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Principios de genética

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Viendo la vasta biodiversidad de nuestro planeta nos damos cuenta, al amparo del legado de Darwin, de que esos organismos son el sabio resultado de millones de años de evolución, de perfeccionamiento, …

Viendo la vasta biodiversidad de nuestro planeta nos damos cuenta, al amparo del legado de Darwin, de que esos organismos son el sabio resultado de millones de años de evolución, de perfeccionamiento, en pro de la supervivencia de las especies. Pero si uno indaga un poco más, enseguida empiezan a surgir dudas, entre ellas quizás la más destacable es: ¿como memoriza un organismos la innumerable cantidad de cambios que ha sufrido, desde el ancestro común hasta nuestros días, para transmitirlos a sus descendientes?

De la mano de Watson y Crick en 1953, con el descubrimiento de la estructura del DNA, se abrió el camino para comprender que esta macromolécula es la respuesta a nuestra pregunta. A partir de ese momento, los conceptos de la genética contemporánea encontraron donde afianzarse. Así la genética empezó un meteórico progreso que ha arrojado luz a las entrañas de la vida. Nos hemos dado cuenta, como humanos, del poder y unicidad de la información.

Para comprender esta fascinante ciencia, los párrafos de este artículo siguen el sendero trazado por la genética actual: iniciando el camino en la genética mendeliana (Gregor Mendel), siguiéndolo a través del análisis de las bases cromosómicas y moleculares de la herencia, e intentando aclarar, al final del mismo, como se produce la síntesis proteica a partir del material genético. Una vez sentadas estas bases, se prosigue con la genética de las principales formas de vida: virus, bacterias y eucariontes. Y, por último, se aborda el enfoque tecnológico, tras el cual se hace una breve introducción a las bases genéticas del desarrollo para comprender como los genes definen a los organismos vivos. Con todo ello, se propone un rápido paseo por el conocimiento que define la esencia de la vida.

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  • 1. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net PRINCIPIOS DE GENÉTICA Francesc Caralt Rafecas http://www.bio6q.net 11/11/2013 Viendo la basta biodiversidad de nuestro planeta nos damos cuenta, al amparo del legado de Darwin, de que esos organismos son el sabio resultado de millones de años de evolución, de perfeccionamiento, en pro de la supervivencia de las especies. Pero si uno indaga un poco más, enseguida empiezan a surgir dudas, entre ellas quizás la más destacable es: ¿como memoriza un organismos la innumerable cantidad de cambios que ha sufrido, desde el ancestro común hasta nuestros días, para transmitirlos a sus descendientes? De la mano de Watson y Crick en 1953, con el descubrimiento de la estructura del DNA, se abrió el camino para comprender que esta macromolécula es la respuesta a nuestra pregunta. A partir de ese momento, los conceptos de la genética contemporánea encontraron donde afianzarse. Así la genética empezó un meteórico progreso que ha arrojado luz a las entrañas de la vida. Nos hemos dado cuenta, como humanos, del poder y unicidad de la información. Para comprender esta fascinante ciencia, los párrafos de este artículo siguen el sendero trazado por la genética actual: iniciando el camino en la genética mendeliana (Gregor Mendel), siguiéndolo a través del análisis de las bases cromosómicas y moleculares de la herencia, e intentando aclarar, al final del mismo, como se produce la síntesis proteica a partir del material genético. Una vez sentadas estas bases, se prosigue con la genética de las principales formas de vida: virus, bacterias y eucariontes. Y, por último, se aborda el enfoque tecnológico, tras el cual se hace una breve introducción a las bases genéticas del desarrollo para comprender como los genes definen a los organismos vivos. Con todo ello, se propone un rápido paseo por el conocimiento que define la esencia de la vida. La genética es el campo de la biología que se encarga del estudio de la herencia biológica que se transmite de generación en generación. Gregor Johan Mendel (1822-1884), monje agustino católico y naturalista, estableció una serie de leyes que sentaron las bases de la genética actual y que le valieron el reconocimiento como padre de esta ciencia. Posteriormente y en especial durante la segunda mitad de el siglo XX y lo que llevamos de XXI, los rápidos avances tecnológicos han permitido acceder a los entresijos moleculares que almacenan la información de la vida y con ello la genética ha experimentado un progreso extraordinario. Genética mendeliana: Antes de entrar en detalle se definen a continuación algunos términos esenciales. A una característica heredable (ej: color de la flor) que puede variar entre individuos se la denomina carácter. Un carácter puede tener varios rasgos, entendiendo como rasgo cada variante posible del carácter (ej: flor blanca). Se conoce como hibridación a la fertilización o cruzamiento de dos variedades de líneas genéticamente puras: a la generación parental se la conoce como generación P, a la descendencia híbrida directa se la denomina generación F1 y a la generación descendiente de esta última (cruzando dos miembros de la generación F1) se la denomina generación F2. Un gen concreto reside en un locus específico de un cromosoma determinando influyendo sobre uno o varios carácteres, y dado que una célula somática (que es diploide) posee dos copias del mismo cromosoma (una procedente del padre y la otra de la madre) coexisten en el mismo locus de ambos cromosomas variantes distintas (o idénticas) del gen, a las cuales se las denomina alelos. Una célula diploide poseerá dos alelos para el mismo gen, aunque estos pueden ser distintos o iguales (el gen es al caráter lo que el alelo es al rasgo). Así pues, se dice que un organismo es homocigoto para el gen que controla un carácter específico si ambos alelos son idénticos, por otro lado, se dice que es heterocigoto si ambos alelos son Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 1 de 11
  • 2. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net distintos. Por último para distinguir entre la manifestación aparente de un carácter y la información genética que la motiva existen dos términos: genotipo y fenotipo. El genotipo es la dotación genética de un individuo, mientras que el fenotipo son los rasgos que el organismo manifiesta. Un alelo es dominante cuando impone su expresión fenotípica y recesivo cuando no; ej: si cruzamos una flor blanca (rr1 ) con una roja (RR2 ), se obtendrá una generación F1 (Rr) de color rojo y una generación F2 con 25% RR (rojo), 50% Rr3 (rojo) y 25% rr (blanco). Gregor Johann Mendel (1822-1884) se destacó por aplicar el análisis cuantitativo (estadístico) a la hibridación de plantas (guisantes). De sus experimentos se desprendieron tres leyes de la genética que representan los principios fundamentales de la herencia4 : la primera es la ley de la uniformidad que afirma que cuando se cruzan dos individuos de raza pura, los híbridos resultantes presentan el mismo fenotipo y genotipo e iguales al fenotipo de uno de los progenitores5 ; la segunda ley es la ley de la segregación la cual expone que los dos alelos para un carácter heredable se separan (segregan) durante la formación de los gametos, terminando en gametos distintos (50% de los gametos recibe un alelo y el 50% restante el otro); y la tercera es la ley de la distribución independiente que anuncia que cada par de alelos se segrega de manera independiente de los otros pares de alelos durante la formación de un gameto. El estudio estadístico de la herencia reveló que las leyes de probabilidad rigen la herencia mendeliana. Así pues, la probabilidad de un suceso se calcula mediante la relación casos favorables / casos posibles, por otro lado la regla del producto afirma que la probabilidad de que se cumplan dos sucesos independientes es igual al producto de las probabilidades de ambos sucesos; y mediante la regla de la suma se calcula la probabilidad de que se produzca uno o más acontecimientos mutuamente excluyentes sumando la probabilidad de ambos sucesos. Pero en realidad, los patrones hereditarios suelen ser más complejos de lo previsto por la simple genética mendelaina. Para el caso de un gen individual, no todos los genes son completamente dominantes o recesivos (es el caso de la dominancia incompleta y de la codominancia), además un gen en particular 1. rr = esta nomenclatura representa los dos alelos recesivos (coloración blanca) 2. RR = dos alelos dominantes (coloración roja). 3. Rr = El alelo dominante R impone su expresión fenotípica (rojo). 4. Las leyes se expondrán empleando terminología moderna. 5. No es una ley de transmisión de caracteres, sino de manifestación de dominancia frente a la no manifestación de los caracteres recesivos. Por ello, en ocasiones no es considerada una ley o principio fundamental. puede tener más de dos alelos (alelos múltiples) e incluso un mismo gen puede producir fenotipos múltiples (pleiotropía). Para el caso de 2 o más genes la cuestión es más compleja ya que el gen de un locus puede alterar la expresión fenotípica de otro gen en un segundo locus (epistasis), también existen carácteres que varían de forma contínua en la población (ej: color de la piel) lo cual es resultado de un efecto aditivo de dos o más genes sobre un carácter fenotípico único (herencia poligénica) y por último es importante destacar que el fenotipo de un organismo no solamente es resultado de su genotipo sinó que también influye considerablemente el medio ambiente, así pues por lo general, un genotipo no se asocia a un fenotipo rígido sinó a un abanico de posibilidades fenotípicas6 debidas a las influencias ambientales. En el caso de los seres humanos, existen numerosos rasgos que siguen los patrones mendelianos de la herencia, luego mediante los pedigrís familiares se pueden deducir los genotipos individuales posibles y efectuar predicciones estadísticas acerca de su descendencia futura. La mayoría de trastornos genéticos se heredan como rasgos recesivos simples (enfermedad de Tay-Sachs, fibrosis quística, anemia drepanocítica, ...) lo cual significa que los afectados poseeran un genotipo homocigoto recesivo y son probablemente descendientes de heterocigotos con fenotipo normal. Son raros los trastornos hereditarios dominantes ya que los afectados suelen morir antes de reproducirse (en la mayoría de los casos no letales se cumplen los patrones hereditarios mendelianos). Por último enfermedades como la diabetes, enfermedad cardíaca, el cáncer, ciertas enfermedades mentales como la esquizofrenia o el trastorno maníaco depresivo, etc... son consideradas trastornos multifactoriales, dado que en ellas intervienen varios genes así como la influencia del ambiente, con lo que no siguen un patrón de herencia mendeliano. Bases cromosómicas de la herencia: A principios del siglo XX empieza a tomar forma la teoría cromosómica de la herencia, siendo Thomas Hunt Morgan el que con sus experimentos con Drosophila melanogaster proporcionó la primera evidencia sólida de que un gen específico se asociaba a un cromosoma concreto. A partir de ahí se dedujo que los principios de segregación y distribución independiente (propuestos por Mendel), tienen lugar durante la formación de los gametos, concretamente en la metafase I y la anafase I de la meiosis7 . Por ello, parte de la descendencia de un 6. Al espectro fenotípico de un genotipo en particular, se lo denomina su norma de reacción. 7. En la meiosis I, los cromosomas homólogos (paterno y materno) se Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 2 de 11
  • 3. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net cruzamiento heredará un fenotipo que concuerde con uno de los fenotipos parentales y la otra parte de la descendencia poseerá combinaciones de rasgos distintos de los encontrados en cada padre (fenotipo recombinante), de acuerdo con ésto se define la frecuencia de recombinación como el porcentaje de fenotipos recombinantes de la descendencia del cruce en estudio. A causa de la distribución independiente y de la fertilización al azar8 , los genes que se ubican en cromosomas distintos (genes no ligados) presentan una frecuencia de recombinación del 50%9 . Como ya se ha comentado, cada cromosoma contiene cientos o unos pocos miles de genes, lo que provoca que los genes ubicados en el mismo cromosoma tiendan a heredarse juntos en los cruzaminetos genéticos (a éstos se los denomina: genes ligados), en este caso no se cumple la ley de la distribución independiente. Pero no siempre es cierto que se hereden conjuntamente ya que durante la profase I de la meiosis se pueden producir varios entrecruzamientos entre cromosomas homólogos lo cual altera la frecuencia de recombinación ya que como resultado se producen combinaciones genéticas distintas de las parentales. Sturtevanz propuso en su teoría que, en general, cuanto más alejados se encuentran dos genes de un cromosoma, más probabilidad existe de que se separen durante el entrecruzamiento y consecuentemente mayor será la frecuencia de recombinación10 ; basándose en esta premisa se confeccionan mapas de ligamiento en los que se distribuye de forma ordenada las posiciones que ocupan los genes en un cromosoma así como las distancias relativas entre ellos. Hay que tener en cuenta que existen genes que se encuentran tan distantes dentro del cromosoma que su frecuencia de recombinación es del 50% y consecuentemente cumple la ley de la distribución independiente comportándose como genes no ligados. En los seres humanos y en los mamíferos, es el macho el que determina el sexo de la descendencia: la hembra (XX) siempre aporta un cromosoma X mientras que el macho (XY) puede aportar un cromosomas X (descendiente = XX, hembra) o un cromosoma Y (descendiente = XY, macho). Se denominan genes ligados al sexo, aquellos genes (no relacionados con el sexo) que se localizan en un distribuyen y segregan aleatoriamente. 8.- El azar interviene de manera my importante creando diversidad. Al hablar de azar , se hace referencia a que es totalmente aleatoria la decisión de que gametos se fusionaran para formar el cigoto. 9. O lo que es lo mismo 50% fenotipos recombinantes y 50% fenotipos parentales. 10. En realidad la frecuencia de entrecruzamiento no es uniforme, por lo que la teoría de Sturtevanz no es del todo correcta. Esto conlleva que las distancias de los mapas de ligamientos no coinciden exactamente con la realidad. cromosoma sexual (referido al cromosma X11 ). Hay que tener en cuenta que los padres transmiten los alelos ligados al sexo a sus hijas pero no a los hijos, mientras que las madres los transmiten a hijos e hijas. Así pues cualquier varón que herede un alelo recesivo de su madre, expresará el rasgo. Por otro lado, en las hembras, uno de los cromosomas X de cada célula se inactiva12 al azar durante el desarrollo embrionario temprano, con lo que si la hembra es heterocigota para un gen ligado al sexo, exhibirá un mosaico para ese carácter, expresando el alelo materno en el 50% de sus células y el paterno en el otro 50%. Algunos de los trastornos genéticos son causados por la alteración del número o de la estructura de los cromosomas lo cual puede afectar al fenotipo, pudiendo, entre otras alteraciones, causar síndrome de Down y ciertos cánceres. Los trastornos por número anormal de cromosomas están relacionados con la no disyunción13 errónea durante la meiosis o durante la mitosis de células embrionario tempranas (con lo que se transmitirá a un gran número de células a medida que se vaya formando el organismo): si no se produce disyunción durante la meiosis se obtiene un gameto que recibe dos copias del mismo cromosoma y otro que no recibe ninguna, cuando uno de éstos se une con un gameto normal se obtienen respectivamente un cigoto aneuploide14 trisómico (2n+1 cromosomas) y uno monosómico (2n-1); si la no disyunción se produce en la mitosis (embrión temprano) da como resultado células con más de 2 conjuntos de cromosomas completos (poliploidía): triploidía (3n) y tetraploidía (4n); la poliploidía es frecuente en el reino vegetal pero no en el animal. En general los poliploides son más normales en apariencia que los aneuploides. Por otro lado, y continuando con los trastornos genéticos, la ruptura de un cromosoma puede dar lugar a reordenamientos (alteraciones de la estructura cromosómica): un cromosoma puede perder un fragmento de ADN (delección) que puede pegarse a su cromosoma homólogo produciendo una duplicación, o a un cromosoma no homólogo (translocación), o puede fijarse en el mismo cromosoma original con orientación distinta (inversión). Existen algunos patrones que no cumplen la teoría 11. El cromosoma Y es mucho más pequeño que el X y en consecuencia posee muchos menos genes, con lo que el término genes ligados al sexo se refiere en los seres humanos (por razones históricas) solo al cromosoma X. 12. El cromosoma X inactivado se condensa en un objeto compacto denominado corpúsculo de Barr. 13. La disyunción es la separación de cromosomas o cromátides durante la meiosis (anafase I y II) o la mitosis (anafase). 14.- Célula o individuo con un número anormal de cromosomas que no es múltiplo exacto del número haploide. Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 3 de 11
  • 4. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net cromosómica estándard expuesta hasta este momento: tal es el caso de la impromta genómica15 (las impromtas se forman durante la producción de gametos con el resultado de que un alelo paterno o materno no se expresará en la descendencia); y también es el caso de la herencia de los genes de los orgánulos ya que el citoplasma del cigoto proviene del gameto del progenitor femenino (óvulo) y consecuentemente la herencia de los rasgos controlados por los genes de los cloroplastos y mitocondrias dependerá solamente de dicho progenitor. Bases moleculares de la herencia: De los experimentos con bacterias y fagos16 se obtuvieron las primeras evidencias fundamentadas de que el DNA es el material que contiene la información genética. Posteriormente, james Watson y Francis Crick, en 1953, dedujeron que la estructura del DNA se basa en una doble hélice: dos cadenas de azúcar-fosfato antiparalelas17 que se enrollan alrededor del exterior de la molécula con las bases nitrogenadas proyectadas hacia el interior, donde se unen mediante enlaces de hidrógeno en pares específicos (purina-pirimidina, manteniendo así uniforme la estructura): adenina (A) con timina (T) y guanina (G) con citosina (C). Como resultado de esta regla de apareamiento, se dispone de dos cadenas complementarias de forma que cada una de ellas almacena la información para reconstruir la otra. Este principio básico de apareamiento es la base de la replicación y reparación del DNA; se expone a continuación. La replicación del DNA18 comienza en sitios especiales del DNA denominados orígenes de replicación, las proteínas que inician la replicación reconocen la secuencia nucleotídica de esos sitios y se fijan en ellos separando las dos cadenas, a la vez que forman una “burbuja”19 . En cada extremo de la burbuja de replicación existe una horquilla de replicación (región en forma de Y en la que están creciendo nuevas cadenas de DNA). La síntesis del 15.- La impromta genómica es un proceso biológico por el cual un gen o dominio genómico se encuentra marcado bioquímicamente indicando su origen parental. 16.- Un bacteriófago (también denominado fago) es un virus que infecta bacterias. 17. En el mismo extremo de la hélice encontramos un extremo 3' de la pentosa del nucleótido de una hebra y un extremo 5' para la otra hebra. 18. La repliación de DNA expuesta es la que tiene lugar en los procariontes, dado que es más simple y es suficiente para dar una idea de lo que sucede también en los eucariontes. 19. En el caso de un cromosoma eucarionte, pueden existir cientos e incluso miles de orígenes de replicación, formándose burbujas de replicación múltiples que eventualmente se fusionan, acelerando así la replicación. Para el caso del cromosoma bacteriano, que es circular, tiene un orígen único en la que se abre una burbuja y la replicación avanza en ambas direcciones. DNA se inicia en el extremo 3' del cebador que es un polinucleótido corto (RNA) complementario a la cadena molde sintetizado por la enzima primasa. La elongación de la cadena de DNA a partir del extremo 3' del cebador se cataliza por unas enzimas denominadas DNA polimerasas. Cada molécula de nucleótido (nucleósido trifosfato) que se une al extremo en crecimiento del DNA pierde dos grupos fosfato (molécula de pirofosfato). La hidrólisis posterior de este pirofosfato en dos moléculas de fosfato inorgánico es la reacción exergónica que impulsa la reacción de polimerización. La cadena de DNA replicada por este mecanismo se denomina hebra adelantada y se prolonga en la dirección 5'→3'. La replicación de la hebra complementaria (hebra retrasada) es más compleja dado que la DNA polimerasa solamente puede adicionar nucleótidos en la dirección 3' y no en la 5' que precisamente es la dirección de replicación para esta hebra. Para ello, la hebra retrasada se sintetiza como una serie de segmentos (fragmentos de Okazapi). En este caso, la DNA polimerasa III se va alejando de la horquilla de replicación mientras sintetiza un segmento de la hebra replicada, iniciado por un cebador, en la dirección 5'→3 ' , p r o c e s o q u e s e r e a l i z a repetitivamente con ayuda de la DNA polimeras I que se encarga de eliminar el cebador y de una enzima DNA ligasa que va uniendo los segmentos formados. En cuanto a los mecanismos de reparación, cada célula vigila y repara continuamente su material genético dado que es imprescindible para la supervivencia de un organismo. Cuando se produce un error de DNA durante el proceso de replicación (ej: nucleótidos mal apareados), las DNA polimerasas corrigen el DNA recientemente sintetizado sustituyendo los nucleótidos incorrectos. En caso de que no se pueda corregir, con posterioridad a la replicación actuarán las enzimas de reparación corrigiendo el apareo incorrecto de bases, o bién una enzima nucleasa cortando el segmento de la cadena de DNA dañada generando así un hueco que se completará con otro segmento nuevo de cadena sintetizada por la DNA polimerasa a partir de la replicación de la cadena correcta (cadena complementaria); el nuevo segmento se unirá a la cadena cortada mediante las DNA ligasas (a este último mecanimo se lo denomina reparación por escisión de nucleótidos). Hay que tener en cuenta que los extremos de DNA de los eucariontes se acortan cada vez más en cada ciclo de replicación debido a la eliminación de los cebadores terminales20 . La presencia de unas 20. Al eliminar el cebador terminal (no incluye los cebadores de los fragmentos de Ozakapi) queda una parte de ADN (a la cual se unía el Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 4 de 11
  • 5. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net secuencias repetitivas en los extremos de las moléculas de DNA lineal (telómeros) pospone la “erosión” de los genes. En el caso de células que dan origen a los gametos (células germinales), es imprescindible poder restaurar (alargando) los telómeros compensando así el acortamiento producido por las repetitivas replicaciones del DNA, esta función es realizada por una enzima denominada telomerasa. De esta manera los gametos transmitirán un ADN no erosionado. Síntesis de proteínas: del gen a la proteína: La mayoría de genes poseen información cuya expresión da lugar a la síntesis de polipéptidos (proteínas). Esta información genética está codificada en forma de codones (tripletes de bases). La agrupación de bases en codones permite 64 combinaciones posibles de tripletes de bases21 que definen el código genético: 61 codones sirven para codificar aminoácidos (codifican los 20 aminoácidos existiendo codones redundantes) y 3 codones más que son usados como señales de terminación. Para leer correctamente la información de un gen, es imprescindible la agrupación correcta de las bases en tripeletes22 , dicho de otra forma: los codones deben ser leídos en el marco de lectura correcto para que se produzca un polipéptido específico. El código genético es universal ya que se comparte desde las bacterias más simples hasta los animales más complejos lo cual indica que este código evolucionó en una fase muy temprana en la historia de la vida. La síntesis de proteínas a partir de la información genética pasa por dos fases: la transcripción y la traducción, aunque existe un paso intermedio en los eucariontes correspondiente a las modificaciones post-transcripcionales. La transcripción, que para las células eucariontes tiene lugar en el interior del núcleo celular, es la síntesis de una cadena de RNA mensajero (mRNA) siguiendo el molde de una porción de DNA denominado unidad de transcripción. La síntesis de un tránscrito de RNA pasa por tres etapas: en la iniciación (primera etapa), la enzima RNA polimerasa se une directamente al promotor23 en el caso de los procarinotes o con ayuda de factores de transcripción en el caso de los eucariontes24 iniciando la separación de las dos cebador) sin replicarse, a medida que se realizan repeticiones sucesivas las cadenas de ADN eucarionte van acortándose irremediablemente, lo cual no sucede en el ADN circular de los procariontes. 21. Cuatro bases, agrupadas de tres en tres; 43 =64. 22. El desfase de la lectura en una base, por ejemplo, proporcionaría una información totalmente distinta. 23. El promotor es una secuencia de DNA que contiene el punto de inicio de la transcripción e indica cual de las hebras del DNA se utilizará como molde. El promotor es reconocido por la RNA polimerasa. 24. Conjunto de proteínas que actúan como mediadoras para que la RNA polimerasa se pueda unir al promotor. cadenas de DNA de la doble hélice. La segunda fase es la elongación, en ella a medida que la RNA polimerasa continua desenrollando la doble hélice se exponen de 10 a 20 bases de DNA para el apareamiento con nucleótidos de RNA (A-U, G-C), de esta forma la RNA polimerasa va añadiendo nucleótidos al extremo 3' de la nueva molécula de RNA. A medida que va sintetizándose el RNA ésta va despegándose del molde de DNA reconstruiéndose la doble hélice (en la zona de DNA ya utilizada) a medida que continua la transcripción. En la última fase, la terminación, la transcripción termina cuando encuentra una secuencia de terminación en el DNA en el caso de los procariontes, pero en los eucariontes son las proteínas asociadas con el tránscrito RNA las que lo cortan de la polimerasa liberando el pre-RNA. A continuación la cadena de pre-RNA es modificada (modificación port- transcripcional) antes de abandonar el núcleo, modificando ambos extremos25 y realizando corte y empalme en el RNA con la finalidad de eliminar los segmentos no codificantes (intrones) y uniendo entre sí los exones (segmentos codificantes) con lo que se obtiene una cadena de RNA madura completamente codificante y con las terminaciones adecuadas. Según que partes de RNA sean consideradas intrones o exones se obtendrá al final de la síntesis un polipéptido u otro, lo cual permite utilizar un mismo gen para codificar polipéptidos distintos por medio del corte y empalme alternativo. El segundo paso de la síntesis es la traducción de la cadena de mRNA en una proteína, la cual se realiza en el citoplasma, concretamente en los ribosomas. Para ello se sirve del ARN de transferencia (tARN) cuya función es la de transferir aminoácidos del citoplasma hacia el ribosoma. El tRNA dispone por una parte de un anticodón (triplete de bases complementario al codón del mRNA) y por otra parte es capaz de establecer enlace covalente con un aminoácido concreto26 . Las subunidades mayor y menor de los ribosomas (procedentes del núcleo) se unen en el instante en que la subunidad menor fija una molécula de mRNA, momento en el cual el ribosoma empieza a facilitar el acoplamiento específico de los anticodones del tRNA con los codones del mRNA (fase de iniciación). A medida que secuencialmente se van uniendo los tRNA, el RNA ribosómico (rRNA) se encarga de efectuar los enlaces peptídicos entre los aminoácidos que transportan, formándose así, eslabón a eslabón, la cadena polipeptídica (fase de elongación) hasta que se encuentra un codón de terminación, momento en el cual una proteína denominada factor de 25. Se añade un casquete nucleotídico modificado al extremo 5' y una cola poil-A al extremo 3'. 26. El que le corresponde de acuerdo con el codón y el código genético. Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 5 de 11
  • 6. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net terminación se encarga de liberar la cadena polipeptídica recién formada (fase de terminación). Es importante destacar que numerosos ribosomas pueden traducir una sola molécula de mRNA de forma simultánea, formando lo que se conoce como polirribosoma. Dado que las células procariontes carecen de envoltura nuclear y no precisan de modificaciones post-transcripcionales, pueden iniciar la traducción mientras la transcripción aún no ha terminado. La capacidad del RNA para realizar funciones tan diferentes se basa en 3 propiedades: puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas de ácidos nucléicos (DNA o RNA), puede asumir una forma tridimensional específica y tiene grupos funcionales que la permiten actuar como un catalizador (ribozima). Las mutaciones son cambios en el material genético, cuando estos cambios suceden solamente en un par de bases de un gen, se denominan mutaciones puntuales, de las cuales existen dos tipos: las sustituciones que consisten en la sustitución de un nucleótido y de su acompañante por un par de nucleótidos distintos, y las inserciones y delecciones que consisten en las adiciones o pérdidas de pares de nucleótidos en un gen, éstas acostumbran a tener efectos desastrosos sobre la proteína que codifica dicho gen ya que alteran el marco de lectura del código27 . Existen numerosos factores físicos (rayos X, luz UV, ...) y químicos, además de las mutaciones espontáneas28 , que pueden causar mutaciones sobre el DNA (a estos factores se los denomina mutágenos). Genética de los virus: Un virus es una cadena de DNA o RNA pequeña que se encuentra encerrada en una cápside de naturaleza proteica, y en algunos casos, la cápside, está envuelta por una envoltura membranosa que contiene proteínas que ayudan a que los virus se introduzcan en las células huésped, lo cual es esencial dado que los virus utilizan las enzimas, ribosomas y moléculas pequeñas de la célula huésped para procrearse. Las cápsides más complejas se encuentran en los virus bacteriófagos (o fagos), que son los virus que infectan bacterias. El ciclo de vida genérico de un virus empieza cuando un virus libera su genoma viral y las proteínas que forman la cápside al interior de la célula huésped (dejando la cubierta membranosa en el exterior). A continuación el genoma viral es replicado múltiples veces por enzimas de la célula huésped. Varias 27. Siempre que el número de nucleótidos no sea múltiple de tres. 28. Son aquellas que se producen durante la replicación, reparación o recombinación del DNA. copias del genoma viral son transcritas por enzimas de la célula huésped en mRNA para que a continuación los ribosomas lo traduzcan sintetizando así proteínas para las cápsides de la progenie. Por último el genoma viral replicado y las nuevas proteínas para las cápsides se autoensamblan en nuevas partículas virales que saldrán de la célula para invadir a otras células. El estudio de los fagos condujo al descubrimiento de que algunos de los DNA virus de cadena doble se pueden reproducir mediante dos mecanismos alternativos: el ciclo lítico que es muy similar al ciclo genérico con la peculiaridad de que culmina con la muerte de la célula huésped (a los fagos que se reproducen de esta manera se los denomina fagos virulentos); y el ciclo lisogénico en el que se replica el genoma del fago sin destruir la célula huésped ya que el DNA viral se recombina con el DNA de la célula huésped, consiguiendo así que con el ciclo celular se replique y propague a otras células el genoma viral (se les llama profagos o provirus). A los fagos capaces de combinar ambos ciclos de reproducción en el interior de una bacteria se los denomina fagos templados, este tipo de fagos sigue el ciclo lisogénico hasta que alguna circunstancia ambiental (una radiación, una sustancia química, etc...) desencadena el cambio a ciclo lítico. Muchos virus de animales tienen su genoma constituido de RNA y poseen envoltura externa. En éstos la cápside y el RNA se introducen en la célula animal por endocitosis (previa unión entre las glucoproteínas de la envoltura viral con los receptores celulares de membrana); en el interior celular se sintetizan nuevas copias del RNA vírico, varias de éstas cadenas de RNA actúan como mRNA para que los orgánulos y la bioquímica celulares implicados sinteticen proteínas para la cápside y glucoproteínas necesarias para la envoltura viral. Posteriormente la descendencia viral brota de la membrana plasmática utilizando parte de ésta (a la que se han aderido las glucoperoteínas sintetizadas) como envoltura viral. Este ciclo reproductivo no necesariamente destruye la célula huésped. Los retrovirus, como es el caso del VIH, utilizan la enzima transcriptasa inversa para copiar su genoma RNA en DNA, que se puede integrar en el genoma de la célula huésped como si de un provirus se tratara. Dado que los virus solamente pueden reproducirse en el interior celular, es probable que hayan evolucionado posteriormente a la aparición de las primeras células, se cree que como fragmentos empaquetados de ácidos nucleicos celulares. La sintomatología producida por las enfermedades víricas puede ser debida al daño causado Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 6 de 11
  • 7. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net directamente por el virus sobre las células o bién a la respuesta inmune del organismo infectado. En el caso de los seres humanos, los brotes de nuevas enfermedades víricas suelen estar causadas por virus ya existentes que amplían su territorio de hospedaje. En el caso de las plantas los virus pueden entrar en las células vegetales a través de paredes celulares dañadas (transmisión horizontal) o bién pueden ser heredados de un progenitor (transmisión vertical). Por último, existen agentes infecciosos más simples que los virus, como los viroides (moléculas desnudas de RNA que infectan las plantas interrumpiendo su crecimiento) y los priones (proteínas infecciosas de acción lenta, para las que actualmente no se conoce remedio, y que causan enfermedades cerebrales en los mamíferos29 ). Genética de bacterias: El componente principal del genoma de la mayoría de bacterias es una molécula de DNA circular, de cadena doble, que se asocia con una pequeña cantidad de proteína. Este cromosoma se enrolla muy densamente formando un “paquete” que ocupa una parte de la célula bacteriana denominada nucleolo. Un gran número de bacterias poseen otras moléculas circulares de DNA separadas del cromosoma bacteriano y que son mucho más pequeñas que éste (contienen pocos genes) denominados plásmidos. Las células bacterianas se dividen por fisión binaria (reproducción asexual) predecida obviamente por la replicación del DNA30 . Las bacterias pueden proliferar muy rápidamente en condiciones propicias (Ej: una bacteria de E. coli puede generar una población de 108 bacterias en 12 horas). Precisamente esta rápida proliferación hace posible la existencia de muchas mutaciones lo cual posibilita que las mutaciones sean los principales factores de variación genética31 en las bacterias, aunque también existe variación por recombinación genética. La recombinación genética que posibilita la aparición de nuevas cepas bacterianas se realiza por transferencia de DNA de una célula a otra, lo cual puede tener lugar por alguno de los tres mecanismos siguientes: la transformación (alteración del fenotipo y genotipo de la bacteria por la captación de DNA 29.- Es el caso, por ejemplo, de la encefalopatía espongiforme bovina, más conocida como la enfermedad de las vacas locas. 30. La replicación se origina en el único origen de replicación existente, avanzando la síntesis del DNA en ambas direcciones a lo largo del cromosoma circular. 31. Lo cual no ocurre en organismos (como los mamíferos) en los cuales el ritmo de reproducción es mucho más lento, ya que existen muchas menos mutaciones y en los que la mayoría de variaciones hereditarias se deben a la recombinación, durante la reproducción sexual, de alelos existentes (no a las mutaciones). desnudo extraño del medio circundante), la transducción (el DNA se transporta de una célula a otra como resultado de aberraciones en el ciclo reproductivo de los fagos) y la conjugación que consiste en la transferencia de material genético entre dos células bacterianas que se unen temporalmente para ello. Solamente las células bacterianas que disponen de un fragmento especial de DNA denominado factor F (que puede existir en un plásmido o en un cromosoma bacteriano32 ) poseen la capacidad de conjugarse. Cuando el factor F se encuentra en un plásmido, a éste se lo conoce como plásmido F. Durante la conjugación una célula donante F+ (célula que posee el plásmido F) transfiere una hebra del DNA de este plásmido a la célula receptora F- (célula que hasta el momento no poseía el plásmido F), obteniéndose al final del proceso dos células con una cadena de DNA que despúes de la replicación poseen el plásmido completo deviniendo ambas células F+. Otro tipo de plásmido importante es el plásmido R cuyo DNA codifica enzimas que le confieren resistencia a diversos antibióticos. Otra forma de recombinación genética en las bacterias se debe a los elementos transponibles que son fragmentos de DNA que se mueven de un sitio del DNA a otro denominado sitio diana (dentro de la misma célula bacteriana). El proceso de transposición se puede realizar por un mecanismo de “cortar y pegar” o por otro de “copiar y pegar”. El tipo más simple de estos elementos transponibles se denomina secuencia de inserción y solo contienen un gen que codifica una transposasa (enzima que cataliza la transposición); otro tipo más complejo son los transposones que además incluyen otros genes como por ejemplo los de la resistencia antibiótica que pueden ser unidos (recombinándolos) a un plásmido R. Por último es importante destacar que los cambios ambientales influyen en la regulación metabólica, lo cual ocurre a dos niveles: ajustando la actividad de las enzimas existentes y/o ajustando la cantidad de enzimas que deben sintetizarse, el segundo caso se realiza regulando la expresión génica de los genes que codifican dichas enzimas, el mecanismo básico de este proceso se ha dado a conocer como el modelo del operón. Según este modelo los genes que codifican un conjunto de enzimas de una vía metabólica concreta, se agrupan en el cromosoma bacteriano de forma que el mismo promotor sirva para todos ellos, formando así una única unidad de 32. A la célula que posee el factor F formando parte del cromosoma bacteriano se la denomina célual Hfr. Ésta, cuando transfiere el factor F por conjugación a otra célula, arrastra también parte del ADN de su cromosoma. Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 7 de 11
  • 8. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net transcripción. De esta forma un mismo operador (segmento de DNA que actúa a modo de interruptor) controla la expresión de todos los genes implicados. Al conjunto formado por los genes mencionados, el operador y el promotor se lo denomina operón. La regulación génica puede ser negativa o positiva. En el caso de regulación génica negativa, existen dos tipos: los operones reprimibles en los cuales la unión de una proteína represora con el operador corta la transcripción (Ej: operón trp33 ); y los operones inducibles en los que la unión de un inductor con un represor activo inactiva al represor permitiendo la transcripción (Ej: operón lac34 ). En el caso de la regulación génica positiva una proteína activadora promueve la transcripción cuando se une a un sitio concreto del promotor, dado que en ese momento la RNA polimerasa siente afinidad por el complejo promotor-proteína, de lo contrario no existe afinidad y por lo tanto no se activa la transcripción. Genomas eucariontes: La cromatina de las células eucariontes está compuesta por DNA e histonas35 , unidos forman los nucleosomas que son la unidad básica de empaquetamiento del DNA. Tres niveles adicionales de empaquetamiento dan a los cromosoma el aspecto denso propio de la fase mitótica. De acuerdo con el nivel de empaquetamiento se distingue entre eucromatina (nivel bajo de empaquetamiento que permite la transcripción) y heterocromatina (nivel alto de empaquetamiento que no permite la transcripción ya que la RNA polimerasa no tiene espacio para acceder al promotor). En los organismos multicelulares complejos existen tipos de células distintos aunque su genoma sea el mismo que para el resto de células del organismo. Lo que produce esa diferenciación celular es la expresión génica diferencial, o lo que es lo mismo, distintos tipos de células expresan conjuntos de genes diferentes del mismo genoma, lo cual requiere de una regulación de la expresión génica que puede ser realizada mediante cambios de la estructura de la cromatina, o bién regulando la transcripción o mediante una regulación post-transcripcional. Por lo referente a la regulación por cambios en la estructura de la cromatina, la modificación química de la cola de histona tiene efectos sobre la estructura de la cromatina: la acetilación de las histonas36 imposibilita el plegamiento de la cromatina facilitando la transcripción, y la metilación de las histonas37 33. Implicado en la síntesis del triptófano. 34. Implicado en la síntesis de la lactosa. 35. Las histonas son proteínas que poseen un extremo amino denominado cola de histona que se extiende hacia el exteior del nucleosoma. 36. Grupos acetilos que se adhieren a las colas de histona. 37. Grupos metilo que se adhieren a las colas de histona. provoca la compactación de la cromatina imposibilitando su transcripción. Por otro lado también la metilación del DNA se asocia con reducción de la transcripción. Existen en los cromosomas eucariontes segmentos de DNA no codificante, denominados elementos de control, que se encuentran alejados del gen que ayudan a transcribir y que se unen en grupos denominados amplificadores o potenciadores; a ellos se unen factores de transcripción específicos (activadores o represores) que regulan la iniciación de la transcripción para genes concretos. Una proteína que pliega el DNA acerca los activadores, ahora enlazados al amplificador, hacia el promotor del gen donde otros factores de transcripción, proteínas mediadoras y la RNA polimerasa están presentes, agrupándose todos ellos en el complejo de iniciación de la transcripción. En los eucariontes cada gen tiene su propio promotor y sus elementos de control, así pues la coordinación de la expresión de distintos genes se realiza de forma distinta a la de los procariontes (modelo del operón): los genes eucariontes a coexpresar se pueden encontrar en cromosomas distintos, la expresión génica coordinada depende de la asociación de un elemento de control específico, de esta forma cuando el activador está presente se inicia la transcripción de los genes a coordinar de forma conjunta. En etapas posteriores a la transcripción también se puede llevar a cabo la regulación: a nivel de procesamiento del tránscrito de RNA (como es el caso del corte y empalme alternativo), mediante la degradación del mRNA (el mRNA38 d e l o s eucariontes puede ser interferido por el micro-RNA induciéndolo a la degradación de manera que se impida su traducción), por otro lado se puede regular la iniciación de la traducción por medio de la regulación de los factores de iniciación o a través de proteínas que fijándose en mRNA impidan que se fije éste al ribosoma; y por último después de la síntesis polipeptídica ribosómica, son necesarios procesos adicionales que convertirán a los polipéptidos implicados en proteínas funcionales; en cualquiera de estos procesos puede producirse también regulación. La expresión de los protooncogenes39 y de los genes supresores de tumores40 genera unos productos que 38. El mRNA en los eucariontes tiene una supervivencia muy superior a los de los procariontes, por lo que si en algún momento es necesario frenar la síntesis proteíca, es necesario algún mecanismo de degradación, de lo contrario aunque se bloquee la transcripción continuará traduciéndose mRNA durante algún tiempo. 39. Los protooncogenes son genes que regulan el crecimiento y la división celular durante el ciclo celular. 40. Los genes supresores de tumores son genes cuyos productos normales inhiben la división celular. Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 8 de 11
  • 9. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net controlan la división celular . Una modificación (por translocación, por transposición, por mutación o por amplificación) de un protooncogen puede convertirlo e n oncogén41 el cual podría promover una división celular excesiva y consecuentemente causar cáncer. Por otro lado una mutación sobre un gen supresor de tumores que redujera la actividad de su producto proteico puede conducir también a una división celular excesiva. El cáncer puede desarrollarse en un organismo por causa de varios factores (modelo multifásico de desarrollo del cáncer), las células normales pueden convertirse en cancerosas por acumulación de mutaciones (se calcula por probabilidad que alrededor de 6 mutaciones en una célula la convertirían en cancerosa), pero también ciertos virus promueven el cáncer mediante la integración del DNA viral en el genoma de la célula huésped. Esta modificación genética (oncogén) puede causar una predisposición hereditaria a padecer cáncer ya que los individuos que heredan un oncogen o un alelo mutante de un gen supresor de tumores tienen un riesgo mayor de desarrollar cáncer ya que el genoma de sus célula ya posee una mutación. El genoma de las células eucariontes posee una gran cantidad de DNA no codificante. De hecho se calcula que el 1,5% del genoma corresponde a exones (regiones de genes codificantes de proteínas, mRNA y tRNA), el resto del genoma contiene intrones y secuencias reguladoras (24%), DNA repetitivo (59%) y DNA no codificante (15%). El tipo más abundante de DNA repetitivo se compone de elementos transponibles (transposones42 y retrotransposones43 ) y secuencias relacionadas; existe otra porción menor de DNA repetitivo que se encuentra en los centrómeros y en los telómeros. La mayoría de los genes están presentes en una copia por juego haploide de cromosomas, el resto se encuentran en familias multigénicas que pueden ser de genes distintos (por ejemplo la familia multigénica de la hemoglobina) o de genes idénticos como es el caso de la unidad de transcripción que codifica los 3 rRNA mayores que se repite de cientos a miles de veces en varios sitios del cromosoma, lo que le permite a la célula elaborar con rapidez rRNA para millones de ribosomas. Diferentes circunstancias pueden dar lugar a modificaciones del DNA que contribuyen a la evolución del genoma: se puede dar el caso de duplicaciones accidentales durante la división celular generando células poliploides más aptas que sus predecesoras; otra circunstancia importante es la 41. Un oncogén, es un gen causante del cáncer. 42. Los transposones se mueven con ayuda de DNA intermediario. 43. Los retrotransposones se mueven a través de un RNA intermediario. duplicación de genes, ya que una vez duplicados pueden sufrir variaciones distintas con lo que en el transcurso del tiempo se genera una divergencia entre los dos genes aportando así variaciones que puede mejorar la adaptación al medio circundante; también es destacable el reordenamiento de exones dentro de un mismo gen o entre genes que se ha producido en muchos procesos evolutivos, lo cual a dado orígen a genes con una reordenación de los exones que en algunos casos podrían expresarse en proteínas más aptas44 ; y por último, los elementos transponibles también han contribuido a la evolución del genoma generando combinaciones nuevas de secuencias que han resultado ser beneficiosas para el organismo. Tecnología del DNA y genómica: Se denomina genómica al estudio sistemático de genomas completos para lo cual se requiere un componente tecnológico importante. Los descubrimientos sobre genética y en particular sobre la estructura del DNA han permitido poder manipularlo con la finalidad de producir productos y organismos nuevos beneficiosos. Para ello se han desarrollado un conjunto de técnicas denominadas de forma colectiva tecnología del DNA entre las cuales figura la clonación del DNA que permite la producción de múltiples copias de un gen específico o de un fragmento de DNA concreto. Como ejemplo se expone, a continuación, la clonación de un gen en un plásmido bacteriano que es un procedimiento que se utiliza para conseguir copias de un gen o bién para sintetizar las proteínas que éste codifica. Este procedimiento se realiza aislando los plásmidos bacterianos (vectores de clonación) y el DNA de las células eucariontes que contine el gen de interés. Se cortan ambas muestras de DNA con la misma enzima de restricción45 que realiza un solo corte en el DNA del plásmido y muchos cortes en el DNA eucarióntico. A continuación se mezclan los plásmidos cortados con los fragmentos de DNA eucarióntico uniéndose algunos de ellos por apareamiento de bases, unión que se estabiliza agregando DNA ligasas a la mezcla. Se obtienen como productos plásmidos recombinantes46 (que son 44. Hay que tener en cuenta que normalmente un exón codifica un dominio de una proteína, es decir, una región proteica distinta desde el punto de vista estructural o funcional. Por tanto la reordenación de exones puede repercutir en una disposición distinta de los dominios, que por ejemplo puede proporcionar una mayor estabilidad a la proteína. 45. Las enzimas de restricción también conocidas como endonucleasas de restricción protegen a la célula bacteriana contra la entrada de DNA de otros organismos, cortándolo mediante un proceso denominado restricción. Estas enzimas cortan el DNA por el sitio de restricción que es una secuencia corta de DNA que reconoce de forma muy específica (si la cadena de DNA es muy larga las enzimas realizan múltiples cortes generando fragmentos de restricción). 46. El DNA recombinante es el DNA que contiene secuencias Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 9 de 11
  • 10. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net los que se perseguía conseguir) y otros no recombinantes. Por último se introducen los plásmidos en el interior de las bacterias utilizando métodos químicos para aislar las bacterias recombinantes, estas bacterias se reproducirán formando un clon de células idénticas. Al conjunto completo de clones de plásmidos, cada uno de ellos portador de un segmento específico del genoma eucarionte inicial, se denomina genoteca genómica. Una genoteca de cDNA (DNA complementario) se construye por medio de la clonación de DNA in vitro mediante la transcriptasa inversa de todo el mRNA, con lo que solamente contiene DNA codificante. Para intentar comprender el genoma y abordar su estudio se elaboran mapas genéticos que representan la situación de los genes de forma relativa (mapas de ligamiento) o de forma absoluta (mapa físico). El mapa de ligamiento permite determinar el orden de los genes y otros marcadores hereditarios en el genoma así como las distancias relativas entre ellos a partir de sus frecuencias de recombinación. Por otro lado, el mapa físico permite establecer la distancia real en pares de bases entre los marcadores/genes. Dada la elevada cantidad de genes y la complejidad del análisis del DNA ha sido de gran ayuda el diseño de máquinas47 de secuenciación automática que han permitido poder secuenciar varios genomas completos y avanzar en muchos otros, entre ellos el humano cuyo mapa está prácticamente completo. La confección de los mapas genéticos permite responder a cuestiones biológicas importantes, tales como las siguientes: el análisi computerizado de las secuencias genómicas ayuda a los investigadores a identificar las secuencias que pueden codificar proteínas; inactivando un gen concreto se puede analizar su influencia fenotípica lo cual puede ayudar a esclarecer su función; el estudio comparativo de genomas de especies relacionadas y de muy distintas proporciona información muy útil como por ejemplo ayuda a esclarecer relaciones evolutivas entre especies; los ensayos con micromatrices de DNA48 permiten comparar patrones de expresión de los genes de diversos tejidos, en distintos instantes y/o condiciones diferentes. En cuanto a las aplicaciones prácticas de la tecnología del DNA, están presentes en varios campos: en aplicaciones médicas relacionado con el diagnóstico y tratamiento de enfermedades provenientes de dos fuentes distintas. 47. Algunas de estas máquinas utilizan el método de terminación de la cadena o método desoxi. 48.- Una micromatriz de DNA es una superfície sólida a la cual se une una colección de fragmentos de DNA. Se usan para analizar la expresión diferencial de genes, monitorizándose los niveles de miles de ellos de forma simultánea. genéticas; en la indústria farmacéutica posibilitando la producción a gran escala de hormonas y otras proteínas con fines terapéuticos; en el trabajo forense los análisis de ADN pueden ser decisivos para resolver juicios; en el saneamiento ambiental m e d i a n t e l a m a n i p u l a c i ó n g e n é t i c a d e microorganismos para que puedan degradar, por ejemplo, sustancias tóxicas; en la agricultura permitiendo desarrollar plantas y animales transgénicos; etc ... Bases genéticas del desarrollo: Una vez fecundado un óvulo, el desarrollo embrionario posterior implica tres procesos: la división celular o sea la mitosis del cigoto y de las células resultantes repetitivamente, la diferenciación celular de las células embrionarias que es el resultado de la expresión génica diferencial de células con el mismo genoma y que les permite adquirir una estructura y función especializadas; y por último la morfogénesis que engloba los procesos que dan forma al organismo y a sus distintas partes. En cuanto a la diferenciación celular frecuentemente se habla de determinación que no es más que la diferenciación celular observable. Cabe decir que las células diferenciadas son especialistas en la síntesis de proteínas específicas del tejido al que pertenecen. Las células diferenciadas de plantas maduras suelen ser capaces de producir una planta completa (totipotenciales) lo cual implica la desdiferenciación celular total. En cambio si un nucleo de una célula animal diferenciada se trasplanta a un óvulo enucleado, la desdiferenciación celular no se puede conseguir en su totalidad ya que existen cambios epigenéticos como la acetilación de las histonas o la metilación del DNA que deben invertirse en el núcleo donante y la realidad es que esta reprogramación del núcleo no suele ser completa. Las células donantes más aptas para ello son las células madre que son células relativamente no especializadas que tienen la capacidad de producir otras células que experimenten distintas vías de diferenciación; por tanto son pluripotenciales ya que son capaces de generar varios tipos celulares pero no todos, así pues las células madre de embriones de animales o de tejidos de animales adultos pueden reproducirse y diferenciarse tanto in vitro como in vivo, lo cual las hace potencialmente adecuadas para posibles aplicaciones médicas. La diferenciación celular viene marcada por dos factores: por un lado están los determinantes citoplasmáticos (sustancias maternas del óvulo que influyen sobre la evolución del desarrollo inicial del futuro embrión) ya que después de la fecundación las primeras divisiones celulares distribuyen el Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 10 de 11
  • 11. Cognos.6q http://cognos.bio6q.net citoplasma del cigoto en distintas células, consecuentemente los núcleos de dichas células quedan expuestos a distintos determinantes citoplasmáticos que determinarán su destino evolutivo al regular la expresión de los genes de la célula durante el proceso de diferenciación. El otro factor es el ambiente que rodea a la célula ya que la célula embrionaria se ve inducida a la diferenciación por señales provenientes de otras células embrionarias vecinas. La morfogénesis se rige por patrones de formación en los animales y las plantas basados en información posicional (consistente en claves moleculares provenientes de determinantes citoplasmáticos y señales inductoras) que le indica a la célula su ubicación respecto de los ejes corporales y al resto de células; es decir, la organización espacial en la que todos los tejidos se sitúan en sus localizaciones adecuadas. Para las plantas, el patrón de formación se produce de forma continua y tiene lugar en los meristemas apicales. En cambio en los animales, la producción del patrón de formación está limitada, en gran medida, a los embriones y los jóvenes, exceptuando aquellas especies que están capacitadas para regenerar partes perdidas. En el caso de los animales, se han clasificado los genes como sigue: los determinantes citoplasmáticos que se encuentran codificados en genes de la madre denominados genes de efecto materno; en un cigoto, estos genes controlan la orientación y polaridad del mismo estableciendo los ejes antero- posterior y dorso-ventral del organismo de acuerdo con la hipótesis del gradiente49 . Más adelante actúan l o s genes de segmentación que determinan los lí mite s de los distin tos seg ment os q ue confeccionarán el organismo; y por último, los genes homeóticos (genes reguladores principales) son los genes que codifican proteínas activadoras o represoras de los genes responsables de estructuras anatómicas específicas. Por otro lado, cabe resaltar la importancia de la inducción, dado que una señal inductora producida por una célula embrionaria puede iniciar una cadena de inducciones que concluye con la formación de un órgano específico; también se producen señales organizadas precisas que desencadenan la apoptosis50 en células destinadas a morir. En las plantas, concretamente en los meristemas apicales tiene lugar la división celular, la diferenciación y la morfogénesis pudiendo generar 49. La hipótesis del gradiente dice que los gradientes de las sustancias morfogénicas establecen los ejes del embrión y otras características relacionadas con su forma. 50. La apoptosis son los cambios que se producen en una célula cuando sufre la muerte celular programada. nuevos órganos como los órganos florales que se desarrollarán por inducción a través de señalización, lo cual es determinado por los genes de identidad de órgano que determinan el tipo de estructura51 que crece a partir de cada verticilo de un meristema floral. Desde un punto de vista evolutivo, se aprecia que los genes homeóticos y otros genes asociados con el desarrollo, de distintas especies de animales, contienen una región idéntica o similar denominada caja homeótica. De ello se deduce que la caja homeótica evolucionó en una etapa muy temprana común a los animales. La similitud en los genes de desarrollo parece contradecirse con la gran diversidad morfológica entre especies animales; esto se explica por dos razones: porqué existen en especies distintas, distintos patrones de expresión de los genes a lo largo del eje corporal; y también porqué estos genes similares pueden controlar procesos de desarrollo diferentes en distintos organismos. En cambio, la comparación entre los genes de desarrollo de animales y plantas presenta diferencias significativas, lo cual se explica por su ascendencia común lejana en el proceso evolutivo. BIBLIOGRAFÍA: - Biología (séptima edición). Campbell & Reece. Editorial Médica Panamericana. - Biología (quinta edición). Curtis & Barnes. Editorial Médica Panamericana. 51. Estambres, carpelos, sépalos o pétalos. Versión: V004R003 (26/06/2014), Ref: A0004 Página 11 de 11

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