Genética: Desde la herencia a la manipulación de los genes (PDF)

Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli Fundación de Historia Natural Félix de Azara Departamento de Ciencias Naturales y Antropología CEBBAD - Instituto Superior de Investigaciones - Universidad Maimónides Hidalgo 775 P. 7º - Ciudad Autónoma de Buenos Aires (54) 11-4905-1100 int. 1228 / www.fundacionazara.org.ar Diseño gráfico: Mariano Masariche Impreso en Argentina - 2010. Se ha hecho el depósito que marca la ley 11.723. No se permite la reproducción parcial o total, el almacenamiento, el alquiler, la transmisión o la transformación de este libro, en cualquier forma o por cualquier medio, sea electrónico o mecánico, mediante fotocopias, digitalización u otros métodos, sin el permiso previo y escrito del editor. Su infracción está penada por las leyes 11.723 y 25.446. Copelli, Silvia B. Genética : desde la herencia a la manipulación de los genes. - 1a ed. - Buenos Aires : Fundación de Historia Natural Félix de Azara, 2010. 96 p. : il. ; 24x17 cm. ISBN 978-987-25346-6-0 1. Genetica. I. Título CDD 611.018 16 Fecha de catalogación: 15/11/2010 PRÓLOGO El propósito de este libro es contribuir a la difusión de la genética. Algunos temas son clásicos pero son la base de esta ciencia. La mayoría de ellos han sido expuestos con el enfoque más actualizado posible, aunque su exposición no ha pretendido ser exhaustiva. Tan solo es un comienzo, una introducción a esta maravillosa temática que conlleva un lenguaje propio, el cual a veces es un poco arduo para aquellos que no lo conocen. Se han expuestos conocimientos elementales de la genética y de la biología molecular propios de un primer curso universitario pero con un lenguaje mas llano y con la intención que pueda ser leído por el público en general. Se abordan además de estas cuestiones básicas, el estudio de las enfermedades hereditarias, el proyecto genoma humano y sus consecuencias en el conocimiento de los genomas de diversas especies, la manipulación de los genes y sus cuestiones éticas, para finalmente acercarnos a los tratamientos posibles, tales como la terapia génica o el clonado terapéutico. De cualquier manera, estudiantes de biología, bioquímica, medicina y otras especialidades vinculadas al área de salud, podrían beneficiarse con la lectura de estos contenidos ayudándoles a la comprensión de textos más complejos y actualizándolos en temas que no son fáciles de encontrar en la literatura existente en español. Al final del libro se encuentra una lista de lecturas adicionales y sitios Web para los que quieran ampliar conocimientos de cada tema. Un texto introductorio como el presente, en un campo de conocimiento tan amplio y complejo ha sido selectivo con la intención de ilustrar los principios generales. Por otro lado, ha sido necesaria una cierta simplificación con el fin de presentar los capítulos de este libro, de una manera accesible a los lectores no iniciados. Estoy especialmente agradecida a todos aquellos que me han ayudado a la preparación de este libro y a quienes me acompañaron en esta etapa de mi vida. Agradezco a las autoridades de la Universidad CAECE por el apoyo académico. Especialmente agradezco al Profesor Henri Bosch, quien fuera el Vicerrector General de la institución por su soporte y estímulo. Su partida prematura, no le ha permitido ver concretado este proyecto que tanto alentó. Muchas gracias, querido Profesor! Agradezco la detallada lectura y corrección por parte de la Dra. Viviana Varela, Profesora de la cátedra de Genética y Biología Molecular de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad de Buenos Aires. A la Fundación Félix de Azara y a los directores de la colección, por brindarme la oportunidad de escribir este libro. Especialmente agradezco la paciencia y la comprensión de Adrián Giacchino, quien es además director de la Fundación. Agradezco a Gabriel Lio por las ilustraciones y dibujos que con entusiasmo realizó para este libro. Finalmente, extiendo mis agradecimientos al equipo directivo de la Editorial por su ayuda y apoyo. SUMARIO 5 CAPÍTULO 1 ¿Qué es la genética? El gen como receta de cocina: Los guisantes de Mendel. Los genes en el hombre: Genética Humana. ¿Pueden interactuar entre sí los genes? Las leyes de Mendel ¿se cumplen en los humanos? ¿Cuáles son estos patrones de herencia en Homo sapiens? 19 CAPÍTULO 2 La información hereditaria ¿dónde está? Genes y células. La célula es la unidad básica de vida. ¿Cromatina o cromosomas? La célula se divide. Así en la meiosis como en la gametogénesis. En toda la célula: ácidos nucleicos. ¿Qué son químicamente los ácidos nucleicos? ¿Cómo está constituido el ácido desoxirribonucleico o ADN? Obtener el ADN propio en el hogar. Ácidos ribonucleicos - ARN. El ADN contiene la información hereditaria. 37 CAPÍTULO 3 Del ADN a las Proteínas. 47 CAPÍTULO 4 Genoma Humano. ¿Qué es un gen desde el punto de vista funcional? La paradoja de los genomas eucariotas: genes egoístas. Las secuencias de ADN que forman el genoma son heterogéneas y son de tres tipos: 1. ADN altamente repetido. 2. ADN medianamente repetitivo. 3. Organización de los genes que codifican proteínas. Todo el ADN ¿está en el núcleo? 55 CAPÍTULO 5 ¿Cuál es el origen de las enfermedades hereditarias? Patrones de herencia mendelianos. Características de las enfermedades. Cuando el hombre decidió conocer todos sus genes: Proyecto Genoma Humano. 67 CAPÍTULO 6 Manipulación de los genes. De ADN recombinante a terapia génica. Acomodando nuevos genes en plantas y animales. ¿Puede haber alguien semejante a mí mismo en el planeta tierra?: la clonación 79 CAPÍTULO 7 Hablemos un poco de ética y el lado oscuro de la genética. 85 CAPÍTULO 8 En genética: el futuro es hoy. Biochips o microarrays de ADN. Genómica y proteómica estructural versus genómica y proteómica funcional. Clonación terapéutica. Granja farmacológica. 90 GLOSARIO 93 Bibliografía sugerida para ampliar el conocimiento sobre el tema Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 1 Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 ¿Qué es la genética? La genética es la ciencia que se encarga de estudiar las formas en que se heredan los genes portadores de la información hereditaria de generación en generación. La genética afecta todo lo que vive en esta tierra y su comprensión ha sido crucial para la comprensión de otras ciencias. El gen como receta de cocina: Los guisantes de Mendel Allá lejos y hace tiempo, un ex estudiante de Ciencias luego monje, llamado Gregor Mendel (1822-1884) en el monasterio agustino de Königskloster, cercano a Brünn, se interesó por la herencia. Es decir, que “es” lo que heredamos de nuestros ancestros, cuales son las diferen- cias y en que somos semejantes entre parientes vivos o muertos y entre seres vivos o extinguidos… Éstas diferencias y semejanzas están registradas en los genes. Es decir, que los genes, son las “recetas” para crear la vida en animales, plantas, y en bacterias, entre otros seres vivos. A partir del año 1856 debido a sus experimentos de cruzamientos con guisantes efectuados en el jardín del monasterio, descubrió las leyes fundamentales de la herencia o leyes de Mendel, gracias a las cuales es posible describir los mecanismos de la herencia. Estas leyes o principios fueron explicados con posterioridad por el padre de la genética experimental moderna, el biólogo es- tadounidense Thomas Morgan (1866-1945) que lo hizo estudiando la mosquita de la fruta. Cuando en 1868, Mendel fue nombrado abad del monasterio, abandonó definitivamente la investigación científica. Podríamos llamar a Mendel, el “gran olvidado” porque nadie apreció el significa- do de su trabajo, hasta que tres investigadores, en el 1900, De Vries en Holanda, Co- rrens en Alemania y Tschermark en Austria descubrieron en la literatura y en forma simultánea, las leyes que habían sido descriptas previamente por Mendel. Además desde el momento de la publicación por parte del monje hasta ese año, se descubrie- ron los cromosomas, los cuales hoy sabemos que están constituidos por ADN (acido desoxiribonucleico, donde se encuentra la información hereditaria) y proteínas, se progresó en la microscopía surgiendo como especialización la citología o estudio de la célula y se comprendió como se originaban las gametas, a través del proceso de la meiosis. La genética clásica o mendeliana estudia la transmisión de caracteres que nos hace iguales o diferentes, por lo cual, cuando Mendel describía como se hereda un carácter en realidad, hoy sabemos que describía como se heredan los genes. Antes de continuar con este relato desde el punto de vista histórico, vamos a definir desde la mirada de Mendel algunas cuestiones básicas, para una mejor com- prensión del tema El gen de acuerdo al punto de vista de la genética clásica es una unidad de infor- mación hereditaria. 6 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 Si consideramos al gen como una “receta de cocina”, el libro que contiene a estas recetas es un cromosoma. Imaginemos que nuestra receta, fuese una receta de cocina llamada “pollo a la cacerola” y se encuentra en la página 14 de nuestro libro, entonces la página donde está escrita es lo que se denomina locus (del latín: lugar, varios locus se denominan loci). Por lo tanto, es el lugar donde encontramos la receta o la localización física del gen en el cromosoma. Pero la información hereditaria se encuentra habitualmen- te por duplicado en los pares de cromosomas homólogos. Es decir, este es el par de cromosomas que contienen la misma información con algunas modificaciones, porque uno de ellos proviene del padre y otro de la madre. Por ejemplo, es como si el individuo heredara la 3ª edición del libro de recetas de cocina por parte del padre y la 80ª edición por parte de la madre. De esta manera, el par de recetas de cocina “pollo a la cacerola” de la 3ª y 80ª, es decir ambos genes o miembros de un gen, son llamados Alelos. Entonces, podemos definir a los alelos como genes ubicados en el mismo locus de cromosomas homólogos y que actúan sobre el mismo caracter. Pero siguiendo con nuestro ejemplo, podría suceder que la receta de la 3ª edición “pollo a la cacerola”, contenga pimienta y en la 80ª edición no la contenga. Si cocino en cacerolas separadas cada una de las recetas y luego uno ambas cocciones en una gran cacerola y la degusto, lo que detecta mi paladar es la pimienta de la receta de la 3ª edición. Es decir ambas cocciones están presentes pero la receta de la 3ª edi- ción enmascara el sabor de la receta de la 80ª edición. Por lo tanto, a la receta que enmascara la presencia de la otra receta se la denomina dominante. Se la nombra con una letra mayúscula, por ejemplo, A y a la receta enmascarada se la denomina recesiva. Se la nombra con una letra minúscula, por ejemplo, a. En algunas ocasio- nes, es como si heredáramos genes con la misma información, por lo cual ambas recetas contienen pimienta (AA) o no la contienen (aa). Es decir, un individuo es homocigota para un determinado caracter, cuando los dos alelos de un gen llevan la misma información. En nuestro ejemplo puede ser AA, homocigota dominante o aa, homocigota recesivo. Cuando existe un alelo dominante y otro recesivo, es decir que los dos alelos de un gen llevan distinta información por ejemplo Aa, se dice que el individuo es heterocigota para un determinado carácter. Ver Figura 1. Si tuviéramos diferentes ediciones de los libros de recetas de cocina pero en uno de ellos hay pimienta negra y en el otro hay pimienta blanca, en realidad se suman los sabores picantes de ambas recetas es decir están presentes por igual ambos sa- bores intensos y ninguna de las recetas enmascara a la otra, a esta situación se la denomina codominancia y es cuando ambos alelos se expresan por igual. Si tuviéramos diferentes ediciones de los libros de recetas de cocina pero en uno de ellos se incluye mostaza, páprika y azafrán, el arroz que acompaña a la receta y el mismo pollo quedarían teñidos de un intenso color anaranjado casi rojo y si la receta de la otra edición no lleva condimentos, cuando junto ambas recetas en una olla (en exactas iguales proporciones) y las mezclo en una olla mayor que las contenga, ob- servaré que el color del pollo es intermedio entre el anaranjado casi rojo y la receta Genética 7 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 1 Figura 1. sin condimentos, siendo de un anaranjado muy claro. A esta situación se la denomina dominancia incompleta y es cuando ninguno de los alelos o genes por duplicado, que forma parte del par de alelos puede enmascarar por completo al otro alelo. En la actualidad, muchos biólogos moleculares no creen en la dominancia incompleta y se inclinan a pensar, que todos los genes tienen algún tipo de interacción que llevaría a este tipo de situaciones dando así colores diferentes a las recetas. Habiendo definido algunas de estas cuestiones básicas podemos adentrarnos y comprender mejor los estudios que realizó Mendel. En sus observaciones con los guisantes, tenía plantas masculinas y femeninas, que podía estudiar al mismo tiempo y además podían autofecundarse. Como resultado de la autofecundación consiguió obtener líneas puras de guisantes, es decir en la que las plantas obtenidas (las des- cendientes) eran iguales entre sí. Cuando se comparaba con otras líneas, cada línea contenía plantas iguales que compartía una determinada característica que las diferen- ciaba de las otras. Por ejemplo, una variedad siempre producía semillas que cuando se secaban quedaban rugosas, otra variedad siempre producía semillas que cuando se secaban quedaban lisas o si tomaba en cuenta el color, una variedad producía sólo semillas verdes y la otra sólo semillas amarillas. Además estas plantas son fáciles de cultivar y crecen rápidamente. Es decir, quizás sin saberlo, eligió el material adecuado para poder hacer sus experimentos. Estas características de los guisantes selecciona- dos es lo que le permitió a Mendel estudiar los mecanismos de la herencia. Los primeros experimentos que realizó fueron fecundando semillas de una línea de guisantes lisos con polen de otra línea de guisantes rugosos (progenitores). Todos 8 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 los descendientes fueron lisos (los podemos llamar generación filial 1 o F1). Es decir, tenían las características de uno de los progenitores y las características del otro no se observaban en la descendencia. Cuando volvió a cultivar esos guisantes lisos y los polinizó entre sí, introdu- ciendo polen en los óvulos de la misma planta (generación filial 2 o F2): Volvían a aparecer las variantes lisas y rugosas. Pero lo hacían de una forma determinada: por cada 3 guisantes lisos siempre había uno rugoso. Ver Figura 2. Figura 2. Genética 9 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 1 Mendel se preguntaba a sí mismo si no había algo más: quizás las instrucciones para la rugosidad de la semilla, estuvieran escondidas de alguna manera. Por lo cual en sus trabajos presentados el 8 de febrero y el 8 de marzo de 1865 en la Sociedad de Historia Natural de Brünn, titulados “Experimentos de hibridación en plantas”, (luego publicados en los Anales de la Sociedad al año siguiente) sugerían que el polen y los óvulos de las plantas eran portadores de un “factor” (hoy en día, lo llamamos gen) que contenía la información de la forma y color que tendrían los guisantes en su descendencia. Actualmente, se sabe que no sólo están en las plantas sino que también están presentes en los animales. Luego Mendel obtuvo iguales resultados experimentando con otros rasgos, como por ejemplo, si los guisantes eran verdes o amarillos, los tallos eran largos o cortos, o si las flores eran rosas o blancas. De esta manera, la hipótesis de que cada individuo, porta un par de factores (provenientes de sus progenitores: padre y madre) y que los miembros de cada par segregan es decir, se separan, durante la formación de las gametas (óvulos-femeni- nas y espermatozoides-masculinas) se conoce como el principio de la segregación o primera ley de Mendel. Por supuesto, estamos hablando de lo que sucede con un par de genes o alelos presentes en un par de cromosomas homólogos (par de cromosomas con la informa- ción por duplicado o alelos, en el cual uno de los miembros del par porta la informa- ción del padre y el otro de la madre). Volviendo a los guisantes lisos y rugosos, podemos decir que los guisantes lisos que aparecían en la primera generación o F1 como resultado del cruzamiento de 2 progenitores, (uno liso y el otro rugoso) eran tanto homocigotas dominantes -AA, como heterocigotos-Aa (genotipos posibles) y todos tenían un fenotipo liso. Ver Fi- gura 1 y Figura 2A. Así podemos definir al genotipo como al conjunto de genes o caracteres de un individuo y fenotipo al genotipo que se expresa en un ambiente determinado. La F2 o segunda generación obtenida del cruzamiento de dos individuos hetero- cigotos Aa nos da como resultado individuos con las siguientes características: feno- tipícamente 3:1 es decir el 75% son lisos y el 25% son rugosos. Y genotípicamente 1:2:1 es decir 25% son AA homocigoto dominante, 50% son Aa heterocigotos, y 25% son aa homocigotos recesivos. Ver Figura 2B. Al realizar otros cruzamientos con otros caracteres tales como el color (guisantes verdes y amarillos) y el tamaño de los tallos (largos o cortos) obtuvo los mismos resultados. Además, esto funcionó con todos los rasgos elegidos por Mendel. Pero a su vez se hizo evidente, que por ejemplo, la herencia de la forma del guisante era independiente de cómo se heredaba el color. Así postulaba que los genes eran total- mente independientes uno del otro (podían incluso estar presentes en otro par de cro- mosomas homólogos). A partir de esto Mendel formuló su segunda ley o principio de la transmisión independiente: cuando se forman los gametos, los alelos del gen para una característica determinada segregan independientemente de los alelos del gen para otra característica. Ver figura 3. 10 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 Figura 3. Todo aparentaba ser muy simple: la genética parecía basarse en factores que se transmitían de generación en generación, de los progenitores a su descendencia. Pero cuando empezó a estudiar otras plantas con patrones de herencia más complejos, sus leyes no se cumplían. Aunque envió su manuscrito a los biólogos más importantes de fines de siglo XIX, estos lo ignoraron y los estudios como fue comentado pasaron al olvido. Es que el pensamiento científico de la época, fundamentalmente el de los aristó- cratas victorianos, era tal, que entre otras cosas se los solía ver interesados, en descu- Genética 11 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 1 brir otras cuestiones como por ejemplo, ¿cómo logra un ovulo fecundado formar una estructura compleja como un ser humano, un elefante o una planta? La herencia y sus leyes, debieron aguardar mejores momentos para ser compren- didas en profundidad. Las respuestas estaban ahí esperando, el problema es que aparecieron antes de que fueran realizadas las preguntas adecuadas… Los genes en el hombre: Genética Humana Para hallar a los genes de nuestro interés, es decir que tengan la información para alguna característica fenotípica del individuo, no podemos realizar cruzamientos como en los animales o plantas. De hecho, los seres humanos generalmente elegimos la pareja que más nos gusta (en el mundo occidental, y si no median otras cuestio- nes…). Que no siempre será la que más nos conviene… (aunque esta disquisición es para otro libro…). Así que la genética humana debe esperar a que la naturaleza experimente y nos brinde la oportunidad de comprenderla. Esta disciplina analiza la historia familiar que se dibuja como genealogía o pe- digrí, derivado del francés pied de grue (pie de grulla), por la forma en abanico que despliegan los dedos, de esta ave. La información hereditaria se despliega del mismo modo de generación en gene- ración. Ver figura 4. Figura 4. En un pedigrí, los cuadrados son los hombres (sin alusiones feministas) y los círculos son las mujeres. 12 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 Pero históricamente, esto no siempre fue analizado así. El hecho de cómo, los seres humanos heredamos determinadas características y cómo estamos emparenta- dos con otras especies, fue durante miles de años una cuestión que se le atribuía al entorno que nos rodeaba. O en el peor de los casos se hablaba de una maldición de los dioses. Pero la idea predominante, en la época de Mendel, era que los parientes o individuos de una misma familia, se parecían porque compartían los mismos am- bientes y que las acciones y experiencias modificaban nuestro aspecto. A fines del siglo XIX, Charles Darwin proponía que la sangre era importante, y que nos formábamos al mezclarse la sangre de nuestros padres. Si la sangre era aristocrática, era sangre azul! En la actualidad, esta idea sigue arraigada en los ámbitos del derecho europeo en los que todavía se habla de los derechos de la sangre cuando se trata de la herencia, inclusive en nuestros días, este tema esta presente en cuestiones de ciudadanía. Francis Galton, primo de Darwin, se interesó por el mejoramiento de la raza humana, especialmente como se heredaba la inteligencia. Para ello, realizó experi- mentos en los que intercambiaba la sangre de conejos de distinto color de pelo: negro y blanco y no veía que lo de las mezclas de sangre funcionara. Si no se descubría el mecanismo que permitiera que se hereden estas mejoras no se podía avanzar en este plan. Mendel, contemporáneo de Galton estaba descubriendo estos mecanismos pero bueno, ya vimos que fue lo que pasó… Una vez redescubiertas las leyes de la herencia, la genética humana empezó a avan- zar analizando los pedigríes o genealogías de familias enteras y se determinaron pa- trones distintivos de herencia familiar. Los caracteres dominantes parecían fáciles de distinguir, entre los primeros caracteres analizados se encontraban los dedos cortos y los enanos de “circo”. Luego se descubrieron mecanismos recesivos es decir que se heredaban 2 copias del gen (uno del padre, y el otro de la madre) y ambas estaban afec- tadas. La primera enfermedad recesiva descripta en los primeros años de la genética humana, fue el Albinismo. De acuerdo al libro de Enoch que forma parte del Antiguo Testamento, es probable que el primer albino conocido sea Noé. Pero estos rasgos apa- recían ocasionalmente en las familias, y se observaba que saltaba varias generaciones. Esto podía explicar la tendencia de un individuo a parecerse a algún antepasado. Cuando de Vries analizó las leyes de Mendel en la planta con flor observó que en algunas generaciones aparecían flores de colores nuevos, diferentes a las líneas originales, aún en las líneas puras y luego estos cambios se transmitían en las genera- ciones sucesivas. A estos cambios al azar, los denominó mutaciones. De Vries pensó que la aparición de estos cambios podría ayudar a una mejor comprensión de lo que sucedía con los factores hereditarios o genes. Pero en 1909, fue Thomas Morgan quien al frente de un laboratorio de la Uni- versidad de Columbia, estudiando a las mosquitas de la fruta, describió con mayor detalle la presencia de mutaciones y sus consecuencias fenotípicas. Estas moscas son fáciles de criar y enseguida empezaron a mostrar cambios en su cuerpo que luego se heredaban. Esto era posible porque tienen un ciclo de vida corto y descendencia numerosa. Así Morgan obtuvo un gran número de moscas con mutaciones creadas Genética 13 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 1 en su laboratorio. Por ejemplo, en vez de ojos rojos (fenotipo normal), tenían ojos blancos (fenotipo con mutación), en vez de antenas normales tenían forma de tene- dor (fenotipo con mutación). Casi todas las mutaciones tenían patrones de herencia como Mendel predijo: o eran dominantes o eran recesivas. Pero había excepciones y muchas veces dependían del sexo de la mosca. Mientras tanto, Walter Sutton, un estudiante graduado de la misma Universidad estudiaba la formación de las células sexuales o gametas en machos de saltamontes, es decir estudiaba la meiosis (divi- sión sexual que origina a las gametas). Encontró que de acuerdo a si las mutaciones estaban en machos o hembras, es decir según el sexo, difería el modo en que se trans- mitía de generación en generación, a diferencia de lo que ocurría con los factores o caracteres descriptos por Mendel. Además, ya se había descubierto que todas las células con núcleo presentan en ellos unos hilos más o menos condensados o cuer- pos filiformes que fueron llamados cromosomas. Como los caracteres de Mendel, se distribuían entre sus descendientes. Por lo tanto, esto era un fuerte indicio de la relación de los cromosomas con los genes. Morgan confirmó la creencia de que los genes están en los cromosomas. Por otra parte, los cromosomas de machos y hembras sólo diferían en un par de cromosomas cuya presencia determinaba de que sexo era la mosca. Si tenía dos cromosomas X era una hembra y si presentaba un cromosoma X y uno más pequeño llamado cromosoma Y era un macho. Por lo tanto los cromosomas semejantes, no importaba el sexo, fueron llamados autosomas o cromosomas autosómicos y al par que determinaba el sexo, cromosomas sexuales o par sexual. Pasaron muchos años hasta que se pudo determinar cuantos cromosomas tenía la especie humana y hubo que esperar los trabajos pioneros de la citogenética (ciencia que estudia a los cromo- somas y su herencia) realizados por Jérôme Lejeune en París (1958), para determinar que en nuestros núcleos hay normalmente 46 cromosomas, los cuales están constitui- dos por 22 pares de cromosomas autonómicos, y 1 par de cromosomas sexuales XX, si es mujer y XY si es varón. Ver figura 5. Pero volviendo a las mosquitas de la fruta, Morgan demostró que la herencia de los ojos blancos (mutantes) estaba ligada a la transmisión del cromosoma X. Con este carácter y otros se pudo realizar un mapa genético ubicando donde se localizaba la mutación y se observó que había genes que estaban ligados entre sí. Por ejemplo, los genes para el color de ojos estaban en el cromosoma X y cercanos (en el mismo cromosoma), es decir, se encontraban ligados a los genes para la longitud de las alas. Por lo tanto, estos genes que formaban parte de un grupo de ligamiento, es decir genes que tendían a transmitirse juntos pero si formaban parte de diferentes grupos tendían a transmitirse independientemente. Cada cromosoma tenía su propio grupo de ligamiento. Mendel describió sus leyes en genes que no estaban ligados, o estaban en diferentes pares de cromosomas o tan alejados entre sí en el mismo cromosoma que nunca podrían estar ligados. Si no hubiera sido así, nunca hubiera podido descri- bir las leyes que llevan su nombre. Pero el ligamiento no siempre es perfecto: si uno observa dos genes o caracteres ligados a lo largo de varias generaciones, a veces se puede observar que se separan. 14 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 Por este motivo se analizaron las frecuencias en que los distintos genes se transmiten ligados para ver cuales eran las distancias entre ellos. Cuanto más cercanos eran, había menos posibilidad de romper el ligamiento, pero cuanto más alejados estaban entre sí, más posibilidades existían de perder la unión o ligamiento entre ellos (a través de las generaciones). Los mapas de ligamiento permitieron cartografiar todos los genes presentes en la mosquita de la fruta es decir en que locus o lugar dentro de los cromosomas se encontraba cada gen. Pero en la especie humana, esta cartografía se hace más difícil, porque las descendencias no son tan numerosas, y existe un tiempo de reproducción diferente. Además las relaciones pueden ser imprevistas y las familias pueden ser pequeñas… Figura 5. Genética 15 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 1 Para un genetista, no es una población ideal de estudio especialmente si la com- paramos con la de las mosquitas… En 1930, Herman J. Muller, fascinado con las mutaciones utilizó nuevamente en sus estudios a las mosquitas de la fruta, pero esta vez eligió mutaciones que les provocaban la muerte o mutaciones deletéreas (también llamados genes letales) y descubrió que una pequeña exposición a los rayos X en los progenitores aumentaba hasta 150 veces la cantidad de mutaciones. Este efecto de los rayos X y la posibilidad que la exposición a sustancias químicas pudiera incrementar este tipo de mutaciones llamó la atención de los militares y sus gobiernos por las implicancias de su aplica- ción en la guerra. Pero esta historia, pertenece a la parte oscura de la ciencia y no la desarrollaremos en este libro. Actualmente, la genética se ha ido especializando y existen diversas ramas de la misma como por ejemplo, la genética toxicológica que se ocupa de las alteraciones génicas (en los genes) provocadas por diversas sustancias químicas, rayos X, radioac- tividad y también virus u otros agentes biológicos y si se trata de la mutagénesis, ana- liza los agentes que provocan mutaciones y sus consecuencias. Existen otras especia- lizaciones tales como la genética de poblaciones y la genética del sexo entre otras. ¿Pueden interactuar entre sí los genes? Sí, y lo pueden hacer de múltiples formas como vamos a ver: Interacciones entre alelos: Es cuando los alelos para un mismo gen interfieren entre sí (forman parte del mismo par de cromosomas homólogos o que contienen la misma información). Es importante notar que pueden surgir nuevos alelos en una especie determinada por mutación y muchos genes tienen más que un par de alelos y se los llama alelos múl- tiples por ejemplo, el sistema ABO de los grupos sanguíneos. Otra variedad de interacción entre alelos de un mismo gen que se puede observar es la pleiotropía: cuando un único alelo posee más de un efecto sobre el fenotipo distinguible decimos que ese alelo es pleiotrópico, por ejemplo el gen responsable del color de pelo del gato siamés: es el mismo gen pero origina un color claro en el cuerpo y en las extremidades un color oscuro. Interacciones entre genes: Es cuando un par de alelos tiene una información determinada e interactúa con otro par de alelos que puede estar en el mismo o en diferente par de cromosomas homólogos. Si interactúan para lo mismo por ejemplo para la altura de las personas, es porque el fenotipo es el resultado de los efectos aditivos de varios genes (poligenes) y la 16 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 herencia es cuantitativa. Es decir, es como si juntaran sus esfuerzos para lograr un mejor producto. De acuerdo a esta forma aditiva y en función de cuantos de estos genes están activos se podría predecir cual será el fenotipo posible. Por ejemplo el hombre posee genes para la talla final en las regiones terminales de los brazos cortos de los cromosomas X e Y (genes SHOX) y a su vez existe una dosis extra del gen para la talla final en el brazo largo del cromosoma Y. La mujer sólo tiene la dosis de genes presente en cada cromosoma X. Por lo tanto, el hombre genéticamente tiene una talla final mayor que la de la mujer. De cualquier manera, es importante la herencia de los padres para cada familia, va a ver una talla genética determinada según el sexo del integrante familiar. Para complicar aún más las cosas, las variables ambientales como la temperatu- ra, la nutrición y la luz afectan la acción de los genes. Epistasis: El color del pelaje en los ratones está determinado por varios genes. Se llama agu- tí, al color de tipo salvaje, grisáceo como resultado de la presencia de bandas sobre los pelos individuales. B es el alelo dominante que determina que los pelos tengan bandas y por lo tanto que el color sea agutí, mientras que el genotipo homocigoto recesivo bb produce pelos sin banda y el ratón es negro. Existe un segundo locus en otro par de cromosomas homólogos que afecta los primeros pasos de la formación del pigmento del pelo que llamaremos A. El alelo dominante A permite el desarrollo normal del color pero en presencia de aa (homocigoto recesivo) se bloquea toda producción de pigmento y por lo tanto, los ratones son albinos. De esta manera, no importa el alelo o alelos presentes B o b cada vez que esta aa el color en el pelaje de los ratones se blo- quea y el fenotipo es albino. Por lo tanto, la epistasis es cuando un gen o par de alelos puede afectar a otro gen o par de alelos alterando su expresión o fenotipo. Las leyes de Mendel ¿se cumplen en los humanos? La primera enfermedad genética relatada en la historia, fue la hemofilia A (enfer- medad que impide la coagulación de la sangre) hace 1.800 años. En la Torah recopi- laciones orales y escritas judío sagradas, se describía la presencia de esta patología en el momento de la circuncisión. En ese libro un rabino comentaba que los dos hijos anteriores de una mujer murieron desangrados luego de esta práctica y se decidía eximir al tercer hijo de la misma. En el siglo XII, el médico judío Maimónides, revisó este y otros casos de la litera- tura de los rabinos y estableció que el tercer hijo no debía ser circuncidado. Además, no importaba si el hijo provenía de un primer o segundo matrimonio. La hemorragia, tal como interpretó Maimónides, era debido a que la madre portaba alguna anomalía y la transfería a su descendencia. Sin saber nada de la Herencia Mendeliana, los ra- binos habían asociado una enfermedad humana con un patrón que se heredaba. Genética 17 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 1 Recién en el siglo XX se pudo comprender a la hemofilia A y las características genéticas de esta patología. Así como en las plantas, también en los humanos… Como sucedía con los guisantes, la genética humana parecía sencilla porque mostraba patrones de herencia mendelianos. ¿Cuáles son estos patrones de herencia en Homo sapiens? Los rasgos heredados tienden a repetirse en las familias pero existen otros fac- tores, no genéticos, que pueden mimetizarse con un defecto genético y confundir al médico. Por ejemplo, la desnutrición, las costumbres y tradiciones o las condiciones ambientales adversas que llevan a un determinado hábito dietético, que puede man- tenerse a través de las generaciones y llevar a patologías “familiares” no genéticas como por ejemplo la desnutrición. Asimismo, puede aparecer esporádicamente alguna enfermedad sin antecedentes en la familia cercana y que su origen sea genético. Pero lo que identifica a las enfermedades hereditarias es que siempre pueden transmitirse de una generación a la siguiente y si se saltea alguna generación o gene- raciones es probable que se vuelva a manifestar. Recordemos que siempre poseemos 2 cromosomas de cada par de cromosomas homólogos (cromosomas que comparten la misma información) uno heredado de nuestra madre y el otro proveniente de nuestro padre. Puede ocurrir que heredemos ambas alelos o genes correctamente (homocigosis) o que uno este alterado y el otra sea correcto (heterocigosis) o que ambos estén alterados (homocigosis). De acuerdo a como heredemos a los alelos de nuestro gen o duplicaciones de nuestro gen, y si un alelo es enmascarado por el otro alelo (recesivo) o una de ellos es el que enmas- cara al otro (dominante) podemos determinar los patrones de herencia mendeliana presente en nuestra especie. Además, para que se manifieste fenotípicamente el carácter recesivo, deben es- tar presentes ambas alelos alterados, mientras que para un caracter dominante sólo basta la presencia de un alelo alterado (heterocigocis) para que se manifieste en su fenotipo. En el capítulo 3, retomaremos el tema de los patrones de herencia, el cual profundizaremos. 18 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 Genética 19 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 La información hereditaria ¿dónde está? ¿de qué se compone? Desde que se comenzó a hablar de partículas, factores, caracteres y/o genes a principios del siglo XX y su relación con los cromosomas se intentó dilucidar las bases moleculares es decir cómo estaban compuestos los lugares que contenían esa información y dónde estaba localizada. ¿De que estaban hechos? Ácido nucleico: ¡Me dicen que soy aburrido! En la época en que Johannes Friedrich Miescher (bioquímico alemán) se había interesado por una sustancia maloliente que contenía muchos glóbulos blancos: el pus, se suponía que los caracteres hereditarios o genes podían estar en los núcleos de las células Obtenía de las gasas de los pacientes hospitalizados, el pus, porque era una gran fuente de glóbulos blancos o leucocitos y le servían para estudiar los núcleos de las células, que contenían proteínas en abundancia y una nueva sustancia a la que denominó Ácido Nucleico. Se inclinó por las proteínas como lugar de almacenamiento de la información hereditaria porque las proteínas están constituidas por 20 aminoácidos. Es decir sig- nificaba que existían más posibilidades de combinación como de hecho se esperaba que ocurriera con los genes. En cambio en los ácidos nucleicos encontraron 4 posibi- lidades o 4 nucleótidos, que además químicamente eran muy semejantes, por lo cual dada la poca variabilidad posible (en apariencia) se desechó al ácido nucleico como portador de la información hereditaria (demasiado aburrido para ser un gen). Ácidos nucleicos, la revancha Avery, Mc Leod y Mc Carthy estudiaban la neumonía que mataba a muchas per- sonas y especialmente a los soldados que estaban en la guerra, así que el esfuerzo científico de estos investigadores estaba orientado a encontrar la causa y la curación de la enfermedad. En 1944, al analizar bacterias que provocaban la neumonía des- cubrieron que cuando las cultivaban aparecían dos tipos de colonias: lisas y rugosas (como los famosos guisantes de Mendel). Cuando inyectaban ambas colonias a rato- nes parecían entrecruzar la información hereditaria durante la infección. Así que las bacterias también tenían genes. Luego probaron que el material de la colonia muerta rugosa se podía incorporar al material de la colonia viva lisa inyectándola en las bac- terias de esta colonia. Y lo más interesante: cambiaban su forma y esta nueva forma, se transmitía de generación a generación. Es decir se heredaba la transformación!!! Las bacterias debían contener la información hereditaria que controlaba la forma de las colonias y podía transformar en liso lo rugoso o viceversa. Hoy lo llamamos principio de la transformación. Y el principio de la transformación como ellos luego 20 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 confirmaron, era debido a los ácidos nucleicos. Por lo tanto, los genes estaban cons- tituidos por ácidos nucleicos y como se descubrió en años posteriores, por el ácido ribonucleico o ADN. Entonces, el material genético primario es el ADN Genes y células La genética como ciencia está estrechamente relacionada con la citología: el estu- dio de como funcionan las células. El proceso de traspaso de información hereditaria o de material genético de una generación a otra, depende completamente de cómo la célula crece y se divide. Para reproducirlo, podemos analizar un simple organismo como una bacteria. Y observamos que puede obtener millones de copias a través de un proceso llamado replicación que luego explicaremos. Las bacterias pueden producir millones de descendientes en corto tiempo, cada bacteria sintetiza sus genes constitui- dos por ADN y se divide en dos, observándose un crecimiento exponencial siempre que existan los nutrientes necesarios. Pero para los organismos que se reproducen sexualmente, esta situación se vuelve más complicada, es como un ritual en el que los ADN de los organismos mezclan sus contenidos y tratan de superponer aquellos que son complementarios (proceso de recombinación) para finalmente reducir y compri- mir la cantidad de ADN en un tipo de células sexuales o gametas y así llegar a obtener una nueva combinación genética en sus descendencias. Este proceso extraordinario es lo que nos hace únicos e irrepetibles. Por lo tanto antes de seguir avanzando en el estu- dio de la genética, es necesario que entremos en una de nuestras células, para familiari- zarnos con el proceso de la división celular o mitosis y el proceso de producción de las células sexuales o meiosis y veremos como funciona la genética en ambos procesos. La célula es la unidad básica de vida De acuerdo a la teoría celular, todos los organismos están compuestos por células. Todas las células provienen de células preexistentes. ¿Cómo es una célula de mi cuerpo? Para poder contestar esta pregunta tenemos que saber a que tipo de organismo básico pertenecemos, y en la naturaleza existen dos. Ambos organismos son simila- res pero no idénticos y todos los organismos vivos caen en una de estas categorías. Ver figura 6. 1. Procariotas. Son organismos sin núcleo (sin membrana nuclear) y por lo tanto tienen su ADN flotando en el líquido central de la célula. Los procariotas son las Genética 21 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 formas más comunes de vida en la tierra, millones de ellas se encuentran dispersas habitando nuestra tierra, entre ellos las bacterias. Algunas de ellas también están habitando nuestro cuerpo realizando diferentes procesos, por ejemplo la bacterias Escherichia coli en nuestro intestino, pero son inocuas, es decir no nos hacen daño. Pero aquellas que ingresan a nuestro organismo y no cumplen ninguno de los proce- sos mencionados pueden ser perjudiciales y hasta causar nuestra muerte por ejemplo transmitiendo el cólera. El exterior de una célula procariota esta protegida por una pared celular (sería el único muro de contención que la separa del mundo) y la mem- brana celular regula el intercambio de nutrientes, agua y gases que nutre al ADN celular bacteriano, que tiene una forma de único lazo, es decir es “una sola pieza” y se lo llama también ADN circular, muchas veces unido a un punto de la membrana celular y lo llamamos cromosoma bacteriano. Los procariotas se dividen exclusiva- mente por mitosis. 2. Eucariotas. Son aquellos organismos que tienen un núcleo bien definido por una membrana nuclear que envuelve y protege al ADN que está adentro del núcleo (eu-verdadero, cariota-núcleo) separado del resto de la célula (citoplasma). Por lo tanto, esto hace que el núcleo sea el hogar del ADN. Tienen una gran complejidad y van desde una única célula animal o vegetal hasta un organismo complejo multicelu- lar. Por lo tanto, lector, Usted y yo, sin dudarlo: ¡somos eucariotas! Como en los procariotas, las células vegetales pueden tener pared celular, pero esto no sucede en las células animales que no la tienen. Pero lo más importante es el núcleo que protege al ADN, que es mucho más largo y está unido a proteínas que le permite superenrollarse para permanecer en el pequeño espacio del núcleo (empa- quetamiento del ADN). Además el ADN se encuentra en forma de una doble hebra. Los eucariotas tienen múltiples organelas fuera del núcleo, que cumplen diferentes funciones que ayudan a llevar adelante diversos procesos celulares para la vida. Las organelas se encuentran flotando en el citoplasma y dos de las más importantes son: Mitocondria: es la “Usina de la célula”. Convierte a la glucosa en ATP (Ade- nosin trifosfato). El ATP es como una batería que almacena energía hasta que se la necesita. Tanto los animales como las plantas tienen mitocondrias. Se pueden auto- duplicar. Cloroplastos: son organelas propias de las plantas. Procesan la energía de la luz solar en azúcares que luego son usados por la mitocondria de la planta para generar la energía necesaria para la vida de la célula Ambas organelas tienen como característica que tienen en su interior un ADN cir- cular y tienen capacidad de autorduplicarse, por lo cual se propuso que en el origen de los tiempos eran células procariotas que se incluyeron dentro de las células eucariotas para realizar determinadas funciones (endosimbiosis). Las células eucariotas son ca- paces de comportarse de una forma diferente a las procariotas. Por ejemplo una célula eucariota generalmente tiene apéndices largos (flagelos) o cortos (cilias) que le per- miten desplazarse. Además sólo las células eucariotas son capaces de ingerir fluidos y partículas para la nutrición. Los procariotas deben trasportar materiales a través de sus paredes delgadas y es un proceso que limita bastante sus opciones culinarias… 22 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 Figura 6. Genética 23 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 La mayoría de las células eucariotas multicelulares generan dos posibilidades, o forman parte de las células del cuerpo también llamadas “células somáticas” (soma: cuerpo) o forman parte de las “células sexuales”. Células somáticas: se producen por una simple división celular llamada mitosis. Estas células se diferencian en los organismos multicelulares de acuerdo a su fun- ción, en tejidos, por ejemplo: los glóbulos rojos transportan el oxígeno a los tejidos, o las células beta del páncreas sintetizan insulina. Células sexuales: son células especializadas para la reproducción. Sólo los orga- nismos eucariotas tienen reproducción sexual. Justamente este tipo de reproducción, combina el material genético de dos organismos y requiere de una preparación espe- cial que reduce la cantidad de este material a la mitad. En la especie humana, existen dos tipos de células sexuales: el óvulo y el espermatozoide, y se obtienen a partir de una célula madre diploide o 2n que tiene 2 veces la cantidad de ADN y luego a través de la gametogénesis de esta célula madre se obtienen cuatro células con un contenido haploide o n, de ADN. Es decir, se reduce la cantidad de ADN a la mitad. ¿Cromatina o cromosomas? ¿Qué es la cromatina? Como vimos, en el núcleo de las células eucariontes se encuentra compactado el ADN unido a unas proteínas llamadas histonas y esto es la cromatina. Se observa fundamentalmente en la interfase del ciclo celular. Durante la división celular, la cromatina, comienza a compactarse hasta llegar a su estado de máxima condensación y esto es en la metafase, entonces la cromatina condensada superenrollada tiene forma de cromosomas. Así que cuando hablamos de cromatina o cromosomas estamos hablando de lo mismo y sólo depende del grado de com- pactación y el momento del ciclo celular. Ahora bien, existe una cromatina que per- manece enrollada, no importa el momento del ciclo celular que estemos analizando llamada heterocromatina (inactiva desde el punto de vista genético porque sus genes no sintetizan nada), y una cromatina que puede desenrollarse durante la interfase del ciclo celular (momento previo a la división de la célula) llamada eucromatina (per- mitiendo que se realicen los procesos básicos tales como la síntesis de ADN). Tipos de heterocromatina: La heterocromatina a su vez puede ser constituti- va, y esta intercalada dentro de los cromosomas con la eucromatina, y ser centro- mérica, cuando esta heterocromatina constitutiva tienen secuencias de ADN muy repetitivas que desempeñan un rol estructural en los cromosomas y está presente en la constricción primaria de los mismos (sitio de unión de las cromátides hermanas, que divide al cromosoma en brazos p y q). Ver figura 1. Heterocromatina facultativa: está condensada y es genéticamente inactiva en determinados tejidos y períodos del desarrollo. Esto ocurre habitualmente con el cro- mosoma X cuya inactivación sucede al azar, en las células de hembras o mujeres en un período temprano del desarrollo. Se la suele ver en las células en interfase como un corpúsculo pegado a la membrana nuclear y se lo denomina corpúsculo de Barr. 24 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 La especie humana tiene un total de 46 cromosomas que pueden agruparse de a pares (en total 23), de los cuales 22 pares son autosómicos y un par es el sexual. Ver figura 5. Lo que determina el sexo de una célula o de un individuo es la presencia o ausen- cia de cromosoma Y. Si el par sexual es XX, el individuo será una mujer 46, XX y si el par sexual es XY el individuo será un varón 46, XY. Por último remarquemos que cada cromosoma contiene numerosos genes. La célula se divide En el ciclo celular antes de cada mitosis o división celular propiamente dicha, existe una interfase, que es el momento donde la célula duplica su ADN (síntesis del ADN o replicación). Este material genético duplicado se repartirá entre dos células hijas. Recordemos que en esta etapa se encuentra como cromatina. Entonces la mitosis es un mecanismo que asegura que cada célula hija recibirá la misma información genética que tenía la célula progenitora. Esta división se observa en todas las células eucariontes. Este proceso sucede fundamentalmente en el núcleo de la célula y a la división nuclear se la denomina cariocinesis. La citocinesis es un proceso suple- mentario, que implica la división del citoplasma para originar dos células hijas. Es decir puede haber cariocinesis pero la citocinesis puede ocurrir o no, dependiendo del tipo de tejido al que la célula pertenece. Algunas células una vez diferenciadas no realizan más mitosis, como por ejemplo, las neuronas. Otras experimentan mitosis frecuentes como por ejemplo, las células embrionarias y en estos casos el objetivo de la mitosis es el desarrollo y crecimiento de los organismos multicelulares o de los tejidos que los conforman y también sucede en la regeneración de tejidos que sufrieron destrucción celular. Clásicamente se divide a la mitosis en: a. Profase, b. Prometafase, c. Metafase, d. Anafase, e. Telofase. a. Profase: La cromatina comienza a condensarse para formar a los cromoso- mas. Se forma el huso mitótico constituido por un sistema de microtúbulos que se extiende en toda la célula y en cuyos polos se encuentran unas organelas llamadas centríolos, permitiendo que los cromosomas migren ordenadamente. A lo largo de toda la profase la condensación de los cromosomas es continua y se va haciendo evi- dente que los cromosomas están constituidos por cromátides hermanas unidas por el centrómero. Mientras tanto la membrana nuclear se disgrega. b. Prometafase: es cuando los cromosomas condensados (la cromatina está supe- renrollada) comienzan a migrar hacia el plano ecuatorial de la célula (parte central). En la medida que se acercan a este plano los cromosomas se condensan aún más. c. Metafase: Es el momento de máxima condensación de los cromosomas. Están ubicados en el plano ecuatorial de la célula. Cada cromosoma en forma indepen- diente de los demás cromosomas, se encuentra unido por su centrómero a una fibra o microtúbulo del huso mitótico. La cromátides hermanas comienzan a escindirse. d. Anafase: en esta etapa las dos cromátides hermanas que componen cada cro- Genética 25 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 mosoma se separan por la fisión o corte del centrómero dirigiéndose hacia los polos opuestos de cada célula. Es decir, el cromosoma se divide en cada cromátide y cada cromátide migra hacia uno de los polos. Lo van a hacer a través de los microtúbulos del huso mitótico. Las fibras de este huso serían como poleas que arrastran a las cro- mátides hasta llevarlas a los extremos (polos del huso mitótico). e. Telofase: al terminar la migración de los dos grupos de cromátides hermanas (ahora son los cromosomas hijos) el huso mitótico se desorganiza y alrededor de cada grupo cromosómico se organiza la membrana nuclear. De esta manera se con- forman los dos núcleos hijos, los cromosomas se desenrollan y se los observa como cromatina. Después se realiza la citocinesis o no dependiendo del tipo de tejido al que la célula pertenece. Así en la meiosis como en la gametogénesis La meiosis es un proceso que implica dos divisiones sucesivas que sirve para generar a las gametas o células sexuales (o proceso de gametogénesis). Partiendo de una célula diploide (2n), la primera etapa es llamada reduccional o meiosis I porque como producto de esta división el material genético o ADN queda reducido a la mitad (n). La segunda etapa es llamada ecuacional o meiosis II, que se realiza sin duplicar el ADN. En esta etapa se mantiene la cantidad de ADN (n). La primera división de la meiosis es la más importante porque en este proceso el par de cromosomas homólogos se recombina o intercambian fragmentos de ma- terial genético que contienen la misma información hereditaria, es decir se mezclan los genes. Esto sucede especialmente, en la Profase meiotica I: 1) los cromosomas homólogos se agrupan de a pares (apareamiento de las cromátides no hermanas del par de cromosomas homólogos), 2) estas cromátides se entrecruzan la información genética para barajar nuevas combinaciones (crossing over o recombinación) en la medida que avanza la primer división hacia el estadío de metafase llegan los pares de cromosomas homólogos hacia el ecuador de las células. Mientras los lugares de apareamiento y recombinación se van desplazando hacia los extremos para com- pletar el entrecruzamiento. En la Anafase I se separan los cromosomas homólogos y se dirigen a los polos (tienen la información hereditaria presente en el ADN con nuevas combinaciones o recombinada). Cuando termina la Telofase I y concluye la primera división meiotica, se obtienen dos células nuevas. Se dice que esta división es reduccional porque cada célula lleva solamente uno de los miembros del par de cromosomas homólogos. La siguiente división meiotica es semejante a una mitosis y se mantiene la cantidad de cromosomas por lo tanto se la llama división ecuacional y de 2 células se obtienen 4 que son las células sexuales o gametas que contienen la mitad de los cromosomas de la célula original. En realidad cuando finaliza este proceso la maduración de las células sexuales se llama gametogénesis. La gametogé- nesis femenina se llama ovogénesis y el producto final de la misma son las gametas femeninas u óvulos. Se realiza en el ovario. En la gametogénesis masculina o esper- 26 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 matogénesis, este proceso es de cambios dramáticos o maduración generando así a los espermatozoides (las células pierden gran parte del citoplasma). Esto sucede en el testículo. Qué copia del gen va a parar a cada célula es totalmente al azar porque se distribuyen en forma independiente. Ver figura 7. Figura 7. Recordemos que los genes ligados (que se encuentran muy cercanos en el mismo cromosoma) se pueden recombinar por crossing over o entrecruzamiento si existe cierta distancia entre ellos durante la Profase meiotica I. El resultado son gametas recombinadas, que presentan nuevas combinaciones de genes ligados debido al in- tercambio. La frecuencia de recombinación o entrecruzamiento es proporcional a la distan- cia entre genes en un cromosoma determinado. Los mapas genéticos se basan en la frecuencia de recombinación. Si tomaramos el caso de los cromosomas sexuales en la especie humana, en la gametogénesis masculina o espermatogénesis el 50% de los espermatozoides con- tienen al cromosoma X y el 50% restante contienen al cromosoma Y. En cambio si Genética 27 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 analizamos la gametogénesis femenina u ovogénesis el 100% de las células sexuales u ovocitos contienen al cromosoma X. Por lo tanto, dependiendo del tipo de espermatozoide que fecunde al óvulo te- nemos 50% de posibilidades de que el huevo o cigoto sea masculino o femenino. Es decir tener un cariotipo XX femenino o XY masculino. Pero como veremos más adelante, esto también tiene que ver con genes que determinan el sexo dentro del cromosoma Y. Vimos que los genes están constituidos por un tipo de ácido nucleico que es el ADN, que ahora vamos a conocer en más detalle y además existen otros ácidos nucleicos que son muy importantes para que un gen se pueda expresar, es decir sea capaz de producir o sintetizar una proteína. Por lo tanto, vamos a aprender un poco más de ellos. En toda la célula: ácidos nucleicos Están distribuidos en toda la célula y se dividen en 2 tipos principalmente según el azúcar que tengan asociado. El azúcar es una pentosa y se lo denomina así, porque tiene 5 átomos de carbono y puede ser ribosa y desoxirribosa la diferencia está en que la desoxirribosa que está en el ADN, es un azúcar modificada, dado que carece de un átomo de oxígeno (de ahí en nombre de “desoxi”). Al Carbono nº 2 debería unírsele un hidrógeno y un oxígeno como sucede en la ribosa pero solo tiene unido un hidrógeno. El Carbono Nº3 en ambos casos tiene unido un oxígeno y un hidró- geno (a ambos juntos se los llama oxhidrilo) y es la parte de la molécula que ofrece un extremo que se llama 3´oxhidrilo que cuando esta libre permite la unión con los nucleótidos como veremos más adelante, permitiendo la síntesis de los ácidos nu- cleicos. Ribosa: Desoxiribosa: Figura 8. Figura 9. C: Carbono, H: hidrógeno, O: oxígeno. 28 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 ¿Qué son químicamente los ácidos nucleicos? Son macromoléculas. Polímeros de nucleótidos. Es decir como si fuera un collar de perlas (polímero) y cada perla es un nucleótido (monómero o unidad del polí- mero). Están constituidos por una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato unidos entre sí por uniones covalentes (uniones químicas fuertes). Figura 10. Bases nitrogenadas Existen 2 tipos de bases nitrogenadas, de acuerdo a su composición química. a) bases púricas (derivan de las purinas) y b) bases pirimídicas (derivan de las pirimi- dinas). Ver Figura 11. La unión covalente entre una base nitrogenada y la pentosa forma un nucleósido. Cuando el nucleósido se une al grupo fosfato (se le pueden unir hasta 3 grupos fos- fatos por enlaces covalentes) se forma el nucleótido, por ejemplo para Adenosina: Adenosin-mono-fosfato: AMP. Los nucleótidos di y tri fosfatos tienen una gran im- portancia biológica porque las 2 últimas uniones fosfato son de alta energía, entonces por ejemplo para la Adenosina sería: Adenosin-di-fosfato: ADP cuando se le unen 2 grupos fosfatos y Adenosin-trifosfato: ATP, cuando se le unen, 3 grupos fosfatos. Entonces, de acuerdo a la pentosa presente en la cadena de nucleótidos pueden ser ribonucleótidos (ribosa) o desoxirribonucleótidos (desoxirribosa). Genética 29 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 Figura 11. C: átomo de Carbono, N: átomo de Nitrógeno y H: átomo de Hidrógeno. ¿Cómo está constituido el ácido desoxirribonucleico o ADN? Está constituido de acuerdo al Modelo de Wat- son y Crick, por 2 cadenas de polinucleótidos he- licoidales antiparalelas, es decir, las uniones en- tre nucleótidos se dirigen a direcciones opuestas. Es una doble hélice que gira a la derecha y las bases nitrogenadas, se encuentran apiladas en el interior de la hélice en un plano perpendicular al eje helicoidal. Ambas cadenas se encuentran uni- das entre sí por puentes de hidrógeno (uniones químicas débiles). Se asemeja a los peldaños de una escalera de caracol. La unión de Adenina A con Timina T se hace por medio de 2 puentes de hidrógeno y la unión de Citosina C con Guanina G se hace por medio de 3 puentes de hidróge- no siendo por este motivo el par más estable y el que necesita mayor energía para la ruptura o separación de ambas hebras o cadenas de ADN. Por lo tanto, la secuencia de ambas cadenas debe 30 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 ser complementaria entre sí. En la Argentina para recordar mejor que nucleótidos se unen entre sí, se apela a una regla nemotécnica inspirada en 2 ídolos del tango: A-T , Anibal Troilo y C-G, Carlos Gardel Los ADN en todas las especies vegetales, animales y de virus, hongos y bacterias son los portadores universales de la información genética. Obtener el ADN propio en el hogar ¿Se puede? Sí, se puede. Para ello el primer paso es, obtener células nucleadas. Si realizamos un buche con agua, usando un vaso como soporte, lo que queda mezclada con la misma, son las células de descamación de la mucosa bucal siendo una fuente accesible de células nucleadas para obtener el ADN propio. El segundo paso es agi- tar este volumen de agua, con una espátula o cuchara en forma circular y vigorosa. De esta manera, las membranas celulares se rompen (tanto la nuclear como la plas- mática). En el tercer paso agregamos una cucharadita de cloruro de sodio (sal fina) y volvemos a agitar en forma circular y agregamos un volumen igual al del agua, de alcohol (alcohol común del que se compra en una farmacia) bien frío. En el cuarto paso agitamos la mezcla de líquidos, nuevamente en forma circular con espátula o cuchara y, Ooops! empezamos a ver unas hebras flotando en la mezcla, estas hebras son moléculas de ADN. El tiempo aproximado de preparación del ADN en un vaso: 5 minutos. Es una experiencia tan simple que podemos obtener el ADN de parientes o ami- gos cada vez que lo queramos… Pero, ¿cómo es que se logra sacar el ADN del núcleo de una célula sólo con sal y alcohol? Cuando ponemos a las células de la descamación de la mucosa bucal en presencia del agua la concentración salina de la célula es mayor (hipertónica) con respecto al agua (hipotónica). Estas diferencias en las concentraciones hacen que el agua in- grese masivamente al interior de la célula haciendo que se rompan sus membranas, incluso la nuclear. Se necesitan varias hebras de ADN para formar una gran fibra lo suficientemente grande para hacerse visible. A su vez cada hebra contiene miles de genes por lo cual lo que vemos es un material que contiene millones de genes. Pero estamos viendo al mismo tiempo el ADN de miles de células provenientes del extracto celular presente en nuestro buche. Ácidos ribonucleicos - ARN Están constituidos por una cadena simple que puede adoptar estructuras lineales o secundarias (por ejemplo, formar horquillas). Las bases nitrogenadas que los forman son Adenina A, Guanina G, Citosina C y Uracilo U en lugar de Timina T y el azúcar es la ribosa. Clásicamente se distinguen 3 tipos de ARN (Figura 13): Genética 31 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 1. ARN ribosomal (ARNr): Que unido a las proteínas ribosomales forma los ribosomas donde se sintetizan las proteínas 2. ARN mensajero (ARNm): Lleva el mensaje del núcleo, en el ADN y lo trans- fiere es decir lo lleva al citoplasma. Más precisamente a los ribosomas. El mensaje se encuentra en forma de triplete o codón (formado por 3 nucleótidos) y va a ser traducido en el ribosoma. Cada codón tiene información para la incorporación de un aminoácido es decir se dice que codifica para un aminoácido. Este codón va a ser reconocido por una secuencia complementaria anticodón que está presente en el ARN de transferencia. Figura 13. 32 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 3. ARN de transferencia (ARNt): Tiene una estructura secundaria llamada hoja de trébol con 3 zonas que presentan horquillas. Su función es el transporte de ami- noácidos hasta los ribosomas. Tiene una región de reconocimiento del codón llamada anticodón. Y una secuencia en uno de los extremos donde se va a unir el aminoácido correspondiente a la secuencia del anticodón. Además en los últimos años los investigadores han descubierto unos ARN peque- ños, de cadenas simples con un longitud variable de entre 21 a 23 nucleótidos que llamaron Micro ARN (ARNmi). Los ARNmi son transcriptos a partir de ADN pero no se traducen a proteína. Forman transcriptos primarios o pre-ARNmi y son transportados del núcleo al cito- plasma donde son procesados. Esto sucede en animales aunque en las plantas el procesamiento se da exclusivamente en el núcleo. Finalmente en el citoplasma ya procesados intervienen en la regulación de la expresión génica, es decir, deciden si un gen va a producir proteínas o no. El ADN contiene la información hereditaria Como ya hemos visto, la genética clásica se centra en el fenotipo (las apariencias) pero el estudio de los genes tal como se realiza hoy en día es el dominio de la genética molecular, es decir los genes, son mensajes ocultos en el ADN. Estos genes entonces, son verdaderas instrucciones para la apariencia y todo lo que conforma al individuo en cuestión, desde el color de los ojos hasta el metabolismo de los hidratos de carbo- Genética 33 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 2 no, desde el grupo sanguíneo hasta la susceptibilidad a determinado tipo de cáncer o enfermedad. Los genes se expresan a partir de un sistema complejo de interacciones que incluyen la copia de la información génica de ADN a ARN a partir del proceso de transcripción (en el núcleo), el cual es transportado para la traducción de este lenguaje (de nucleótidos a aminoácidos que forman las proteínas) en los ribosomas presentes en el citoplasma. Esta traducción es fuente de la síntesis de proteínas. El estudio de cómo se prenden o apagan genes o expresión génica, cómo se procesan los ARN mensajeros (splicing o corte y empalme del ARN mensajero) y cómo el código genético trabaja tanto a nivel del ADN cómo del ARN es considerada parte de la genética molecular Como ya hemos comentado, históricamente se descubrió que tanto las bacterias con un ADN sencillo y sin núcleo (procariotas) como en organismos avanzados con núcleo (eucariotas) la información hereditaria se transmitía de generación en gene- ración Esto también ocurría en los virus a pesar de tener una estructura molecular mucho más simple. Por otra parte, los experimentos de replicación viral de aquella época, confirmaron que el ADN era el material genético. Entonces, la pregunta era: ¿Cómo una macromolécula con sólo 4 unidades (A,T,C,G) podía contener toda la información hereditaria y se transmitía a las generaciones sucesivas? La respuesta vino de la mano de la bioquímica pero fundamentalmente de la física. Una vez que los científicos coincidieron en que el material genético era el ADN quisieron saber cual era su estructura química. Se realizaron muchos estudios pero la evidencia crucial provino de la cristalografía por rayos X. Cuando se cristaliza una sustancia y se hace pasar a través de los cristales rayos X, algunos lo atraviesan y otros rebotan. Por detrás se pone una placa fotográfica y se forman así diferentes diseños debido a la difracción de estos rayos. A principio de los años ´50, Rosalind Franklin, trabajaba en el King´s College en este tema y tenía múltiples imágenes del ADN e intentaba describir su estructura. Era una mujer de fuerte personalidad, la cual tenía una relación difícil con Maurice Wilkins su jefe. Cuenta la historia que este investigador mostró sin su permiso sus imágenes de difracción de rayos X del ADN a James Watson y Francis Crick. Ellos mismos admitieron que gracias a esta imagen se inspiraron fuertemente para des- cribir la estructura del ADN la cual fue publicada en la revista científica Nature en 1953. Este hallazgo no fue casual, Franklin era una maravillosa cristalógrafa que des- cribió entre otras cosas la estructura del grafito o del virus del mosaico del tabaco. Franklin murió prematuramente de cáncer de ovario en 1958 probablemente por efecto de las repetidas exposiciones a las radiaciones durante sus investigaciones. En 1962 Watson, Crick y Wilkins recibieron el Premio Nobel por este descubri- miento pero nunca reconocieron la importancia de Franklin en este hallazgo. Watson y Crick explicaron que lo que vieron en estas imágenes solo era posible si el ADN era una doble hélice como una escalera de caracol. De acuerdo a la hipó- tesis presentada, y luego confirmada, las dos hebras de la doble hélice se mantenían 34 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 2 entre sí, unidas porque los distintos nucleótidos. El diámetro es uniforme porque de acuerdo a experimentos previos de Erwin Chargaff (1950) en el ADN la cantidad de purinas A+G es siempre igual a la cantidad de pirimidinas T+C, y la Adenina siempre se une por 2 puentes de hidrógeno a la Timina, y la Guanina siempre se une por tres puentes de hidrógeno a la Citosina a esto se lo llama apareamiento de bases complementarias (peldaños de la escalera de caracol). Por otra parte describieron que este helicoide siempre gira a la derecha (dextrogira) y es antiparalela (las dos hebras o cadenas corren en direcciones opuestas). Los esqueletos de azúcar-fosfato de las cadenas, vendrían a ser las barandas de la escalera de caracol. La estructura del ADN descripta permitía hipotetizar que se reproducía en forma semiconservativa. En 1958, dos bacteriólogos americanos, Matthew Meselson y Franklin Stahl, convencieron a la comunidad científica de que la replicación o síntesis de ADN era como se había hipotetizado: semiconservativa. El ADN bacteriano se marcó con nitrógeno pesado y en las siguientes generacio- nes o divisiones de las bacterias no se le agregaba esta sustancia pesada. Luego se pesaba al ADN y se analizaba la facilidad que tenían las hebras de ADN para flotar. En cada generación siempre se mantenía una hebra original de ADN pesado. En- tonces lo que se observó era que, las hebras livianas se iban haciendo cada vez más numerosas de generación en generación. Cada hebra original servía a su vez como molde para generar a la otra es decir sólo se conservaba a una de las hebras origina- les. Estos experimentos confirmaban el modelo semiconservativo de la replicación del ADN postulado por Watson y Crick. Asimismo se descubrieron una serie de en- zimas especializadas o polimerasas encargadas de la síntesis del ADN. Pero entonces, lo que quedaba por resolver era el o los mecanismos para la repli- cación y cómo estaba constituido el código genético. A principios de la década del ´60 el problema parecía difícil. ¿Cómo era posible que con un alfabeto de 4 letras (ATCG) se podían “escribir” 20 aminoácidos? Realizando mutaciones en el ADN de fagos o bacteriófagos (virus que infectan bacterias) descubrieron que el ADN se leía en grupos de tres letras o nucleótidos y los llamaron codón. En definitiva el código genético era un código de codones. Cada triplete tenía 1 de 4 opciones posibles (ATCG=4) para cada componente de los 3 que lo forman, entonces 4x4x4= 64 codones posibles. Tres de ellos UAA, UAG y UGA son llamados codones stop o de terminación e indican el fin de la síntesis de proteínas. Es decir, no tienen información para incorporar aminoácidos. Los demás codifican (contiene la información) para los 20 aminoácidos que constituyen las pro- teínas. Entonces en el código genético un triplete de bases nitrogenadas codifica para un solo aminoácido, excepto para el aminoácido metionina AUG o triptofano UGG, donde sólo existe un codón, para los demás aminoácidos existen 2 a 4 codones, para cada uno, y estos se llaman codones sinónimos. Por ejemplo, para el aminoácido serina, los codones son UCU, UCC, UCA, UCG. Como vemos si cambiara el tercer Genética 35 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 3 nucleótido por una mutación, si pasa de U a G igualmente sigue codificando o te- niendo la información para la serina. Por este motivo, se dice que el código genético es redundante o degenerado. Esta “degeneración” reduce el efecto de las mutaciones puntuales (cambio de un nucleótido por otro) y aumenta las probabilidades de incor- porar dentro de una proteína el mismo aminoácido o un aminoácido similar cuando estas se producen en un codón. Se dice que el código genético es universal porque prácticamente es común a todos los organismos procariontes y eucariontes. Aunque las mitocondrias de la cé- lulas eucariontas son una excepción porque tienen un código genético propio. Los sistemas de traducción de codones o tripletes a aminoácidos están igualmente con- servados en la evolución. Los años ´60 fueron prolíficos en el estudio de las moléculas que formaban parte de los mecanismos genéticos y dieron lugar a una nueva disciplina científica: la bio- logía molecular. cÓDIGO GENÉTICO 36 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 1 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 3 Genética 37 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 3 Del ADN a las Proteínas Pero ¿Cómo se expresan los genes? ¿Se multiplican, se copian o se traducen? ¿Cómo se pasa de la información portada por el ADN a la actividad enzimática de las proteínas? En 1957, Crick propuso que la actividad de las proteínas sería una consecuencia directa de su secuencia de aminoácidos, es decir del tipo de aminoácidos que los constituyen y como se unen entre sí y que estas secuencias estarían determinadas por la secuencia de nucleótidos del ADN, es decir, el tipo de nucleótido y como están encadenados entre sí dando así origen, como hemos visto, a la búsqueda de un código genético. La cuestión era saber si la traducción, el traslado de la información presente en el ADN al idioma de las proteínas, se hacía directamente a partir del ADN o si existían intermediarios. Ya en los años ´50 se sabía que la síntesis de proteínas en las células eucariotas se hacía en el citoplasma y no en el núcleo de la célula (lugar donde se encontraba el ADN). Por un lado estaba claro que la codificación estaba en el centro de control de la célula: el núcleo y que el trabajo de elaborar proteínas se realizaba en el resto de la célula. Se observó que otro ácido nucleico, el ARN mensajero (ARNm) estaba implicado en el proceso de transporte de las instrucciones escritas en el ADN hasta el ribosoma, lugar de síntesis y producción de la proteína, que está constituido por proteínas ribosomales y ARN ribosomal (ARNr). Una vez allí como si fueran obreros especializados, los ARN de transferencia (ARNt) recogen los aminoácidos para elaborar a la proteína y dentro de los ribosomas los aminoácidos se unen entre sí. La síntesis del ARNm que lleva el mensaje del ADN en forma complementaria es denominada transcripción y la elaboración de la proteína en sí en el retículo en- doplasmático granular (lugar del citoplasma donde se encuentran los ribosomas) es denominada traducción. Entonces Watson llamó a esta forma de pasaje de la infor- mación hereditaria: Dogma Central de la Biología Molecular: ADN ARN Proteínas. Quiso dar una idea de inamovible, pero, actualmente se sabe que la información puede ir de ARN a ADN por medio de la enzima transcriptasa reversa, como sucede por ejemplo, en el virus de HIV. Además, el ARN puede codificar y sinterizar ARN, o a partir de ARN, sintetizar proteínas y que también, existen proteínas con capacidad infectiva como los priones (viriones de proteínas) que son capaces de autoreplicarse (autosintetizarse o autoduplicarse). Con respecto al hallazgo de los priones, al poner este nombre a los viriones se generaron extraños malentendidos entre los científicos; sucede que, los biólogos previamente llamaban priones, a un grupo de aves marinas antárticas. Por último, de acuerdo a lo que se fue descubriendo respecto a las varia- bles y excepciones al dogma central de la biología molecular, se hizo evidente que hasta los dogmas dejan de serlo. 38 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 3 Brevemente comentaremos el mecanismo de replicación o síntesis del ADN: en este mecanismo la enzima ADN polimerasa facilita el agregado de nucleótidos al extremo 3´ de cada cadena. Recordemos, que los nucleótidos tienen un extremo de la molécula 5´fosfato y el otro extremo es 3´oxhidrilo porque tienen un oxígeno e hi- drógeno disponibles (-OH) para la unión del nucleótido siguiente. Siempre la unión va a ser entre el grupo 3´-OH y el grupo fosfato del nucleótido que se incorpora.. Por lo tanto, la dirección u orientación de la síntesis siempre será 5´fosfato-3´oxhidrilo. La célula para realizar la síntesis de ADN siempre necesita de un extremo 3`oxhidrilo libre y un templado o hebra complementaria para copiar. Entonces a partir de este ex- tremo 3ÓH- libre que le sirve a la polimerasa para enganchar al nucleótido siguiente, va a ir agregando nucleótidos que van a ser complementarios al templado o molde. Por ejemplo, si en el molde a copiar hay una A (Adenina) le corresponde el nucleó- tido o base complementaria T (Timina). Si le sigue una G (guanina) le corresponde copiar el nucleótido o base complementaria C como veremos a continuación: a) 3´-ATAGGAGGCAT-5` (molde o templado) 5´-TATCC-3´OH (primer o cebador: secuencia que ofrece un extre- mo 3´OH para enlazar el nucleótido siguiente) b) 3´-ATAGGAGGCAT-5` 5´-TATCCTCCGTA-3´ Los ladrillos que forman parte de la hebra nueva o sustratos son desoxirribonu- cleósidos trifosfatos, por ejemplo ATP (Adenosin Trifosfato) que pierden los dos grupos fosfatos para unirse a la cadena. Así el ATP se une al cebador como AMP (Adenosin Monofosfato), liberando una gran cantidad de energía (al liberarse PPi es decir los dos fosfatos) que se usa para realizar el enlace entre nucleótidos, y se van agregando así los nucleótidos comple- mentarios a la cadena creciente de ADN que se va sintetizando. El complejo de replicación del ADN está ubicado en un lugar fijo y el ADN es enhebrado a través de este complejo para su replicación o síntesis. Entre la proteínas del complejo podemos encontrar, la ADN helicasa que va desenrollando a la doble hélice y las cadenas moldes son estabilizadas por otras proteínas tales como ADNsb (proteínas que se unen al ADN simple cadena que evita que se vuelvan a unir las cadenas simples de ADN una vez abiertas).. Los procariotas tienen un único origen de replicación mientras que los eucariotas tienen muchos. En ambos casos, una vez que se inicia la replicación se dirige hacia ambas direcciones. La ARN primasa es una ARN polimerasa que sintetiza cebadores cortos que permite que se sinteticen a partir de ellos las hebras de ADN (se agregan nucleótidos en forma complementaria). Debido a la acción de la ADN polimerasa, se sintetiza una cadena líder que crece Genética 39 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 3 en forma continua en dirección 5´ a 3´ hasta que se termina la síntesis o replicación de ese fragmento de ADN. Entonces el primer cebador se degrada y la célula agrega ADN en su lugar completando la síntesis de la cadena líder. En la cadena contraria, la síntesis se hace a partir de pequeños cebadores y se forman fragmentos cortos de ADN a los que se llama fragmentos de Okazaki. Es decir se la llama cadena retrasada y crece en dirección opuesta. Lo sigue haciendo en dirección 5´-3´ pero se aleja de la horquilla de replicación. La síntesis entonces de la cadena retrasada es discontinua. Luego se degradan los cebadores y en ese lugar se sintetiza ADN y una enzima, la ADN ligasa, se encarga de unir a los fragmentos recién sintetiza- dos de ADN. Así termina la síntesis de ambas cadenas de ADN. Por lo tanto, como resultado de la replicación del ADN a partir de una molécula de ADN, se sintetizan dos moléculas de ADN que están formadas por una cadena que sirve de molde y una cadena nueva (replicación semiconservativa). Ver figura 14. Figura 14. 40 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 3 ¿Cómo dirige el ADN la síntesis de ARNm? ¿cómo lleva y pasa la información del núcleo al citoplasma? En definitiva ¿cómo se expresa un gen? Transcripción del ARN: Lo primero que tenemos que tener claro es que un gen se expresa en dos pa- sos: primeramente, el ADN es transcripto a ARN. Es decir que la información que está en el ADN pasa a un intermediari el ARNm y transporta esta infor- mación al citoplasma. Y en segundo lugar, el ARN es traducido en proteínas. Es decir la información que trajo del núcleo en el lenguaje de nucleótidos va a ser traducida en el lenguaje de los aminoácidos (que forman a las proteínas).La transcripción se inicia con el desenrollamiento de la doble cadena de ADN que va a servir de molde quedando expuestas para ser copiadas en forma comple- mentaria, cada una de las hebras de ADN. Sólo una de las dos cadenas de ADN va a servir como molde para la transcripción o síntesis de ARNm. La iniciación de la transcripción requiere que la enzima ARN polimerasa reconozca una se- cuencia promotora especial sobre el ADN y se una a ella, rompiendo los puen- tes de hidrógenos entre las hebras de ADN. Este es un sitio de reconocimiento para que la ARN polimerasa se ubique en forma adecuada y pueda comenzar la transcripción o síntesis de ARN. El ARNm se sintetiza en dirección 5´ a 3´, antiparalela al molde de ADN, en forma complementaria como sucedía con la replicación del ADN. La diferencia es que aquí los nucleótidos que forman el ARN son ribonucleótidos y que en presencia de una A (Adenina) se le une U (Uracilo) en vez de T (Timina). Genética 41 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 3 Las secuencias especiales y las proteínas colaboradoras terminan la transcrip- ción. La información se encuentra en el ARNm en forma de tripletes o codones (constituido por 3 nucleótidos) y así también será decodificada en el momento de la traducción. Ver Figura 13. Procesamiento del ARNm recién sintetizado: Como veremos en el capítulo 4, los genes que codifican proteínas presentan se- cuencias internas no codificantes o intrones (sin información genética) y secuencias flanqueantes que participan en la transcripción y la traducción. Al ARNm recién sintetizado se lo llama transcripto primario o ARNm precursor y aún contiene los intrones. Además, presenta una caperuza de Guaninas en el extremo 5´y una cola poli Adeninas o poli A en el extremo 3´ que le da estabilidad e impide su degradación temprana dentro del núcleo de la célula. Los intrones son eliminados del precursor del ARNm por el espliceosoma que es un complejo de ARN y proteínas, que se encarga de cortar y empalmar entre sí, los fragmentos de ARN con información ge- nética o exones. Y así sin intrones sale del núcleo hacia el retículo endoplasmático granular (sede de los ribosomas) en el citoplasma, adonde será leída y traducida la información hereditaria que transporta desde el núcleo en su secuencia de ARN. ¿Cómo se regula la expresión de los genes? En definitiva ¿cómo se controla la transcripción especialmente en los euca- riontes? Si bien el ADN es el mismo en todas las células del individuo, la regulación de la expresión puede ser controlada durante la transcripción, postranscripción, traducción y postraducción. Pero la forma más importante de control de la expresión génica es por proteínas específicas que se unen a regiones reguladoras en el ADN. Es decir que “prenden” o “apagan” ese gen. Una serie de factores de transcripción se deben unir a la región promotora antes que la ARN polimerasa pueda hacerlo. Que la ARN polimerasa inicie la transcrip- ción también depende de la unión de proteínas reguladoras, proteínas activadoras (que se unen a regiones activadoras de la transcripción) y estimulan la transcripción y de proteínas represoras (que se unen a regiones silenciadoras de la transcripción) la que inhiben. El control simultáneo de regiones muy distantes o de genes muy separados es po- sible a través de proteínas que pueden unir secuencias comunes que estén dispuestas en distintas regiones del ADN a sus promotores o que pueden plegar al ADN uniendo regiones muy distantes entre sí. La mayor parte de las proteínas que se encargan de regular genes uniéndose al ADN tienen zonas con conformaciones específicas lla- madas motivos o dominios de unión al ADN. Los 3 motivos más frecuentes son:, dedos de zinc, cremallera de leucina y hélice-bucle-hélice. Este tipo de proteínas es- 42 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 3 Figura 15. timulan o inhiben con diferentes intensidades la expresión de un gen. Ver figura 15. Otra forma de regulación, es cuando la cromatina se vuelve heterocromatina, es decir, se superenrolla y se condensa, porque de esta manera no puede ser transcripta. Por último existe otra forma de regular la expresión de los genes. Se ha obser- vado que no todos los intrones se degradan totalmente, ya que algunos contienen porciones de microARN que pueden interferir en la transcripción o expresión de los genes, y en tal caso los podemos llamar ARN de interferencia o ARNi. Además, otros tipos de microARN pueden regular o degradar secuencias de ARN procedentes de otros genes. Por este motivo, los microARN han alcanzado una gran importancia estos últimos años especialmente en el estudio de la regulación de la expresión de los genes durante el desarrollo embrionario, la diferenciación y proliferación celular y la apoptosis (muerte celular programada) entre otros procesos. Traducción: la célula decide fabricar una proteína. ¿Cómo se prepara la célula para la traducción? Reunión amistosa de ARN´s, aminoácidos y ribosomas En los procariontas, la traducción comienza antes que el ARNm termine de sinte- tizarse recordemos que no tienen núcleo y tampoco forman un trascripto primario a procesar porque no tienen intrones. En los eucariontas, la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma. Para realizar la traducción la célula necesita de aminoácidos, ARNt, enzimas activantes y ribosomas. En la traducción los ami- noácidos se van uniendo de acuerdo al orden especificado por los codones o tripletes Genética 43 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes CAPÍTULO 3 presentes en el ARNm. Esta tarea se logra mediante un adaptador que es un ARNt que se fija mediante una secuencia complementaria anticodón al codón del ARNm (forma puentes de hidrógeno) y porta el aminoácido correspondiente. Las enzimas aminoacil-ARNt sintetasas son una familia de enzimas activantes que cargan los aminoácidos específicos (la información de cual aminoácido cargar, está en la región anticodón) a sus ARNt correspondientes formando ARNt cargados. Por último el ARNm encuentra al ARNt cargado con el aminoácido correspon- diente en el ribosoma. codón 5´-AUG GGG AUC………-3´ ARNm TAC anticodón metionina ARNt El ARN dirige la síntesis de la proteína El inicio de la traducción consiste en la formación de un complejo de iniciación que contiene un ARNt cargado con un aminoácido, la metionina y de la subunidad menor ribosomal unida al ARNm. Es decir en ese momento el ribosoma que está constituido por una subunidad menor y una mayor tienen ambas subunidades disper- sas en el retículo endoplasmático granular (en el citoplasma). Y cuando comienza la síntesis estas subunidades se reunen para poder hacer la traducción o síntesis de la proteína. El polipéptido o proteína que se forma crece desde el grupo amino terminal de la molécula al grupo carboxilo terminal. El ribosoma completo una vez iniciada la traducción, simultáneamente se va moviendo a lo largo del ARNm un codón por vez, es decir va leyendo la información cada tres nucleótidos. En el sitio A del ribosoma (presente en la subunidad mayor) se lee el primer codón y se une el ARNt correspon- diente con su aminoácido, luego se desplaza hacia el sitio P dejando el espacio en el sitio A donde se lee el codón siguiente y se une el siguiente ARNt. Luego en el sitio P, los aminoácidos se unen entre sí liberándose el ARNt unido a este sitio y entonces se desplaza nuevamente el ARNm dejando libre el sitio A. Esto se repetirá tantas veces como sea necesario y a este proceso se lo llama elongación. Finalmente la llegada del codón de terminación al sitio A de ribosoma determina que la traducción finalice porque no se une ningún ARNt y se desarman las dos subunidades riboso- males. Ver figura 16. 44 Genética Desde la herencia a la manipulación de los genes Silvia B. Copelli CAPÍTULO 3 Elongación de la traducción Figura 16. Y las mutaciones puntuales, ¿qué son? Una mutación puntual es un cambio en el ADN que puede modificar o anular la función de una proteína. Esto puede originarse, por ejemplo, cuando una ADN poli- merasa durante la síntesis o replicación del ADN se equivoca y coloca un nucleótido en lugar de otro. Cuando como en el caso del ejemplo se produce un único cambio en la secuencia se dice que ese cambio en un único nucleótido es una mutación pun- tual. La mayoría de las mutaciones puntuales no se expresan porque se dan en secuen- cias del ADN donde no hay genes o porque no cambian el aminoácido, gracias a que existe más de un codón para la mayoría de los aminoácidos o porque no alteran la función de la proteína. Si provoca la alteración de una proteína, esta puede no cum- plir con su función o lo hace en forma defectuosa. Aquí podemos entonces, ver el origen de muchas de las enfermedades de origen genético. Genética 45 Silvia B. Copelli Desde la herencia a la manipulación de los genes

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