Clase del electivo "Genoma y Celula", Fecha:14/08//2013

Fig. 1: Experimentos de Griffith

Genoma, genes e ingeniería genética

El conocimiento de que la expresión de un gen determina la formación de proteínas que se relaciona con la manifestación de un fenotipo en particular, hizo que en el mundo científico surgiera la interrogante acerca de cuál es la naturaleza de los genes. La respuesta a esta interrogante se relaciona con una serie de investigaciones experimentales. Una de las primeras que entregó antecedentes fue realizada por F. Griffith (1928) en neumococos, bacteria que provoca la neumonía. La cepa “capsulada” produce la enfermedad y la cepa “no capsulada” no la provoca. Este trabajo experimental aportó la idea de un factor transformante que convertía las bacterias no capsuladas en capsuladas. La secuencia de trabajo experimental de Griffith se resume en la siguiente imagen (fig. 1).

Composición química del ADN

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es un polímero de alto peso molecular formado por la combinación de cuatro monómeros (nucleótidos). Cada nucleótido está conformado por moléculas más pequeñas: una base nitrogenada (purina o pirimidina), un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato (Fig. 2). Los cuatro tipos de nucleótidos difieren solamente en el tipo de base nitrogenada, la cual puede ser una de las purinas (adenina o guanina) o una de las pirimidinas (citosina o timina).

Fig. 2: Esquema de un nucleótido

El conocimiento de los componentes del ADN y otros antecedentes permitió a los científicos Watson y Crick construir un modelo tridimensional de la molécula. Este modelo propone la presencia de dos cadenas de nucleótidos entrelazadas en forma de doble hélice. Cada una de estas hebras se une por las bases nitrogenadas mediante puentes de hidrógeno, siguiendo un patrón fijo: la adenina se une a la timina y la guanina a la citosina (Fig. 3).

Fig. 3: a. Modelo de la doble hélice del ADN; b. Disposición de los nucleótidos en el ADN

El modelo descrito permite explicar cómo se pueden sintetizar nuevas moléculas de ADN: la ruptura de los puentes de hidrógeno permite que una de las cadenas sirva de molde para formar una cadena complementaria. En este proceso participa una serie de enzimas, una de ellas es la ADN polimerasa, que controla el enlazamiento de los nucleótidos en las cadenas complementarias.

El ADN es capaz de determinar el fenotipo de un organismo a través de un proceso denominado expresión génica. Mediante dicho proceso la información contenida en el ADN es utilizada para especificar la constitución de las proteínas de la célula. Las proteínas que se sintetizan influyen en el fenotipo, desde rasgos visibles hasta otros, sólo observables bioquímicamente.

El proceso que permite sintetizar proteínas a partir del ADN no es directo; se requiere la participación del ARN (ácido ribonucleico), el cual se diferencia del ADN en que el nucleótido posee un uracilo en vez de timina y que el azúcar es una ribosa (similar a la desoxirribosa pero con un grupo hidroxilo extra).

Para que se sintetice una proteína se requieren los siguientes eventos (Fig. 4):

Fig. 4: Esquema del proceso de transcripción y traducción

1. Transcripción: la información contenida en el ADN se copia en el ARN mensajero (ARNm). De esta manera es el m ARN el que sale del núcleo y posibilita que se sinteticen las proteínas en el citoplasma (Fig. 5).

Fig. 5: Esquema de la transcripción

2. Traducción: la información transcrita en el ARNm se utiliza para determinar la secuencia de aminoácidos de una proteína. Una secuencia de tres bases consecutivas del ARNm, específica para un aminoácido, se denomina codón. Los ribosomas se unen al ARNm y lo recorren, lo cual permite que el ARNt (ARN de transferencia) se una en secuencia y coloque de manera adecuada los aminoácidos (Fig. 6).

Fig. 6: Esquema de la traducción

El código genético 

Durante el proceso de expresión génica, los aminoácidos son ensamblados en función de las instrucciones de codificadas en la secuencia de nucleótidos en el ARNm.  El código genético es el término que describe las reglas que relacionan cómo una secuencia de bases nitrogenadas en los nucleótidos corresponde a un aminoácido particular. En el código genético, tres nucleótidos adyacentes ("letras") de ARNm especifican un aminoácido ("la palabra") en un polipéptido.  Cada secuencia de tres nucleótidos de ARN mensajero que codifica un aminoácido o una señal de inicio o detención  se llama codón.
El siguiente cuadro ilustra los 64 codones de ARNm y los aminoácidos que codifican en la mayoría de los organismos.

Por ejemplo, el codón GCU especifica el aminoácido alanina en el código genético.  El código genético es prácticamente universal para todas las formas de vida en la tierra y apoya la idea de que todos los organismos comparten a un ancestro común. Algunos aminoácidos son codificados por dos, tres o más codones diferentes, como se muestra en el cuadro. Estos codones a menudo difieren entre sí por un sólo nucleótido.. Un codón especial, AUG, actúa como codón de inicio. Un codón de inicio es una secuencia específica de nucleótidos de ARN mensajero que indica dónde debe comenzar la traducción.  El codón de inicio codifica el aminoácido metionina. Ciertas secuencias de nucleótidos de ARN mensajero (UAA, UAG o UGA), llamadas codones de detención, no codifican para aminoácidos, ya que en su lugar son la señal para poner fin a la traducción.

El Proyecto Genoma Humano

El Proyecto Genoma Humano (PGH) fue un proyecto internacional de investigación científica con el objetivo fundamental de determinar la secuencia de pares de bases nitrogenadas que componen el ADN e identificar y cartografiar los aproximadamente 20.000-25.000 genes del genoma humano desde un punto de vista físico y funcional.
El proyecto, fue fundado en 1990 en el Departamento de Energía y los Institutos Nacionales de la Salud de los Estados Unidos (NIH), bajo la dirección de James D. Watson. Desde el principio de la investigación, se propuso desarrollar el PGH a través de dos vías independientes, pero relacionadas y ambas esenciales:

• Secuenciación: se trataba de averiguar la posición de todos los nucleótidos del genoma (cada una de las cuatro posibles bases nitrogenadas típicas del ADN).
• Cartografía o Mapeo Genético: consistía en localizar los genes en cada uno de los 23 pares de cromosomas del ser humano.

Luego de concluido el análisis de todo el genoma, en 2005, la cifra final de genes resultó de alrededor 28.000, muy cercana a la de muchos organismos inferiores (y muy inferior a la cifra que se suponía en un comienzo). Los conocimientos generados a partir del genoma humano y el uso de las herramientas del ADN recombinante permitirían desarrollar técnicas de diagnóstico prematuro para diferentes enfermedades, así como la predicción de posibles síndromes relacionados con predisposiciones genéticas. Esto provee una herramienta eficaz para la cura o el tratamiento dirigido específicamente a la causa de la enfermedad. El descubrimiento de los diferentes genomas permitirá, en un futuro, diseñar fármacos a medida, no sólo para enfermedades específicas, sino para enfermos. La biotecnología dejará de optimizar procesos, y de rediseñar rutas de obtención de proteínas, para pasar al diseño de novo de enzimas, proteínas, o fármacos.

Principios básicos de ingeniería genética y sus aplicaciones productivas

Los científicos manipulan el ADN para muchos propósitos prácticos mediante el uso de técnicas llamadas colectivamente la tecnología del ADN. Por ejemplo, la tecnología de ADN puede utilizarse como prueba en un causa penal al proporcionar la identificación positiva de ADN dejado en la escena de un crimen. Los científicos también utilizan tecnología de ADN para mejorar los cultivos de alimentos, para determinar si una persona tiene la información genética para determinadas enfermedades antes de que aparezcan los síntomas, y a la investigación sobre tratamientos y curas para las enfermedades genéticas.

ADN recombinanteEn los últimos años, se han desarrollado técnicas que han permitido abordar el análisis y la manipulación del ADN en una forma antes no imaginada. La tecnología del ADN recombinante ha hecho posible investigar más a fondo la estructura y función de los genes, especialmente de los genes eucarióticos que eran inaccesibles por otros métodos. Estas investigaciones permanentemente generan nuevos interrogantes e inquietudes, muchos de los cuales tienen profundas implicancias éticas.

Las técnicas más importantes son: 

1. Métodos de obtención de fragmentos específicos de ADN: que permiten el análisis,  aislamiento y manipulación de genes individuales. 
2. Métodos de obtención de múltiples copias de fragmentos idénticos de ADN: como la clonación y la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La clonación se realiza por medio de transportadores (vectores) por medio de los cuales el fragmento de ADN de interés puede ser incorporado al interior de las células bacterianas o partículas virales. A medida que la célula y los vectores se replican, se obtienen múltiples copias del fragmento. 
3. Localización e identificación de fragmentos específicos de ADN, o de ARN, por hibridación de ácidos nucleicos, método que también permite estimar similitudes entre ácidos nucleicos de orígenes diferentes. Esta técnica aprovecha las propiedades de apareamiento de las bases de los ácidos nucleicos. 
4. Secuenciación del ADN, es decir, determinación del orden exacto de los nucleótidos en un segmento de ADN, lo que permite, en consecuencia, una “lectura” directa de la información genética codificada. 
5. Ingeniería del ADN o ingeniería genética, mediante la cual es posible modificar una secuencia de ADN para generar nuevas versiones de genes que pueden ser luego reintroducidas en una célula u organismo.

Transgénico: La metodología del ADN recombinante, permite transferir genes tanto a células procarióticas como a células vegetales y a otros organismos eucariotas.

La tecnología del ADN ha sido utilizada para muchos propósitos. Por ejemplo,  la identificación de ADN ha sido utilizada en análisis forense para identificar a criminales y para liberar a los condenados injustamente. El ADN también se ha utilizado para identificar restos humanos. Técnicas de ADN recombinante dan a microorganismos nuevas capacidades para distintas aplicaciones útiles.  El primer producto de ADN recombinante a utilizarse comercialmente fue la insulina humana en 1982. Una molécula de ADN recombinante se hizo mediante la inserción de un gen humano para la insulina en un plásmido bacteriano. Desde 1982, más de 30 productos elaborados utilizando la tecnología de ADN han sido aprobados y se utilizan todo el mundo. Estas proteínas se prefieren a las drogas convencionales, porque son más específicos y tienen menos efectos secundarios.  Las proteínas importantes desde el punto de vista médico, incluyen factores para tratar la anemia y las deficiencias del sistema inmunológico. Factores de coagulación para las personas con hemofilia, hormona del crecimiento humano para las personas con defectos de crecimiento, los interferones para infecciones virales y cáncer, y proteínas, tales como factores de crecimiento para el tratamiento de quemaduras y úlceras, son algunas de las medicinas obtenidas mediante ingeniería genética, en uso hoy en día.

Ejercicios

1. ¿Qué moléculas forman un nucleótido?
2. ¿Qué tipos de enlaces químicos están presentes en el ADN?
3. Si una cadena de ADN está conformada por las siguientes secuencias de bases nitrogenadas: ATCGAA, ¿cuál es la cadena complementaria?
4. A partir de la siguiente cadena de ADN: A A T C C G C A T construye la molécula de ARNm.
5. Menciona y describe los distintos tipos de ARN.
6. ¿Qué significa que el código genético sea universal y degenerado?
7. ¿Qué función cumplen los tripletes sin sentido?
8. A continuación se indica la secuencia de bases nucleotídicas para un ARNm:

ARNm 5’ –A – G – C – G – U – U – C – U – A – A – G – C – G – C – C - 3 ’

• Indica el número de codones de este ARNm.
• ¿Cuántos aminoácidos tendría el polipéptido que codifica?