Proyecto Genoma Humano

Mapa genético

Esta exploración genética que presenta la disposición de los cromosomas dentro de una célula ayuda a los especialistas a examinar más de cerca la constitución genética de cada individuo. Al término del Proyecto Genoma Humano los genetistas esperan haber compilado un mapa que recoja la posición de todos los genes del organismo humano.

Proyecto Genoma Humano, programa internacional de colaboración científica cuyo objetivo es obtener un conocimiento básico de la dotación genética humana completa (véase Genética). Esta información se encuentra en todas las células del cuerpo, codificada en el ácido desoxirribonucleico (ADN). El Proyecto Genoma Humano ha identificado los aproximadamente 25.000 genes presentes en el núcleo de las células humanas y ha establecido la localización que ocupan estos genes en los 23 pares de cromosomas del núcleo.

Los datos obtenidos a partir de la secuenciación y cartografiado del genoma humano ayudarán a los científicos a relacionar las enfermedades hereditarias con genes concretos situados en lugares precisos de los cromosomas. Estas investigaciones proporcionarán un conocimiento sin precedentes de la organización esencial de los genes y de los cromosomas. Muchos científicos creen que la identificación de la dotación genética humana revolucionará el tratamiento y prevención de numerosas enfermedades humanas, ya que penetrará en los procesos bioquímicos básicos que las sustentan.

Francis Collins y Craig Venter

Francis Collins, director del Proyecto Genoma Humano, y Craig Venter, presidente de la empresa Celera Genomics, se dan la mano en la conferencia de prensa en la que anunciaron la secuenciación del genoma humano, el 12 de febrero de 2001.

La idea de iniciar un estudio coordinado del genoma humano surgió de una serie de conferencias científicas celebradas entre 1985 y 1987. El proyecto tomó impulso en Estados Unidos en 1990 con la ampliación de la financiación de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y del Departamento de Energía (DOE). Uno de los primeros directores del programa en Estados Unidos fue el bioquímico James Watson, que en 1962 compartió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con los biofísicos británicos Francis Crick y Maurice Wilkins por el descubrimiento de la estructura del ADN. Varios países pusieron en marcha programas oficiales de investigación como parte de esta colaboración, entre ellos Francia, Alemania, Japón, Reino Unido y otros miembros de la Unión Europea. En 1999 Celera Genomics, una empresa privada fundada por el científico Craig Venter, inició, utilizando una metodología distinta, la secuenciación del genoma humano. Tanto el consorcio público como Celera Genomics completaron la primera fase del proyecto y, en febrero de 2001, publicaron, de manera simultánea aunque en revistas distintas, los primeros borradores del mapa genético de los seres humanos. En mayo de ese mismo año Francis Collins, John Sulston, Jean Weissenbach, Craig Venter y Hamilton Smith, cuyos equipos lideraron la investigación mundial sobre el genoma humano, recibieron el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica. En abril de 2003, científicos del consorcio público completaron la secuenciación del genoma humano, dos años antes de la fecha original de finalización del proyecto.

ESTRUCTURA DEL ADN

El elemento más importante del cromosoma es la molécula continua de ADN. Esta molécula de doble cadena con forma de escalera retorcida está formada por compuestos químicos enlazados llamados nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres partes: un azúcar llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una de cuatro posibles bases: adenina, timina, guanina o citosina. Estos componentes están enlazados de manera que el azúcar y el fosfato forman los lados paralelos de la escalera de ADN; las bases de ambos lados se unen por parejas para formar los travesaños; la adenina se enlaza siempre con la timina, y la guanina siempre con la citosina.

El código genético viene determinado por el orden que ocupan las bases adenina, timina, guanina y citosina en la escalera de ADN. Por lo general, cada sección de esta escalera tiene una secuencia única de pares de bases. Como un gen no es más que una de estas secciones, posee también una secuencia única, que puede utilizarse para diferenciar unos genes de otros y fijar su posición en el cromosoma.

EL GENOMA HUMANO

Se llama genoma a la totalidad del material genético de un organismo. El genoma humano tiene unos 20.000 o 25.000 genes distribuidos en los 23 pares de cromosomas de la célula. Un cromosoma humano puede contener más de 250 millones de pares de bases de ADN, y se estima que el genoma humano está compuesto por unos 3.000 millones de pares de bases.

El ADN analizado en el Proyecto Genoma Humano procede, por lo general, de muestras de sangre o de tejido obtenidas de varias personas anónimas. Celera Genomics, por su parte, ha utilizado el ADN de 6 individuos de distintos grupos étnicos. La diferencia entre el genoma de dos individuos se ha estimado entre el 0,05 y el 0,1 por ciento. Esto significa que aproximadamente 1 de cada 1.000 o de cada 2.000 nucleótidos son distintos entre una persona y otra. Por lo tanto, las diferencias entre muestras de ADN de distintos individuos son muy pequeñas en comparación con sus similitudes.

CARTOGRAFÍA Y SECUENCIACIÓN

Reacción en cadena de la polimerasa

La reacción en cadena de la polimerasa (RCP) utiliza una enzima llamada polimerasa para multiplicar rápidamente un pequeño fragmento de ácido desoxirribonucleico (ADN), una molécula de doble cadena en forma de escalera que transporta el material hereditario en todos los seres vivos. Cada ciclo de RCP consta de tres fases. En la primera, llamada desnaturalización, se calienta el ADN para separar las dos cadenas que lo forman. En la segunda, llamada templado, la temperatura de la mezcla se rebaja para que los cebadores o fragmentos iniciadores del ADN se enlacen con las cadenas separadas de esta molécula. En la tercera o polimerización se eleva de nuevo la temperatura para que la enzima polimerasa copie rápidamente el ADN. En cada ciclo de RCP se duplica todo el ADN presente en la reacción, de manera que en unas pocas horas se obtienen más de mil millones de copias de un solo fragmento.

Hay dos categorías principales de técnicas de cartografía genética: ligamiento o cartografía genética, que identifica sólo el orden relativo de los genes a lo largo del cromosoma; y cartografía física, un conjunto de métodos más precisos que permite determinar las distancias entre genes dentro del cromosoma. Ambos tipos de cartografía utilizan marcadores genéticos, que son características físicas o moleculares detectables que se diferencian entre los individuos y se transmiten por herencia.

La cartografía mediante ligamiento se desarrolló a principios de la década de 1900 gracias al trabajo del biólogo y genetista estadounidense Thomas Hunt Morgan. Al observar la frecuencia con que determinadas características se heredaban unidas en numerosas generaciones de moscas del vinagre, llegó a la conclusión de que estos rasgos que con frecuencia se heredan juntos debían estar asociados con genes próximos en el cromosoma. Basándose en sus investigaciones, Morgan logró elaborar un mapa aproximado que recogía el orden relativo de estos genes asociados en los cromosomas, y en 1933 recibió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina por su trabajo.

Los mapas de ligamiento humanos se han elaborado sobre todo siguiendo las pautas de herencia de familias numerosas a lo largo de muchas generaciones. Inicialmente, estos estudios se limitaban a los rasgos físicos heredados, fácilmente observables en todos los miembros de la familia. Pero actualmente hay técnicas de laboratorio muy refinadas que permiten a los investigadores crear mapas de ligamiento más detallados comparando la posición de los genes diana en relación con el orden de los marcadores genéticos o de segmentos específicos y conocidos del ADN.

La cartografía física determina la distancia real entre puntos diferenciados de los cromosomas. Las técnicas más precisas combinan robótica, uso de láser e informática para medir la distancia entre marcadores genéticos. Para realizar estos mapas se extrae ADN de los cromosomas humanos y se rompe aleatoriamente en numerosos fragmentos. A continuación, éstos se duplican muchas veces en el laboratorio para analizar en las copias idénticas así obtenidas, llamadas clones, la presencia o ausencia de marcas genéticas específicas distintivas. Los clones que comparten varias marcas proceden por lo general de segmentos solapados del cromosoma. Las regiones de solapamiento de los clones pueden a continuación compararse para determinar el orden global de las marcas a lo largo del cromosoma y la secuencia exacta que ocupan inicialmente los segmentos de ADN clonados.

Para determinar la secuencia real de nucleótidos hacen falta mapas físicos muy detallados que recojan el orden exacto de las piezas clonadas del cromosoma. En el Proyecto Genoma Humano se ha utilizado primordialmente un método de secuenciación, desarrollado por el bioquímico británico y dos veces premio Nobel Frederick Sanger, que consiste en replicar piezas específicas de ADN y modificarlas de modo que terminen en una forma fluorescente de uno de los cuatro nucleótidos. En los modernos secuenciadores automáticos de ADN, diseñados por el biólogo molecular estadounidense Leroy E. Hood, el nucleótido modificado situado al extremo de una de estas cadenas se detecta con un haz de láser y se determina el número exacto de nucleótidos de la cadena. A continuación se combina esta información en un ordenador para reconstruir la secuencia de pares de bases de la molécula original de ADN.

Duplicar el ADN con precisión y rápidamente tiene una importancia crítica, tanto para la cartografía como para la secuenciación. Inicialmente los fragmentos de ADN humano se replicaban mediante clonación en organismos unicelulares que se dividen rápidamente, como bacterias o levaduras. Esta técnica exige mucho tiempo y mucho trabajo. A finales de la década de 1980 se generalizó el uso de un método revolucionario de replicación de ADN llamado reacción en cadena de la polimerasa (RCP). Esta técnica es fácil de automatizar y puede copiar una sola molécula de ADN varios millones de veces en unas pocas horas. En 1993, el bioquímico estadounidense Kary Mullis recibió el Premio Nobel de Química por desarrollar esta técnica.

Los biólogos moleculares estadounidenses Craig Venter y Hamilton O. Smith desarrollaron una metodología distinta, denominada shotgun, para determinar el orden de los genes a lo largo del cromosoma prescindiendo de la laboriosa fase de cartografiado. Esta técnica consiste en cortar el ADN en muchos fragmentos que se secuencian por separado. Posteriormente, y con la ayuda de potentes computadoras, se van ordenando los fragmentos que se superponen para, así, completar la secuencia. Desde 1995 su metodología ha servido para determinar el genoma de diversas bacterias, de la mosca del vinagre Drosophila melanogaster y del genoma humano.

BIOINFORMÁTICA

La secuenciación del genoma humano ha generado un amplio catálogo de los aproximadamente 31.000 genes humanos; mapas de alta resolución de los cromosomas, incluyendo cientos de miles de puntos significativos; y miles de millones de informaciones sobre secuencias de pares de bases. Para ayudar a los investigadores a determinar el sentido de este aluvión de datos han hecho falta muchos instrumentos informáticos, como sistemas de información y gestión de laboratorios, robots, sistemas de gestión de bases de datos e interfaces gráficas de usuario.

Se ha desarrollado un nuevo campo de investigación llamado bioinformática para satisfacer las exigencias planteadas por el programa. Los investigadores de bioinformática han creado bases de datos públicas conectadas a Internet para poner los datos del genoma a disposición de los científicos de todo el mundo. La información de secuenciación del ADN se encuentra en varias bases de datos, entre ellas GenBank del NIH, Base de Datos de Secuencias de Nucleóticos del Laboratorio Europeo de Biología Molecular y DNA Databank de Japón.

SITUACIÓN DEL PROYECTO

En febrero de 2001, con el 90% del genoma secuenciado, se publicó un primer borrador del mapa genético de los seres humanos. Los investigadores completaron el desciframiento del genoma en abril de 2003.

La secuenciación del genoma humano, uno de los acontecimientos científicos más relevantes de la historia de la humanidad, puso de manifiesto que los seres humanos cuentan con unos 31.000 genes. Esto supone que, contrariamente a lo que se había pensado en un principio, el genoma humano apenas cuenta con el doble de genes de los que tiene la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster).

Los primeros cromosomas descifrados fueron el 22, en 1999, el 21, en 2000, y el cromosoma número 20 en diciembre de 2001. Los científicos han secuenciado también el genoma de numerosos organismos como la bacteria Escherichia coli, la levadura Saccharomyces cerevisiae, el nematodo Caenorhabditis elegans o la mosca del vinagre. Estos estudios son importantes para conocer las similitudes que existen entre los genes humanos y los genes de otros organismos y para entender mejor las funciones de los genes.

Aunque ya se habían identificado los genes asociados a ciertas enfermedades hereditarias, como la fibrosis quística, la distrofia muscular o la enfermedad de Huntington, la publicación del mapa del genoma humano impulsará las investigaciones en este campo, posibilitando el desarrollo de pruebas mejores de selección genética, de nuevos medicamentos y de mejores tratamientos para combatir estas patologías. Por otro lado, la identificación de las alteraciones existentes en el ADN permitirá mejorar la técnica de biochips que se utiliza para identificar las alteraciones genéticas que porta un individuo; esto ayudará a los especialistas a reconocer si alguien es más propenso a padecer alguna enfermedad y a decidir qué clase de fármacos pueden ser más eficaces en el tratamiento. Además, con la secuencia del genoma completa, los científicos están dirigiendo su atención hacia el estudio de las proteínas codificadas por los genes. Esta nueva disciplina, que ha recibido el nombre de proteómica, se encarga del análisis y caracterización del proteoma (el conjunto de las proteínas expresadas por un genoma). En julio de 2001 se publicó la secuencia completa del primer proteoma de un ser vivo: el de la levadura Saccharomyces cerevisiae, cuyo genoma fue uno de los primeros secuenciados.

El conocimiento del genoma humano tiene también diversas implicaciones éticas, jurídicas y sociales. El desciframiento completo del genoma ha estimulado un debate internacional sobre la conveniencia o no de patentar para uso comercial secuencias de genes humanos, de poner la información sobre genética humana a disposición de empresas de seguros, así como de corregir los defectos genéticos de forma que podrían transmitirse de generación en generación.

martes, 26 de octubre de 2010

Metamorfosis

Ciclo de vida de la rana

La mayoría de las ranas tienen un ciclo vital con dos estadios distintos: las crías viven en el agua y los adultos en tierra firme. Las ranas adultas ponen un gran número de huevos en el agua o en otros lugares húmedos (A). De los huevos salen pequeñas larvas en forma de pez llamadas renacuajos (B), las cuales crecen a medida que se alimentan de algas y trozos de materia vegetal que encuentran en el agua (C). Cuando comienza la metamorfosis o cambio a la forma adulta, el renacuajo desarrolla patas traseras (D). Cuando ambos pares de patas están completas y el animal ha sustituido sus branquias por pulmones, la joven rana sale a tierra firme (E). La rana reabsorbe el resto de la cola y sigue creciendo hasta alcanzar la talla adulta (F).

Metamorfosis, en zoología, cambios anatómicos notables que ocurren durante el transcurso de la vida de algunos animales.

En el caso de la metamorfosis completa, existe una clara diferencia entre los distintos estados por los que pasa el desarrollo de un animal. En la primera fase, un embrión se forma dentro de un huevo. Cuando el huevo eclosiona, el estado animal resultante se llama larva. Durante el siguiente periodo, la larva se convierte en pupa. Al final del estado de pupa nace el ejemplar adulto. Entre los animales que se desarrollan de esta manera, se incluyen muchos peces, moluscos e insectos. En el caso de la metamorfosis incompleta, los jóvenes se parecen a los adultos y su forma se transforma gradualmente mediante mudas. Un ejemplo son los saltamontes que pasan por tres estados sin tener un periodo de pupa.

Las ranas sufren un tipo diferente de metamorfosis completa. Del huevo sale un renacuajo que vive en el agua, respira mediante branquias y tiene una cola. Cuando el renacuajo se desarrolla, se le forman los pulmones y las patas siendo las branquias y la cola reabsorbidas por el cuerpo. Al final, el animal abandona el agua para vivir, principalmente, en el medio terrestre como una rana adulta. 

Anomalías genéticas

Anomalías genéticas, en medicina, enfermedades producidas como consecuencia de anomalías hereditarias de la estructura genética. Algunas alteraciones genéticas se manifiestan desde el nacimiento, como las anomalías congénitas, mientras que otras se desarrollan durante la infancia o la edad adulta. Además de una causa genética, algunos de estos procesos se ven afectados por influencias ambientales como la dieta o el estilo de vida. Los cambios genéticos que no son heredados (mutaciones somáticas) pueden causar o contribuir a alteraciones como el cáncer. Algunas alteraciones genéticas pueden beneficiarse de la terapia génica, que existe gracias a la ingeniería genética.

ALTERACIONES DE UN SOLO GEN

Herencia de un gen recesivo

Algunas anomalías genéticas tienen una herencia de carácter recesivo. En estos casos son necesarias dos copias del gen recesivo para que la enfermedad se manifieste. Una persona que tiene sólo una copia del gen recesivo es portadora de ese gen pero no manifiesta la enfermedad. En la ilustración, el gen dominante se representa en color verde y el recesivo en azul. En la pareja de la izquierda el padre tiene una copia del gen dominante y otra del gen recesivo. La madre tiene dos copias del gen dominante. Cada padre sólo puede transmitir un gen a los hijos. Los cuatro hijos de esta pareja representan las probabilidades de las distintas combinaciones que pueden surgir. Los hijos de la parte izquierda reciben el gen recesivo de su padre y el dominante de la madre y son, por tanto, portadores. Por tanto hay un 50% de posibilidades de que los niños que nazcan de esta pareja sean portadores. Como ninguno de los hijos puede recibir dos copias del gen recesivo ninguno desarrollará la enfermedad. Cuando los dos padres son portadores, como se muestra en la pareja de la derecha, hay un 25 % de posibilidades de que los niños nazcan con la enfermedad, un 50 % de posibilidades de que los niños sean portadores y un 25 % de posibilidades de que los niños no sean ni portadores ni desarrollen la enfermedad.

Algunas alteraciones genéticas son consecuencia de una mutación en un solo gen, que se traduce en la ausencia o alteración de la proteína correspondiente. Esto puede alterar algún proceso metabólico o del desarrollo y producir una enfermedad. La mayor parte de las alteraciones de un solo gen tienen una herencia de tipo recesivo, lo que significa que las dos copias del mismo gen (procedentes de cada ascendiente, respectivamente) deben ser defectuosas para que aparezca la enfermedad. Los padres no padecen la enfermedad, pero son portadores de ella. Un ejemplo es la fibrosis quística. Las alteraciones de un solo gen con herencia dominante requieren la presencia de una sola copia del gen defectuoso para que aparezca la enfermedad, como sucede en la corea de Huntington. Debido a que los varones sólo poseen un cromosoma X frente a los dos que poseen las mujeres, las enfermedades de un solo gen recesivas localizadas en el cromosoma X afectan con mayor frecuencia a los hombres que a las mujeres. Un ejemplo es el daltonismo. Otros ejemplos de alteración de un solo gen son la distrofia muscular de Duchenne, la hipercolesterolemia familiar (aumento del nivel de colesterol), la hemofilia A, la neurofibromatosis tipo 1, la fenilcetonuria, la anemia de células falciformes, la enfermedad de Tay-Sachs y la talasemia.

Los tests genéticos pueden identificar mutaciones en los genes alterados, permitiendo el diagnóstico preciso en los pacientes con alteraciones de un solo gen. Estos tests también permiten el diagnóstico de los portadores asintomáticos de enfermedades genéticas e incluso la identificación de individuos no afectados pero que desarrollarán la enfermedad.

Una forma especial de enfermedad de un solo gen es la que se presenta cuando la mutación reside en un gen de la mitocondria de la célula; las mitocondrias son corpúsculos celulares portadores de su propia información genética. Las mitocondrias de los embriones fecundados proceden todas del óvulo y no de los espermatozoides. Por tanto las alteraciones genéticas transmitidas por las mitocondrias afectan a todos los descendientes de las mujeres afectadas, pero no a los descendientes de los varones afectados. Un ejemplo de esto es la neuropatía óptica hereditaria de Lever, un trastorno caracterizado por la atrofia del nervio óptico.

ALTERACIONES CROMOSÓMICAS

Cariotipo del síndrome de Klinefelter

Este cariotipo es indicativo del síndrome de Klinefelter por presentar tres cromosomas sexuales— un solo cromosoma Y y dos cromosomas X —, en vez de los dos correspondientes. Las personas que sufren el síndrome de Klinefelter son siempre varones. Suelen ser altos y tener los pechos algo más desarrollados de lo normal, así como los testículos pequeños.

Algunas alteraciones genéticas no afectan a genes concretos sino a todo el cromosoma o a un segmento cromosómico. Por ejemplo, la presencia de tres copias del cromosoma 21 produce el síndrome de Down, pese a que no existe ninguna alteración de los genes de los cromosomas. Otras alteraciones cromosómicas por duplicación son el síndrome de Edwards, en el que aparecen 3 copias del cromosoma 18, y el síndrome de Patau, que se caracteriza porque los individuos que lo padecen tienen 3 copias del cromosoma 13. Las alteraciones cromosómicas pueden consistir en duplicación (como en los síndromes descritos anteriormente), pérdida (como ocurre en el síndrome de Turner, en el que falta un cromosoma X y las personas que lo padecen tienen un fenotipo femenino), ruptura (como en el síndrome del maullido de gato que se origina por una deleción parcial del brazo corto del cromosoma 5) o reorganización del material cromosómico. En conjunto, las alteraciones cromosómicas afectan a 7 de cada 1.000 nacidos vivos y son responsables de cerca del 50% de los abortos espontáneos en los tres primeros meses de embarazo.

ALTERACIONES MULTIFACTORIALES

En este grupo tampoco existen errores concretos en la información genética, sino una combinación de pequeñas variaciones que en conjunto producen o predisponen al desarrollo del proceso. Algunos de estos procesos son más frecuentes en ciertas familias aunque no demuestran un patrón claro de herencia. Los factores ambientales como la dieta o el estilo de vida pueden también influir en el desarrollo de la enfermedad. Ejemplos de alteraciones multifactoriales son la enfermedad arterial coronaria y la diabetes mellitus.

DIAGNÓSTICO DE ALTERACIONES GENÉTICAS

Diagnóstico prenatal

Existen dos tipos de pruebas que se pueden realizar en una mujer embarazada de pocas semanas para determinar si el feto posee algún defecto genético. En ambos procedimientos se extraen células del feto en desarrollo. Las células obtenidas tienen la misma composición genética que el feto, por lo que en ellas se pueden comprobar si existe alguna anomalía genética. La biopsia coriónica consiste en extraer una pequeña muestra de tejido de las vellosidades coriónicas, prolongaciones vasculares del corion del embrión que entran en la formación de la placenta. Esta técnica generalmente se practica entre la semana 10 y 12 de embarazo. El médico realiza la inserción, con control ecográfico, de una aguja a través de la pared abdominal de la mujer o de un pequeño tubo (catéter) a través de la vagina hasta el cuello uterino, y extrae, utilizando una jeringuilla, una muestra de tejido para analizar. La amniocentesis se suele realizar entre la semana 15 y 17 de embarazo. El procedimiento consiste en introducir una aguja a través de la pared abdominal para extraer, con una jeringuilla, una muestra del líquido amniótico que rodea al feto en el interior del útero. Ambas técnicas presentan un pequeño riesgo para el feto en desarrollo y, por ello, los médicos recomiendan realizarlas sólo cuando existan antecedentes familiares de enfermedades hereditarias o un riesgo conocido a padecer alguna anomalía genética.

Distintos profesionales de la medicina, como expertos en genética y ginecólogos, utilizan distintas pruebas de detección para determinar cuándo una persona tiene una alteración genética y presenta posibilidades de tener descendencia con estas mismas alteraciones. Estas pruebas se pueden realizar en las distintas etapas de la vida de una persona. Hay test de detección que se llevan a cabo antes del nacimiento, cuando el feto aún permanece en el útero materno; este proceso recibe el nombre de diagnóstico prenatal.

El diagnóstico prenatal consiste en una serie de pruebas que intentan identificar fetos con riesgo de sufrir alteraciones genéticas. Normalmente, se analiza la sangre materna para evidenciar la presencia de 3 moléculas fundamentales, la alfafetoproteína, el estriol y la gonadotropina coriónica. Los niveles alterados de estas sustancias pueden poner de manifiesto la existencia de un cromosoma extra, como ocurre en el síndrome de Down, o defectos en cuanto al cierre del tubo neural. Con estas pruebas se identifican fetos de riesgo a los que después habrá que estudiar con más detalle.

La biopsia corial es una técnica de diagnóstico prenatal que se puede utilizar precozmente, sobre la décima semana de gestación. La técnica consiste en la introducción de un tubo fino, llamado catéter, a través de la pared abdominal, de la vagina o del cérvix, para llegar al útero y poder obtener una muestra de las vellosidades coriales de la placenta. De esta manera, se pueden aislar células fetales para ser analizadas y saber si presentan alguna alteración genética.

La amniocentesis es otra técnica que normalmente se oferta a toda mujer embarazada de más de 35 años de edad. Se lleva a cabo entre la decimocuarta y la vigésima semana de gestación. Consiste en la introducción de un catéter a través de la pared abdominal, que atraviesa el útero y permite obtener una muestra del líquido amniótico que rodea al feto. Este liquido contiene orina fetal y células fetales que se pueden utilizar para realizar un cariotipo o mapa cromosómico del feto.

lunes, 25 de octubre de 2010

Clonación de genes

Clonación de genes, proceso mediante el cual puede aislarse un gen de entre todos los genes diferentes que existen en un organismo, lo que permite realizar su caracterización. La clonación molecular es la base de la mayoría de los procedimientos de ingeniería genética y su estrategia básica consiste en trasladar el gen deseado desde un genoma grande y complejo hasta otro pequeño y sencillo.

La clonación molecular se puede dividir en varios pasos. En primer lugar, debe aislarse el ácido desoxirribonucleico (ADN) del que se parte. Si se trata de ADN genómico debe digerirse previamente con enzimas de restricción para obtener una mezcla de fragmentos de tamaño adecuado para la clonación. También puede clonarse ADN sintetizado por transcripción inversa (ADN copia o ADNc), a partir de la población de ARN mensajeros de una célula, o incluso ADN sintetizado mediante la reacción en cadena de la polimerasa (RCP). El segundo paso consiste en unir los fragmentos de ADN a un vector de clonación con la enzima ADN ligasa. Los vectores de clonación que se utilizan son plásmidos o bacteriófagos (virus capaces de infectar bacterias). Los cósmidos son otros vectores de clonación construidos artificialmente que presentan características de ambos. Posteriormente, estas construcciones de ADN deben introducirse y mantenerse en un organismo hospedador, generalmente una bacteria.

Una vez realizados todos estos pasos se obtiene una batería de bacterias que contiene todos los genes presentes en un organismo. Cuando se parte de ADN genómico digerido o fragmentado con enzimas de restricción, cada bacteria contiene un fragmento del genoma original. Esta batería de bacterias recibe el nombre de genoteca genómica. Si se parte de ADNc obtenido del total de los ARN mensajeros de una célula, cada bacteria contendrá una única copia de ADNc y, por tanto, un único gen, con la ventaja de que en este caso se ha eliminado la información no codificadora (intrones) presente en el ADN.

Antes de proceder al estudio de los genes es necesario identificar las bacterias que contienen el gen o genes de interés. En primer lugar, deben identificarse aquellas bacterias que han recibido los vectores de clonación de aquellas que no recibieron las construcciones. Cuando el vector de clonación es un plásmido, normalmente se utiliza un marcador del vector (generalmente la resistencia a un antibiótico), de tal manera que sólo las bacterias que contengan el plásmido podrán crecer en el medio que contenga dicho antibiótico. En el caso, por el contrario, de que las células contengan un fago, basta con buscar la presencia de placas de lisis. En segundo lugar, deben identificarse las bacterias que presenten los genes de interés para separarlas del resto. Para ello, se recurre a diversas estrategias que van desde la hibridación con sondas de ácidos nucleicos (tanto en genotecas genómicas como en genotecas de expresión), hasta el empleo de técnicas de inmunodetección para genotecas de expresión, que permiten detectar la proteína producida por el gen deseado mediante anticuerpos específicos. Entonces, se toma esta bacteria y se hace crecer para producir un clon de bacterias idénticas. Como el vector que contiene el ADN insertado se replica siempre que la célula bacteriana se divide, se produce la cantidad suficiente de ADN insertado clonado necesaria para caracterizar el gen. De esta manera, es posible estudiar los genes que codifican proteínas y que tienen un interés especial, o aquellos cuya inactivación, consecuencia de una mutación, origina una enfermedad específica. Por ejemplo, se puede determinar su secuencia y la naturaleza de la mutación que da lugar a una enfermedad.

En algunos casos, el gen se puede expresar en la célula bacteriana para producir la proteína específica (a partir de una genoteca de expresión), que se puede emplear en el tratamiento de enfermedades como la diabetes mellitus (insulina) o el enanismo (hormona del crecimiento). Recientemente, se han podido introducir genes funcionales clonados en los individuos, para tratar una enfermedad de forma más directa. Es probable que el empleo de estos procedimientos de tratamiento genético con ADN clonado aumente en el futuro.

Genoma humano

Hebras de ADN

Los ácidos nucleicos son moléculas complejas producidas por la célula, esenciales para todos los organismos. Determinan el desarrollo del cuerpo y todas sus características, para ello almacenan información hereditaria y dirigen la síntesis de proteínas. Este modelo generado por ordenador muestra dos cadenas de ácido desoxirribonucleico (ADN) enrolladas en forma de doble hélice.

Gen, unidad de herencia, partícula de material genético que determina la herencia de una característica determinada, o de un grupo de ellas. En términos moleculares puede definirse como la secuencia lineal de nucleótidos considerada como unidad de almacenamiento de información. Los genes están localizados en los cromosomas en el núcleo celular y se disponen en línea a lo largo de cada uno de ellos. Cada gen ocupa en el cromosoma una posición, o locus. Por esta razón, el término locus se intercambia en muchas ocasiones con el de gen.

El material genético es el ácido desoxirribonucleico (ADN), una molécula que representa la columna vertebral del cromosoma y que está compuesta por dos cadenas o hebras de nucleótidos entrelazadas, constituyendo una doble hélice. Cada nucleótido está formado por un azúcar de cinco carbonos, la desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada. En cada cadena existen cuatro tipos diferentes de bases —adenina, guanina, citosina y timina— y su secuencia determina las propiedades del gen. Las bases nitrogenadas se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno, de manera que la adenina interacciona siempre con la timina y la citosina con la guanina.

Los genes son las unidades funcionales del ADN cromosómico y determinan la estructura de los productos celulares, principalmente productos proteicos (proteínas). Este proceso conlleva varios pasos: en primer lugar, la información contenida en el gen debe copiarse (transcribirse) a una forma químicamente parecida pero constituida por una sola cadena, denominada ácido ribonucleico mensajero (ARN mensajero). Esta molécula es una copia de la molécula de ADN, excepto porque en lugar de la base timina tienen uracilo. Las proteínas están formadas por cadenas de unidades que se denominan aminoácidos, y la secuencia de bases presente en el ARN determina la secuencia de aminoácidos en la proteína por medio del código genético. La secuencia de aminoácidos en una proteína específica será la responsable de determinar si ésta formará parte de una estructura del organismo, o si se convertirá en una enzima para favorecer una reacción química particular. Por lo tanto, las variaciones en el ADN pueden producir cambios que afecten a la estructura o a la química de un organismo. Aunque la mayoría de los genes se transcriben a ARN mensajero, responsable de la producción de proteínas, algunas secuencias de ADN se transcriben a ARN no codificador de proteínas, como el ARN ribosómico o el ARN de transferencia, con otras funciones celulares.

Las bases de nucleótidos del ADN que codifican la estructura de los ARN y de las proteínas, no son los únicos componentes de los genes; otros grupos de bases adyacentes a las secuencias codificadoras afectan a la cantidad y disposición de los productos de los genes: son las regiones reguladoras. Estas regiones permiten al organismo responder a señales de otras partes del genoma o del ambiente celular, de modo que la unión de proteínas reguladoras codificadas por estas regiones favorece o evita la transcripción del gen y, por tanto, incrementa o disminuye la producción de proteínas en determinados momentos. Además, muchos genes se encuentran constituidos por regiones codificantes (exones) interrumpidas por regiones no codificantes (intrones) que son eliminadas en la formación del ARN.

En los cromosomas bacterianos, los genes codificadores de algunas enzimas que intervienen en funciones relacionadas, se localizan, en muchas ocasiones, uno junto a otro y se regulan y transcriben de una forma coordinada, constituyendo una unidad de transcripción denominada operón.

Por último, hay que considerar que los genes no están situados siempre de forma contigua en el ADN, sino que separando los genes existe una gran cantidad de ADN (variable según los distintos genomas), que se conoce como región intergénica. Muchas veces las regiones reguladoras de un gen se sitúan alejadas del propio gen sobre el que ejercen su función, intercaladas con regiones intergénicas, aunque siguen considerándose partes funcionales del gen. En muchos organismos eucariotas estas regiones intergénicas están constituidas por ADN repetitivo, es decir, unidades que se repiten a lo largo del genoma. Este tipo de ADN también puede formar parte de los intrones. En los organismos superiores, las secuencias no codificadoras superan en número de diez o más a las codificadoras, y las funciones de estas regiones son muy poco conocidas.