1. INTRODUCCIÓN
El conocimiento adquirido en los últimos años sobre el genoma nos ha permitido comprender mejor las limitaciones y expectativas de vida, las bases moleculares de la enfermedad, los mecanismos de la diferenciación celular, la regulación de la expresión de los genes, la biodiversidad de los individuos y las especies en la naturaleza y de cómo en la actualidad los avances en la tecnología del ADN recombinante o ingeniería genética, sumados a los conocimientos derivados del proyecto genoma humano, tendrán una repercusión directa sobre las nuevas terapias basadas en la utilización de elementos génicos, así como la potencial aplicación de la donación humana como fuente inagotable de tejidos y órganos, constituyendo los cimientos de la medicina molecular del siglo XXI.
2. GENÉTICA MOLECULAR.
Hasta hace pocos años, el estudio de la genética no iba más lejos de la estructura de los cromosomas. Actualmente, gracias a la genética molecular conocemos los mecanismos íntimos de las moléculas que constituyen el material de estudio de la genética.
2.1. los genes.
El concepto de gen ha ido variando a lo largo del tiempo. Gregor Mendel los denominó «factores», y vendrían a ser los responsables de la transmisión de los caracteres de padres a hijos.
Los genes están constituidos por ADN y ese ADN contiene la información necesaria para la síntesis de una cadena determinada de proteína. La definición de gen «la cadena de ADN capaz de dirigir la síntesis de una proteína».
Posteriormente este concepto ha sido matizado: «fragmento de ADN que contiene toda la información necesaria para la síntesis de un polipéptido».
El gen es la unidad física y funcional de la herencia. Cada gen tiene una localización específica en un determinado cromosoma, y el conjunto de todos los genes, contenidos en todos los cromosomas, constituye el genoma de un ser vivo.
Los cromosomas, son estructuras que se encuentran en el núcleo de todas las células del organismo, están presentes en pares, uno del padre y otro de la madre, salvo en las células reproductivas o gametos, que solo poseen un ejemplar de cada cromosoma. Por ello cuando se fusionan el individuo tiene 2 cromosomas uno del padre y otro de la madre, en la meiosis, antes de la fecundación, entre cada par homólogo de cromosomas de este se intercambia al azar material genético para dar lugar a los del gameto
El ser humano tiene veintitrés pares de cromosomas: veintidós autosomas se numeran siguiendo un orden decreciente de tamaño; el 23 son somáticos. Mujeres XX, hombres normales XY, único caso en que el par de cromosomas no está formado por miembros homólogos.
Existen diferentes variantes de un mismo gen, cada una de las cuales se llama alelo. Puede tener dos alelos de cualquier gen. Hay muchos casos de alelos múltiples, como los que codifican los grupos sanguíneos. Un organismo es homocigoto cuando tiene dos alelos idénticos, y heterocigoto alelos diferentes. Si un gen alelo se expresa en un heterocigoto se llama dominante; si solo lo hace en individuos homocigotos, se llama recesivo. También existe codominancia cuando cualquiera de los dos alelos es igual de importante. Las enfermedades genéticas causadas por genes recesivos no se declaran en heterocigotos, permiten detectar a portadores del gen alterado. Esto es importante en la medicina preventiva, ya que una pareja formada por dos portadores de un gen recesivo puede tener hijos que desarrollen la enfermedad que produce.
Estructura de un gen
Los genes son segmentos de ADN capaces de dirigir la síntesis de proteínas determinadas, y ello lo hacen a través de un ARN intermediario. Los genes han de contener las señales o información necesaria para realizar estos procesos. Básicamente, un gen estaría constituido por 3 partes:
– Promotor: que establece cuándo y en qué cantidad se transcribirá el gen.
– Región codificante: el fragmento de ADN que determina la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada.
– Terminador: que contiene las señales que determinan el término del proceso de transcripción, evitando que continúe hacia otros genes que se encuentran más adelante.
Todas estas señales son «leídas» y decodificadas por interacciones establecidas por proteínas específicas.
Algunos genes contienen intrones secuencias dentro de un gen que son eliminadas en el procesamiento del mensajero mediante un proceso denominado de splicing y que, por tanto, no están presentes en el RNAm El número, tamaño y posición de los intrones varía de unos genes a otros.
2.2. El ADN.
El ADN es la molécula que contiene la información genética y la sustancia de la cual están hechos los genes. El ADN está constituido por la asociación de moléculas menores llamadas nucleótidos, formadas por la unión de una molécula de fosfato, una del azúcar desoxirribosa y una base nitrogenada. Ya que cuatro bases distintas, adenina, guanina, timina y citosina participan en la formación de los nucleótidos, hay cuatro tipos distintos de estos, los nucleótidos se vinculan por sus grupos fosfato y conforman una larga hebra, sus bases nitrogenadas se unen por uniones débiles pero muy específicas con las de otra hebra, determinan que ambas hebras, apareadas, se enrollen para dar lugar a la estructura de doble hélice. El apareamiento se da entre t a y c g, bases complementarias. La especificidad de las uniones entre bases determina la conservación y la transmisión de la información hereditaria. El mensaje de la herencia o código genético está contenido en el orden o secuencia con que las bases aparecen en la larga hebra del ADN. El mensaje genético solo consiste en información que determina el número, el tipo y la secuencia de aminoácidos de cada uno de los distintos tipos de proteínas de un organismo.
La función primaria del genoma es dirigir la producción de moléculas de ARN o ácido ribonucleico. El ARN difiere del ADN en que sus ribosa y uracilo en vez de timina. El ARN es complementario al ADN. Parte del ARN es estructural, interviene en la estructura de los complejos moleculares que actúan en la síntesis de proteínas; el resto, el ARNm, está más directamente vinculado con el mensaje genético, participa en el proceso de traducir la secuencia de bases del ADN en la correspondiente secuencia de aminoácidos de una proteína.
El ADN puede duplicarse dando lugar a hebras nuevas y a copias exactas mediante la intervención de la ADN pol. Antes han de haber sido separadas por las helicasas y con la intervención de otras proteínas. Otra propiedad es la de la renaturalización ante un enfriamiento lento después de la separación por calor
– Transcripción.
Paso de ADN doble a ARN monocaternario. Tiene lugar en el núcleo, y luego este ARNm, es trasladado al citoplasma, donde se produce la síntesis de las proteínas.
o Iniciación: separación de las dos cadenas de ADN y la unión de la ARN polimerasa. El inicio se da en un lugar concreto, denominado promotor, y que viene determinado por la unión de ciertas proteínas denominadas factores de transcripción, muy importantes en la regulación de los genes. Algunos de estos factores pueden ser inducidos por ejemplo por el ambiente, pudiendo activar o reprimir la transcripción
o Elongación: una vez unida la ARN polimerasa comienza a unir nucleótidos en orden complementario al de la cadena de ADN, y siempre de 5′ a 3′.
o Terminación: al final del gen existen unas señales que indican a la ARN polimerasa que debe soltarse y así finalizar la transcripción.
· Promotor: parte del gen que contiene todas las secuencias necesarias para la unión de la ARN polimerasa y los factores de transcripción.
· Promotor basal: una secuencia que es capaz de iniciar la síntesis de ARN pero que no contiene ninguna señal de regulación.
· Secuencia terminadora: aquella que contiene la información necesaria para que la RNA polimerasa termine la transcripción. La terminación puede ser diferente en el mismo gen
Procesamiento del mensajero.
En un principio el RNA se denomina RNAhn para posteriormente dar lugar al RNAm. Los procesos que se llevan a cabo son:
o 5′ caperuza, metil-guanina que protegería al RNAm de la degradación.
o 3′ cola de poli a. Ocurre en eucariotas
o Eliminación de intrones (splicing): la realiza el splicisoma, los intrones poseen unas señales de secuencia que posibilitan que el splicisoma los reconozca y elimine.
– Traducción.
Proceso por el cual la información del ARN pasa a ser descodificada a proteínas. La decodificación se realiza mediante el código genético, tabla en la que aparecen los 20 aminoácidos y los tripletes que los codifican. El código genético es degenerado puesto que hay aa que son codificados por más de un triplete.
Se comienza por el codón ATG o codón de iniciación y terminan por uno o varios codones de terminación (TAG, TGA o TAA). Además cada gen posee previo al codón de iniciación una o varias regiones de regulación de su expresión. La transcripción la lleva a cabo una ARN pol
Mientras que en procariotas los genes prácticamente son continuos, en eucariotas la información está fragmentada. Modificaciones postraduccionales. En este procedimiento intervienen 2 tipos de ARN, el mensajero al que se unirá el ribosoma codificado por ARNr y por último el transferente que transportará los aminoácidos.
La síntesis del polipéptido no es siempre el final del proceso: pueden llegar a ser glicosiladas, cortadas, unidas a otras subunidades, darle estructuras diferentes…después de este proceso todos los componentes se desensamblan y pueden ser utilizados posteriormente
– Mutaciones.
La replicación genética, de generación en generación, es extremadamente precisa; sin embargo, ocasionalmente se producen errores que dan lugar a mutaciones, lo que ocasiona alteraciones (favorables o desfavorables) en los caracteres heredados. Las mutaciones se producen con una frecuencia de 10-11 por nucleótido y división celular en e. Coli. Hay varias maneras de que se produzcan mutaciones, estas son: sustitución, omisión, inserción, inversión, cambios sin sentido o translocaciones donde un gen se ha cambiado de sitio e implica reordenación del material genético.
Las bases nitrogenadas de los nucleótidos pueden sufrir una desviación tautomérica, como consecuencia, puede haber apareamiento entre bases no complementarias. En la siguiente duplicación, es de esperar que la situación vuelva a la normalidad, a excepción de que la mutación sea reconocible. Otros tipos de alteraciones se producen por alteraciones de copia durante la duplicación del ADN o por efecto de agentes químicos que se denominan mutágenos o por agentes físicos, como las radiaciones ionizantes, o los rayos ultravioleta.
Entre los agentes químicos capaces de inducir mutaciones tenemos: agentes alquilantes (gas mostaza, nitrosaminas, etc.). análogos de bases (halouracilos, aminopurinas), antibióticos (estreptozotina, mitomicina c, etc.), fármacos (acridina, nitrofurazona, etc.), aditivos alimentarios (nitritos, EDTA, etc.), pesticidas (captan, etc.), derivados del nitrógeno (hidroxilamina, etc.), peróxidos orgánicos y de hidrógeno, sales metálicas, ésteres del ácido fosfórico.
Aparte de los mencionados, existen otras muchas sustancias o agentes físicos que provocan mutaciones (cromosómicas o genómicas) como son los ultrasonidos o los choques térmicos, que aumentan la frecuencia de mutación
– Regulación de la expresión de los genes.
La ARN polimerasa no inicia la fabricación de un ARN-m al azar. El enzima posee una particular afinidad por una región del ADN, el promotor situado más allá del inicio del gen. Ello permite iniciar la síntesis de ARN-m en un lugar preciso. La velocidad de esta síntesis depende de la secuencia de bases del promotor. Además existen proteínas denominadas represores que determinan si la ARN polimerasa debe comenzar la transcripción. Un represor reconoce de forma muy específica un segmento de ADN denominado operador situado al principio del gen y cuando se fija en ese punto impide a la ARN-polimerasa progresar a lo largo del ADN, bloqueando la síntesis de ARN-m. Cuando se necesita la proteína codificada por el gen en cuestión, el lugar del operador debe ser desbloqueado. El mecanismo puede ser de dos formas. En una de ellas, el producto que va a ser metabolizado al penetrar en la célula da un derivado que desbloquea el operador. Es la regulación negativa y su ejemplo más claro es el modelo de operón lactosa de bacterias. Por otra parte el mecanismo de regulación positiva como sucede por ejemplo en el conjunto de enzimas implicados en la síntesis de un aminoácido, que es regulado por un represor que no se fija sobre su operador sino en presencia del aminoácido. En este caso, el represor se disocia del operador y los enzimas codificados por el operón son producidos cuando el aminoácido no está presente.
Aunque parezca inverosímil, el represor reconoce la secuencia específica en todo el conjunto del ADN celular, mediante una primera fijación débil e inespecífica sobre el ADN y por sucesivas migraciones mediante saltos o por difusión, hasta que es atrapado por el operador.
3. INGENIERÍA GENÉTICA Y SUS APLICACIONES
– 1953 descubrimiento de la estructura del material genético
– 1970 comienzo de la manipulación enzimática del material genético
La ingeniería genética comprende la totalidad de las técnicas dirigidas a alterar o modificar el caudal hereditario de algunas especies ya sea para superar enfermedades de tipo genético (terapia génica) o con el objeto de producir transformaciones con finalidad experimental (manipulación genética).
La única terapia genética permitida hoy para su aplicación en seres humanos es la vinculada a las enfermedades. En la ingeniería genética se busca el conocimiento de cada uno de los genes de un mapa genético para así deducir que genes son los responsables de la enfermedad. Gen para la insulina, se puede sintetizar en grandes cantidades introduciendo un vector en una bacteria y hacer que ésta se multiplique rápidamente
Dos son las líneas de investigación en ingeniería genética:
o Traducir la totalidad de la información contenida en el cromosoma
o Desarrollar técnicas que permitan transferir la información genética contenida en un organismo a otro que carezca de ella, aún atravesando la barrera de las especies.
3.1. Metodología en ingeniería genética.
– ADN recombinante y clonación molecular. Clonar consiste en producir un elevado número de copias de un mismo sistema. Denominaremos ADN recombinante a una molécula de ADN producida a partir de fragmentos que provienen de organismos diferentes o que en el organismo original se encuentran en diferente ordenación. No hay muchas dificultades a la hora de unir genes puesto que los genomas de las especies tienen el mismo origen químico. La donación de genes requiere de seis condiciones.
o Un organismo huésped en donde se realice la multiplicación, también mediante PCR
o Un vector de DNA que pueda multiplicarse en el huésped.
o Una manera de unir el DNA de interés con el DNA vector.
o Una manera de introducirla combinación DNA-vector en el huésped.
o Una manera de seleccionar el ADN que nos interesa
o Un método para poder aislar el DNA-vector en cantidades suficientes.
Enzimas
Enzimas de restricción. Enzimas aislados a partir de bacterias que tienen la capacidad de cortar las moléculas de ADN de doble cadena en lugares que presentan secuencias específicas. Otras interesantes propiedades de los enzimas de restricción son:
o Reconocen secuencias palindrómicas, es decir, secuencias que son iguales si se leen en una dirección o en la dirección contraria.
o El enzima corta siempre en la misma secuencia diana y genera fragmentos de ADN del mismo tamaño en cada digestión incluso con las moléculas más complejas, pues el tamaño de estos fragmentos está determinado por la distancia entre las dianas.
o La frecuencia de corte de un enzima depende de la probabilidad de que exista la combinación de nucleótidos que reconoce como diana. Así pues, cuanto más larga sea la diana, menos probable es el corte.
De acuerdo con la manera en que el enzima corta, se distinguen dos tipos de enzimas de restricción:
o Extremos cohesivos (ecorI). Porque tienden a aparearse o hibridarse nuevamente.
o Aquellos que dejan extremos romos (por ejemplo haeIII).
ADN ligasa. Las DNA ligasas catalizan la formación de un enlace fosfodiester entre el 5′ de un fosfato y el 3′ de un nucleótido. Se usan para unir covalentemente cadenas de ADN. La ligación de moléculas de ADN puede realizarse de múltiples maneras, por ligazón intermolecular o intramolecular
La ligación en principio se producirá o bien entre extremos romos o bien entre extremos de DNA digeridos con el mismo enzima de restricción y que, por tanto, pueden aparearse. Sin embargo, en ocasiones, también puede producirse entre moléculas digeridos con enzimas diferentes si los extremos que generan son compatibles. En caso de no contar con enzimas adecuados para unir las moléculas que nos interesan aún así contamos con algunas posibilidades, empleo de moléculas adaptadores. Esto es, pequeñas moléculas de ADN bicatenario que se unen a los extremos del ADN mediante ligasas y que tienen una diana de restricción que nos interesa.
Otra posibilidad es la de añadir al extremo del ADN una «cola» de mononucleótidos en una de las moléculas de ADN, y del mononucleótido complementario en la otra. Esto se realiza mediante un enzima denominado polinucleótido transferasa terminal.
Vectores.
Vector de clonaje: un DNA de pequeño tamaño capaz de autorreplicarse conteniendo un DNA foráneo y de perpetuarse en células huésped. Se utilizan bacterias y en gran medida levaduras por la facilidad de manejo.las propiedades que debe tener son: poder contener ADN extraño y aún así seguir reproduciéndose, permitir poder distinguir las bacterias o levaduras que contienen el vector con el fragmento que nos interesa de las que no.
Con estas características se han desarrollado diversas clases de vectores. Los más comúnmente utilizados son:
– Plásmidos. Características., su huésped son bacterias, fundamentalmente E.coli, tiene DNA circular extracromosomal, tamaño entre 1 y 200 Kb, pueden añadirse funciones de selección como resistencia a antibióticos o de clonaje, como múltiples dianas de inserción. Alto número de copias por célula. Hasta 200 copias.
El fragmento que se desea clonar y el plásmido son digeridos con el mismo enzima y ligados. El DNA así producido se introduce en bacterias que no contienen plásmido mediante el proceso denominado de transformación. Para ello se induce la formación de poros en las paredes de las bacterias bien mediante un aumento en la temperatura (choque térmico) o bien mediante un choque eléctrico (electroporación). Como el plásmido contiene genes de selección para resistencia a antibióticos, solo las bacterias transformadas podrán crecer en un medio selectivo con ese antibiótico. Finalmente, los plásmidos que contienen el inserto deseado son seleccionados mediante un segundo sistema de selección. Por ejemplo, la introducción del inserto produce la ruptura de un gen que da coloración a la bacteria. Este gen suele ser la beta-galactosidasa. Si el gen es activo, en presencia de un sustrato adecuado (x-gal) las colonias aparecen de color azul.
– Bacteriófago lambda. Una de las limitaciones de los plásmidos como vectores es que no permiten introducir fragmentos de gran tamaño, Por ello se desarrolló un segundo tipo de vector basado en el bacteriófago lambda. Un bacteriófago (fago) es un virus que infecta bacterias. Los phagos introducen el DNA en la célula huésped por sí mismos, allí se multiplica y produce nuevos virus encapsidados que a su vez son capaces de infectar nuevas células. La ventaja de los fagos como vectores es que se les puede añadir DNA externo y aún así son capaces de multiplicarse. Los fragmentos del DNA del fago se ligan in vitro al fragmento de DNA de nuestro interés. Este DNA híbrido se une a las proteínas de la cápside del virus y con ello se infecta las bacterias. Su crecimiento se realiza sobre placas en las que se hace crecer simultáneamente la bacteria en la densidad adecuada de manera que a partir de cada fago se genera lo que se conoce como “calva”, una zona de cultivo de bacterias que ha sido usada por los fagos y que contendrá fagos idénticos, es decir, con el mismo fragmento de ADN que le hemos introducido.
– Cósmidos. Son una mezcla de plásmido y fago. Dentro de la bacteria se multiplican como plásmido y el proceso de ligación del DNA es el mismo que para un plásmido, pero pueden contener mayores insertos porque se introducen en las bacterias por transducción, como los fagos. Así pues permiten insertar hasta 48 Kb. Sin embargo, tienen algunos problemas como recombinaciones o falta de estabilidad en las bacterias.
– Bac/pacs. se basan en el plásmido de E.coli denominado factor f mientras que los pacs se basan en el bacteriófago pl. La ventaja respecto a los anteriores es que permite donar hasta 350 Kb los bacs y hasta 150 los pacs. Esta gran capacidad ha hecho que se utilicen en los proyectos de secuenciación. El manejo es similar a los plásmidos ya que contienen similares genes de resistencia y selección. Una diferencia es que la transformación debe realizarse por electroporación. Otra diferencia es que el número de copias por célula es de 1 o 2, por lo que se requiere mayor número de bacterias para el mismo número de moléculas de plásmido.
– Yacs contienen las señales necesarias para comportarse como un cromosoma en células de levadura. Pueden contener hasta 1.000 Kb de inserto. Contienen genes de selección, se pueden replicar en bacteria como plásmidos cuando aún no tienen inserto.
Electroforesis.
La electroforesis es un método de separación de moléculas que se basa en hacerlas pasar por un (gel) sometido a un campo eléctrico. Muchas de las moléculas orgánicas, como las proteínas o los ácidos nucleicos, están cargadas eléctricamente. El DNA tiene carga negativa debido a los grupos fosfato. El gel sirve como soporte de la separación y consiste en una sustancia polimerizada en forma de trama. Los más usados son la agarosa y la poliacrilamida. En el mismo se realizan unos agujeros o pocillos en donde se colocarán las muestras. Cuando se somete al gel a un campo eléctrico, el ADN tiende a desplazarse hacia el polo positivo, pero debe hacerlo a través de la trama del gel. Las moléculas pequeñas lo hacen más fácilmente que las grandes por lo que, por ejemplo, los fragmentos de ADN más pequeños se desplazan más rápido que los grandes. Esto permite separar los fragmentos de ADN por su tamaño. Si introducimos en el gel fragmentos de tamaño conocido podemos inferir el tamaño de los de la muestra
– Gel de agarosa: la agarosa en polvo se introduce en una solución tamponadora y se calienta hasta que se disuelve. Entonces se deja enfriar un poco, se añade bromuro de etidio, que tiñe el ADN, y se coloca en el molde. Cuando se enfría el gel se endurece y puede colocarse en la cubeta de electroforesis, que es el aparato que cuenta con unos electrodos conectados a una fuente eléctrica. Las muestras de ADN se colocan en los pocillos. Se conecta la electricidad y se deja el tiempo necesario para la separación. El DNA se visualiza en presencia de luz UV gracias al bromuro de etidio.
– Geles de acrilamida; el principio es el mismo, la preparación similar. La diferencia es que han de ser más finos y que producen una mayor resolución. Se pueden emplear también para proteínas.
Hibridación.
– Marcaje de moléculas de ácido nucleico Se basa en el uso de polimerasas que actúen con dntps modificados de alguna manera detectable. Se pueden usar dntps radiactivos, conjugados a moléculas detectables mediante anticuerpos o moléculas fluorescentes, etc.
El marcaje radioactivo es uno de los que más se han utilizado. Los ácidos nucleicos radioactivos pueden detectarse directamente en un contador de radioactividad o bien indirectamente sobre una placa fotográfica (autorradiografia).
Un ácido nucleico puede hacerse radioactivo simplemente por la adición de fosfato radioactivo (p32) durante su síntesis. Así, si se añade fosfato radioactivo al medio de cultivo cuando está teniendo lugar la síntesis de DNA, el nuevo DNA será radioactivo.
Alternativamente, se puede marcar radioactivamente el extremo 5′ de una cadena de DNA usando ATP radioactivo marcado en el tercer fosfato. El enzima polinucleótido quinasa quita específicamente el tercer fosfato del ATP y lo une al grupo hidroxilo 5′ del DNA. Esta técnica es extremadamente útil y rápida ya que permite el marcaje de moléculas de DNA ya preformadas. Se han desarrollado nuevos métodos de marcaje de ácidos nucleicos que usan compuestos no radioactivos que se incorporan al DNA y pueden detectarse bien porque dan un color determinado o incluso porque emiten luz (y, por tanto, pueden detectarse por autorradiografia). Algunos de estos métodos casi igualan al radioactivo en cuanto a sensibilidad teniendo la ventaja añadida de que no generan desechos radioactivos.
Desnaturalización
Las dos cadenas del DNA están unidas por puentes de hidrógeno que pueden romperse por acción del calor sin afectar los enlaces covalentes que unen a los nucleótidos. Por lo tanto, las cadenas de un DNA bicatenario pueden separarse por calentamiento, proceso conocido como fusión. Se denomina tm (melting temperature) a la temperatura a la que el 50% de las cadenas están disociadas. Esta tm, está en función del contenido en GC del DNA en cuestión, ya que los pares de bases GC se unen por 3 puentes de hidrógeno, mientras que AT sólo por dos. Cuanto mayor sea el contenido en GC mayor será la temperatura de fusión. Si el DNA calentado se enfría lentamente, la doble cadena vuelve a formarse (el DNA se renaturaliza). Esto permite realizar hibridaciones con cadenas de DNA procedentes de fuentes distintas.
Las cadenas del DNA también pueden separarse a temperatura ambiente cambiando las condiciones iónicas del medio. Al no estar implicada la temperatura, el proceso se conoce como desnaturalización.
Hibridación
La hibridación es la construcción artificial de ácidos nucleicos bicatenarios a partir de dos monocatenarios y por complementariedad de bases. Cuando una solución de DNA que ha sido calentada se enfría lentamente se produce la rehibridación, dando lugar a la estructura inicial. Tal reasociación ocurre sólo si las secuencias de bases son complementarias. Por lo tanto, la hibridación permite la formación de complejos bicatenarios no naturales de DNA: DNA y DNA : RNA. Este es un método muy versátil que permite estudiar el grado de relación genética entre dos ácidos nucleicos.
Las técnicas de hibridación reciben diferentes nombres dependiendo de las moléculas implicadas. Así tenemos:
o Southern: hibridación de una sonda de DNA sobre DNA unido a una membrana.
o Northern: hibridación de una sonda de DNA sobre RNA unido a una membrana.
o Northern reverso: hibridación de una sonda de «ARN marcado» sobre sondas de DNA.
o Western: hibridación de un anticuerpo sobre proteína unida a una membrana.
o Far western: hibridación de una proteína sobre otra proteína unida a una membrana.
Secuenciación del ADN.
Otra técnica propia de la ingeniería genética es la determinación de la secuencia de nucleótidos de un ADN, conocida como secuenciación de dicho ácido nucleico.
El método más usado para la secuenciación es el conocido como técnica de terminación de cadena de Sanger o técnica del didesoxi. Se denomina así por ser necesario los didesoxirribonucleótidos, dntps que han perdido su grupo alcohol OH del carbono 3′. Como los nucleótidos se unen por este grupo OH del carbono 3‘, hay que pensar que si nos encontramos con un didesoxinucleótido será imposible que se una otro nucleótido y la cadena terminará aquí.
o Como molde se utiliza una de las cadenas del fragmento de ADN que se va a secuenciar.
o Como «cebador,» se necesita un corto oligonucleótido complementario
o Los cuatro nucleótidos trifosfatos: dAMP, dTMP, dGMP, dCMP.
o Didesoxinucleótidos marcados de una base en cada una de las cuatro reacciones de secuenciación.
Al añadir la ADN-polimerasa, comienza la polimerización en el cebador, pero cesa al incorporarse un didesoxinucleótido. Se produce un conjunto de cadenas dobles cuyas longitudes dependen de la situación del didesoxinucleótido incorporado.
Deben prepararse cuatro reacciones de secuenciación, cada una con un didesoxi distinto. Los fragmentos resultantes se separan por tamaño mediante electroforesis, se autorradiografían, y la sucesión de bandas de cada una de las cuatro reacciones, comparándolas entre sí, dan la secuencia del ADN. Este método tiene la gran ventaja de poderse automatizar.
Librerías de DNA.
Una librería de DNA es una colección de clones de vectores que contienen fragmentos de DNA diseñada de tal manera que, mediante un determinado sistema de selección, se pueden llegar a separar los clones de interés.
Así pues, una librería de ADN podría ser una colección de fagos que contienen una muestra representativa de fragmentos de un genoma o una colección de bacterias que contienen plásmidos en los que se ha donado una muestra significativa de los genes que se transcriben en un determinado tejido.
Por tanto, para tener una librería deberemos tener:
o Un sistema eficiente de clonaje de ADN, puesto que deberemos manejar un número considerable de clones.
o Un sistema de selección de los clones que nos interesan de entre toda la colección.
o Un sistema para la obtención de una muestra representativa del ADN a estudiar.
Según cuál sea el propósito de nuestro estudio existen diversos tipos de librerías:
Librerías genómicas: se elaboran a partir de ADN genómico de una especie que se digiere hasta un tamaño suficientemente pequeño para ser clonado en el vector de una manera más o menos al azar. La detección se realiza mediante hibridación de sondas.
Las librerías genómicas requieren de un vector que permita el clonado de fragmentos relativamente grandes de ADN. Se aísla DNA genómico de la especie de interés y se realiza una digestión con un enzima de restricción adecuado de manera que genere fragmentos de tamaño medio adecuado para el vector seleccionado. Esto, además, permite que los distintos clones puedan solaparse, permitiendo cubrir la totalidad del genoma. El DNA digerido se somete a electroforesis, se aíslan los fragmentos del tamaño adecuado, se ligan en el vector y se realiza su amplificación.
Librerías de cromosomas específicos: como las anteriores pero a partir de ADN de determinados cromosomas purificados. La detección se realiza mediante hibridación de sondas.
Librerías de cdna: se realizan a partir de RNAm de un tejido particular. La detección se realiza mediante hibridación de sondas. Uno de los problemas que tienen las librerías genómicas es que debido al gran tamaño de los genomas es necesario un muy elevado número de clones para cubrirlas en su totalidad. Por otra parte, los genes contienen intrones que, muchas veces, pueden no interesarnos, y que complican el aislamiento de la región codificante. Estos problemas podrían resolverse si fuéramos capaces de clonar mRNAs. La construcción de una librería de cdna comienza con la extracción de RNAm de un determinado tejido u órgano, este RNA se copia a DNA de cadena simple mediante la acción de la transcriptasa reversa. El híbrido DNA: RNA es tratado con RNAsa, que degrada el RNA, y finalmente se realiza la síntesis de la segunda cadena de DNA. De esta manera se obtienen colecciones de fragmentos de ADN complementarios a los mRNAs de un tejido (cdna). Estos fragmentos se introducen en un plásmido y se transforman bacterias. Se genera así una colección de clones que forman una librería que puede seleccionarse por hibridación, como en el caso de las librerías genómicas, o por otros métodos.
Librerías de expresión: como el anterior pero el clonaje se realiza de tal manera que la bacteria es capaz de transcribir y traducir la proteína codificada por el fragmento de ADN. La selección se realiza detectando la proteína en sí, mediante anticuerpos, o bien alguna manifestación de su actividad.
Librerías de sustracción: en ocasiones no nos interesará tener una librería completa de cdnas sino que preferiremos que solo contenga ciertos cdnas y no otros. Una librería de sustracción es aquella que contiene cdnas correspondientes a mRNAs presentes en un tejido pero no en otro. Por lo tanto, necesitamos un paso en el que se eliminen los mRNAs presentes en ambos tejidos.
PCR
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) permite obtener millones de copias de un fragmento dado de ADN siempre que se conozca la secuencia de los extremos que rodean dicho fragmento para poder diseñar los cebadores que iniciarán la síntesis. Para llevarla a cabo se necesita el ADN molde a amplificar, los cebadores, los nucleótidos y la enzima taq polimerasa. Esta enzima fue aislada de la bacteria thermus aquaticus y su diferencia respecto a otras polimerasas es que es capaz de actuar a altas temperaturas. Todo ello se mezcla en un medio que contiene las sales adecuadas para llevar a cabo la síntesis.
La reacción consta de tres pasos fundamentales:
o Desnaturalización del ADN a amplificar. Para ello se aumenta la temperatura de la reacción a 98o c.
o Anillamiento de los cebadores en su secuencia complementaria. para ello la temperatura se disminuye a entre 50 y 60 ºC
o Elongación del fragmento a amplificar. Para ello la temperatura se vuelve a subir hasta 72ºc (temperatura óptima de actuación de la enzima utilizada) y de esta forma los nucleótidos presentes en la reacción se van añadiendo por complementariedad de bases.
Estos tres pasos se repiten entre 30 y 40 veces para obtener gran cantidad del fragmento deseado.
Aplicaciones de la PCR
o Aislamiento de genes: la PCR puede sustituir en algunos casos al cribado de librerías. El factor limitante es que precisa de secuencias conocidas para diseñar oligonucleótidos.
o Secuenciación: una de las razones más comunes para el uso de la PCR es la formación de suficiente cantidad de ADN molde para su secuenciación. Es mucho más sencillo y rápido que la clonación en células. Por otro lado, la propia reacción de secuenciación puede realizarse mediante una modificación de la reacción de la PCR en la que se usa un único oligo.
Genética reversa.
Hasta ahora los métodos explicados de descubrimiento de genes se basan en: primero encontrar el gen y luego demostrar su función. Una alternativa a este sistema consiste en lo contrario, primero ver una función y después clonar el gen. Es lo que se conoce como genética reversa.
Existen varias maneras de generar mutantes, mediante radiaciones ionizantes, ultravioleta o inserción de transposones o t-DNA, ems…
Los sistemas de mutagénesis química (ems) o física (radiaciones) son más sencillos, pero generan mutaciones puntuales, y la única manera de encontrar el gen mutado es mediante mapeo y paseo cromosómico. Además, dichas mutaciones no pueden ser revertidas.
La inserción de transposones y t-DNA tienen la ventaja de que la propia secuencia del elemento puede ayudarnos a localizar el gen mutado. En el caso de los transposones, estos además, en determinadas circunstancias, pueden escindirse y revertir la mutación, lo cual es una prueba concluyente de la relación mutación/fenotipo. El uso de transposones para identificar genes se denomina transposón tagging, y el uso de elementos de inserción en general se denomina gene tagging.
3.2. aplicaciones de la ingeniera genética
– Ingeniería genética en plantas.
Ha permitido crear nuevos alelos sin necesidad de que se rpoduzcan de manera natural, podemos introducir genes que nos interesan de otros organismos. Ha permitido disminuir el tiempo de las investigaciones, permitiendo así aumentar la productividad, reducir costes, mejorar los alimentos, prácticas ecológicas. Todos estos avances se han podido aplicar en floricultura, jardinería, industria química y farmacéutica
Se han podido cultivar plantas transgénicas con genes de animales u otras plantas. Para que un gen se exprese en una planta debemos de unir delante de esa porción de ADN un promotor que permita a la polimerasa unirse. Podemos elegir promotores existiendo constitutivos que siempre funcionan o ciertos promotores que solo se expresan en determinados tejidos.
– Aplicaciones farmacéuticas.
Utilización de las bacterias para formar ciertos componentes. Las sustancias serán pronto fabricadas por bacterias transformadas, en condiciones económicas ventajosas sobre todo en hormonas humanas, interferón para la defensa y antígenos para vacunas. Es más eficaz inyectar componentes de bacterias antes de las bacterias enteras que pueden causar reacciones. Virus de la hepatitis se introduce el virión que desempeña papel de antígeno. Por la implantación de genes de virus en un plásmidos se crean clones que fabrican antígenos y pueden ser utilizados como vacunas inofensivas. Sociedades financieras han invertido mucho dinero en montar laboratorios dedicados a la investigación para mejorar rendimientos.
– Aplicaciones médicas.
Se utilizan para la cura de ciertas taras hereditarias por implantación de genes en células humanas. Taras que provienen de elementos de desventaja genética que se mantienen en toda la población por el juego combinado de mutaciones, de la selección natural y deriva. Es utópico imaginar que puede llegar a ser descubiertas a nivel del óvulo inicial todas estas taras, pero en un futuro no muy lejano se conseguirá, así como transformar genéticamente las células para que ciertas enfermedades se puedan curar mediante manipulación genética. Una aplicación en la actualidad son los test diagnósticos, así ac reconocidos por marcaje han permitido rápidos progresos en el conocimiento de los receptores de las membranas celulares en el sistema nervioso y las glándulas endocrinas. La ingeniería genética permite después de la identificación de un ac, producirlo en cantidades apreciables. Estos métodos permitirán el tratamiento de enfermedades autoinmunes como la miastenia, la diabetes insulino resistente y asmas alérgicos. Los estudios con ac anticancerosos no han sido muy fructuosas.
– Aplicaciones agronómicas.
Modificaciones de los vegetales cultivados. Algunas especies de bacterias disponen de sorprendentes capacidades metabólicas y cabe esperar el logro de dotar a las plantas cultivadas de esas bacterias, incorporando a su mensaje genes tomados de los microorganismos. Las plantas tienen el poder de tomar del medio nitrógeno. Este nitrógeno debe serles proporcionado ya enlazado en combinaciones moleculares, como son los nitratos y las sales de amonio. Algunas especies bacterianas son capaces de utilizar directamente el nitrógeno atmosférico. Lo que se intenta mediante manipulación genética, es evitar el abono de nitrógeno de los campos cultivados, bien introduciendo los genes de la fijación del nitrógeno atmosférico en las células de las plantas, o introduciendo estos genes en las bacterias del suelo.
– Aplicaciones ganaderas.
Mejorar la calidad de la especie animal para hacerlas magras, en lugar de tener que administrar hormonas u otros aditivos alimentarios, para hacerlas crecer más rápidamente, para que se gaste menos en pienso
Facilitar a los investigadores el tratamiento de enfermedades graves, como es la utilización de ratones transgénicos en la investigación del sida. O utilizar a animales que tengan un gen adicional humano, llevan el gen determinante del factor 8 del proceso de coagulación sanguínea, así producen proteína humana para abastecer a las personas hemofílicas. Salvar a los animales en peligro de extinción. Almacenamiento, a temperaturas bajas, de sus óvulos sin fertilizar y su semen. Además, tomando los óvulos fertilizados y los embriones de una hembra de una especie poco común y enfriándolos cuidadosamente a temperatura muy baja; es posible almacenarlos. Posteriormente, vuelven a introducirse en un animal madre, llamada portadora, que puede parir esta cría, incluso años después de que muera la madre original.
– Aplicaciones industriales agroalimentarias.
Síntesis de proteínas nutritivas que pueden servir de aditivo en la alimentación del ganado.
Saccharomyces cerevisiae, este organismo es una fábrica capaz de fabricar proteínas de alto valor añadido destinadas a la industria farmacéutica, veterinaria y agroalimentaria.
El siglo pasado síntesis química de colorantes, aromatizantes, reforzadores del gusto. Actualmente los investigadores intentan mejorar el rendimiento y la productividad de este sistema de síntesis de los aditivos utilizando algunas biotecnologías avanzadas
– Aplicaciones medioambientales.
Tratamiento de residuos del agua, por medio de las depuradoras de aguas residuales. En ellas se encuentran los digestores de lodo, en que las bacterias descomponen la materia orgánica, convirtiéndola en sustancias que pueden posteriormente ser utilizadas como abonos.
Se están realizando ensayos para ayudar a la reabsorción de capas de petróleo vertidas accidentalmente. El plomo resulta venenoso para la mayoría de los microorganismos. Pero hay algunos que se dedican a extraerlo de su entorno. Este extraño comportamiento hace pensar en la posibilidad de cultivar estos microbios en grandes charcas, esperando hasta que se hayan extraído los metales peligrosos de su entorno, para recogerlos y desecharlos a continuación en vertederos especiales.
Microorganismos capaces de atacar ciertos herbicidas o pesticidas, que persisten durante mucho tiempo en el medio ambiente.
– Aplicaciones energéticas.
La ingeniería genética trata de mejorar los procesos naturales, buscando cepas de levaduras que aumenten la producción de alcohol y que el proceso sea lo más eficaz posible. En Brasil se intenta a partir de la celulosa fabricar alcohol
4. SU DIMENSIÓN ETICA.
La bioética se define como “el estudio sistemático de la conducta humana en el área de las ciencias de la vida y de la atención de la salud, hasta donde esa conducta pueda examinarse a la luz de los valores morales”. El estudio y comprensión de la bioética aumentó al desarrollarse contemporáneamente varias manipulaciones clínicas como la reproducción asistida, la prolongación de la vida en estado de coma, la eutanasia, el transplante de órganos, los ensayos clínicos en humanos, la ingeniería genética, y la clonación de mamíferos. Partimos de la base de que la bioética, su temática, su metodología y sus fines vienen siendo objeto de estudio, investigación y enseñanza en diversos ámbitos académicos y profesionales. En la práctica institucional, los comités de bioética son una realidad con clara conciencia de su razón de ser y de su cometido. Asimismo, los principios bioéticos y los postulados que de ellos se derivan vienen obteniendo una categórica recepción legal y jurisprudencial.
La secuenciación del genoma humano abre unas nuevas expectativas en el conocimiento sobre todo en el área socio-sanitaria. En la actualidad los expertos están de acuerdo en que más de 6000 enfermedades tienen su origen claramente hereditario y de ellas tan sólo un 3% de los casos se ha podido llegar a identificar el gen responsable de las mismas. Enfermedades como el Parkinson, Alzheimer, hemofilia, síndrome de Down, multitud de patologías cardiacas, diversos tipos de cáncer, etc., podrían beneficiarse directamente de los avances en el conocimiento del genoma humano. En este contexto surge la manipulación genética con fines terapéuticos, modificando o modulando la expresión génica y la terapia génica con el fin de reparar sustituir o silenciar parte del repertorio genético.
Pero quedan aún muchas cuestiones que resolver antes de que estas expectativas se hagan realidad y, además, hay que destacar que detrás de estos importantes descubrimientos hay también importantes fines económicos lo cual abre un amplio debate sobre la posibilidad de patentar los genes o las aplicaciones médicas de estos nuevos hallazgos. El desarrollo de nuevos fármacos basados en la información derivada del genoma abre pues un nuevo espacio donde los conceptos bioéticos deberán aportar luz o límites a la hora de regular el posible conflicto entre los beneficios a la humanidad y los intereses privados de empresas o grupos comerciales. Hay que insistir en que el genoma humano es uno de los más valiosos patrimonios del ser humano y, por tanto, su información genética ha de ser tratada como un patrimonio indiscutible de la humanidad.
El panorama es complejo y requiere de una urgente reflexión bioética que sirva como faro para la elaboración de normas que encaucen toda actividad hacia el objetivo del bien común. Estas normas, por su parte, no pueden ser el producto de uno u otro grupo de presión, sino de una maduración profunda sobre el tema, que reconozca como antecedente el consenso de la comunidad debidamente informada sobre los postulados básicos que se intenta proteger. Vivimos en un mundo multicultural, con un alto pluralismo de opciones éticas y de diversidad de proyectos de vida, por ello cuando se discutan estas difíciles cuestiones que afectan a todos los seres humanos, deben ser públicamente debatidas, respetándose, siempre y democráticamente, las opiniones propias de las diversas comunidades que coexisten en nuestro mundo actual, así como también las discrepancias que de ellas resultan.
– La vida humana es inviolable.
– Nexo verdad-vida-libertad.
– La ciencia, la técnica y el progreso están al servicio del hombre.
– No todo lo que es técnicamente posible puede considerarse moralmente admisible.
– El estatuto epistemológico de la ciencia. Epistemología
– El fin no justifica los medios.
– La regla de oro de la bioética: tratar a los demás como a uno le gustaría que le tratasen.
– La ciencia, la técnica y el progreso están al servicio de la vida.
4.1.El genoma humano.
El genoma debe ser entendido como la totalidad de la información genética almacenada en el ADN de las células. Cada persona tiene su propio genoma, el cual guarda gran similitud (99,9%) con todos los de su especie. Esta información define a cada individuo como ser único e independiente, se conoce como patrimonio genético ó genoma.
El genoma humano, contiene las instrucciones que determinan las características físicas y en parte psicológicas e intelectuales del individuo, ha sido recientemente descifrado en más del 99% de su totalidad, gracias al esfuerzo de un consorcio público internacional, formado por veinte laboratorios de estados unidos y varios otros centros de investigación de Japón, Francia, Alemania y china (proyecto genoma humano) y una empresa privada que casi al mismo tiempo decidió hacer el estudio de forma independiente al consorcio oficial.
Desde 1990, año en que se inicia oficialmente el proyecto de secuenciación, además del genoma humano se han descifrado los genomas completos de la levadura, el de la bacteria Escherichia coli, el del nemátodo c. Elegans, el de la mosca Drosophila melanogaster, y el de varias plantas.
La primera de las metas del proyecto genoma humano fue el mapeo de los genes por mapas de ligamiento, determinando todos los genes que están en el mismo cromosoma. El primer cromosoma humano secuenciado totalmente fue el número 22 a finales de 1999. El proyecto ha avanzado mucho más rápido que las metas previstas inicialmente, el proyecto original contemplaba finalizar la secuenciación en el año 2005, pero esta meta se ha acortado y se cuenta con el conocimiento de los genomas de algunos animales y las variaciones raciales y poblacionales del ADN humano.
Las secuencias de los cromosomas de origen humano nº 21 , n°- 5, n° 16 y el n°- 19 se completaron en el año 2000, pero faltan aún por publicar una gran cantidad de datos es muy importante distinguir «lo hecho» de «lo publicado», es decir, lo puesto a disposición del público científico y también tenemos que ser conscientes de que cuando o oímos hablar de “se descubrió el genoma humano”, simplemente se empiezan a obtener casi todas las secuencias cromosómicas pero aún queda caracterizar la mayoría de los genes humanos, es decir, saber a qué proteínas corresponden.
Se han detectado alrededor de 100.000 polimorfismos o variaciones normales, cada genoma difiere uno del otro en una base por millón, ante lo cual podemos afirmar que cada persona por muy diferente que sea posee una similitud en el genoma de un 99,9%.
Todavía queda por resolver un aspecto que no estaba considerado en el proyecto original que es la genómica funcional: que estudiaría el genoma como un sistema con retroalimentaciones, regulaciones, una cierta evolución, etc., junto a la proteómica, el conocimiento de todas las proteínas de un organismo.
4.2.La declaración universal sobre el genoma humano y los derechos humanos promulgada por la UNESCO
Los científicos han descubierto el medio de intervenir sobre aquello que creíamos intocable. El patrimonio genético de los individuos. De la fecundación in vitro, que ha cambiado las reglas de la procreación, a la donación de la oveja dolly, que ha reproducido un ser viviente a partir de una célula adulta, los últimos avances de la ciencia han traspasado las barreras y algunas veces han hecho temblar la opinión pública o a los propios científicos.
El 11 de noviembre de 1997, en la 29º sesión de la conferencia general de la UNESCO, se aprobó unánimemente la declaración universal sobre el genoma humano y los derechos humanos, después de 9 años de preparación, el comité internacional de bioética (cib), órgano independiente que reunió a personalidades del mundo científico, jurídico, filosófico, político y económico, además de un comité de expertos gubernamentales de 81 estados miembros de los 186 actuales de la UNESCO.
Para las relaciones internacionales es importante contar con un instrumento integrador de carácter universal que establezca un equilibrio de garantía y respeto en los campos de la biología y la genética, principalmente en el trato de los seres humanos, por eso debe buscarse cómo poder asegurar a las individuos los derechos y las libertades fundamentales, como la necesidad de garantizar la libertad de investigación. A su vez, es un nuevo instrumento del derecho internacional de extraordinaria complementariedad a la declaración universal de derechos humanos del 10 de diciembre de 1948, así como de otros manifiestos internacionales como la recomendación de la UNESCO relativa a la situación de los investigadores científicos del 20 de noviembre de 1974, y el mismo convenio de la ONU sobre la diversidad biológica del 5 de junio de 1992.
Esta nueva declaración sobre el genoma humano y los derechos humanos, comprendo 25 artículos en 7 apartados. En el preámbulo se refiere a otros instrumentos internacionales aplicados a otros campos entre éstos también la propiedad intelectual (a propósito de las condiciones de patentizar las investigaciones sobre el genoma humano) pero en síntesis lo que procurará será precisar la defensa de la dignidad humana, el derecho de las personas interesadas, la investigación, las condiciones de ejercicio de la actividad científica, la solidaridad y la cooperación internacional, en el campo de la especialización del genoma humano, hoy un modo científico de transformar la humanidad en sus más profundos cimientos.
Define esta declaración, que el genoma humano es la base de la unidad fundamentalmente de todos las miembros de la familia humana y del reconocimiento de su dignidad intrínseca y su diversidad. En sentido simbólico, el genoma humano es el patrimonio de la humanidad y que cada individuo tiene derecho al respeto de su dignidad y derechos, cualesquiera que sean sus características genéticas, respetándose el carácter único de cada uno y su diversidad.
Es interesante como la declaración establece enfáticamente que «toda persona tendrá derecho, de conformidad con el derecho internacional y el derecho nacional, a una reparación equitativa de un daño del que pueda haber sido víctima, cuya causa directa y determinante pueda haber sido una intervención en su genoma».
Lo anterior significa un paso importante para tratar de ir perfilando dentro de las naciones la normativa necesaria para un verdadero compromiso de carácter legal, que es finalmente lo que trasciende a fin de cuentas para la garantía de un derecho en caso de que este fuera lesionado.
5. BIBLIOGRAFÍA
– Gafo, J. y cols: fundamentación de la bioética y manipulación genética. Ed. Universidad pontificia de comillas. Madrid, 1988.
– Griffiths, genética. Ed. Interamericana mcgraw hill. 1995.