Tema 2. Biología genómica La explicación de diferentes fenómenos

Tema 2. Biología genómica
La explicación de diferentes fenómenos biológicos a través del conocimiento de los genes y su
expresión permite abordar la biología bajo la perspectiva genómica. Por ejemplo, la producción de la
proteína colágena se puede explicar a través de conocer la localización del gen de colágena y cómo se
forman el RNA y las proteínas a partir de ese molde genético. En nuestro ejemplo, el gen de colágena
es nuclear y a partir de él se copia un RNA precursor que madura en el interior del núcleo hasta
producir un RNA mensajero. Este RNA mensajero sale al citoplasma en donde se asocia con
ribosomas. En el ribosoma se traduce el mensaje en proteína, que por llevar una señal química que es
la secuencia de aminoácidos en esa proteína, le permite entrar al retículo endoplásmico rugoso, de
donde pasará al aparato de Golgi, de donde a su vez saldrá de la célula en una vesícula. La proteína
se depositará en la matriz extracelular. La información en la secuencia de nucleótidos en el gene nos
permite predecir la estructura y función de los productos derivados de su expresión. Por ello, el
conocimiento de la secuencia de nucleótidos de los genomas de las diferentes especies es parte
importante del conocimiento de su biología
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2.1 Biotecnología y organismos transgénicos
Aunque las noticias sobre la manipulación de los seres vivos se remonta por lo menos a 12 000 años
de antigüedad, cuando los seres humanos intentaron la domesticación de las primeras plantas y
animales, la manipulación del material genético de manera formal se inicia en 1971, cuando se da a
conocer el papel de ciertas enzimas bacterianas (enzimas de restricción) que permiten el rompimiento
del DNA viral, en sitios específicos. La tecnología que se derivó de este descubrimiento se denominó
del DNA recombinante y desde su descubrimiento ha ido revolucionando prácticamente todos los
campos de la biología experimental y ha permitido el desarrollo de nuevos organismos para beneficio
de la humanidad. Ahora, al manipular los genes, los genetistas pueden alterar los fenotipos de los
organismos sin esperar que las mutaciones al azar produzcan los fenotipos adecuados.
Además, los nuevos conocimientos acerca de la replicación y de los procesos de transcripción,
traducción, así como el procesamiento del RNA y la regulación génica han podido ser resueltos por
medio de las técnicas de DNA recombinante.
A partir de la tecnología del DNA recombinante surgió la biotecnología que se usa para producir
medicinas, químicos para la industria y productos alimenticios diversos, para lo cual, el uso de
microorganismos ha sido de vital importancia. Con la nueva tecnología, las nuevas cepas, creadas
artificialmente al introducir en el genoma bacteriano genes manipulados in vitro, producen sustancias
diversas, como péptidos y proteínas humanas que, evidentemente, no eran sintetizadas por las cepas
originales. Por ejemplo, en 1982 se aprobó el uso de la insulina humana producida por bacterias
recombinantes, que resolvió el problema de las reacciones alérgicas que desarrollaban algunos
diabéticos ante la insulina extraída de los páncreas de ganado vacuno y de cerdos.
Sin embargo, a pesar de los beneficios evidentes que se pueden obtener mediante el uso de la
biotecnología (la reducción de los contaminantes del medio o el control de las plagas, por mencionar
algunos ejemplos), la producción de organismos transgénicos ha desencadenado gran controversia
ante las repercusiones que puede tener esta tecnología en el largo plazo. Cuando a un ratón se le
introdujo el gen que codifica para la insulina humana, éste desarrolló mayor tamaño de lo normal y, a
pesar de que este hecho pudiera considerarse irrelevante, no deben menospreciarse las consecuencias
inesperadas de la transgenia, que demuestran la intensa interacción que tienen los sistemas vivientes.
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Los genes que se han clonado previamente, se insertan en un vector molecular que posteriormente se
propaga en microorganismos como bacterias o levaduras, para después integrarse al genoma de
plantas o de animales. Esos vectores pueden ser plásmidos (como el plásmido pBR322) o fragmentos
de genomas virales. Para que el gen clonado pueda pasar de una generación de células a otra, es
necesario que se integre a los cromosomas del organismo que lo recibe. En algunas ocasiones se
presenta un reemplazo del gen normal por el gen clonado; se denomina knockout génico al reemplazo
de un gen normal por un gen clonado que se ha mutado, con la intención de demostrar la función que
desempeña el gen normal. Contrariamente, la adición de genes se lleva a cabo cuando el gen clonado
se integra al genoma del organismo en un lugar diferente al del gen normal.
Clonación
El término clonación puede significar la formación de muchas copias de un determinado gen o la
formación de dos o más organismos con composición genética idéntica como ocurre en la mitosis. En
los organismos con reproducción sexual, en donde se unen dos células diferentes, la clonación no
ocurre. Sin embargo, en la naturaleza, esto sucede cuando se producen gemelos idénticos; o en el
laboratorio, cuando los investigadores toman células de embriones tempranos para obtener múltiples
organismos idénticos. En las plantas, el proceso de clonación es más sencillo, pues basta con tomar
fragmentos de ella y exponerlos a la acción de hormonas de crecimiento, pero, por mucho tiempo se
pensó que las células somáticas de los animales no servían para la clonación debido a que
experimentaban cambios genéticos irreversibles. Sin embargo, en 1997, Ian Wilmut y Keith Campbell,
del Roslin Institute, Escocia, crearon a Dolly, la primera oveja clonada a partir de células somáticas. El
método simplemente consistió en reemplazar el núcleo de un huevo por el núcleo de una célula
somática adulta, creando así un cigoto híbrido. El objetivo era la obtención de ganado clonado que
sirviera como biorreactor para la obtención de diversos productos farmacéuticos como factores de
coagulación o insulina.
El análisis de los cromosomas de Dolly cuando tenía tres años, demostró que sus telómeros estaban
acortados, en forma similar a los de una célula somática de un organismo adulto de nueve o 10 años.
Posteriormente, Dolly, desarrolló una enfermedad pulmonar progresiva, que fue señalada como
resultado de un proceso de envejecimiento prematuro. Finalmente, en 2003, se le practicó la
eutanasia al cumplir seis años de edad. El análisis de clones de ratones y ganado mostró que sus
telómeros tenían el tamaño normal. La creación de clones tiene un gran potencial para crear rebaños
con características ventajosas, aunque podría hacerlos más susceptibles a enfermedades raras.
La posible clonación de seres humanos ha despertado gran inquietud en todos los ámbitos de la
sociedad; la mayoría de las opiniones al respecto, consideran que la clonación de seres humanos es
éticamente inaceptable. Las objeciones son de diversa índole, por ejemplo, sólo los más ricos y
poderosos tendrían acceso a esta tecnología, y lo harían por vanidad o por obtener réplicas de sí
mismos que actuaran como donadoras de órganos en caso de graves enfermedades.
Sin embargo, es necesario señalar las variantes que presenta la clonación: clonación reproductiva y
clonación terapéutica. En el primer caso, el objetivo es la obtención de un animal (o eventualmente un
ser humano, aunque, para nosotros, la clonación no parece ser una buena estrategia de
reproducción). En el segundo, la intención es la de obtener células de embriones muy tempranos que
puedan funcionar como células troncales que tengan el potencial para tratar diversas enfermedades.
Células troncales
Las células troncales embrionarias son pluripotentes, pueden ser cultivadas indefinidamente y retienen
sus potencialidades por mucho tiempo. Estas células se pueden obtener de la masa interna de células
de blastocisto, que han resultado de fecundaciones in vitro, o de las células derivadas de embriones
que han sido abortados espontáneamente.
La importancia médica de estas células es enorme. Si bien han perdido su capacidad para formar todo
un organismo (facultad que sólo tiene el cigoto), son capaces de formar cualquier tipo célular del
organismo.
Los organismos adultos también poseen células troncales, pero éstas son multipotentes o unipotentes.
Las primeras pueden diferenciarse en un número limitado de tipos celulares. Por ejemplo, las células
del tejido hematopoyético que se encuentran en la médula ósea dan lugar a dos tejidos: el sanguíneo
y el linfoide, cada uno de ellos formado por varios tipos celulares. Las células unipotentes como las
células germinales de los testículos sólo dan origen a un tipo celular, los espermatozoides.
El uso terapéutico de las células troncales se ha enfocado en el tratamiento de enfermedades y en
daños causados a los tejidos. Por ejemplo, en la actualidad se trasplanta médula ósea para curar a
pacientes con ciertos tipos de cáncer, pues las células de la médula de un organismo normal tienen la
habilidad de diferenciarse y proliferar en el cuerpo del enfermo.
En la terapia de regeneración se han obtenido importantes avances con el uso de células troncales. En
la regeneración de hueso se ha desarrollado una técnica que consiste en la formación de un gel de
colágeno que contiene plásmidos con el gen para la hormona paratiroidea (que está involucrada en la
osificación del cartílago). El gel impregnado con los plásmidos se coloca en el espacio que dejan dos
fragmentos de hueso roto. Conforme las células migran hacia la matriz de colágeno, incorporan el
plásmido con el gen para la hormona y empiezan a fabricarla. Esto desencadena la osificación y la
formación de hueso nuevo. La técnica es una solución en casos de fracturas graves y en problemas
derivados de la osteoporosis.
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2.2 El genoma de las especies biológicas
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Como la secuencia de nucleótidos en los genes determina gran parte de las características de una
especie biológica o de los virus, de acuerdo con el código genético, el conocimiento de la secuencia de
sus genes nos proporciona información sobre el patrimonio genético. La obtención de secuencias
completas de nucleótidos o genoma es parte de los esfuerzos de la biología moderna. Por ejemplo, la
primera secuencia completa de nucleótidos se obtuvo del virus llamado φX174. En el caso del ser
humano, si se conoce la secuencia de los genes involucrados en las enfermedades genéticas, así como
sus patrones de expresión, será posible en un futuro tratar de diseñar estrategias que contribuyan a
corregir ese gen o sus productos a través de terapia génica.
El genoma humano y la medicina genómica
Muchas enfermedades genéticas pueden ser diagnosticadas usando diversas técnicas derivadas de la
tecnología del DNA recombinante. La detección de las anomalías se inicia con la obtención de
muestras de las vellosidades coriónicas o por medio de amniocentesis. Para la obtención de muestras
de las vellosidades coriónicas se inserta un catéter en el útero y se retira una pequeña cantidad de
tejido; mientras que en la amniocentesis se extrae líquido amniótico que lleva células pertenecientes
al embrión. www.ncbi.nlm.nih.gov
El siguiente paso es el análisis citogenético, bioquímico y la aplicación de las técnicas de DNA
recombinante. Enfermedades como la anemia falciforme (que se caracteriza por la sustitución de ácido
glutámico por valina en la cadena beta de la globina), pueden ser detectadas mediante la
secuenciación del DNA, mucho antes de que el gen que codifica para la proteína anormal pueda
expresarse.
Técnicas para la detección de genes anormales
Se han descrito varias técnicas que nos permiten detectar y conocer genes con secuencia normal o
variable. Se mencionan algunas a continuación.
Uso de enzimas de restricción
Las células fetales son obtenidas de las vellosidades coriónicas o del líquido amniótico y, si son de
organismos adultos, de una muestra sanguínea. Se extrae el DNA y se somete a la acción de una
enzima de restricción que produce dos fragmentos pequeños del gen normal responsable de la
síntesis de la cadena beta de la globina. Si el gen está mutado, la enzima de restricción no reconoce la
zona de ruptura en el gen, de tal manera que cuando los fragmentos se colocan en un gel de
electroforesis se observa que hay fragmentos pequeños (correspondientes a los genes normales) y
fragmentos grandes que pertenecen a los genes mutados.
Hibridación de oligonucleótidos aleloespecíficos
En este caso, se extrae DNA de los leucocitos y se desnaturaliza en hebras simples. Este DNA se usa
para amplificar la región donde se localiza el gen de la beta globina con la técnica de la reacción en
cadena de la polimerasa (PCR). Se coloca una pequeña cantidad del DNA amplificado a partir del alelo
normal de la globina beta (A) en filtros en los que se encuentra una sonda de DNA; de igual modo se
coloca una pequeña cantidad del DNA amplificado con el gen responsable de la anemia falciforme (S).
Si la sonda se marca radiactivamente o con colorantes fluorescentes, se podrá detectar rápidamente
la hibridación y, por lo tanto, se podrán deducir los genotipos: una zona oscura indicará la presencia
del homócigo normal (AA), el heterócigo (AS) se detecta por una mancha clara, mientras que el
homócigo (SS) responsable de la anemia falciforme y que no hibrida con la sonda, no deja ninguna
mancha.
Microchips de DNA
De la tecnología de los oligonucleótidos alelo-específicos, se ha derivado la de los microarreglos de
DNA o chips de DNA que pueden ser usados para detectar cientos o miles de genes en una misma
operación. Los microarreglos se fabrican de vidrio dividido en pequeñísimas zonas. Cada zona contiene
varias copias de una sonda constituida por una sola hebra formada por 20 nucleótidos de longitud que
difiere de los de la zona vecina en un solo nucleótido. Actualmente, los chips de DNA son de 200 000 a
600 000 zonas; pero se está desarrollando un chip que puede contener hasta un millón de campos.
El DNA para este tipo de prueba, se extrae y se amplifica con PCR; los productos de PCR se marcan
con un fluoróforo, se separan en hebras simples y se colocan en el microarreglo. Por otro lado, los
fragmentos de la secuencia que coinciden con las sondas colocadas en los campos del chip,
fluorescerán cuando se escaneen con un láser, mientras que las que no concuerden, serán eliminadas
con un lavado. Finalmente, con este método, reforzado con un software unido al microarreglo analiza
los patrones de hibridación y permite la detección de mutaciones.
Terapia génica
La transferencia de genes normales a las células con la finalidad de corregir desórdenes genéticos se
denomina terapia génica. La expresión de un gen que se introduce junto con sus secuencias
reguladoras, mediante un vector, resultará en la síntesis de una proteína funcional, que producirá un
fenotipo normal en el individuo.
Las técnicas para la introducción de los genes se clasifican en virales y no virales. Los liposomas o
vesículas formadas por lípidos, constituyen un ejemplo de vector no viral. El DNA que contiene el gen
de interés, se introduce en los liposomas, que se integrarán a las células por medio de endocitosis. La
ventaja de estos vectores es que éstos no desencadenan una respuesta inmune; sin embargo, su
eficacia en la transferencia de genes es muy baja. La elección de los virus como vectores se debe al
reconocimiento de su capacidad para infectar tejidos, lo que hace de estas partículas un vehículo
adecuado para la transferencia génica. El primer vector viral fue el retrovirus responsable de la
leucemia Moloney del ratón. Los virus más usados en este tipo de terapia son los retrovirus, los
adenovirus y los parvovirus.
La creación de los vectores virales comprende su modificación para eliminar su capacidad de
replicación en el interior de la célula blanco. Cuando un retrovirus modificado que porta el gen
humano insertado se introduce en la célula blanco por medio de endocitosis, queda dentro de un
endosoma en el cual se desensambla. El RNA viral que queda libre en el citosol se retrotranscribe a
DNA el cual se dirige hacia el núcleo para integrarse al genoma humano. La desventaja de este
procedimiento radica en que eventualmente el virus puede desencadenar una respuesta inmune, como
en el caso de la introducción de adenovirus, que puede incluso provocar la muerte del paciente.
En 1990, se aprobó el primer procedimiento de terapia génica en un caso de inmunodeficiencia severa
combinada, resultado de una mutación en el gen que codifica para la enzima adenosina desaminasa.
Las personas afectadas presentan severas deficiencias en su sistema inmunológico que las pone en
peligro de muerte incluso cuando se exponen a infecciones leves.
La técnica, desarrollada por W. French Anderson y sus colegas de los Institutos Nacionales de Salud
de Estados Unidos, consiste en la extracción de linfocitos, por ejemplo, células T del paciente afectado
por la deficiencia en adenosina desaminasa. Estas células se cultivan junto con retrovirus a los cuales
se les ha insertado el gen normal. Los virus infectan las células T y les introducen la copia normal del
gen. Las células T ya infectadas se cultivan en laboratorio para asegurarse de que el gen está
presente y que se expresa con normalidad. Finalmente, se inyectan en el paciente sus células T
modificadas.
El primer caso de inmunodeficiencia severa combinada, tratado con esta técnica fue un éxito, pero,
posteriormente, la terapia para esta enfermedad, no ha tenido el resultado esperado; lo mismo ha
sucedido con los intentos de terapia para resolver casos de fibrosis quística usando adenovirus como
vectores. Los intentos para lograr resultados positivos con la terapia génica han continuado; sin
embargo, existen serias dificultades relacionadas con el uso de los virus como vectores de genes.
Primeramente existe el problema de que los genes que necesitan ser introducidos a la célula blanco o
diana sólo pueden integrarse a su genoma cuando la célula se está reproduciendo; pero las células a
las cuales están dirigidos estos genes son células muy diferenciadas que tienen poca capacidad de
reproducción. En segundo lugar, los virus que se usan como vectores, eventualmente desencadenan
una respuesta inmune, que incluso ha causado la muerte en pacientes sometidos a la terapia. En
tercer lugar, los genes insertados mediante virus, provocan mutación o activación de genes normales
de las células blanco o diana, como en el caso de la activación de oncogenes que desencadenaron
leucemia. Otro inconveniente se refiere a la imposibilidad que tiene el virus para aceptar genes que
excedan 8kb, pues muchos de los genes humanos exceden este tamaño.
El uso de aerosoles para introducir virus modificados al interior del cuerpo de pacientes afectados por
fibrosis quística, ha empezado a tener algunos resultados positivos. La enfermedad se debe a una
mutación en el gen responsable de la codificación de un transportador de cloro. Un defecto o la
ausencia de esta proteína, provoca un desequilibrio en la cantidad de sales y agua que deben
encontrarse en el exterior de las células epiteliales del aparato respiratorio y del aparato digestivo.
Como resultado, las células de estos epitelios son recubiertas por un moco espeso, que entre otras
cosas, provoca infecciones pulmonares que acortan la vida de los enfermos.
El adenovirus, que es un agente responsable de afecciones pulmonares, resulta el vector ideal para
introducir el gen normal. Debido a la imposibilidad de infectar in vitro las células pulmonares, el virus
tiene que inhalarse usando para ello un aerosol. Si bien los resultados no han sido totalmente
favorables, se espera que la técnica gradualmente sea más efectiva en el tratamiento de esta
enfermedad.
La estructura tridimensional del gen explica el flujo de información genética en los seres vivos y en los
virus. Ese flujo de información fue propuesto como el dogma central de la biología molecular, que
plantea que la transmisión de caracteres hereditarios de los progenitores a la descendencia requiere
de un molde en el DNA que sea copiado por el proceso de replicación, que es semiconservativo y
ocurre en dirección 5' a 3'. Además, la secuencia de bases en el DNA es también el molde sobre el que
se copia la información genética en una molécula intermedia o RNA por el proceso de transcripción
que también ocurre en dirección 5' a 3'. La célula decodifica la secuencia de nucleótidos en el RNA a
una secuencia de aminoácidos de acuerdo con un código de tripletes o código genético a través del
proceso de traducción que se realiza en el ribosoma en dirección amino a carboxilo terminal. La
traducción siempre comienza con el aminoácido metionina cuyo codón es AUG y ocurre en tres pasos
que son el inicio, la elongación y la terminación. Algunos virus tienen un genoma de RNA. El DNA en
procariontes y eucariontes está asociado a proteínas. En eucariontes esas proteínas son las histonas y
en conjunto forman la cromatina, cuya unidad básica es el nucleosoma. El total de la secuencia de
bases de una especie en su DNA es el genoma e incluye, para el caso de los eucariontes, al DNA de la
mitocondria y del cloroplasto, y en el caso de los procariontes al DNA de los plásmidos. En
eucariontes, el DNA adquiere su forma más condensada como cromosomas cuando la célula se divide.
Los genes en los cromosomas tienen una distribución específica que es característico de las especies.
Aunque en procariontes los genes están sobrelapados, muchas veces no son contiguos. Esta situación
en eucariontes es más notoria, pues entre gen y gen se localizan grandes porciones de DNA que no
tienen información para la producción de proteínas. Los genes en eucariontes además están
organizados en mosaico, es decir, se alternan regiones que sí codifican (exones) con regiones que no
codifican (intrones). Esto trae como consecuencia la producción de un RNA inmaduro que debe
madurar antes de ser copiado en proteína. La organización de los genes eucariontes consta de varias
señales. Aunque el DNA tiene un mecanismo para su duplicación exacta, si ocurren cambios en la
secuencia debidos a diferentes factores, estos cambios se pueden copiar y heredar a la descendencia
generando variación. Estos cambios o mutaciones generan variabilidad genética, que es el sustrato de
la evolución. Pero también en los organismos generan problemas de salud como la anemia falciforme,
el síndrome de Down, etcétera.