimiento actualmente se considera de baja eficiencia, se deben identificar las colonias de células que han sido transferidas exitosamente con el vector que contiene el gen deseado.
Los vectores de la clonación moderna incluyen marcadores de resistencia antibiótica, los cuales permiten crecer solo a las células en las que el vector ha sido transferido.
- ¿En qué consiste la transferencia de genes?
No es más que el conjunto de técnicas que permite la inserción de genes de un organismo en otro, o bien dentro del propio organismo.
- ¿Qué es un plásmido?
Son moléculas circulares o lineales de ADN que se encuentran fuera del genoma de la célula y que pueden replicarse y transcribirse de forma independiente al cromosoma celular.
La ingeniería genética nace a partir de la transferencia de genes del genoma de un organismo a otro. La utilización de estos organismos alterados genéticamente propició la producción de enormes cantidades de proteínas humanas, como la insulina, de gran valor en la terapia médica. Sin embargo, también abrió un amplio campo de debate desde el momento en que se empezaron a manipular genéticamente organismos relacionados directamente con el ser humano, como los animales domésticos y las plantas de interés agrícola.
Aparecen entonces los organismos transgénicos.