GenMundo

 

El libro de la vida

¿Tiene Acaso Todas las Respuestas?

1. ¿Qué son los genes?
2. La secuenciación de genomas
3. La secuencia del genoma humano
4. Alcances del proyecto
5. Limitaciones
6. Implicaciones éticas
7. Bibliografía

Quizás el desarrollo científico más significativo de los últimos treinta años es la publicación del Libro de la Vida, el cual posee toda la información genética que contienen las células humanas para formar un individuo completo. La información en este libro puede cambiar en el futuro la manera en que nosotros nos vemos y la forma como se realiza la investigación médica y el tratamiento de enfermedades.

A pesar de la importancia de la información en este libro, éste nunca será impreso, ya que tomaría un millón y medio de páginas de esta revista (a razón de 2.000 letras por página). Sin embargo esta información está disponible a través de bancos de datos en la Internet que permiten un acceso y manejo idóneo de la información.

El Proyecto Genoma Humano (HGP, por sus siglas en inglés) es un esfuerzo de investigación internacional en donde participan científicos de 16 laboratorios de USA, Gran Bretaña, Francia, Alemania, Japón y China, y fue concebido a mediados de los 80s y se desarrolló durante todos los 90s. El objetivo principal del HGP es el caracterizar genéticamente la especie humana, así como especies modelos seleccionadas a través del mapeo genético completo y la secuenciación de su material hereditario.

Este proyecto además ha contemplado el desarrollo de tecnologías para el análisis genético, el estudio de las implicaciones éticas, legales y sociales de la investigación genética en humanos y el entrenamiento de científicos quienes serán capaces de utilizar las herramientas y recursos desarrollados (Collins & Galas 1993; Collins et al., 1998).

La publicación de la primera versión del genoma humano en junio de este año, ha desatado una ola de aseveraciones y especulaciones acerca de los alcances del proyecto. En esta publicación se pretende esclarecer el verdadero alcance inmediato y la utilidad real a corto y mediano plazo de la información publicada del proyecto, de modo de instruir al público y eliminar falsas esperanzas.

¿QUÉ SON LOS GENES?

El desarrollo de la genética comenzó en 1856 con los trabajos de Gregor Mendel, un monje austríaco que trabajó con guisantes, y que publicó en 1866 (Figura 1). Mendel descifró las bases de la Herencia, pero sus resultados permanecieron ignorados por muchos años (De Donato, 1993). No fue sino hasta 1900 que tres científicos, Hugo de Vries, Carl Correns y Erich von Tschermak-Seysenegg, trabajando independientemente publicaron sus trabajos que daban a conocer y confirmaban los principios de Mendel.

Mendel habla en su publicación que las características fenotípicas (características que se muestran en un individuo) son controladas por factores en cada organismo. Estos factores se conocen ahora como genes.

Los genes contienen la información necesaria para producir un organismo completo y a toda su maquinaria y estructura para mantenerlo vivo. Así, los genes son los que controlan todos los aspectos de la vida de un organismo, codificando los productos que son responsables del desarrollo, alimentación, reproducción, etc.

Sin embargo, el resultado final de los genes (el fenotipo) va a estar influenciado por el ambiente, tanto externo como interno (otros genes); de modo que dos individuos que tengan los mismos alelos para el color de ojos, no necesariamente van a tener la exacta tonalidad del color de sus ojos. Esta influencia del ambiente es lo que hace que exista mayor variación entre los individuos de una población, y es lo que permite que existan diferencias entre gemelos idénticos.

Los genes están constituidos por ADN o ácido desoxi-rribonucleico. El ADN fue descubierto en 1871 y su estructura fue descifrada por James Watson y Francis Crick en 1953, quienes propusieron el modelo de la doble hélice (Watson y Crick, 1953). Este modelo implica la existencia de dos cadenas perpendiculares dispuestas antiparalelamente y unidas por enlaces de hidrógeno (enlaces no covalentes) formando una especie de escalera de caracol. Las barandas de la escalera están constituidas por grupos fosfatos y azúcares de cinco carbonos, y los peldaños de la escalera están compuestos por cuatro tipos de bases nitrogenadas, a saber, Adenina (A), Guanina (G), Timina (T) y Citosina (C). Las bases están unidas por los enlaces de hidrógeno que se forman entre las bases que se denominan complementarias, la A se une a la T y la G se une a la C. Cada cadena contiene la misma información pero de manera complementaria. Así si una cadena tiene la secuencia AGCT la otra tiene la secuencia TCGA.

Por su parte, las proteínas son los entes activos de las células, y por tanto, los responsables de ejecutar todas las funciones dentro de éstas. Así, la maquinaria que convierte el alimento, lo utiliza para las funciones vitales de la célula, lo almacena, etc., está basada en proteínas. Ellas también son las responsables de las estructuras intra y extracelulares, así como de otra gran cantidad de funciones. Las proteínas tienen una gran variedad de tamaños y formas y son capaces de asociarse entre ellas, lo que les permite que puedan llevar a cabo todas estas funciones.

Cada proteína está constituida por aminoácidos que son sus bloques de construcción. Todos los seres vivos construyen a sus proteínas en base a unos 20 tipos principales de aminoácidos. Estos van a estar dispuestos en la proteína en una secuencia específica y presentan características fisicoquímicas que van a influenciar las características propias de las proteínas, sus posiciones en la célula y sus funciones.

Toda la información contenida en los genes le permite a la célula fabricar a sus proteínas. El tipo y el número de aminoácidos en una proteína, así como la forma en que es ensamblada y distribuida en la célula está determinada por esa información. Sin embargo, existe un problema de lenguaje entre los dos idiomas. El ADN contiene su información en un lenguaje con cuatro letras (las diferentes bases) y en las proteínas su información está contenida en uno de veinte letras (los diferentes aminoácidos). De modo que un lenguaje tiene que ser traducido al otro, mediante una maquinaria bastante compleja, en un proceso también complejo dividido en transcripción, procesamiento y traducción del mensaje genético.

Para la traducción de un lenguaje a otro, cada aminoácido está codificado por tres bases (denominadas codones), de modo que cada palabra en el lenguaje del ADN consta de tres letras y cada palabra en el lenguaje de las proteínas de una letra (un aminoácido). Esto se conoce como el código genético y fue descifrado por Nirenberg y Khorana en 1966 (Russell, 1996).

LA SECUENCIACIÓN DE GENOMAS

El conjunto completo de genes que está contenido en el núcleo de la célula de un organismo es conocido como genoma. El tamaño del genoma se mide por el número de pares de bases que contiene y es característico de cada especie.

Fue en la segunda mitad de los 70s que se diseñaron dos técnicas que permitían la secuenciación del ADN (Sanger & Coulson, 1975; Maxam & Gilbert, 1977). Antes de eso era muy difícil la secuenciación de cadenas de tan sólo 10 bases. Esto abrió las puertas a la investigación del ADN y a la secuenciación de genes.

Los virus, viroides y plásmidos son los organismos más sencillos en la naturaleza. Debido a su sencillez, que implica la ausencia de una maquinaria metabólica propia, ellos no son considerados por muchos investigadores como seres vivos. Ellos viven a expensas de células a las que invaden y de las que secuestran la maquinaria metabólica y la ponen a trabajar para producir más copias de ellos. Generalmente sólo contienen la información genética necesaria para asegurarse la infección en otras células. El tamaño de su genoma va desde miles de pares de bases hasta decenas o cientos de miles.

El primer organismo en ser secuenciado fue el virus F X174 con 5,375 pares de bases (Sanger et al. 1977). Hoy en día se cuenta con la secuencia completa de 617 virus, entre los que podemos nombrar a los virus causantes del Dengue, Ebola, Hepatitis (tipos A - G), Herpes viral, SIDA, Polio, Influenza, Sarampión, Paperas, entre otros (www.ncbi.nlm.nih.gov:80/PMGifs/Genomes/main_genomes.html).

Las bacterias, por su parte, son organismos vivos con una menor complejidad que los organismos superiores (eucarióticos), pero mucho más complejos que los virus. Ellas son organismos unicelulares, en general, con capacidad metabólica y reproductiva, aunque existen especies que viven parasitando intracelularmente a organismos superiores. El tamaño de sus genomas se calcula entre 600.000 a 13 millones de pares de bases y el número de sus genes está calculado que varía entre 470 y 12.000 (Li, 1997).

Los primeros genomas de bacterias en ser secuenciados fueron los de Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium (Fleischmann, et al. 1995; Fraser, et al. 1995). Hoy en día, se han secuenciado los genomas de unas 46 especies de bacterias, entre las que están Bacillus subtilis, Chlamydia pneumoniae, Escherichia coli, Mycobacterium tuberculosis, Mycoplasma pneumoniae, Treponema pallidum, Clostridium tetani, Neisseria gonorrhoeae y Vibrio cholera. Además, los genomas de unas 70 especies están en proceso de ser secuenciadas totalmente.

El genoma de organismos eucariotas es mucho más complejo, compuesto por tres tipos de secuencias: secuencias altamente repetitivas, moderadamente repetitivas y secuencias simples. La gran mayoría de genes están presentes en forma de secuencias simples y algunos de ellos están en forma de familias. Las secuencias altamente repetitivas y la mayoría de las secuencias moderadamente repetitivas tienen son consideradas como "basura genética" y dificultan en mucho la secuenciación y el procesamiento de las secuencias.

El primer organismo eucariótico cuyo genoma fue secuenciado por completo en 1997, es la levadura del panadero, Saccharomyces cerevisiae, que ha sido usado por sus características biológicas desde hace mucho tiempo como un modelo para estudios genéticos y moleculares (Fraser et al. 1997). Su genoma comprende unos 12 millones de pares de bases y se calcula que contiene unos 6.183 genes.

El segundo organismo superior secuenciado por completo, y primer organismo multicelular, fue el nemátodo Caenorhabditis elegans cuyo genoma contiene unos 97 millones de pares de bases, que codifican a más de 19 mil genes (C. elegans Sequencing Consortium, 1998). Este organismo ha sido usado ampliamente como modelo biológico en estudios del desarrollo embrionario y biología molecular.

Más recientemente, el genoma de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, fue secuenciado, determinándose el tamaño de su genoma en unos 137 millones de pares de bases, que codifican unos 13,600 genes (Adams et al., 2000). Este es el organismo más usado para descifrar los mecanismos genéticos a nivel poblacional, individual e incluso molecular. También es el más usado para determinar la secuencia de eventos durante el desarrollo embrionario del organismo.

La secuenciación exitosa del genoma de la levadura del panadero S. cerevisiae, así como el éxito en la secuenciación parcial del genoma del nemátodo C. elegans, abrió las puertas para la secuenciación completa del genoma humano.

LA SECUENCIA DEL GENOMA HUMANO

A pesar de estos éxitos, la secuenciación del genoma humano ha representado un reto mucho mayor, tanto por el tamaño de la secuencia, como por su complejidad. Por ejemplo, el genoma humano es 250 veces más grande que el de la levadura, así como 30 y 20 veces mayor que el de C. elegans y D. melanogaster, respectivamente. Además, la presencia de un elevado porcentaje de secuencias repetidas, el 40% en el hombre, complica el proceso de secuenciación, ya que no permite su localización precisa en el genoma por estar repetido en diferentes partes.

Para 1990, cuando se arranca con el Proyecto Genoma Humano, la secuenciación era un proceso en su mayor parte manual y con un elevado costo, unos $ 10 por base. La secuenciación completa del genoma humano se inició oficialmente en 1996 y se esperaba tener un 99,99% de precisión de la secuencia para 2005 (Collins et al. 1998). Para este proyecto se formó el consorcio público con organizaciones gubernamentales de varios países. Los objetivos iniciales del HGP fueron el de:

1. Mapear y secuenciar el genoma humano.

   

2. Mapear y secuenciar los genomas de organismos modelos.

3. Recabar información y distribuirla de manera eficiente.

4. Considerar las implicaciones éticas y legales del Proyecto.

5. Entrenar a personal científico y técnico para trabajar en esta área.

6. Desarrollar la tecnología necesaria para llevar a cabo el proyecto.

7. Transferir la tecnología al sector de investigación.



8. Mapear y secuenciar los genomas de organismos modelos.

9. Recabar información y distribuirla de manera eficiente.

10. Considerar las implicaciones éticas y legales del Proyecto.

11. Entrenar a personal científico y técnico para trabajar en esta área.

12. Desarrollar la tecnología necesaria para llevar a cabo el proyecto.

13. Transferir la tecnología al sector de investigación.

Debido a lo complicado del proyecto, el consorcio para el HGP lo dividió en partes para secuenciar cada cromosoma por separado. Para esto cada uno se fraccionó en segmentos de unos 150.000 pares de bases en promedio y se clonaron en vectores de gran versatilidad como los cromosomas artificiales de bacterias (BACs y PACs, por sus siglas en inglés) para su mantenimiento, formando las librerías genómicas. Estos segmentos fueron luego ordenados para poder determinar su posición en el genoma.

El mayor problema de este enfoque fue el costo y esfuerzo asociado al mapeo de todos los segmentos genómicos. Una vez ordenados los segmentos genómicos, éstos fueron fraccionados en segmentos secuenciables y se determinó su secuencia en forma aleatoria. Los fragmentos fueron ensamblados en cada segmento genómico para completar así el borrador de la secuencia.

TABLA 1

Comparación entre los objetivos iniciales del plan 1993-1998 del Proyecto Genoma Humano y su estado al final de este período (Collins et al., 1998).

Para ver la tabla seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

• 1 Mb = 1.000.000 de nucleótidos.

Para ver el gráfico seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

En 1998 se estudiaron los avances del proyecto y se establecieron los nuevos objetivos para el período del 1998-2003 (Collins et al. 1998). Los objetivos esperados para 1998 fueron alcanzados y sobrepasados (Tabla 1), debido al desarrollo tecnológico que permitió automatizar al máximo el proceso de secuenciación y disminuir los costos. Este éxito permitió una redefinición de los objetivos y proyecciones del HGP, adelantando en dos años la fecha de culminación de la secuenciación del genoma humano (Tabla 2).

TABLA 2

Comparación entre los objetivos iniciales del plan 1998-2003 del Proyecto Genoma Humano (Collins et al., 1998) y su estado actual.

Para ver la tabla seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

En la actualidad, el ritmo de avance en el HGP ha seguido aumentando, de modo que se adelantó en año y medio la publicación del primer borrador de la secuencia humana, que contiene el 97% del genoma con una baja precisión y el 85% con alta precisión (Pennisi, 2000), lo que también representan porcentajes mayores a los esperados.

Sin embargo, es casi imposible y altamente costoso el clonar todas y cada una de las secuencias del genoma. Es muy común la presencia de "huecos" en los que segmentos del genoma no están presentes en las librerías, de modo que no pueden ser secuenciados.

De esta forma, concluir el próximo 3% y producir el 100% de la secuencia de alta resolución llevará al menos unos dos años más. Esto se debe a que para poder cerrar todos los "huecos " del genoma, que no han sido secuenciados y que no están presentes en las librerías, es necesario completar la secuencia una por una utilizando técnicas especiales de que incrementan el costo y esfuerzo.

Por otra parte, otro grupo de investigadores pertenecientes a la compañía privada Celera Genomics, está secuenciando también el genoma humano, desde hace más o menos un par de años, pero su interés es netamente comercial. Ellos están utilizando otro enfoque, en donde fragmentan el genoma en pequeños segmentos y luego los secuencia sin ordenarlos. Una vez conocida la secuencia, los segmentos son ensamblados a través de complejos programas matemáticos y recursos computacionales muy poderosos.

La presencia de dos grupos tratando de secuenciar el genoma humano produjo que se desatara una carrera para determinar quien sería el primero en terminar. Esta carrera terminó en un empate oficial con la publicación conjunta del libro de la vida.

Sin embargo, el enfoque que Celera Genomics utiliza no permite rellenar los "huecos" de manera eficiente, incrementando el esfuerzo y los costos de manera exponencial a medida que se va acercando al final del proyecto.

ALCANCES DEL PROYECTO

La puesta en marcha y realización del HGP ha permitido el logro de una cantidad de objetivos que no se hubiesen podido alcanzar de otra forma. Entre estos logros podemos mencionar:

Para ver el gráfico seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

1. El desarrollo de un mapa genético con una resolución de 1 cM fue un proceso complejo que necesitó la participación de entes multilaterales internacionales que coordinarían la información y establecieran un grupo de familias de referencia en la cual se basaran los estudios genéticos futuros.

2. La creación del mapeo por radiación de híbridos permitió establecer un método rápido y sencillo para la ordenación a gran escala de marcadores y genes en el genoma humano. Así, se mapearon una gran cantidad de marcadores anónimos y se produjo un mapa físico conteniendo más de 30.000 genes, número que se estima representa la mitad de los genes en el hombre.

3. La puesta en marcha del HGP permitió contar con fondos suficientes para la secuenciación de organismos modelos como la levadura, el nemátodo C. elegans, la mosca de la fruta, el ratón y otros, que por separado hubiesen tenido muchos problemas para ser financiados.

4. El desarrollo de la bioinformática como una nueva área científica que permite el almacenaje, manejo y análisis de las secuencias obtenidas en el HGP. El uso de teorías matemáticas complejas ha permitido el análisis detallado de las secuencias y está ayudando a la mejor utilización de la información.

Para ver el gráfico seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

Cuando se diseño el HGP se esperaba que la información fuese útil, pero no se esperaba que tuviese el extraordinario impacto que ha tenido para la biología molecular.

Con esta versión de la secuencia humana se puede estimar con mayor exactitud el número de genes, que hasta ahora se cree que va entre 60 a 100 mil, así como clasificar las familias de genes y proteínas para inferir las funciones específicas de sus miembros y tratar de entender la forma en que los genes están organizados y controladas sus funciones.

Además, la extensión del HGP a otros organismos ha permitido descubrir la conservación no sólo de las secuencias de muchos genes en organismos tan distantes como el nemátodo o la mosca de la fruta y el hombre, sino también de sus funciones. La base de datos que se creó con toda la información recopilada de los diferentes organismos, permitirá dilucidar las funciones de muchos de los genes que se están descubriendo por medio del análisis de las secuencias publicadas.

Uno de los aspectos que no fueron previstos en la formulación del proyecto inicial, pero que ahora se ha convertido en un factor importante es el gran interés comercial que ha despertado el HGP. Así, existe un consorcio privado (Celera Genomics) que se encuentra secuenciando el genoma humano por su cuenta y está detrás de la obtención de patentes para genes que puedan tener un interés comercial. Además, existen varios consorcios que pretenden usar la información generada con fines comerciales, e incluso instituciones públicas están pensando en la posibilidad de obtener patentes en aquellos descubrimientos importantes que se logren a partir de la secuencia del genoma humano.

La idea original de que la información producida en el HGP permanezca disponible libremente a los investigadores a nivel internacional, ha resultado muy importante para el desarrollo de distintas investigaciones en el área de la biología molecular. Como política, se ha establecido que las secuencias obtenidas diariamente aparezcan en las bases de datos al día siguiente y que todas las revistas de investigación en el área exijan el envío de las secuencias, producidas en los diferentes trabajos, a las bases de datos donde pueden ser adquiridos por cualquier persona.

Esto permite que los pequeños centros de investigación en biología molecular (incluyendo aquellos en Latinoamérica) puedan mantenerse al día con la información. Además, el desarrollo tecnológico del HGP ha permitido la formación de compañías que prestan servicios de secuenciación, clonación y mapeo, entre otros, para proyectos en mucha menor escala y con presupuestos mucho más pequeños, que los del HGP.

Así, se puede decir que los investigadores en América Latina, que históricamente siempre hemos contado con un pequeño presupuesto para la investigación, podemos mantenernos en la mesa de juego, contando con la misma tecnología con que cuentan los proyectos de gran envergadura, pero a precio reducido.

LIMITACIONES

A pesar de toda la potencialidad de la información generada en el HGP, la mayor utilidad inmediata de ésta será para el área de investigación con el fin de generar avances en su interpretación.

La salida de los resultados del HGP a la luz pública ha desatado una ola de aseveraciones y especulaciones acerca de los alcances del proyecto. Aquí es necesario esclarecer el verdadero alcance inmediato y las posibilidades futuras reales, de modo de instruir al público y eliminar falsas esperanzas.

Las ruedas de prensa posteriores al anuncio de la publicación del libro de la vida por parte de los directores del programa, así como del Presidente de los Estados Unidos y el Primer Ministro de Gran Bretaña, se ha originado la idea de que con esta información se podrá "descubrir tratamientos" para enfermedades hasta ahora incurables, "tratar genes defectuosos" o "recetar medicinas específicas" según el código genético de cada persona (informaciones de prensa de AFP).

Esta ola también ha permitido el imaginar los posibles conflictos ético-morales que se pueden presentar con la utilización de esta información, hablándose de "fabricar seres" a partir de un código preconcebido. De este modo, la opinión que se recoge en el público general es que todos los problemas médicos del hombre podrán ser resueltos a partir de esta información, lo cual está muy alejado de la verdad.

Un ejemplo ilustrativo de los alcances reales inmediatos del proyecto lo da el caso del gen de la fibrosis quística. Este gen fue identificado, clonado y secuenciado hace unos once años. El haber descifrado la secuencia del gen normal y determinar cual es el problema del gen mutante no ha sido suficiente para establecer una solución al problema. El mayor alcance hasta ahora ha sido el diagnóstico desarrollado en base a esta información, lo que indudablemente ha llevado a un avance en la investigación sobre el gen y su función en la célula. Mucha información se ha recopilado hasta estos momentos, pero, luego de once años, todavía no se ha producido una cura.

Por otra parte, la secuencia del genoma humano no es más que un montón de letras con poco significado. Esto es como tratar de aprender a usar una máquina sin ninguna información. Ahora que conseguimos imprimir el manual de usuario, vemos que éste se encuentra escrito en otro idioma que no conocemos completamente. Para poder traducirlo necesitamos investigar por mucho tiempo para determinar las características de los diferentes genes y de sus funciones, así como de las interacciones entre genes y los cambios que pueden producir en las funciones individuales de éstos.

La terapia genética se está manejando como la posible solución de todos los problemas genéticos en el hombre. Sin embargo, no se ha producido un solo reporte exitoso de terapia genética en el hombre u otro organismo modelo, quizás debido a que la tecnología de insertar genes en un organismo es al azar y a que ésta no está lo suficientemente avanzada para representar una verdadera solución en la actualidad.

Se estima que nos faltan unos 10 años de estudios para poder entender la mayor parte de la información contenida en el genoma humano. La comprensión del código, la respuesta a preguntas tales como ¿Qué somos?, ¿Porqué nos enfermamos? y ¿porqué envejecemos? Está a décadas de distancia. Sin embargo, se prevé que el beneficio inmediato de la información del HGP para la medicina será en las diferencias que existen entre las secuencias de personas sanas y enfermas. Para esto se ha comenzado un proyecto para la creación de marcadores altamente polimórficos (SNPs) que puedan ser relacionados con estas diferencias.

De este modo, se espera que en los próximos años se produzca una gran revolución en el diagnóstico de muchas de las enfermedades más comunes, para las que ya existe mucha información al respecto y la secuencia de los genes que intervienen en la producción de enfermedades viene a completar el rompecabezas.

Para ver el gráfico seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

La meta principal a alcanzar, una vez establecida con exactitud la secuencia de los genes humanos, es la de identificar a todos los genes del complemento humano, determinar su función y estudiar las interacciones de cada uno con el ambiente y entre ellos mismos. Así, las enfermedades genéticas atribuídas a mutaciones en genes simples constituyen menos del 5% de todas las enfermedades humanas (Strohman, 1994). La gran mayoría de las enfermedades humanas tienen un componente genético que causa directamente una enfermedad o que simplemente predispone en algún grado a ésta. El ambiente (condiciones del medio y del individuo, así como de la composición genética) va a determinar si una predisposición a una enfermedad en particular se desarrolla y hasta que nivel llega. Son muchas las enfermedades que son producto de la presencia de mutaciones en varios genes, lo que se conoce como herencia cuantitativa o poligénica. De esta forma, sólo la caracterización de todos los genes involucrados en la enfermedad, el estudio de sus funciones y de las interacciones existentes entre ellos permitirá el entendimiento de la enfermedad y llevará algún día a una solución definitiva en los pacientes afectados

Es posible que la propaganda de los posibles alcances del HGP fuera originada de los mismos protagonistas, que aunque están conscientes de las limitaciones de la información, les sirve para justificar el elevado costo del proyecto y asegurar la continuidad de su financiamiento, como ha sido señalado por algunos autores (Hadden, 2000).

Quizás la nueva fase de investigación, una vez determinada con exactitud la secuencia del genoma, será guiada por el interés comercial, lo que podría permitir grandes avances en poco tiempo, pero a la vez no llevaría a la acumulación de conocimientos sobre la función de las secuencias, ya que cada grupo privado mantendría en secreto los descubrimientos que realicen.

IMPLICACIONES ÉTICAS

Para ver el gráfico seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

Uno de los más grandes temores con respecto al HGP y que ha generado gran controversia por parte de los diferentes sectores de la sociedad, ha sido las implicaciones éticas acerca del uso de la información generada por el proyecto.

El primer aspecto que podemos considerar es el acceso a la información y de su "patentabilidad". Desde un principio se destacó la importancia de que la información permaneciera accesible a todo aquel que la necesitara. Esto produjo controversia, ya que la inversión del proyecto fue hecha por pocas agencias de un puñado de países que se preguntaban si no debían mantener la información para ellos.

Luego la controversia se centró en la posibilidad de patentar, principalmente por parte de las empresas privadas que estaban desarrollando proyectos de secuenciación, la información que ellos obtuvieran. El acuerdo entonces quedó en que las secuencias no representaban la información completa de los genes sino su función y expresión en el genoma. Así, no es patentable las secuencias de bases del ADN a menos que se conozca para que sirven.

Para ver el gráfico seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

El segundo aspecto a considerar es el uso del diagnóstico de enfermedades que puedan desarrollarse en el futuro con la información del HGP. En teoría, compañías aseguradoras o contratistas podrían negarse a asegurar o contratar los servicios de personas que padezcan de una enfermedad no evidente o que tengan una predisposición a ésta. La discusión produjo un acuerdo de que los exámenes de diagnóstico deben ser requeridos sólo por las mismas personas y que no debe ser realizados sin su consentimiento. Sin embargo esto no representa ninguna garantía de que esto pudiera hacerse de manera clandestina, ya que sólo haría falta una pequeña muestra de sangre para realizar un estudio detallado de muchas de las enfermedades para las que se pueden desarrollar métodos de diagnóstico molecular.

Esto pone en evidencia que es necesario una legislación a nivel internacional que regule éstos aspectos, así como cualquier otro en el que pueda usarse indebidamente la información. En este sentido, los representantes de Celera Genomics y Genset, dos de las compañías privadas más importantes del área, propusieron en crear un parlamento mundial para establecer criterios éticos universales, hasta ahora inexistentes, sobre las potenciales aplicaciones de la información del HGP en el biomedicina (informaciones de prensa de AFP). Este es un paso importante que debería ser tomado por los líderes del mundo con el fin de prevenir cualquier mal uso que se le pueda dar a esta y futuras informaciones del genoma humano.

Para ver el gráfico seleccione la opción ¨Descargar trabajo¨ del menú superior

 Deseo expresar mi más cordial agradecimiento al Prof. Julio Pérez por la lectura crítica del manuscrito y el aporte hecho al artículo.

BIBLIOGRAFíA

Adams, M.D.; Celniker, S.E.; Holt, R.A.; Evans, C.A.; Gocayne, J.D.; Amanatides, P.G.; Scherer, S.E.; Li, P.W.; Hoskins, R.A.; Galle, R.F.; George, R.A.; Lewis, S.E.; Richards, S.; Ashburner, M.; Henderson, S.N.; Sutton, G.G.; Wortman, J.R.; Yandell, M.D.; Zhang, Q.; Chen, L.X., et al. 2000. The genome sequence of Drosophila melanogaster. Science 287:2185-2195.

C. elegans Sequencing Consortium. 1998. Genome sequence of the nematode C. elegans: a platform for investigating biology. The C. elegans Sequencing Consortium. Science 282:2012-2018.

Collins, F. & Galas, D. 1993. A new five-year plan for the U.S. Human Genome Project. Science 262:43-46.

Collins, F.S.; Patrinos, A.; Jordan, E.; Chakravarti, A.; Gesteland R. & Walters, L. 1998. New goals for the U.S. Human Genome Project: 1998-2003. Science 282:682-689.

De Donato, M. 1993. El Primer Coctel de Gametos. Reto 43:4-7.

Dunham, I.; Shimizu, N.; Roe, B.A.; Chissoe, S.; Hunt, A.R.; Collins, J.E.; Bruskiewich, R.; Beare, D.M.; Clamp, M.; Smink, L.J.; Ainscough, R.; Almeida, J.P.; Babbage, A.; Bagguley, C.; Bailey, J.; Barlow, K.; Bates, K.N.; Beasley, O.; Bird, C.P., et al. 1999. The DNA sequence of human chromosome 22. Nature 402:489-495.

Fleischmann, R.D.; Adams, M.D.; White, O.; Clayton, R.A.; Nature 171:737-738.

Kirkness, E.F.; Kerlavage, A.R.; Bult, C.J.; Tomb, J.; Dougherty, B.A.; Merrick, J.M.; McKenney, K.; Sutton, G.G.; FitzHugh, W.; Fields, C.A.; Gocayne, J.D.; Scott, J.D.; Shirley, R.; Liu, L.I.; Glodek, A.; Kelley, J.M.; et al. 1995. Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd. Science 269:496-512.

Fraser, C.M.; Gocayne, J.D.; White, O.; Adams, M.D.; Clayton, R.A.; Fleischmann, R.D.; Bult, C.J.; Kerlavage, A.R.; Sutton, G.G.; Kelley, J.M.; Fritchman, J.L.; Weidman, J.F.; Small, K.V.; Sandusky, M.; Fuhrmann, J.L.; Nguyen, D.T.; Utterback, T.; Saudek, D.M.; Phillips, C.A.; Merrick, J.M.; et al. 1997. Overview of the yeast genome. Nature 387:7-65.

Hadden S. 2000. How much use is the Human Genome Project? Nature 404:541-542.

Li W-H. 1997. Molecular Evolution. Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Massachusetts, USA. 487 pp.

Maxam, A.M. & Gilbert, W. 1977. A new method for sequencing DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74:560-564.

Pennisi E. 2000. Human genome. Finally, the book of life and instructions for navigating it. Science 288(5475):2304-7.

Peterson, S.N.; Smith, H.O. & Venter, J.C. 1995. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science 270:397-403.

Russell P.J. 1996. Genetics. Harper Collins College Publishers, New York. 784pp.

Sanger, F. & Coulson, A.R. 1975. A rapid method for determining sequences in DNA by primed synthesis with DNA polymerase. J. Mol. Biol. 94:441-448.

Sanger, F.; Air, G.M.; Barrell, B.G.; Brown, N.L.; Coulson, A.R.; Fiddes, J.C.; Hutchison, C.A.; Slocombe, P.M. & Smith, M. 1977. Nucleotide sequence of bacteriophage phi-X174 DNA. Nature 265:687-695.

Strohman R. 1994. Epigenesis: the missing beat in biotechnology? Biotechnology 12(2):156-64.

Watson J.D. & Crick F.H.C. 1953. Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid.

MARCOS DE DONATO

marcosdedonato@yahoo.com

Lab. de Genética Molecular

Instituto de Investigaciones en

Biomedicina y Ciencias Aplicadas

Universidad de Oriente

Cumaná, Venezuela

Revista Cubana de Genética Humana

Volumen II, Número 2. 2000

MOSAICISMO CROMOSÓMICO EN EL DIAGNÓSTICO PRENATAL CITOGENÉTICO.

AUTORES

Lic. Luis A. Méndez Rosado, Lic. Gisel Hernández Pérez, Lic. Olga Quiñones Maza, Lic. Marta

Lavista Gonzalez, Dr. Jorge Quintana Aguilar.

Departamento de Citogenética. Centro Nacional de Genética Médica, Ciudad de La Habana, Cuba.

E. mail: albermen@infomed.sld.cu

RESUMEN

El mosaicismo cromosómico en diagnóstico prenatal citogenético constituye un problema serio, en

especial cuando se hace necesario determinar el riesgo de alguna afección de origen cromosómico

para el futuro niño. Se hizo un estudio de la incidencia del mosaicismo y pseudomosaicismo en 4

años de labor (1996-1999) en el laboratorio de Diagnóstico Prenatal Citogenético de Ciudad de La

Habana, con el objetivo de determinar su frecuencia. Son seleccionados 1487 casos que cumplen

los requerimientos mínimos establecidos para el estudio. Son hallados 11 casos con mosaicos,

para una frecuencia del 0,73%. Los mosaicos involucran líneas con aberraciones numéricas,

encontrándose: 3 casos con mosaico de trisomía 21, 2 casos con mosaicos de trisomía 20, 2

casos con mosaicos de trisomía 22, 2 casos con mosaicos de cromosoma marcador

supernumerario, 1 caso con mosaico de trisomía 18 y 1 caso con mosaico de triple X. El

pseudomosaicismo presentó una frecuencia del 5.11% para el nivel I y del 1.10 % para el nivel II.

Los cromosomas más frecuentemente hallados en pseudomosaicos de aberraciones numéricas

fueron el 2, 21, 3, 22, X y 17. En pseudomosaicos de aberraciones estructurales encontramos con

mayor frecuencia los cromosomas 17, 5, 18, 3 y 10.

PALABRAS CLAVES

Mosaicismo, pseudomosaicismo, aberraciones numéricas, aberrraciones estructurales.

INTRODUCCIÓN

El hallazgo de células con diferentes cariotipos en el diagnóstico prenatal citogenético por cultivo

de amniocitos, es relativamente poco frecuente, no obstante constituye un serio problema

diagnóstico en el cual no siempre se puede predecir con absoluta certeza el riesgo de una

afección fenotípica en el niño por nacer.

En diferentes controles técnicos realizados en los Estados Unidos, Canadá, Europa y laboratorios

de New York (1,2,3,4) se ha llegado a la conclusión que la incidencia del mosaicismo verdadero

fluctúa en un rango entre 0,1% al 0,3%, mientras que la frecuencia del pseudomosaicismo

tomando en conjunto sus diferentes tipos tuvo una media de 3,25%.

En Cuba el diagnóstico prenatal citogenético se inició a comienzos de la década de los años 80,

hasta el momento los estudios de mosaicismo y pseudomosaicismo en nuestros laboratorios han

sido insuficientes. El presente trabajo reporta la frecuencia de mosaicos y pseudomosaicos en el

Laboratorio de Diagnóstico Prenatal Citogenético de Ciudad de La Habana en el periodo

comprendido entre 1996-1999 y los cromosomas más involucrados en mosaicos y

pseudomosaicos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para el diagnóstico prenatal citogenético se extrajeron 20 ml de líquido amniótico por punción

transabdominal, en el periodo del embarazo comprendido entre las 16-20 semanas.

Por cada caso se siembran 3 frascos de cultivo añadiendo en cada uno:

_ 3 ml de líquido amniótico

_ 3 ml de la mezcla de cultivo (suero fetal de ternera, medio de cultivo, ultroser y antibiótico)

Si aparece al menos 1 célula con algún tipo de aberración se cuentan de 20-50 metafases de los

otros dos frascos de cultivo restantes en dependencia de las características que tenga dicha

aberración (Hsu et al, 1992).

En nuestro muestreo se seleccionaron los casos que tenían como mínimo 10 células analizadas

con bandas GTG, se determinó el pseudomosaicismo según los niveles establecidos por Bui

(1984) donde :

Nivel I correspondió a los hallazgos de una simple célula anormal en uno de los frascos de

cultivo.

El nivel II correspondía a múltiples células con la misma aberración pero solo en un frasco de

cultivo

El nivel III o mosaico verdadero fue establecido cuando aparecía la misma aberración en

diferentes frascos de cultivo o como mínimo en 2 de ellos.

Se tuvieron en cuenta las células con monosomías cromosómicas, solamente si se repetía la

aneuploidía del mismo cromosoma en el caso, con el objetivo de disminuir lo más posible el sesgo

debido a errores técnicos.

RESULTADOS Y DISCUSION

- Frecuencia de mosaicismo

De los 1487 casos diagnosticados en este período, en 11 se detectó un mosaicismo verdadero

( tabla 1) para un 0,73%, este porcentaje está elevado con respecto a la media reportada en la

literatura internacional (1,2,3,4 ) que oscila entre 0.25% y 0.30%. En la tabla # 2 se hace una

comparación entre los resultados de nuestro trabajo y los hallazgos en cuatro grandes muestreos

realizados en diferentes laboratorios del mundo.

En un trabajo de Hsu y col (1984) que recoge un muestreo de mosaicismo y pseudomosaicismo

en los laboratorios de diagnóstico prenatal citogenético de los E.U. en el cual participaron 59

centros, la frecuencia de mosaicismo osciló en un rango entre el 0% y el 0.89%, los laboratorios

con 0% eran aquellos que tenían menos de 500 casos realizados. Los laboratorios con una media

de mosaicismo elevada, se planteaba que era posible tuvieran problemas técnicos (hipotonía y

fijación) , pero cuando hacían referencia a dichos problemas se estaban basando principalmente

en los casos reportados como aneuploidías sexuales (Ej. 45,X ) que puede deberse la pérdida del

cromosoma X o Y a problemas básicamente técnicos.

No obstante existen reportes de otros autores en series en que se analizan las frecuencias de

mosaicismo encontrándose las mismas por encima del 0.30%, ejemplo Najafzadeh et al (1982)

halló un 0.76% y Nocera et al (1985) reportó un 0.45%.

No se puede descartar absolutamente la posibilidad de que alguno de nuestros casos reportados

como mosaicos sean en realidad una contaminación con células maternas, sobre todo teniendo

en cuenta que en alguno de ellos que son del sexo femenino el por ciento de células normales

encontradas fue realmente bajo con respecto al por ciento de células aberrantes halladas, esto por

supuesto aumenta la frecuencia del mosaicismo en nuestra muestra, cuando en realidad se

trataría de un pseudomosaico por contaminación con células maternas.

FRECUENCIA DE PSEUDOMOSAICISMO:

Pseudomosaicismo de nivel I:

En nuestra muestra de 1487 casos encontramos 76 (en 3 se encontraron dos células con

pseudomosaicos diferentes) (tabla # 3) con este tipo de pseudomosaicismo siendo su frecuencia

de 5.11%, en lo reportado en la literatura internacional (1,2,3,4) la frecuencia de este tipo de

pseudomosaico varía en un rango entre 2.47% a 7,10%, por lo que consideramos que nuestros

valores están acorde al hallazgo de otros autores. En este nivel encontramos 57 aberraciones

estructurales y 19 que son aberraciones numéricas existiendo una relación 3:1 entre las mismas.

En la literatura revisada encontramos que sucedía algo similar a lo encontrado por nosotros en

cuanto a estas proporciones (4,7).

Las aberraciones tanto numéricas como estructurales se presentaron en mayor número en su

forma desbalanceada: 3.96 %( 59/1487) desbalanceadas vs 1.14 %(17/1487) balanceadas.

En nuestra serie de pseudomosaicismo nivel I el cromosoma marcador supernumerario aparece

en 6 ocasiones.

Pseudomosaicismo nivel II:

La frecuencia de aparición en nuestra serie estudiada fue de 1.00 % para el pseudomosaicismo de

nivel II (Tabla # 4) . En los 4 grandes muestreos realizados en el mundo (1,2,3,4) el

pseudomosaicismo de múltiples células o de nivel II aparece reportado en un rango entre 0.70% y

1.10%, estando nuestra cifra de porcentaje en el rango reportado por otros autores.

En nuestra muestra existen 5 anomalías cromosómicas balanceadas y diez que son

desbalanceadas, encontramos dos cromosomas involucrados en trisomías libres el cromosoma 17

y el 21; en ambos casos los nacidos vivos fueron normales.

Aparecieron dos casos con cromosomas marcadores supernumerarios, en uno de ellos la madre

había recibido radiaciones, lo que puede explicar la aparición del marcador en el feto; al nacimiento

los 2 fueron fenotípicamente normales.

FRECUENCIA DE APARICIÓN DE LOS CROMOSOMAS INVOLUCRADOS EN MOSAICOS DE

TRISOMÍAS

El mosaicismo diagnosticado en amniocitos tiene una frecuencia del 0,3%, de estos los

cromosomas autosómicos más involucrados en trisomías son el 13, 18, 20 y 21, los cuales son

los responsables de casi el 70% de todos los mosaicos de trisomías encontrados en cromosomas

autosómicos (4).

Mosaicismo de trisomía 21: el cromosoma que con mayor frecuencia aparece involucrado en

mosaicismo de trisomía en nuestra muestra es el 21 que lo encontramos en tres pacientes, para

un 27.2% (3/11), esto realmente es un hecho bastante usual en los reportes de otros autores que

consideran este mosaico entre los más comunes (5, 4, 8). En un trabajo que agrupa 277 casos de

mosaicos de trisomías de autosomas, la trisomía 21 aparece en 60 casos para un 21.6 % de

incidencia (4). Este dato no difiere en gran medida con lo hallado por nosotros en nuestro trabajo.

Mosaico de trisomía 20: es el más frecuente en diagnóstico prenatal citogenético (9,10, 11).

En nuestro muestreo aparece en 2 pacientes, para un 18% (2/11) de frecuencia entre todos los

mosaicos encontrados por nosotros. En el trabajo de Hsu y colaboradores de 1992 el mosaico de

trisomía 20 aparece con una frecuencia del 37% (103/ 277), lo cual evidentemente no es

coincidente con nuestros hallazgos. Es probable que esto sea debido en gran medida a que el

estudio nuestro solo recoge los resultados de 4 años de trabajo en un laboratorio, con un número

limitado de casos.

Mosaico de trisomía 18 : aparece con una frecuencia de 1/ 70 000 niños nacidos vivos (12,13), no

obstante se encuentra reportado en la literatura entre los mosaicos más frecuentes en diagnóstico

prenatal citogenético, en nuestra muestra apareció en una ocasión (1/ 11) para un 9% de

frecuencia. El mosaico de trisomía 18 apareció en 15 casos de las 277 trisomías en mosaico de

los autosomas estudiados por Hsu en 1992, siendo su frecuencia del 5.4% lo cual no esta muy

alejado de lo obtenido por nosotros. Según los reportes de diversos autores sus niveles de

confirmación en tejido fetal son altos (81%-100%) (11,8).

El mosaico de trisomía del cromosoma 13 no apareció en nuestro trabajo. Hsu y colaboradores

(1992) lo reportaron en 15 ocasiones dentro de los 277 mosaicos de trisomías por ellos

encontrados para una frecuencia del 5,4%.

Mosaico de cromosomas marcadores supernumerarios: Respecto a los cromosomas marcadores

supernumerarios en este muestreo de mosaicismo de cuatro años encontramos dos casos. Los

mosaicos de marcadores cromosómicos supernumerarios tienen una frecuencia de aparición en

un rango entre 0.6 al 1.5 por 1000 (11) en el cultivo de amniocitos, en nuestro muestreo en el cual

encontramos dos casos en una muestra de 1487 pacientes el rango con que aparece sería de 2,2

por 1000. En el muestreo realizado por Bui y colaboradores (1984) en los laboratorios europeos

encontraron que el mosaico de marcador supernumerario estaba en una frecuencia de 1/4417

casos diagnosticados prenatalmente. La frecuencia de aparición de este mosaico está elevada en

nuestro estudio con respecto a lo reportado en la literatura internacional.

Mosaicos cromosómicos de trisomías raras en los autosomas:

La trisomía del cromosoma 22 en mosaico se le considera dentro de los llamados casos raros de

mosaicismo de los autosomas (11), no obstante apareció en dos ocasiones en nuestro reporte de

mosaicismo para un 18% (2/11). En el trabajo de Hsu y colaboradores (1997) que recoge 151

casos de mosaicos de trisomías raras, el cromosoma 22 aparece reportado en 11 casos para una

frecuencia del 7.2% lo cual nos brinda una idea de su baja frecuencia de aparición; en nuestro

muestreo esta frecuencia está elevada en comparación con lo reportado con este autor. El hecho

de que en nuestro muestreo aparezca en un 18% de los casos de mosaico nos parece puramente

fortuito.

Mosaicos cromosómicos de aneuploidías sexuales:

En estudio realizado por Hsu y colaboradores (1996) se encuentra que la frecuencia del

mosaicismo en cromosomas sexuales es mayor que en los autosomas (47.7% vs 36.8%).

Con respecto a los mosaicos de aneuploidías sexuales su frecuencia en el periodo que se realiza

la amniocentesis es de 0.038% (17/44170) (1) esto no es significativamente diferente a lo

reportado por otros autores respecto a estas aberraciones en el periodo neonatal (24/60 347 =

0.040%) (15), al parecer una vez que estos fetos con dichas aneuploidías logran alcanzar las

semanas 16-20 de la gestación la cantidad de pérdidas fetales por esta causa esta muy

disminuida.

Mosaico de trisomía del cromosoma X: lo encontramos en solo una ocasión (1/11) para un 9% de

frecuencia entre los casos con mosaicos. En realidad los mosaicos cromosómicos sexuales más

reportados han sido el 45,X/46,XX , el 45,X/ 46,XY y el 47, XXY /46,XX. En una serie de 520

casos de diagnóstico prenatal con mosaicismo de aneuploidías sexuales se hallaron 26 con

47,XXX/ 46,XX lo cual constituye un 5 % de frecuencia de aparición de esta aberración (15). Por

el hecho de tan solo encontrar este mosaico de aneuploidía sexual en este estudio, pensamos que

nuestros datos no coinciden con lo reportado por otros autores, donde estas aberraciones son las

más frecuentemente halladas.

FRECUENCIA DE APARICIÓN DE LOS CROMOSOMAS INVOLUCRADOS EN

PSEUDOMOSAICISMO:

Primeramente analizaremos los cromosomas que aparecen en el pseudomosaicismo de nivel I:

Cromosomas involucrados en pseudomosaicos de trisomías:

Los cromosomas que con más frecuencia aparecen involucrados en trisomías en el nivel I son:

cromosoma número 2 en cuatro ocasiones para un 21% (4/19) de aparición, los cromosomas 3

y 21 en tres ocasiones cada uno para un 15% (3/19), los cromosomas X y 22 en dos ocasiones

cada uno para un 10.5% ( 2/19), los cromosomas 10, 17, 20, 8 y 9 en una ocasión cada uno para

un 5% (1/19) de frecuencia. Como en otras series analizadas por diferentes autores (1,2,3,4) en la

nuestra se repite que sea el cromosoma 2 el que con más frecuencia esté implicado en trisomías

en los pseudomosaicismos llegando a reportarse hasta un 23% de aparición en el nivel I; otros

cromosomas frecuentemente involucrados según los autores anteriormente mencionados son: el 7

(10.8%), el X (8.8%), 17 (6,1%), 20 (6.1%) y el 9 (5.4%). Esto posiblemente son mosaicismos

confinados a tejidos extraembrionarios, que aparecen en los resultados del cultivo de amniocitos,

por encontrarse muchas veces estas células mezcladas en el líquido amniótico donde están las

células fetales.

Frecuencia de cromosomas involucrados en aberraciones estructurales en el pseudomosaicismo

del nivel I:

Aberraciones estructurales desbalanceadas:

Deleciones: La mayoría de las deleciones son terminales. Los cromosomas más involucrados son:

cromosoma # 17 en 4 ocasiones, los cromosomas 5, 18, 4, 1, 6, 15, 10 en dos ocasiones , y los

cromosomas 3,9,14,2, 8, 11, 22 en una ocasión.

Duplicaciones o material cromosómico adicional:

En este muestreo aparece una duplicación del brazo largo del 10, además encontramos que en

dos ocasiones el cromosoma 10 tenía material extra en su estructura. Los restantes cromosomas

con material adicional encontrado fueron el 12, 5, 13 y 9. El cromosoma 10 aparece en el 50% de

los casos con esta aberración.

Marcador cromosómico supernumerario: Lo reportamos en 6 ocasiones en nuestro estudio del

pseudomosaico nivel I.

. Aberraciones estructurales balanceadas en pseudomosaicismo de nivel I:

En este trabajo encontramos 15 translocaciones de las cuales una era Robertsoniana t (21;21).

Las restantes son translocaciones aparentemente balanceadas. Los cromosomas más

involucrados fueron el 16, 3 y 7 en cuatro ocasiones cada uno. El cromosoma 5 y 14 le continúan

en frecuencia al estar involucrados en 3 ocasiones. Los cromosomas 12 y 21 aparecen cada uno

en dos ocasiones, por último los cromosomas 11, 4, 6, 15, X, 22, 20 y 2 que aparecen en

translocaciones solo en una ocasión.

Dentro de los pseudomosaicos de nivel I encontramos un caso que tenía una inversión de la X

y otro con una inversión del 10.

- Cromosomas involucrados en el pseudomosaicismo de nivel II:

En el pseudomosaicismo nivel II encontramos dos cromosomas involucrados en trisomías que

fueron el cromosoma 17 y el 21 una vez cada uno; en ambos casos los nacidos vivos fueron

normales.

Las restantes aberraciones numéricas halladas fueron una monosomía del cromosoma 22 y una

monosomía del cromosoma X.

Aberraciones estructurales halladas en el pseudomosaico de nivel II:

Fueron halladas 11 aberraciones estructurales de ellas 5 fueron aparentemente balanceadas y 6

desbalancedas.

Aberraciones estructurales balanceadas:

Las 5 están constituidas por translocaciones donde los cromosomas más frecuentemente

involucrados eran el 3 y el 5 en dos ocasiones cada uno, nos llama la atención que también estos

cromosomas aparecen frecuentemente en translocaciones de pseudomosaicos de nivel I, por lo

que pudiese existir cierta predisposición a su aparición en las translocaciones de los falsos

mosaicismos, esto esta por demostrar en una serie de un mayor número de casos. Los restantes

cromosomas involucrados en translocaciones fueron el 2, 18, 10,1, 4, X y 14 que aparecieron en

una ocasión cada uno.

Aberraciones estructurales desbalanceadas:

Dentro de esta categoría encontramos una deleción del brazo corto del 18, un isocromosoma del

brazo largo de la X, material extra en un cromosoma 5 y en un 6 y además dos cromosomas

marcadores.

CONCLUSIONES

La frecuencia de aparición del mosaicismo en nuestro muestreo estuvo elevada con relación a los

reportes de otros autores. Para los dos tipos de pseudomosaicismo nuestros resultados coinciden

con lo descrito en la literatura.

Coincidentes con los reportes de la literatura en nuestro muestreo aparecen los mismos

cromosomas que con más frecuencia están involucrados en mosaicismos (21, 20,18, X y marcador

supernumerario), exceptuando al cromosoma 22 que fue hallado en exceso y al cromosoma 13

que no lo reportamos en nuestra serie. No encontramos mosaicos de aberraciones estructurales lo

cual no es raro, la frecuencia con que aparecen reportados los mismos es muy baja.

En pseudomosaicos de aberraciones numéricas los cromosomas más involucrados son: el 2, el

21, el 3, el 22, el X y el 17.

En pseudomosaicos de aberraciones estructurales los cromosomas más frecuentemente hallados

fueron: el cromosoma 17, el 5, el 18, el 3 y el 10.

Tabla # 1.Mosaicos cromosómicos en la muestra de 1487 casos.

# Caso Cariotipo Células aberradas

entre total de células % mosaicismo

1 47,XX+21/ 46,XX 8/10 80%

2 47,XX+21/ 46,XX 9/17 53%

3 47,XX+21/ 46,XX 3/40 7.50%

4 47,XX+20/46,XX 4/31 12.90%

5 47,XY+20/46,XY 2/50 4%

6 47,XY+22/ 46,XY 2/30 6.60%

7 47,XY+22/ 46,XY 3/65 4.60%

8 47,XY+mar/46,XY 241/300 80%

9 47,XX+mar/46,XX 3/30 10%

10 47,XX+18/ 46,XX 13/17 76%

11 47,XXX / 46,XX 29/70 41%

Tabla # 2.Comparación de resultados del trabajo actual y los principales muestreos realizados en el

mundo.

Muestreo No. de casos Mosaicismo Pseudomosaico

nivel I

Pseudomosaico

nivel II

EEUU 62279 0.25% 2.47% 0.70%

Europa 44170 0.10% 2.83% 0.64%

Canada 12386 0.30% 7.10% 1.10%

Laboratorios New York 12000 0.20% 6.68% 1.05%

Muestreo de 4 años 1487 0.73% 5.11% 1.01%

Nota: en los restantes laboratorios se recoge el trabajo de 10 o más años de labor.

Tabla #3 No.Total de células con pseudomosaicismo de nivel I : 76

Tipos de anomalías Número de células

Estructural 57

1- Balanceada 17

a) Translocación recíproca 14

b)Translocación

Robertsoniana 1

c) Inversiones 2

2- Desbalanceadas 40

a) Deleciones 25

b) Material cromosómico

adicional 7

c) Isocromosomas 2

d) Marcador supernumerario 6

Numéricas 19

a) Trisomías autosómicas 17

b) Trisomías sexuales

X X X 1

X X Y 1

Nota: 3 casos tenían dos tipos diferentes de pseudomosaicismo.

BIBLIOGRAFÍA

1.- Bui TH, Iselius L, Lindsten J . European collaborative study on prenatal diagnosis: mosaicism,

pseudomosaicism and single abnormal cells in amniotic fluid cell cultures. Prenat Diag 1984; 4:

145-162

2.- Hsu LYF, Perlis TE . United States survey on chromosome mosaicism and pseudomosaicism

in prenatal diagnosis. Prenat Diag 1984; 4: 97-130

3.- Worton RG, Stern R. A Canadian collaborative study of mosaicism in amniotic fluid cell culture.

Prenat Diag1984; 4:131-144

4.- Hsu LYF, Kaffe S, Jenkins EC, Alonso L, Benn PA, David K, et al .Proposed guidelines for

diagnosis of chromosome mosaicism in amniocytes based on data derived from chromosome

mosaicism and pseudomosaicism studies. Prenat Diag1992 ;12: 555-573.

5.- Najafzadeh TM, Cahill TC, Dumars KW . Prenatal detection of chromosomal mosaicism. Prenat.

Diag.1982; 2:7-12.

6.- Nocera G, Dalpra L, Tribiletti MG and Buscaglia M . Five cases of prenatally diagnosed sex

chromosome mosaicism. Prenat Diag1985; 5 :169-174

7.- Hsu LYF, Yu MT, Richkind KE, Van Dyke DL, Crandall BF, Saxe DF, et al . Incidence and

significance of chromosome mosaicism involving an autosomal structural abnormality diagnosed

prenatally through amniocentesis :a collaborative study. Prenat Diag 1996 16:1-28.

8.- Wallerstein R, Ming-Tsung Y, Neu RL, Benn P, Bowen CL,Crandall B,et al.Common trisomy

mosaicism diagnosed in amniocytes involving chromosomes 13,18,20 and 21: karyotype-phenotype

correlations. Prenat Diag 2000; 20: 103-122.

9.- Hsu YFL , Kaffe S, Perlis TE . Trisomy 20 mosaicism in prenatal diagnosis – a review and

update. Prenat Diag 1987 ;7: 581-596 .

10.- Hsu LYF, Kaffe S, Perlis TE . A revisit of trisomy 20 mosaicism in prenatal diagnosis -- an

overview of 103 cases. Prenat Diag 1991; 11: 7-15.

1.- Hsu YLF . Prenatal diagnosis of chromosomal abnormalities through amniocentesis. In :

Milunsky A, editor. Genetic disorder and the fetus : diagnosis, prevention and treatment. 4th ed.

Baltimore : Johns Hopkins University Press; 1998. p155-82.

12.- Hook EB, Woodbury DF, Albright SG . Rates of trisomy 18 in liveborns, stillbirths and at

amniocentesis. 1979 .BD:OAS XV (5C): 81-93.

13.- Goodman RM, Gorlin RJ . The Malformed Infant and Child. New York: Oxford University

Press; 1983. pp 120-121.

14. - Hsu LYF, Yu MT, Neu R , Van Dyke DL, Benn PA, Bradshaw CL, et al. Rare trisomy

mosaicism diagnosed in amniocytes involving an autosome other than chromosomes 13,18, 20

and 21 : Karyotype /phenotype correlations.Prenat Diag 1997; 17: 201-242.

15.- Jacobs PA. The incidence and etiology of sex chromosome abnormalities in man. In: Robinson

A , Lubs HA, Bergsma D, Paul N W, editors. Sex Chromosome Aneuploidy: Prospective Studies

on Children, Birth Defects: Orig Art Ser, Vol.15,1, The National Founration,1979 . p.3- 16.

th ed.

Baltimore : Johns Hopkins University Press; 1998. p155-82.

12.- Hook EB, Woodbury DF, Albright SG . Rates of trisomy 18 in liveborns, stillbirths and at

amniocentesis. 1979 .BD:OAS XV (5C): 81-93.

13.- Goodman RM, Gorlin RJ . The Malformed Infant and Child. New York: Oxford University

Press; 1983. pp 120-121.

14. - Hsu LYF, Yu MT, Neu R , Van Dyke DL, Benn PA, Bradshaw CL, et al. Rare trisomy

mosaicism diagnosed in amniocytes involving an autosome other than chromosomes 13,18, 20

and 21 : Karyotype /phenotype correlations.Prenat Diag 1997; 17: 201-242.

15.- Jacobs PA. The incidence and etiology of sex chromosome abnormalities in man. In: Robinson

A , Lubs HA, Bergsma D, Paul N W, editors. Sex Chromosome Aneuploidy: Prospective Studies

on Children, Birth Defects: Orig Art Ser, Vol.15,1, The National Founration,1979 . p.3- 16.

Guía sobre el Ciclo Celular y Mitosis

Mitosis 

¿Qué es (y no es) mitosis?  

Mitosis es la división nuclear más citocinesis, y produce dos células hijas idénticas durante la profase, prometafase, metafase, anafase y telofase.  La interfase frecuentemente se incluye en discusiones sobre mitosis, pero la interfase técnicamente no es parte de la mitosis, más bien incluye los etapas G1, S y G2 del ciclo celular.

Interfase & mitosis  

Interfase	La célula está ocupada en la actividad metabólica preparándose para la mitosis (las próximas cuatro fases que conducen e incluyen la división nuclear).  Los cromosomas no se disciernen claramente en el núcleo, aunque una mancha oscura llamada nucleolo, puede ser visible.  La célula puede contener un par de centriolos ( o centros de organización de microtubulos en los vegetales ) los cuales son sitios de organización para los microtubulos.
Profase	La cromatina en el núcleo comienza a condensarse y se vuelve visible en el microscopio óptico como cromosomas.  El  núcleolo desaparece.  Los centríolos comienzan a moverse a polos opuestos de la célula y  fibras se extienden desde los centrómeros. Algunas fibras cruzan la célula para formar el huso mitótico.
Prometafase	La membrana nuclear se disuelve, marcando el comienzo de la prometafase.  Las proteínas de adhieren a los centrómeros creando los cinetocoros.  Los microtubulos se adhieren a los cinetocoros y los cromosomas comienzan a moverse.
Metafase	Fibras del huso alinean los cromosomas a lo largo del medio del núcleo celular.  Esta línea es referida como, el plato de la metafase.  Esta organización ayuda a asegurar que en la próxima fase, cuando los cromosomas se separan, cada nuevo núcleo recibirá una copia de cada cromosoma.
Anafase	Los pares de cromosomas se separan en los cinetocoros y se mueven a lados opuestos de la célula.  El  movimiento es el resultado de una combinación de: el movimiento del cinetocoro a lo largo de los microtubulos del huso y la interacción física de los microtubulos polares.
Telofase	Los cromatidos llegan a los polos opuestos de la célula, y nuevas membranas se forman alrededor de los núcleos hijos. Los cromosomas se dispersan y ya no son visibles bajo el microscopio óptico.  Las fibras del huso se dispersan, y la citocinesis o la partición de la célula puede comenzar también durante esta etapa.
Citocinesis	En células animales, la citocinesis ocurre cuando un anillo fibroso compuesto de una proteína llamada actína, alrededor del centro de la célula se contrae pellizcando la célula en dos células hijas, cada una con su núcleo.  En células vegetales, la pared rígida requiere que un placa celular sea sintetizada entre las dos células hijas.
Animación de Mitosis  (480 k)

Guía sobre el Ciclo Celular y Mitosis

El Ciclo Celular 

Etapas del Ciclo Celular  

El ciclo celular es un conjunto ordenado de eventos que culmina con el crecimiento de la célula y la división en dos células hijas.  Las células que no están en división no se consideran que estén en el ciclo celular. Las etapas, mostradas a la izquierda, son G1-S-G2-M. El estado G1 quiere decir "GAP 1"(Intervalo 1). El estado S representa "Síntesis". Este es el estado cuando ocurre la replicación del ADN. El estado G2 representa "GAP 2"(Intervalo 2). El estado M representa "mitosis", y es cuando ocurre la división nuclear (los cromosomas se separan) y citoplasmática (citocinesis). La Mitosis  además se divide en  4 fases, las cuáles se pueden ver en la próxima página.

Regulación del ciclo celular  

Cómo se controla la división celular ( y de está manera el crecimiento celular) es muy complejo.  Los siguientes términos corresponden a algunos rasgos que son importantes en la regulación y lugares dónde los errores pueden conducir al cáncer.  El cáncer es una enfermedad dónde la regulación del ciclo celular sale mal y el crecimiento normal y comportamiento de la célula se pierden. KdC (kinase dependiente de ciclinas, agrega fosfato a una proteína), junto con ciclinas son las mayores llaves de control para el ciclo celular, causando que la célula se mueva de G1 a S o G2 a M.  FPM (Factor Promotor de la Maduración)  incluye la KdC y ciclinas que desencadenan la progresión del ciclo celular.  p53 Es una proteína que funciona bloqueando el ciclo celular si el ADN está dañado. Si el daño es severo esta proteína puede causar apoptosis (muerte celular). Los niveles de p53 están incrementados en células dañadas. Esto otorga tiempo para reparar el ADN por bloqueo del ciclo celular.   Una mutación de la p53 es la mutación más frecuente que conduce al cáncer. Un caso extremo de esto es el síndrome de Li Fraumeni dónde un defecto genético en la p53 conduce a una alta frecuencia de cáncer en los individuos afectados. p27 Es una proteína que se une a ciclinas y KdC bloqueando la entrada en fase S.  Investigaciones recientes (Nat. Med.3, 152 (97)) la prognosis del cáncer en el ceno está determinado por los niveles de p27.  Reducidos niveles de p27 predicen un mal resultado para los pacientes de cáncer en el seno.

---

El Proyecto Biológico  The University of Arizona el 28 de Octubre, 1998 Contact the Development Team  

http://www.biologia.arizona.edu All contents copyright © 1998. All rights reserved.  

Estudios recientes sugieren que las proteínas codificadas por los proto-oncogenes desarrollan un número limitado de funciones: algunas, como las proteínas ras, fes, fps, abl, fgr, yes y src son tirosina-cinasas; otras son factores de crecimiento como el factor de crecimiento derivado de las plaquetas; y aun otras constituyen una parte importante de receptores a hormonas y a factores de crecimiento. Por ejemplo, el producto del proto-oncogen erb-B forma parte del receptor al factor de crecimiento epidérmico y el producto erb-A es homólogo con el receptor a la hormona tiroidea.     Varios proto-oncogenes codifican para proteínas que actúan en el núcleo celular, tal es el caso de myc, myb, fos, ski y B-lym. Se piensa que oncogenes de esta familia, al expresarse en forma no regulada, podrían alterar la transcripción de otros genes necesarios tanto para proliferación no regulada de las células cancerosas, como para que éstas desarrollen el proceso de metástasis. Así, una producción no regulada de myc hace de la replicación del DNA celular, un proceso continuo en las células transformadas. Recientemente, se encontró que la replicación eucariótica podía detenerse mediante anticuerpos contra la proteína myc. GENES HOMEÓTICOS (HOX) El término homeosis fue propuesto por Bateson (1894) para describir la transformación de una estructura del cuerpo en otra, pero en otro segmento corporal; por ejemplo, en Drosophila la antena de la cabeza puede transformarse en un segundo par de antenas.     La familia de genes HOX codifican para un grupo de factores de transcripción responsables de regular la morfogénesis y de conferir la identidad axial para el desarrollo del embrión. Los HOX tienen en común una secuencia de DNA conocida como caja homeótica, la cual está constituida por 180 pares de bases nitrogenadas. Tal vez lo más interesante de la caja homeótica sea la homología que guarda con cajas homeóticas de organismos superiores como vertebrados, mamíferos y de humanos.     En vertebrados los 39 genes Hox están organizados en cuatro grupos cromosómicos: HoxA, HoxB, HoxC y HoxD. Este arreglo surgió evolutivamente por duplicación y divergencia de un grupo Hox ancestral, que condujo a la generación de subgrupos de genes parálogos (afines), los cuales están altamente relacionados en base a secuencias similares y posición dentro del grupo. Por lo que los HoxA a HoxD se han subdividido en 13 subgrupos o familias de genes parálogos (Fig. 2). GENES PAX Los genes PAX codifican para factores de transcripción nuclear, que regulan procesos del desarrollo, tanto en vertebrados como en invertebrados. La diversidad de efectos que muestran estos genes se refleja en su estructura; todos codifican para proteínas que se unen al DNA por una región de dominio doble conocida como «paired domain», de donde deriva su nombre, ya que dicha región constituye una homeocaja (paired domain homeobox). La familia de genes HOX codifican para un grupo de factores de transcripción responsables de regular la morfogénesis y de conferir la identidad axial para el desarrollo del embrión. FIGURA 2. Arreglo de los cuatro grupos de Hox en vertebrados. Las barras en negro indican los genes relacionados. Los trece parálogos se señalan abajo de cada barra negra. Se indica de 3' a 5' la expresión colinear en tiempo durante el desarrollo anteroposterior del embrión (adaptado de Maconochie, 1996).

Contenido | Anterior | Siguiente

Copyright © 2005 Dr. Scope. Derechos Reservados. Diseño y Programación: Educación Médica Contínua

Cultivo de la mosca Drosophila melanogaster

Introducción:

La mosca drosóphila o mosca del vinagre es una mosca pequeña de 1-2 mm, su aspecto es de un color ocre y sus ojos son generalmente de color rojo. Su vuelo es lento y la podemos localizar fácilmente en frutas muy maduras en proceso de descomposición o cerca de recipientes abiertos que contengan vinagre o vino. Es ideal para pequeños peces que necesitan alimento vivo, como por ejemplo los ciprinodóntidos (killis), o juveniles de otros mayores.

Su ciclo de desarrollo depende en mayor medida de la temperatura, siendo de una media de 10-15 días acortándose bastante en verano. Las fases de desarrollo pasan por la fase de huevo, que una mosca adulta ha depositado en un medio apropiado (papilla) y ya a los pocos días podemos ver como diminutos gusanos que van recorriendo el recipiente alimentándose de esta papilla (si por ejemplo usamos gelatina de fresa en la composición, podremos ver sus estómagos llenos y de color rojo). A los pocos días estos se sitúan a media altura de las paredes del recipiente donde pasan a la fase de pupa, permaneciendo en este estado unos días hasta que se completa la metamorfosis en su interior y sale al exterior la mosca. Esta a los pocos minutos ya vuela e inicia de nuevo el ciclo.

Recipiente para el cultivo:

Lo mejor es disponer de dos botes para que en caso de que uno se malogre o se infecte de ácaros (se ven como unos puntitos negros), podamos disponer de otro cultivo sano con el que reiniciar un nuevo cultivo.

Los botes idóneos son los de las galletitas saladas, que son de aproximadamente 1.5 litros y la tapa no es de rosca. Les haremos un agujero en la tapa para ventilación, de 1 cm de diámetro y prepararemos una gasa de malla fina para tapar los agujeros cuando las moscas estén dentro.

Papilla alimenticia para las moscas:

La papilla alimenticia más sencilla se compone principalmente de:

	fruta madura que nos sobre de nuestro frigorífico, son muy buenas para esto la manzana, pera y especialmente el plátano.
	azúcar.
	un producto que nos espese la mezcla, puede ser gelatina o puré de patatas en copos. Yo prefiero usar los copos de puré ya que se obtiene una pasta más blanda.
	vinagre o levadura de panadería. Estos son para evitar que se produzcan hongos en el interior del recipiente.
	opcionalmente se puede añadir un complejo vitamínico, cereales o germen de trigo.

Se trituran las frutas y se mezclan con los copos del puré de patatas y un par de cucharadas de azúcar y se añade un poco de agua caliente hasta obtener una masa compacta. La vertemos en cada bote rellenando aproximadamente 1-1,5cm del fondo, cuidando de no ensuciar las paredes del bote y los dejaremos enfriar. Para finalizar espolvoreamos la levadura o añadiremos unas gotas de vinagre por encima de la papilla.

Obtención de las primeras moscas:

Una vez preparada la papilla, colocaremos los botes cerrados en el exterior de nuestra vivienda, un balcón o ventana, durante un día; las drosóphilas que pululan un poco por todas partes, irán entrando por el agujero de la tapa atraídas por la comida y normalmente no suelen salir si el agujero no es muy grande, como he dicho antes con 1cm de diámetro basta. Una vez que tengamos una docena podemos tapar los agujeros con la gasa y ya solo tenemos que esperar a que se reproduzcan y recolectarlas posteriormente.

Hay que tener especial cuidado con las plantas que tengamos en el balcón, ya que algunas de ellas ahuyentan a las moscas como por ejemplo la hierbabuena y la albahaca. Con retirarlas provisionalmente o colocar el bote en el lado más apartado solucionaremos el problema.

También se puede hacer un cultivo si conseguimos moscas con las alas atrofiadas (ápteras). Estas se suelen usar en laboratorios para experimentación y universidades. Aunque no vuelan si que dan saltos bastante grandes, pero aun así evitamos el problema de que se nos escapen por dentro de casa cuando alimentemos a nuestros peces.

Recolección de las moscas:

Para recoger las moscas podemos utilizar una bolsa de las usadas para el transporte de peces, la colocamos invertida por debajo de la boca del frasco y la sujetamos con una goma. Desde fuera y con cuidado de no soltar la goma, destapamos el bote, lo invertimos y lo agitamos procurando no desprender la papilla del fondo del bote y de esta manera hacer salir a las moscas. Cuando tengamos la cantidad deseada, volvemos a cerrar el bote sin retirar la bolsa y de nuevo sacudimos para hacer que las moscas caigan al fondo de la bolsa, entonces retiramos la bolsa y la cerramos rápidamente para evitar que escapen.

Alimentación de los peces:

Lo podemos hacer de dos maneras, la primera es poner la bolsa de las moscas dentro del congelador durante 7 minutos. Sugiero que la bolsa la metáis dentro de otra bolsa para evitar "comentarios" de nuestras respectivas/os cónyuges. Pasado este tiempo las moscas estarán "aletargadas" y dispondremos de un par de minutos para echárselas a los peces, ya que con el calor del acuario estas empezarán a "despertarse" y pueden salir volando. Para este método lo mejor es disponer de un recipiente invertido y sujeto a una pared del acuario donde meter las moscas y que los peces las vayan capturando. Sugiero que no las hundáis pues cuando están completamente mojadas algunas "bucean" y consiguen escapar simplemente andando por el recipiente hasta el exterior.

Otra forma de alimentar los peces con la mosca viva, una vez que esté la bolsa con las moscas recolectadas, consiste en meter agua (un vaso aproximadamente) y agitar fuertemente la bolsa para atontarlas e inmediatamente verteremos el contenido en el acuario. Al estar las moscas un poco de tiempo sumergidas y en movimiento incitan a los peces a comer. Por supuesto deben de estar un poco hambrientos, sino, corremos el riesgo de que alguna consiga escapar.

Por supuesto esta la opción de congelarlas dentro de la bolsa y luego pasarlas a un recipiente más pequeño y usarlas a modo de "copos".

Nada más, solo hacer hincapié en la facilidad de uso, lo pequeño del espacio empleado y la sencillez de los materiales empleados en el cultivo de este pequeño insecto.

Actualmente estoy probando a alimentar a los peces con los gusanos antes de que pasen a la fase de pupa. Cuando estudie la mejor forma de realizarlo y tenga los resultados actualizaré esta página para mayor información.

© Miguel Angel Saiz. Actualizado en: Junio 2000

III. MIRANDO DENTRO DEL GENE

LA MOLÉCULA DE LA HERENCIA

LOS organismos vivos están caracterizados desde el punto de vista funcional por su capacidad para automantenerse y autorreproducirse. Existen tres tipos de moléculas gigantes o macromoléculas que normalmente son sintetizadas sólo en los organismos vivos y que son básicas para llevar a cabo estas funciones. Cada una de estas macromoléculas consiste de una larga cadena compuesta de muchas unidades estructurales. Estas pequeñas unidades discretas o monómeros van uniéndose unas a otras hasta formar un dímero (dos unidades), un trímero (tres unidades), etc., hasta formar un polímero. Las tres clases de macromoléculas o polímeros son: los polisacáridos, los polipéptidos y los polinucleótidos.

Los polisacáridos tienen monómeros o azúcares que contienen carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O) como la glucosa, fructuosa o galactosa. Los polipéptidos están formados de aminoácidos que contienen C, O, H, N (nitrógeno) y algunas veces azufre (S). Existen 20 diferentes clases de aminoácidos en los organismos. La unión entre dos aminoácidos se hace por medio de un enlace peptídico para producir un dipéptido. Una proteína está compuesta de una o varias cadenas de polipéptidos.

Por último, los polinucleótidos, también llamados ácidos nucleicos, pueden ser de dos clases: los polirribonucleótidos o ácidos ribonucleicos (ARN) y los polidesoxirribonucleótidos o ácidos desoxirribonucleicos (ADN). Los monómeros que forman los ácidos nucleicos están constituidos por una base, un azúcar y un fosfato, cuyos componentes químicos son C, O, N, H y P (fósforo). Este tipo de macromoléculas, los ácidos nucleicos, contienen la información necesaria para la replicación de los seres vivos, por lo que son el material genético presente en todo tipo de organismos. Como ya mencionamos el material genético de algunos virus puede ser ARN o ADN, y que el material genético de los organismos celulares es ADN.

Químicamente el ADN consiste de un par de cadenas que semejan los ejes de una escalera; cada cadena tiene un esqueleto de fosfatos y azúcares alternantes. Estos azúcares son de una sola clase, desoxirribosa (recordemos que será ribosa para el ARN), compuestos de C, H y O en donde cuatro de sus cinco átomos de C están formando un anillo con un átomo de O (Figura. 12).

FIGURA 12. Desoxirribosa y ribosa.

FIGURA 12. Desoxirribosa y ribosa.

FIGURA 12. Desoxirribosa y ribosa.

A cada azúcar está ligada una base orgánica. Esta base está compuesta de C, H, O y N, y puede ser de cuatro tipos: adenina (A), -timina (T) uracilo (U) para el ARN-, citosina (C) o guanina (G). La citosina y la timina son pirimidinas las cuales contienen dos N y cuatro C formando un anillo. La adenina y la guanina son purinas con cuatro N y cinco C arreglados en dos anillos (Figura 13).

FIGURA 13. Bases nitrogenadas: purinas y pirimidinas.

FIGURA 13. Bases nitrogenadas: purinas y pirimidinas.

FIGURA 13. Bases nitrogenadas: purinas y pirimidinas.

Cada base orgánica de cada cadena se une a la otra base de la otra cadena mediante un enlace o puente de hidrógeno: G y C se unen mediante tres enlaces de hidrógeno y A y T mediante dos (Figura 14).

FIGURA 14. Figura que muestra las cuatro bases, tiamina, adenina, citosina y guanina. El apareamiento de bases se da entre A y T y entre G y C, unidas por puentes de hidrógeno (líneas punteadas); dos puentes entre tiamina y adenina, y tres entre citosa y guanina.

Como ya hemos mencionado, el ADN es una doble hélice y sus características principales están determinadas por los azúcares que se orientan en una dirección en una cadena y en otra dirección en la otra cadena (Figura 15). Debido a este arreglo inverso de los azúcares en cada cadena el ADN gira una vuelta completa (es decir, 360 grados) cada 10 pares de bases (Figura 16).

FIGURA 15. Molécula de ADN. Polímero doble de ADN, en donde una hebra aparece de cabeza en relación a la otra. Cada polímero está formado por nucleótidos unidos covalentemente a través del azúcar-fosfato; las dos hebras están unidas entre sí por puentes de hidrógeno entre las bases adyacentes.

FIGURA 16. Modelo de la doble hélice de ADN. Las medidas fueron determinadas mediante estudios de difracción de rayos X. Cada par de bases tiene 0.34 nm de espesor, y diez pares producen una vuelta completa de la hélice, con una longitud de 3.4 nm. El ancho total de la doble hélice, incluyendo el par de bases y el esqueleto de azúcar-fosfato es de 2.0 nm.

Otra característica importante es que al esqueleto de azúcar-fosfato puede unirse cualquier base, púrica o pirimídica, teniéndose teóricamente, cualquier arreglo o secuencia de ellas. Pero, las bases de una cadena deben complementarse con las bases de la otra cadena; ya hemos mencionado que G sólo se une con C y A sólo lo hace con T. En otras palabras, A se complementa con T, y G se complementa con C, de tal suerte que si nosotros sabemos la secuencia de bases en una cadena podremos deducir la secuencia de la cadena opuesta. De esta forma, en una cadena doble de ADN el número de As es igual al número de Ts, y el número de Gs es igual al número de Cs. Por ejemplo, si sabemos que una secuencia de una determinada región de una cadena de ADN es ATTGC podremos deducir que la cadena opuesta tendrá la secuencia TAACG para esa misma región. Y es así como están constituidos los genes: trozos de ADN cuya secuencia es determinada y distinta de otros genes.

El descubrimiento de que el ADN es la molécula de la herencia es relativamente joven pues pertenece al siglo XX, y sin lugar a dudas ha sido uno de los hallazgos más sobresalientes de la biología.

¿Cuál es el material hereditario? Fueron muchos los experimentos diseñados y las hipótesis propuestas para contestar esta pregunta: Mencionaremos las aportaciones más importantes que marcaron el camino para dilucidar la estructura del ADN.

En 1928, el bacteriólogo Fred Griffith estaba interesado en la virulencia (capacidad de infectar y producir enfermedad) de las bacterias causantes de la neumonía, llamadas Pneumonococcus. Primero obtuvo dos cepas, una infecciosa y otra no infecciosa o inofensiva. La diferencia principal entre estas dos cepas era que la cepa virulenta o mortal sintetizaba una cubierta lisa de polisacárido que protegía a la bacteria de ser digerida por el hospedero (el organismo al cual infectan), mientras que la cepa inofensiva no podía sintetizar la capa protectora (y por eso era atacada por las defensas del hospedero, haciéndola efectivamente inofensiva); al ponerlas a crecer en una caja de Petri bajo cultivo, Griffith notó que la cepa virulenta formaba placas lisas, mientras que la inofensiva producía placas rugosas.

Como primer paso, Griffith inyectó a ratones normales con estas dos cepas para ver qué sucedía. El resultado fue poco sorprendente. Los ratones que fueron inyectados con la cepa lisa o virulenta murieron, mientras que los que recibieron la cepa rugosa, sobrevivieron. El segundo paso fue aplicar calor a las bacterias de la cepa lisa o virulenta para matarlas (como sabemos, la mayoría de las bacterias mueren con el calor, de ahí que, por ejemplo, debamos hervir el agua antes de tomarla para garantizar la muerte de estos microorganismos), e inyectarlas posteriormente a los ratones. Los ratones no murieron. Recordemos que la diferencia entre las dos cepas es la presencia de una capa de polisacárido protectora. Fue así como Griffith demostró que el polisacárido por sí solo no infectaba a las células de los ratones cuando la bacteria estaba muerta.

Hasta aquí todo había salido como Griffith lo esperaba. Pero el siguiente paso fue lo más importante. Se le ocurrió mezclar bacterias muertas de la cepa virulenta lisas (a las cuales les había aplicado calor) con bacterias vivas de la cepa inofensiva, y las inyectó en los ratones. ¿Qué creen que pasó? Pues simplemente que los ratones murieron de neumonía. ¿Cómo explicar esto, si las bacterias virulentas estaban muertas? Al hacer las autopsias de los ratones Griffith encontró bacterias lisas vivas. ¿De dónde salieron?

Lo primero que pensó Griffith fue que había cometido algún error, en algún punto y que no había matado a las bacterias lisas, o que había habido contaminación y por lo tanto accidentalmente había inyectado bacterias virulentas vivas en los ratones, produciendo su muerte. Griffith procedió a repetir varias veces su experimento. El resultado fue el mismo: los ratones murieron al serles inyectada una mezcla de bacterias lisas muertas con bacterias rugosas vivas (Figura 17).

FIGURA 17. Los experimentos de Griffith contribuyeron a sustentar la idea de que el ADN era el material genético. En su experimento, Griffith trabajó con dos cepas de pneumonococcus (agente causante de la neumonía bacteriana). La cepa lisa era virulenta mientras que la cepa rugosa era inocua. Griffith intuyó que alguna sustancia o factor de los neumonococos lisos muertos por el calor podía transferirse a la cepa rugosa, transformándola en virulenta.

Entonces Griffith pensó que la solución a este rompecabezas era que en algún momento, y de alguna forma, las bacterias no infecciosas, rugosas, se habían transformado en bacterias virulentas. ¿Pero cómo? Pues incorporando el material genético de las bacterias muertas lisas, y adquiriendo la capacidad (perdida anteriormente) de producir la cubierta protectora, lo cual las había convertido en virulentas.

Con esta interrogante otros investigadores diseñaron nuevos experimentos y se llevaron a cabo una y otra vez ensayos que permitieran establecer cuál era esta misteriosa sustancia transformadora . No fue sino hasta 1944 que C.T. Avery, C.M. Mc Leod y MJ. McCarty publicaron sus resultados sobre la transformación bacteriana y demostraron que la sustancia transformadora era ADN. Estos estudios concluyeron que la sustancia transformadora no era más que el ADN de las bacterias lisas, que se había incorporado por el mecanismo de transformación bacteriana al ADN de las bacterias rugosas, haciéndolas virulentas. Es decir, por medio de la transformación bacteriana se pueden insertar fragmentos de ADN extraño en el cromosoma de otra bacteria, reemplazando al gene inactivo de esta última y recuperando su capacidad virulenta una vez más.

A pesar de que esto demostraba que el ADN era el material genético, pocos biólogos y genetistas estaban convencidos de haber encontrado, finalmente, la molécula de la herencia.

Vino entonces la prueba definitiva. Alfred Hershey y Margaret Chase en 1952 llevaron a cabo el experimento que no dejaría lugar a dudas de que el ADN era la molécula de la herencia, el material genético. Utilizaron un organismo novedoso, un virus capaz de destruir a las bacterias como Escherichia coli. Este bacteriófago o virus tiene un solo cromosoma de ADN dentro de una cápside de proteínas. Es muy bonito pues tiene forma de nave espacial y al momento de infectar lo hace como si se estuviera inyectando a la bacteria con un émbolo, quedándose la cápside en el exterior de la bacteria, mientras que el ADN es impulsado hacia adentro. El proceso de infección continúa con la incorporación del ADN viral en el cromosoma de la bacteria, apoderándose de su maquinaria genética para ordenar la fabricación de virus, los cuales llegan a romper la célula y son liberados hacia el exterior de ella, listos para infectar a otras bacterias.

Para demostrar que el ADN penetra en la bacteria, Hershey y Chase idearon hacer crecer al virus en un medio con fósforo y azufre radiactivos, es decir; marcándolo radiactivamente con estos dos compuestos. Como ya sabemos, las proteínas contienen azufre y no fósforo, por lo tanto, solamente la cápside del virus tenía azufre radiactivo. Y por el contrario, como el ADN contiene fósforo pero 110 azufre, el ADN viral estaba marcado con fósforo radiactivo, lo cual hacía muy distinguible su presencia dentro o fuera de la bacteria al momento de la infección.

Al infectar a las bacterias con el virus marcado se esperaría encontrar cuál de los dos elementos, la proteína exterior o el ADN cromosomal, penetraba en la bacteria y transformaba su aparato genético para producir más virus. A este experimento se le denomina el experimento de la licuadora, pues Hershey y Chase, una vez que hubieron infectado las bacterias, y sin dar mayor tiempo para la reproducción interna de nuevos virus, metieron la mezcla de virus y bacterias en una licuadora de cocina, para que, al agitarla, se desprendieran las dos porciones del virus. Después de esto pudieron separar por centrifugación los elementos y analizarlos. El resultado fue que la mayor parte del fósforo radiactivo, es decir, el ADN, se encontró dentro de las bacterias infectadas, y por el contrario, se encontró muy poco azufre radiactivo, es decir, proteína marcada, dentro de las bacterias. Para Hershey y Chase, y para la comunidad biológica, ésta era la prueba definitiva de que es el ADN es el material genético (Figura 18).

Pero, ¿ cuál es su estructura?

Ya para 1950 se sabía que los ácidos ribonucleicos estaban formados por monómeros de fosfatos, azúcares y bases nitrogenadas. Pero lo curioso es que Erwin Chargaff demostró que, según el organismo, el ADN tenía diferentes proporciones de las bases nitrogenadas. Al analizar las proporciones de estas bases en otros organismos se dio cuenta de que siempre aparecían las mismas proporciones de adenina y timinas y, por otro lado, de guaninas y citosinas. Pronto dedujo que existía una regla general: las cantidades de A y T (adenina y timina) son iguales, mientras que las de G y C (guanina y citosina) guardan también la misma proporción. En el caso del humano y otros mamíferos las cantidades son aproximadamente: 21%C, 21%G, 29% A y 29%T. Independientemente del origen del ADN, la regla de Chargaff se conserva: la mitad exacta de las bases nucleotídicas son purinas (adenina y guanina), y la otra mitad son pirimidinas (timina y citosina). Serían posteriormente Watson y Crick quienes interpretaran esta curiosidad de Chargaff en términos del apareamiento de las bases en la molécula.

FIGURA 18. ¿Cuál es el material genético? Esta pregunta la cotestaron Harshey y Chase marcando fagos radiactivamente. La cúspide con azufre radiactivo y el ADN con fósforo radiactivo. Posteriormente infectaron una colonia de bacterias, pero sin dar tiempo para la duplicación del ADN. Separaron la cápside vacía del fago y encontraron que únicamente el fósforo radiactivo (32P) había penetrado en la célula.

Con la ayuda de la cristalografía de rayos X se pudo dilucidar la estructura del ADN en 1953. Esta técnica consiste en dirigir los rayos X a un cristal y observar cómo éstos son desviados (difractados) por la estructura molecular repetitiva dentro del cristal. Este patrón de difracción es posible verlo en una placa fotográfica, en donde encontraremos líneas y puntos distribuidos en forma radial, que permiten entender el acomodo de las moléculas de un cristal inorgánico. Gracias a que algunos compuestos orgánicos como el ADN, el ARN las proteínas pueden cristalizarse, fue exitosa la idea de estudiar el ADN con esta técnica, diseñada originalmente para cristales inorgánicos. Fue así como Maurice Wilkins y Rosalind Franklin obtuvieron fotografías del ADN y ciertas medidas intramoleculares (es decir las medidas que separaban a los constituyentes del ADN) cuyo significado desconocían, pero que aparecían con regularidad: 2.0 nanómetros (nm), 0.34 nm y 3.4 nm.

Fue así como James D. Watson y Francis Crick intervinieron en este problema sobre la dilucidación de la estructura de la doble hélice, el ADN. Partiendo de la regla de Chargaff sabían que el número de timinas era igual al de adeninas, y que el número de guaninas era igual al de citosinas. Pero, ¿cómo estaban dispuestas?

Sabían que tenía que haber una explicación para los números proporcionados por Wilkins y Franklin. Hicieron varios modelos para probar diferentes disposiciones de los elementos que constituyen el ADN, hasta. que uno de éstos resultó apegarse con mayor exactitud a los datos de Chargaff y de Wilkins-Franklin. El ADN parecía ser una doble cadena, enrollada sobre sí misma, con un esqueleto de fosfato- azúcar (los pilares), con las bases nitrogenadas (uniendo los pilares) orientadas hacia el interior. En este modelo los números que hemos mencionado indicaban que el ancho total de la doble hélice era de 2.0 nm (nanómetros), el grosor de las bases nucleotídicas era de 0.34 nm., y dado que la doble cadena gira sobre sí misma enrrollándose, la escalera de caracol daría una vuelta completa cada 3.4 nm, esto es, cada 10 pares de bases. He aquí el modelo de la doble hélice de Watson y Crick (Figura 19).

FIGURA 19. Francis H. Crick.

Por este gran descubrimiento recibieron tiempo después el Premio Nobel en fisiología y medicina en 1962. El descubrimiento de la estructura del ADN marcó una nueva etapa de la biología molecular.

¿ Cómo se duplica el ADN?

Como ya hemos mencionado, el material genético tiene la capacidad de sintetizar otros compuestos (proteínas) y de duplicarse (hacer copias exactas de sí mismo).

El ADN tiene que duplicarse cuando la célula entra en división, para que cada célula hija tenga el mismo contenido de ADN, es decir, el mismo número de cromosomas.

El mismo modelo de Watson y Crick dio la respuesta a la duplicación. El ADN es como una escalera enrollada. Lo primero que tiene que ocurrir es que una enzima especial desenrolle la cadena hasta dejarla como si estuviéramos viendo una escalera sobre una pared. El segundo paso es separar a Watson y Crick, es decir, separar ambos lados de la escalera. Para esto existe una enzima especial, llamada ADN polimerasa, que se encarga de apartar a las dos cadenas; rompiendo los puentes de hidrógeno que antes las unían. Otra enzima se encarga de ir apareando las bases con sus contrapartes en cada cadena; en cuanto se van llenando los huecos la separación de las cadenas Watson y Crick continúa. Al final de este proceso tenemos dos dobles hélices donde antes sólo había una. A este tipo de duplicación se le conoce como semiconservadora pues ambas hélices nuevas tienen una de las cadenas originales (Figura 3).

¿ Cómo se procesa la información contenida en el ADN? El código genético

Como ya hemos mencionado la molécula de la herencia, el ADN, tiene forma de una escalera de caracol, y cada uno de sus peldaños es un nucleótido. Cada nucleótido está caracterizado por su base: adenina, guanina, timina y citosina. La información genética es precisamente la secuencia de estas bases dentro de un segmento determinado. Se dice entonces que la información está codificada por su secuencia de bases. Cada tres bases forman un codón, que corresponde a su vez a uno de los 20 aminoácidos existentes (Figura 20).

FIGURA 20. El código genético. En esta tabla podemos observar que existen 64 codones posibles. La columna de la izquierda marca la primera letra de los codones. En la parte superior está la segunda letra y a la derecha la tercera letra. Cada codón indica el aminoácido que produce. El código genético es redundante, ya que existe más de un codón para cada aminoácido. UAA, UAG y UGA representan señales de paro o término. AUG tiene dos funciones: cooficia para metionina y también significa inicio. Todos los ARM comienzan con el codón AUG, lo cual indica que éste es el codón iniciador.

De esta manera, la información contenida en el ADN tiene que ser transcrita (o vuelta a escribir) a otra molécula intermedia, su similar, el ARN. Una cadena sencilla es transcrita a una molécula complementaria de ARN de acuerdo con las reglas establecidas por el modelo de Watson y Crick: una A se aparea con una U (recordemos que en el caso del ARN la timina es sustituida por el uracilo), y una G por una C. El resultado es la formación de una molécula conocida como ARN mensajero que a su vez será traducida (o decodificada) en una proteína. Cada codón (tres bases consecutivas) de ARN dirige la incorporación de un aminoácido particular para formar una proteína. De este modo tenemos que la formación de proteínas a partir de ADN es un proceso de dos pasos. Primero, a partir de una cadena de ADN se forma un ARN mensajero, es decir, el ADN es transcrito en ARN; segundo, este ARN mensajero es traducido para formar las proteínas.

Dicho en otras palabras, los genes codifican para proteínas; la expresión de un gene se hace a través de una copia de sí mismo en el ARN, que a su vez dirige la síntesis de las proteínas específicas. La vía molecular de esta síntesis fue designada por F. Crick como el dogma central de la biología molecular expresando los flujos de información de la siguiente manera:

Transcripción.

Traducción.

Replicación D ADN" ARN"Proteínas

En algunos casos este diagrama puede invertirse, pero sólo en el paso que va de ADN a ARN, nunca de proteínas a ARN. Podemos obtener copias de ADN a partir de ARN si está presente una enzima llamada transcriptasa reversa, que como su nombre lo indica toma como molde una molécula de ARN y produce o sintetiza una molécula de ADN. Este descubrimiento ha sido muy exitoso pues ha demostrado la posibilidad de producir ADN nuclear a partir de las moléculas de ARN aisladas del citoplasma.

Si el ADN contiene cuatro tipos de bases que arreglados en codones (series de tres) nos dan un total de 64 combinaciones, tenemos que traducir estas 64 posibilidades en los 20 aminoácidos que se presentan en las proteínas. De estos 64 codones se sabe que 61 codifican para aminoácidos, mientras que los tres restantes indican el término de la síntesis. También podemos notar en la figura 20 que varios tripletes pueden codificar para el mismo aminoácido, de donde se dice que el código genético es redundante. A pesar de que las investigaciones acerca del código genético fueron llevadas a cabo en la región rII del bacteriófago T4, se han obtenido los resultados que indican que este código es universal, es decir, se presenta en todos los seres vivientes.

Ahora, es fácil suponer que si una proteína promedio está formada por 300 aminoácidos (las hay más grandes, desde luego), y cada triplete o codón codifica para uno, se requieren 900 pares de bases para formar la proteína. Se sabe que en algunos organismos procariontes como Escherichia coli su cromosoma sencillo contiene aproximadamente tres millones de pares de bases, suficientes para codificar más o menos 3 000 proteínas. En las células eucariontes la cantidad de ADN aumenta proporcionalmente con la complejidad. Por ejemplo, en células de mamíferos existen aproximadamente de tres a cuatro billones de pares de bases formando los cromosomas, cantidad suficiente para codificar más o menos tres millones de proteínas, aunque se sabe que las proteínas presentes en este tipo de células no son más de 100 000 y en algunos casos pueden ser hasta 30 000. Lo que sucede es que existen secuencias que son meramente estructurales, y otras que están repetidas hasta cientos de veces por genoma. Esto explicaría la cantidad tan alta de ADN en relación con la cantidad de proteínas que pueden procesarse. Otra explicación es que en el caso de los procariontes, la transcripción y la traducción se llevan a cabo en el mismo lugar, mientras que en los eucariontes estos dos procesos están separados tanto en tiempo como en lugar. El ADN es transcrito dentro del núcleo en la molécula de ARN mensajero precursor. Este precursor es procesado en el núcleo y reducido su tamaño para formar un ARN mensajero maduro que sale a través de la membrana celular hacia el citoplasma de la célula en donde es traducido a proteínas. Esto quiere decir que no todo el ADN que se transcribe es traducido a proteínas. A este problema volveremos más adelante, por ahora volvamos a la pregunta de cómo tal cantidad de ADN puede estar contenida dentro del núcleo de las células eucariontes.

Pero, ¿cómo se forman los cromosomas?

Como ya hemos visto, en las células eucariontes no todo el ADN se encuentra en el núcleo, también encontramos ADN en las mitocondrias (organelos donde se lleva a cabo la respiración) y en los cloroplastos, en el caso de las células vegetales (en ellos se lleva a cabo la fotosíntesis). Sin embargo, podemos decir que casi todo el ADN se encuentra en el núcleo, que de manera ordinaria está dividido en dos o más cromosomas. El número de éstos es característico de cada especie: el hombre tiene 23 pares de cromosomas, el maíz 10, la mosca de la fruta 4, etc. La cantidad de ADN presente en cada núcleo celular es tan grande que, como veremos más adelante, necesita enrollarse y doblarse para formar los cromosomas.

En las células eucariontes el ADN es el principal componente del núcleo, pero no se encuentra suelto sino formando parte de la cromatina. En 1879 Flemming usó este término de cromatina (del griego chroma, color) para designar a la sustancia que toma tonalidades intensas con colorantes básicos en el núcleo de las células debido a la presencia de una sustancia llamada por él nucleína, compuesto fosforado que se había aislado en 1871 de células de pus.

Ya desde 1876 Balbiani había observado que antes de la división celular en el núcleo se formaban pequeñas estructuras cilíndricas, y más tarde en 1888 Waldeyer denominó a estas estructuras cromosomas, haciendo énfasis en la continuidad entre la cromatina descrita por Flemming y las estructuras cilíndricas explicadas por Balbiani.

Gracias al desarrollo de ciertas técnicas citológicas se pudo aislar la cromatina del núcleo que es una masa gelatinosa compuesta por ADN, ARN, proteínas básicas —histonas— y proteínas no histónicas o ácidas. La cantidad de ARN y de proteínas no histónicas es variable de célula a célula, pero la cantidad de histonas nos revela una relación de uno a uno con el ADN. Estas proteínas son de cinco clases y su papel es proporcionar una estructura estable al ADN. Estas histonas se unen con fuerza al ADN para formar una estructura llamada nucleosoma.

Cuatro de las cinco histonas forman octámeros, alrededor de los cuales se enrolla el filamento de ADN que da dos vueltas de 140 pares de bases. La quinta histona se une al puente de ADN que une los nucleosomas, los cuales a su vez se pliegan para formar una fibra gruesa en la cual hay seis nucleosomas por cada vuelta de la doble hélice (Figura 21).

FIGURA 21. Relación de la fibra de ADN con la histona del nucleosoma. Las histonas están representadas por las pelotas y el ADN por el tubo. El ADN se enrolla por fuera de las proteínas (histonas) dando configuración en collar.

Esto quiere decir que en el núcleo el ADN está formando la cromatina en asociación con ARN y proteínas; cuando se va a iniciar la división celular los nucleosomas se superempaquetan, formando los cromosomas. (Figura 22). Es por esta razón que una fibra tan larga como el ADN ocupa un espacio muy pequeño dentro del núcleo de las células, haciendo más fácil la división celular. Esta organización del ADN en los cromosomas explica por qué todos los datos requeridos para la formación de una planta, un animal o una persona se puede guardar dentro del núcleo de las células eucariontes.

FIGURA 22. Enrollamiento de la fibra 10 nm para constituir la de 20-30 nm.

LA MOLÉCULA VIAJERA

La historia de las ciencias demuestra que el desarrollo de una ciencia no sólo depende de la genialidad de los investigadores o científicos, sino de la existencia de un horizonte teórico común que permita el entendimiento y asimilación de las ideas; y también enseña que, algunas veces, muchos de los descubrimientos científicos quedan fuera del entendimiento común. En la historia de la genética tal es el caso de Mendel, cuyas leyes quedaron en el olvido o desconocimiento durante cerca de 40 años, en espera de un ambiente científico que permitiese su asimilación a principios del siglo XX. A partir de su reconocimiento universal, el mendelismo constituyó la piedra angular de la genética moderna. Otro caso similar es el de Bárbara McClintock, quien en 1948 descubrió un fenómeno genético hasta entonces inimaginado: la transposición o movilidad de los genes dentro de los cromosomas. A pesar de que sus estudios pasaron inadvertidos para la comunidad científica del momento durante casi 30 años (en la segunda mitad del presente siglo, florecimiento de la biología molecular), la historia le hizo justicia cuando se le otorgó el Premio Nobel en fisiología y medicina en el año de 1983 por sus experimentos de los genes saltarines con la planta del maíz.

¿ Cómo fueron descubierto los genes saltarines ?

Bárbara McClintock empezó su trabajo de genética con la planta del maíz. Encontró que las semillas de las mazorcas mostraban coloraciones diversas, a veces otras mostraban pequeños parches verdes, blancos o amarillos pálidos. De esta observación, McClintock dedujo que cada parche indicaba la presencia de una familia de células que en algún momento del desarrollo había sufrido algún cambio o mutación. Dependiendo del momento del cambio (mutación), el parche podría adoptar diferentes coloraciones y tamaños. Si era temprano los fragmentos serían grandes, mientras que si era tardío el parche sería pequeño. De igual forma, la cantidad de parches presentes en una semilla indicaría que el cambio o mutación había ocurrido múltiples veces. Así fue como B. McClintock decidió seguir la historia celular y averiguar qué era lo que había ocurrido.

Haciendo análisis citológicos al microscopio, McClintock analizó el comportamiento de los cromosomas durante la división celular. En particular, el par número 9 (la planta del maíz tiene pares de cromosomas) mostraba ciertos rompimientos que ocurrían con gran regularidad y en lugares específicos. Durante sus observaciones notó también que una vez ocurrido un rompimiento, éste permanecía en las generaciones celulares siguientes. McClintock llegó a la conclusión de que no era más que un tipo de rompimiento controlado en el cromosoma, y que cada tipo de rompimiento correspondía a una clase de parche en la semilla, el cual determinaba también su coloración.

Estudiando así la herencia del color y la distribución de estos parches de la planta del maíz que había presentado rompimientos cromosómicos repetidos, B. McClintock encontró que la actividad de genes particulares se había modificado gracias a estos rompimientos. Como estos genes estaban asociados a la coloración de los granos de las mazorcas, algunas de éstas aparecían moteadas y otras sin coloración. Esta actividad, concluyó B. McClintock, se debía a la acción de unidades génicas, a las que llamó elementos controladores, que aparentemente podían moverse de lugar dentro del cromosoma originando que se modificara la actividad de otros genes, junto a los cuales estos elementos se insertaban. Sus análisis microscópicos demostraron la existencia de estos elementos controladores y confirmaron que éstos servían como sitios específicos de rompimiento y salida de segmentos de ADN, causando cambios pequeños y grandes.

En 1948 B. McClintock publicó sus resultados y su hipótesis: existen elementos genéticos capaces de produrcir los rompimientos en los cromosomas y alterar los patrones de desarrollo de las células. Estos elementos genéticos no son más que segmentos de ADN (genes) capaces de moverse o saltar dentro de los cromosomas, produciendo un cambio o mutación en el lugar donde se inserten. A este fenomeno McClintock lo denominó transposición.

¿Qué es la transposición?

La transposición es la movilidad que poseen ciertos genes dentro del genoma celular de un organismo. En la actualidad se conocen y se han clasificado varios segmentos de ADN con estas características, que son: secuencias de inserción, transposones, y ADN extracromosomal, como los virus y los plásmidos.

Las secuencias de inserción (SI) son los elementos móviles más pequeños, pues consisten de unas cuantas bases de nucleótidos. Los transposones son elementos más grandes que incluyen SI en sus extremos con genes intermedios; estos extremos repetidos permiten a toda esta unidad salirse de un sitio e insertarse en otro. Los plásmidos son segmentos de ADN extracromosomal que tienen la capacidad de insertarse en el cromosoma bacteriano, o pasar de bacteria en bacteria. Los virus pueden funcionar como elementos móviles, ya que cuando infectan una bacteria o una célula eucarionte se insertan y separan de la misma forma que los transposones.

Aunque la estructura de estos elementos sea diferente, sobre todo por su tamaño, todos comparten características importantes: pueden insertarse en los cromosomas gracias a la presencia de terminales definidas por secuencias específicas que hacen que reconozcan los lugares donde han de insertarse y también son capaces de duplicarse independientemente de la replicación de todo el genoma durante la duplicación celular.

Estos elementos causan mutaciones o alteraciones, así como reacomodos de los genes que ya existen, provocando que la expresión de éstos sea diferente. También pueden apagar o encender los genes junto a los cuales se inserten, así como viajar de bacteria en bacteria confiriéndole, por ejemplo, resistencia a ciertos antibióticos.

Posteriores estudios han comprobado la existencia de estos elementos en otros organismos. Además del maíz, se les ha encontrado en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, en hongos, en bacterias, y en el hombre y se cree que ésta sea una característica universal de todos los organismos vivientes.

Una de las más importantes consecuencias de este fenómeno de la transposición está relacionada con la medicina: ¿cómo es que las bacterias han adquirido la resistencia a ciertos antibióticos? Debido a la gran administración de antibióticos en la medicina humana y en veterinaria, la transposición ha adquirido dimensiones mayores. Antes de este descubrimiento se sabía que la resistencia a diversos antibióticos podía ser transmitida de bacteria a bacteria a través de los plásmidos —segmentos de ADN que no forman parte del cromosoma bacteriano—, pero no se entendía con claridad cómo es que estos genes se acumulaban en ellos. La explicación actual radica en que los elementos que otorgan la resistencia a los antibióticos en los plásmidos no son más que colecciones de transposones que contienen genes que codifican para la resistencia, a uno o a varios antibióticos.

P. Sharp descubrió que la estructura de ciertos plásmidos bacterianos es modular. Esto es, que ciertas partes del plásmido son muy parecidas entre sí, mientras que otras no muestran parecido alguno. Esto se explica debido a la abundante replicación de secuencias dentro del plásmido. Se han encontrado en la naturaleza transposones idénticos en ciertas especies bacterianas. Es así como distintas especies de bacterias han adquirido en el curso de la evolución la capacidad para resistir a los antibióticos. Gracias al descubrimiento de la transposición muchos de estos rompecabezas se han resuelto, y esperemos que crezca su repercusión en la medicina.

LA ESTRUCTURA MOLECULAR DEL GENE

Cómo varía el material genético: la mutación

Los organismos actuales difieren no sólo en la suma total de su material genético, número de cromosomas, etc., sino también en su constitución estructural, fisiológica o de comportamiento. Denominamos genotipo a la constitución genética de un organismo, y fenotipo a la suma de las característica de una célula o de un organismo que resulta de la interacción del genotipo con el medio ambiente.

Si suponemos que todos los organismos vivos se derivan de un organismo ancestral con un genotipo determinado, entonces sería lógico pensar que el genotipo de este organismo sufrió cambios sucesivos en el curso de la evolución hasta producir la multitud de genotipos diferentes que ahora conocemos. A estos cambios en el genotipo se les llama mutaciones, y al producto se le denomina mutante.

Todos aquellos cambios genéticos que no se deban a la recombinación, son mutaciones por definición. Este término incluye una multiplicidad de fenómenos como cambios físicos en los genes, cambios cromosómicos estructurales y cambios en el número de éstos.

Podemos dividir a las mutaciones en grandes (macromutaciones) y pequeñas (micromutaciones). Empezaremos por analizar las pequeñas.

Mutaciones puntuales

Estas mutaciones son causadas por sustitución, adición o eliminación de nucleótidos dentro de una sección o gene de ADN o ARN. Este cambio puede producir algún cambio fenotípico visible. Es decir, algunas de estas mutaciones puntuales pueden ser silenciosas, no observables por métodos convencionales, pero detectables con análisis moleculares.

El modelo de Watson y Crick sugirió que si un par de nucleótidos era sustituido o sustraído causaría una mutación puntual. Más tarde, Freese en 1959 mapeó las mutaciones producidas en el fago T4 por una base análoga a las cuatro que ya conocemos, la 5-bromouracil y observó que los agentes usados requerían que el ADN se replicase para producir una mutación. Es decir, es durante el proceso de replicación de la molécula del ADN que se presentan las mutaciones puntuales. A partir de estas observaciones, Freese propuso dos diferentes clases de mutaciones puntuales: las transiciones y las transversiones.

Las transiciones son el reemplazo de una purina por otra purina o de una pirimidina por otra pirimidina, causando una mutación en la cual la proteína tiene un aminoácido sustituido por otro. Si esta mutación se lleva a cabo durante la replicación del ADN, la mutación se fijará en la siguiente replicación (Figura 23(a)).

FIGURA 23(a). Transiciones y transversiones.

Las transversiones son el remplazo de una purina por una pirimidina, y viceversa, causadas por ciertos compuestos como las acridinas. Estas mutaciones producen proteínas que no son similares a la original (Figura 23(b)).

FIGURA 23(b). Transiciones y transversiones.

Mutaciones estructurales en los cromosomas

Las mutaciones estructurales en los cromosomas pueden ser de varios tipos:

1) Por pérdida o ganancia de alguno de los genes en un cromosoma. Si un cromosoma normal contiene los genes ABCDEFG, el cromosoma deficiente contendrá sólo los genes ABCDFG; si el cromosoma normal contiene los genes ABCDEFG, el cromosoma duplicado contendrá los genes AABBCDEFG.

2) Por cambios debidos a una alteración en el agrupamiento de los genes. Estos cambios son causados: i) por desplazamiento o translocaciones que indican que una parte de un cromosoma se adhiera a otro cromosoma diferente, o que haya intercambio de secciones entre dos cromosomas; ii) por inversiones que indican que en el mismo cromosoma alguna sección gire sobre su eje 180°, originando una inversión de la secuencia de genes; por ejemplo, si en un cromosoma los genes están en el siguiente orden: ABCDEFG, una inversión daría como resultado el siguiente orden: AFEDCBG. iii) por transposición lo cual indica que un bloque de genes se desplaza a una nueva posición dentro de un cromosoma, por ejemplo ABCDEFG muta por transposición a ADEFBCG.

Cambios numéricos en los cromosomas.

Se puede alterar el número de cromosomas por:

1) aneuploidia, que es la falta de uno o más cromosomas en el juego normal (por ejemplo el síndrome de Turner; que indica la falta de un cromosoma del par sexual en las mujeres), o un exceso de ellos (como el síndrome de Down, que indica la presencia de tres cromosomas en el par 21 del hombre); y

2) poliploidia, que produce organismos con dos o más juegos de cromosomas. Este fenómeno es frecuente en plantas y se sabe que gracias a este evento se han generado especies nuevas.

Qué efectos producen estas mutaciones

Si los genes codifican para alguna proteína, su cambio o mutación afectará la producción de esta última. Esto fue demostrado por Beadle y Tatum en 1948 cuando propusieron una cadena de producción de la proteína en la cual si un paso era afectado, el resultado era la falta de formación de la proteína final. Este es el caso de las enfermedades metabólicas, las cuales indican un error genético heredable. En el hombre se conocen varias de estas enfermedades que son producidas por mutaciones específicas en el ADN, que alteran la producción normal de las proteínas. Por ejemplo, la fenilcetonuria es una enfermedad que causa retraso mental en el hombre. En 1930 se descubrió que en la orina de los pacientes que sufrían esta enfermedad estaba presente una sustancia llamada ácido fenilpirúvico. En este caso, la fenilalanina, componente normal en la dieta, no puede ser degradado a tirosina debido a la ausencia de la enzima que lleva a cabo este paso metabólico, entonces la fenilalanina es transformada por una vía alterna en dosis peligrosas de ácidos fenilpirúvico, produciendo el retraso mental de los pacientes. Ahora podemos decir que esta enfermedad es producto de una mutación que inhibe la producción de la enzima presente en el metabolismo normal. Existen otras enfermedades metabólicas cuyos rasgos característicos son la ausencia de enzimas por la mutación de un gene particular (Figura 24).

 

Enfermedad	Enzima o proteína afectada
Acatalasemia	Catalasa
Afibrinogenemia	Fibrinógeno
Agammaglobulinemia	Gamaglobulina
Albinismo	Tirosinasa
Alcaptonuria	Oxidasa del ácido homogentísico
Analbuminemia	Albúmina sérica
Galactosemia	Trasferasa de la uridil-galactosa 1-fosfato
Enfermedades con acumulación de glucógeno:
Tipo I (Von Gierke's	Glucosa 6- fosfatasa
Tipo III	Amilo-1, 6-glucosidasa
Tipo IV	Amilo-(1,4 - 1,6) transglucosidasa
Tipo V (Mc Ardle's)	Fosforilasa del músculo
Tipo VI (Hers')	Fosforilasa del hígado
Bocio familiar	Deshalogenasa de la yodotirosina
Hemoglobinopatías	Hemoglobinas
Hemofilia A	Factor antihemofílico A
Hemofilia B	Factor antihemofílico B
Histidinemia	Histidinasa
Hiperbilirrubinemia (enfermedad de Gilbert)	Transferasa de uridino-disfosfato glucoronato
Hipofosfatemia	Fosfatasa alcalina
Sindrome de Lesh-Nyhan	Trasferasa de fosforribosil-hipoxantina-guanina
Metahemoglobinemia	Metahemoglobina-reductasa
Fenilcetonuria	Fenilalanina-hidroxilasa
Enfermedad de Wilson	Ceruloplasmina
Xantinuria	Xantinooxidasa
Xerodermia pigmentaria	Enzimas que reparan el ADN

FIGURA 24. Enfermedades hereditarias en el hombre en las que falta o se ha modificado una proteína.

La estructura fina del gene

Como ya hemos mencionado, la biología molecular es una rama derivada de la genética mendeliana cuyo objetivo es el análisis estructural, bioquímico y morfológico del material genético. La introducción de microorganismos como las bacterias y los virus tuvo consecuencias importantes en el desarrollo de esta rama ya que permitió trabajar muchas generaciones en poco tiempo, con poco material genético (procariontes) y con una capacidad de manipulación que era impensable tanto para la época en que se hicieron experimentos con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster como para los años en los que Mendel trabajó con plantas.

Una de las características de la genética bacteriana es que los mutantes que se producen pueden estudiarse desde el punto de vista bioquímico. Esto es, pueden analizarse los productos que resultan de la alteración del gene bacteriano. A los mutantes que han perdido su capacidad para crecer en cierto tipo de medios se les llama auxótrofos. Estos mutantes son muy útiles, ya que podemos inferir la composición genética de una bacteria a partir de su crecimiento en cierto medio dentro de una caja de Petri. Dicho en otras palabras, si sabemos que cierta bacteria, digamos A, crece normalmente en un medio con la sustancia X, y producimos una mutación que impida que esta bacteria A crezca con la sustancia X, entonces podremos analizar bioquímicamente su comportamiento. Podemos decir que la mutación afectó una sección del cromosoma bacteriano (gene) que ha bloqueado la formación de la enzima que digiere a la sustancia X por medio de la cual la bacteria obtiene sus recursos alimenticios. Si infectamos una cepa A auxótrofa para la sustancia X, con un virus conocido, el genoma viral por traducción se incorporará al cromosoma bacteriano. Si el fragmento incorporado del virus lleva el gene normal del mutante auxótrofo, es decir, su capacidad para digerir a X, la cepa restablecerá su función original. Si se lleva a cabo la transformación de las bacterias podremos separar a los grupos dentro de la caja de Petri fácilmente: aquellos que han incorporado el genoma viral crecerán formando placas definidas en la caja, aquellas que no lo hayan hecho simplemente morirán ya que, recordemos, son auxótrofas para la sustancia X. ¿Que significado tiene esto? Estos experimentos sugieren que un gene es una región extendida dentro del cromosoma y que los cambios que ahí ocurren pueden dar lugar a diferentes mutantes, dependiendo de la posición de la mutación o inserción de nuevas secuencias de ADN. También indica que las regiones dentro de esta sección o gene son separables y recombinables con regiones homólogas de un gene de otro cromosoma.

Con estos estudios Seymour Benzer pudo caracterizar, según las propiedades moleculares, el tamaño de las unidades de función, de mutación y de recombinación.

S. Benzer en 1957 definió el gene de un modo novedoso que incluye una división tripartita del gene clásico (mendeliano) basada en la estructura fina de la mutación, la función y la recombinación. Estos análisis de Benzer demostraron que dentro de los genes había secciones que podían ser intercambiables con sus homólogos del otro cromosoma. La unidad de recombinación fue definida como el elemento más pequeño dentro de un gene que es intercambiable por recombinación genética. A este elemento se le llamó recón. La unidad de mutación, el mutón, se definió como el elemento más pequeño que, alterado, da lugar a una forma mutante del organismo. La unidad de función, definida genéticamente, fue definida como el segmento del mapa que corresponde a una función unitaria llamándosele cistrón.

La definición del gene como unidad de función y de mutación se tomó obsoleta a partir de estos estudios sobre la estructura fina del gene. En 1957 Benzer simplificó la definición del gene clásico, dividiéndola en cistrón, mutón y recón. Al gene que produce una proteína específica se le denominó cistrón, al segmento más pequeño que sufre alteraciones, mutón, y al gene definido como el segmento capaz de recombinarse, recón. De estos términos, el más ampliamente usado, especialmente en sistemas microbianos como sinónimo de gene, pero con una clara connotación que hace referencia a la estructura molecular encontrada por Benzer, es el de cistrón.

Genes partidos

Desde que los trabajos de Mendel fueron reconocidos de manera universal a principios de este siglo, hemos visto que los conceptos originales de carácter unitario, factor o gene, se han modificado debido al avance tanto teórico como experimental de la genética, que ha permitido mirar más de cerca a las unidades de la herencia. Durante estos primeros años de desarrollo se creía que los genes eran unidades discretas que producían un carácter particular a través de la síntesis de una proteína. Posteriormente, y gracias al modelo de Watson y Crick se supo que el gene estaba constituido de ADN, formando una "doble hélice". Se entendieron, en consecuencia, la replicación o duplicación, la mutación o variación del material genético, y la síntesis de proteínas. Sin embargo, investigaciones más recientes han demostrado que los genes no son continuos, sino que si los miramos más de cerca, están divididos o partidos en trozos o secciones.

Este descubrimiento indicó que los genes están fragmentados en una serie de regiones alternantes que codifican para partes de las proteínas (exones) y regiones intercaladas (intrones) cuya información no indica la creación de ningún compuesto. Los exones y los intrones forman una unidad que es transcrita como una sola molécula de ARN. Recordemos que del ADN se forma una molécula de ARN mensajero precursor dentro del núcleo, que es procesado para formar una molécula de ARN mensajero maduro que sale del núcleo para ser traducido a proteínas. Este proceso de separación de la transcripción y la traducción puede explicar las discrepancias existentes entre la cantidad de ADN que tiene una célula y la cantidad de proteínas que sintetiza. Pero la pregunta obligada es: ¿qué segmentos son cortados de la molécula de ARN mensajero antes de salir del núcleo?

Uno de los experimentos que llevó al descubrimiento de los genes partidos fue el de P. Chambon y sus colaboradores en 1975, quienes trabajaban con la proteína ovoalbúmina. Esta proteína tiene una cadena de 386 aminoácidos sintetizada en células glandulares especializadas del oviducto de las gallinas ponedoras. La diferenciación de estas células y la expresión del gene de la ovoalbúmina están controladas por las hormonas sexuales de las hembras. Si las hormonas no están presentes, el gene no se expresa y no se forma el ARN mensajero, y por lo tanto la ovoalbúmina no es sintetizada. Para entender esto, P. Chambon aisló el gene de la ovoalbúmina de células glandulares y también de otras células en donde este gene no es expresado (por ejemplo, en eritrocitos) para analizar la estructura molecular del gene en dos ambientes distintos.

El primer resultado que obtuvo fue que ambos genes eran idénticos. Entonces decidió comparar el gene de las células glandulares con el ARN mensajero aislado del citoplasma. El resultado fue que el ARN mensajero era de dimensiones menores que el gene original. Esto hizo suponer que el gene estaba partido en secuencias que eran codificadoras y en otras que no lo eran, a las primeras se les llamó exones, mientras que a las segundas, intrones. Análisis más finos de la estructura molecular del gene de la ovoalbúmina demostraron que éste estaba formado por ocho exones, entre los cuales se encontraron intrones que no tenían su contraparte en el ARN mensajero. La secuencia estudiada confirmó que el orden de los exones correspondía al orden de sus transcriptos en el ARN mensajero, indicando una colinearidad entre el ADN y el ARN. También pudieron medir el largo total de ambas moléculas. El tamaño total del gene era de 7 700 pares de bases, mientras que el mensajero contenía sólo 1 872.

El descubrimiento de los genes partidos explica por qué no todo el ADN codifica para proteínas. A este descubrimiento han seguido otros tantos que han demostrado una estructura similar para otros genes: el gene de la beta-globina (componente de la hemoglobina) de ratón y de conejo, por ejemplo. También se ha comprobado que están presentes en genes de mamíferos, aves y anfibios, algunos insectos, hongos, y se cree que sea una estructura universal de los genes de los organismos eucariontes.

Regulación y control genético: el modelo del operón

Hasta ahora nos hemos dedicado a comprender cómo está estructurado el ADN en los organismos, pero la siguiente pregunta por contestar es qué y cómo hace lo que tiene que hacer. Su tarea es, básicamente, construir los organismos. Siempre ha sido difícil imaginarse cómo de una molécula de ADN se obtienen bacterias, perros o animales tan espeluznantes como las víboras, los murciélagos, etc. Para darnos una idea del campo de la biología que estudia este desarrollo revisemos de nuevo algunos conceptos importantes.

Ya hemos hablado de los conceptos genotipo y fenotipo, el primero, designa el acervo genético de un individuo o una especie, y el segundo su apariencia. Sin embargo, poco hemos hablado de cómo el genotipo se expresa en el fenotipo, es decir, cómo el genotipo produce las características morfológicas, fisiológicas y de comportamiento que caracterizan a cada especie biológica.

La vía molecular de la síntesis de proteínas llamada por Crick el dogma central de la biología molecular expresa los flujos de información de la siguiente manera:

Transcripción.

Traducción.

Replicación D ADN" ARN"Proteínas

Este aparato genético está sujeto a regulación. No todos los genes están actuando en todo momento, por lo cual la célula debe regular activando o desactivando aquellos genes cuyos productos le sean necesarios para responder satisfactoriamente al medio ambiente. (Si todos los genes de las células actuaran en todo momento, habría células semejantes y con las mismas funciones, cosa que evidentemente no ocurre; para que ocurra la diferenciación deben activarse algunos genes, mientras que otros permanecen inactivos.) Además, esta regulación está íntimamente relacionada con el crecimiento y la diferenciación celular.

Empezaremos hablando de la regulación en procariontes y posteriormente analizaremos la regulación en eucariontes.

En 1961 dos microbiólogos franceses, Francois Jacob y Jacques Monod, descubrieron un mecanismo de regulación y control de síntesis de proteínas en bacterias al que dieron el nombre de operón.

Notaron que la bacteria Escherichia coli sintetizaba ciertas enzimas de manera constante, mientras que otras se sintetizaban en el momento en que eran requeridas. Es decir, si la bacteria era colocada en un medio que contenía lactosa (azúcar de la leche), ésta empezaba a producir las enzimas que la digieren en galactosa y glucosa; por el contrario, si el medio carecía de lactosa, la bacteria no la producía pues era inútil su producción.

Jacob y Monod estudiaron la producción de tres enzimas que intervienen en la digestión de la lactosa: la beta-galactosidasa, la galactosa permeasa y la tiogalactósido transacetilasa. Por razones de nomenclatura decidieron llamarlas enzimas z, y y a, respectivamente. De igual forma designaron a los genes que las producían como los genes estructurales responsables de su síntesis (un gene estructural es aquel que codifica, es decir que tiene la información necesaria para la síntesis de una proteína o parte de ella) (Figura 25 (a)).

FIGURA 25. Modelo del operón de Jacob y Monod. En este modelo se ilustra la producción de las tres enzimas responsables del metabolismo de las lactosas que está bajo el control del operón lac. Este sistema está integrado por 3 partes: el gene regulador, la región promotora/reguladora y los genes estructurales z, y y a. En (a) los genes estructurales están reprimidos por la integración del gene regulador y el operador. 1) el gene regulador se transcribe en ARN mensajero, 2) es traducido en una proteína represora que, 3) se pega al operador y lo bloquea y 4) se inhibe la transcripción del ARNm en los genes estructurales.

Jacob y Monod descubrieron que los genes estructurales del operón de la lactosa z, y y a, estaban alineados en el cromosoma, mientras que un cuarto gene se localizaba a cierta distancia, al que llamaron gene regulador. De estos cuatro genes, los tres estructurales se transcriben al mismo tiempo en ARN, mientras que el cuarto gene, el represor, transcribe un ARN mensajero que codifica para una proteína represora que se une a otra región muy especial de ADN presente en el operón de la lactosa. Esta región es la del operador. Si la enzima que sintetiza el gene regulador se pega al operador, inhibe su acción y podemos decir que el sistema está apagado. Si, por el contrario, esta enzima represora se pega con el azúcar de la lactosa presente en el medio, se despegará del operador y será entonces cuando empiecen a funcionar los genes estructurales, sintetizando las enzimas que desdoblan eficientemente a la lactosa. Este sistema del operón de la lactosa que regula la producción de enzimas se autorregula en el momento que las enzimas producidas por los genes estructurales han digerido a la lactosa en galactosa y glucosa, lo que disminuye la concentración de lactosa; y por lo tanto, la molécula represora, al no encontrar lactosas libres para pegarse, se vuelve a unir al operador, apagándolo. Este sistema, como vemos, es negativo y el inductor, el elemento que provoca la reacción en cadena es, en este caso, la lactosa (Figura 25(b)).

FIGURA 25(b). Observamos que cuando entra lactosa el medio 5), actúa como inductor despegando la proteína represora 6), liberándose al operador, y la ARN polimerasa inicia la transcripción. (8) el ARN se traduce en tres enzimas del metabolismo de lactosa. Cuando la lactosa se consume 9) la proteína represora puede unirse de nuevo al operador y cerrar el sistema del operón lac.

Jacob y Monod no sólo estudiaron la estructura del operón de la lactosa, sino también el operón del triptófano (Figura 26 (a)). El triptófano es un aminoácido que la bacteria necesita constantemente en la síntesis de las proteínas necesarias para su supervivencia. Jacob y Monod se dieron cuenta de que el operón del triptófano (el cual controla las enzimas encargadas de la síntesis del triptófano) trabaja constantemente, a menos que exista suficiente triptófano en el medio.

FIGURA 26(a). Operón del triptófano. Este sistema funciona de forma opuesta al operón de la lactosa. Aquí el operón se encuentra encendido ya que, aunque se sintetiza la enzima triptófano sintetasa, la cual es esencial para la producción del aminoácido triptófano 1), ésta no se une al gene operador.

Este funciona como el descrito para la lactosa, con la salvedad de que en el primer caso la lactosa actuaba como inductora pegándose al operador; en el segundo caso, el triptófano actúa como represor al unirse con una proteína represora, formando un complejo triptófanorepresor que se pega al operador y que impide la acción de los genes estructurales, por lo tanto no se sintetizan las proteínas adecuadas. Como vemos este sistema también es de control negativo (Figura 26 (b)).

FIGURA 26(b). Observamos que si se añade al sistema el aminoácido triptófano 3), éste se une inmediatamente a la proteína represora 4) formando el complejo triptófano-represor, que a su vez se pega al operador y bloquea la acción de la ARN polimerasa en el promotor. En 5) se detiene a los genes estructurales 6) que producen la triptófano sintetasa.

A partir de la publicación en los años sesenta de estos hallazgos de Jacob y Monod se ha ido descubriendo una serie mayor de operones en diferentes organismos, pero todavía no hay pruebas concluyentes acerca de si su organización es universal para todos los organismos.

En los eucariontes la regulación genética es completamente distinta. Una de estas diferencias es su complejidad. Uno de los sistemas de regulación estudiados es el caso de la producción de hormonas esteroides en las gallinas. Los oviductos de las gallinas jóvenes responden fácilmente a una hormona femenina llamada estrógeno (que es un esteroide). En presencia de estrógeno, el oviducto empieza a sintetizar albúmina y demás proteínas de la clara del huevo. Se ha marcado radiactivamente al estrógeno que penetra en las células y se ha encontrado que se une a un receptor específico que es más que una proteína citoplasmática. Este primer complejo esteroide receptor entra en el núcleo de la célula y se adhiere a una proteína no histónica del cromosoma, iniciando así la transcripción al ejercer un control positivo.

Aunque nada está dicho en forma definitiva, estos estudios prometen dilucidar las diversas formas de control, por ejemplo de los anticuerpos, las hormonas, etc. Parece que tendrán que pasar algunos años y proponerse nuevas técnicas antes de que este tipo de problemas encuentren las soluciones adecuadas.

LA CONSTRUCCIÓN DE GENOMAS

Como hemos visto, el desarrollo de la biología molecular ha sido vertiginoso desde su nacimiento en los años cincuenta hasta ahora. También hemos visto cómo este desarrollo ha repercutido de manera sobresaliente en otras ramas de la misma biología y la medicina. La biología molecular se ha convertido hoy en día en un arma poderosa para entender, asimilar y manipular el genoma de los organismos vivos. Esta manipulación, muy especial, ha sido posible gracias al desarrollo de técnicas nuevas cuyo poder de resolución ha permitido meternos dentro del ADN y no sólo explicarlo y describirlo, sino también jugar con él de manera satisfactoria.

Si pensamos en los primeros genetistas como Mendel, Morgan e incluso Muller (quien fuera el primero en producir mutaciones con radiación) resulta hasta inocente su forma de concebir la genética. Caracteres diferenciantes, proponía Mendel; ¿cómo se heredan las mutaciones? preguntaría Morgan, y ¿cómo producirlas a nuestro antojo? pensaría Muller. Ahora estas preguntas resultan como un juego de niños comparadas con las preguntas que la biología molecular intenta resolver. Sin embargo, hay que hacerles justicia: sin la solidez de sus hipótesis ni la claridad de sus experimentos, la ciencia de la genética nunca hubiera podido establecer un programa de investigación que permitiese diversificar la problemática del material genético y darle soluciones novedosas. Tal es el caso de la biología molecular.

Uno de sus principales objetivos es entender la relación entre la estructura de las proteínas codificadas por el ADN y su función dentro del metabolismo celular. Para ello ha desarrollado una técnica especial llamada ingeniería genética, que se basa en la manipulación directa de los genes o segmentos de ADN que codifican para determinada proteína, y de los mecanismos de expresión de estos genes. El conjunto de técnicas conocidas como ingeniería genética deriva en forma directa de la biología molecular. Veamos sus principales características.

Uno de los organismos mejor conocidos desde el punto de vista genético es la bacteria Escherichia coli. Esta bacteria es un procarionte con un cromosoma circular y genes en otras estructuras llamadas plásmidos. Como resultado de extensas investigaciones de esta bacteria en particular, se ha conocido de manera sobresaliente la estructura y función de los plásmidos. Este plásmido presenta características interesantes para su manipulación. Pero no sólo esta bacteria los presenta. Los plásmidos forman parte del material genético de casi todas las bacterias.

¿ Qué son los plásmidos?

Son más sencillos que los virus ya que no tienen la capa proteica que caracteriza a estos últimos y no son más que moléculas circulares de ADN de doble hélice que se multiplican independientemente del resto de la célula. Los plásmidos tienen solamente entre el uno y el dos por ciento del total del material genético de la bacteria, lo cual los hace excelentes objetos de estudio y manipulación. A pesar de su pequeño tamaño se sabe que la información que contienen codifica para características importantes como la conjugación bacteriana, resistencia a sustancias tóxicas como los antibióticos, etcétera.

Estas características, y muy en especial la importancia clínica de la resistencia a los antibióticos, hizo que los biólogos moleculares pusieran atención a estas estructuras y descubrieran que pueden funcionar como excelentes vehículos para introducir genes no bacterianos a la bacteria a la cual pertenecen por un procedimiento de clonación molecular, que es la base de esta nueva genética aplicada con grandes potencialidades para la medicina, la industria, la agricultura, etcétera.

¿ Cual es su estructura ?

Como mencionamos arriba, los plásmidos son moléculas de ADN circulares de doble hélice que pueden adquirir genes nuevos. Al igual que el ADN cromosomal, una cadena es complementaria de la otra: A siempre se une a T, G siempre lo hace con C.

Este ADN puede ser cortado en partes específicas con la acción de sustancias que por estas características se les ha llamado enzimas de restricción. Cada enzima de restricción corta al ADN en una secuencia especial y característica. Por ejemplo, toda vez que se halle la secuencia GAATTC (y su complementaria CTTAAG), la enzima llamada EcoRI cortará en ese punto. El resultado es que podemos cortar el plásmido y obtener los trozos deseados. A la fecha se han descrito más de cien de estas enzimas. Existe otro tipo de enzimas, las ligasas, que como su nombre lo indica ligan los segmentos que se encuentran separados, reconociendo los sitios exactos. Una característica importante que es necesario mencionar antes de seguir adelante es que en todo el ADN, desde el bacteriano hasta el del hombre, existen secuencias específicas de bases nitrogenadas que son reconocidas de manera universal por estas enzimas llamadas endonucleasas (las que cortan y las que unen). Esto nos indica que podemos cortar y pegar cualquier molécula de ADN, y no sólo eso, sino también pegar secuencias complementarias con ADN procedente de organismos distintos.

Ahora pues, ya tenemos nuestro plásmido, lo cortamos y le transferimos genes procedentes de otro organismo (cortado y unido de la manera arriba descrita). A este proceso se le llama clonación. A la molécula que se obtiene de esta manera y que presenta genes propios y extraños se le considera un vehículo molecular. Por medio de la transformación este vehículo es introducido en una célula bacteriana o no bacteriana y, así, se reproduce continuamente. El resultado será que el gene que estamos introduciendo se amplificará (reproducirá) debido a la rapidez de la reproducción bacteriana, y al crecer será capaz de generar la proteína deseada utilizando el sistema genético de la célula. De esta manera, lo que antes tardaba su tiempo, ahora es posible obtenerlo más rápida y eficientemente. Esta construcción de genomas ha sido utilizada en otras áreas de la actividad humana.

¿ Cuáles han sido los principales resultados?

En la ganadería. la ingeniería genética ha logrado que algunos animales incrementen su producción de crías simplemente haciendo mejoras genéticas a través de la introducción de hormonas procedentes de otros organismos. Por ejemplo, a las vacas productoras de leche se les proporcionan hormonas de crecimiento de bovinos a través de bacterias transformadas.

En la industria alimentaria la utilización de levaduras mejoradas genéticamente para la producción de cervezas dietéticas, la producción de mejores condimentos para la comida, así como el aumento de aminoácidos presentes en ciertos alimentos, esta siendo un campo alentador de desarrollo de la biotecnología.

Con el propósito de mejorar los productos de la agricultura, la ingeniería genética trata de manipular el genoma de ciertas plantas introduciéndole, como ya hemos visto, genes de otros organismos para así incrementar la producción de ciertas sustancias. Por ejemplo, se ha encargado de la producción de cultivos resistentes a plagas, enfermedades y suelos salitrosos. Se ha intentado, aún sin éxito, introducir genes para la fijación del nitrógeno —presentes en la bacteria Rhizobium— a plantas como el maíz, para hacer innecesarios los fertilizantes artificiales, y así la planta sea capaz de transformar el nitrógeno atmosférico en sustancias orgánicas. Otro ejemplo conocido es la producción de la jitopapa, que no es más que la fusión de células procedentes de la papa y el jitomate; la planta produce en su parte aérea jitomates y en su parte subterránea, papas. Como vemos, es promisorio este campo de experimentación en el cual la biotecnología intenta demostrar que la manipulación de los genomas puede traer buenos resultados en la producción agrícola.

En la medicina, ya lo hemos mencionado, también es importante el avance de la ingeniería genética. Se han producido a gran escala proteínas importantes, como la insulina, para el tratamiento de algunas enfermedades. La insulina —proteína que transporta la glucosa del flujo sanguíneo hacia las células y que está ausente en los diabéticos— producida por los cerdos, que ha sido utilizada tradicionalmente para tratar la enfermedad de la diabetes, tenía un costo muy alto; con la utilización de la ingeniería genética, el problema del consumo de insulina y de su costosa producción parece tener una solución. Para obtener esta producción masiva se ha extraído el gene que la produce y se ha insertado en bacterias y levaduras cuya tasa de crecimiento es acelerado, por lo que la producción de esta proteína aumenta. Existen otras proteínas cuyo procedimiento es similar al de la insulina: la somatotropina (estimulante del crecimiento), el factor VIII (proteína importante en el proceso de la coagulación de la sangre, ausente en los pacientes de hemofilia), el interferón (sustancia que secretan las células como defensa contra el ataque de virus), etcétera.

Otro avance importante se refiere a la elaboración de vacunas. Se utiliza un virus conocido, al cual se le insertan genes de los diferentes anticuerpos para que el sistema inmune se defienda de los agentes infecciosos. Una de estas pocas vacunas es la que se aplica contra la malaria. También se han desarrollado vacunas contra ciertas enfermedades bacterianas; y en 1985, se elaboró la primera vacuna contra el cáncer de mamíferos (Leukocell), que previene contra el virus que causa la leucemia en los gatos. Posiblemente el campo más invadido por la ingeniería genética sea la medicina, aunque, como ya hemos visto, sus aplicaciones en otros campos van en aumento y con resultados alentadores.

LA GENÉTICA DEL DESARROLLO

Uno de los temas más apasionantes de la genética es el desarrollo. Aquí la cuestión central es que si todas las células de un organismo pluricelular tienen la misma información genética, ¿cómo es que se expresan genes diferentes en distintos tejidos para producir órganos tan disimbolos como un ojo o una pierna? Esta pregunta ha sido hecha sin mucho éxito por muchos investigadores y sólo recientemente ha aparecido evidencia que nos acerca un poco a una respuesta. El organismo que una vez más nos ha ayudado a entender un poco de este proceso es la mosca Drosophila, en la que desde hace tiempo se conocen mutantes llamados Antennapedia que, como lo indica el nombre, tienen en vez de una antena una pata en la cabeza. Estos "monstruos" nos enseñan que un pequeño cambio genético puede ocasionar un gran cambio morfológico a través de genes reguladores de otros.

La plenipotencialidad de las células

En las bacterias, estos genes se describieron desde la década de los sesenta, cuando J. Monod y F. Jacob (véase capítulo III) descubrieron que los genes de caminos metabólicos son regulados en forma coordinada por otro gene, un gene regulador que inhibe o estimula la expresión de ellos. Éste es el fundamento de la genética del desarrollo, entender cómo se lleva a cabo la expresión diferencial de genes en diferentes tejidos. Una posible respuesta podría ser que en los diversos tejidos las células pierden todos los genes, excepto aquellos que se expresan en ese tejido. Esta posibilidad se eliminó en la mayoría de los tejidos al demostrarse que las diferentes células de un organismo tienen toda la información genética. Esto se hizo con experimentos que revirtieron el proceso de diferenciación y demostraron que células que originalmente expresaban los genes de un tejido podían, en ciertas condiciones, expresar los genes de otro tejido. En particular, J. B. Gurdon demostró que núcleos (donde está todo el material hereditario, el ADN) de células del intestino del renacuajo implantadas en citoplasmas de óvulos no fecundados, tenían cierta probabilidad de desarrollar un sapo completo. Estos experimentos demostraron que la diferenciación celular es una expresión diferencial de genes y no una presencia diferencial de genes en los diversos tejidos. También, utilizando métodos de hibridización de ADN se ha demostrado que las células de todos los tejidos de un organismo tienen todos los genes.

El desarrollo en la Drosophila

El desarrollo en la mosca de la fruta se inicia, como en todos los organismos, con la fertilización. Una vez fertilizado el huevo se llevan a cabo varias divisiones celulares que dan origen a una estructura en forma elíptica que se llama blastodermo. La posición que guardan las diferentes células en el blastodermo define qué tipo de estructuras de la mosca adulta generarán (Figura 27). El descubrimiento de este tipo de estructuras, según la posición de las células se ha hecho de diversas maneras. En una de ellas, por medio de la cirugía se eliminan del blastodermo diversas porciones y se analiza posteriormente cómo es la morfología de la mosca adulta. Así, por ejemplo, si se elimina la porción intermedia de la izquierda (Figura 27), se eliminan partes del sistema nervioso central, pero si se elimina la parte central, la mosca adulta no tendrá alas. Otra manera de saber qué partes del blastodermo originan las diferentes estructuras de la mosca adulta es llevando a cabo trasplantes de diferentes porciones del blastodermo para ver qué estructuras se desarrollan.

FIGURA 27. (A) Mapa de predeterminación del blastodermo de la D. melanogaster. Muestra los sitios de las células que producirán las partes externas de la mosca adulta. Las distancias se dan en sturts. Las líneas señalan las distancias a la línea media más próxima de la mosca. El mapa se observa desde el interior del hueco del blastodermo, hacia fuera. (b) Partes externas de la mosca adulta representadas sobre la superficie del blastodermo. Las líneas señalan las áreas que dan origen al sistema nervioso y al mesodermo.

Además de la mutación antennapedia que ya hemos mencionado, existen otras mutantes, llamadas homeóticas, que son mutantes de genes que tienen la capacidad de detectar la posición de las células para tomar un camino específico de desarrollo. Cuando estos genes mutan se pierde la capacidad de las células para leer correctamente la información de las posiciones. Algunas de estas mutaciones son también la ophtalmoptera, que hace que el tejido de las alas reemplace el tejido de los ojos. La mutación proboscipedia hace que la próboscis se desarrolle como una pata y la mutación cabeza tumorosa hace que el tejido de la cabeza sea reemplazado por diferentes tipos de tejido, incluyendo estructuras genitales. Quizá las mutaciones homeóticas más espectaculares sean las del complejo de genes bithorax que, como lo indica su nombre, en moscas adultas genera segmentos extras, ya que en su condición normal se produce una sustancia de desarrollo que en forma gradual modifica su concentración de la parte anterior a la posterior, de tal manera que representa una señal acerca del camino de desarrollo que pueden llevar a cabo las células según su posición. Por ello, se supone que los genes del complejo bithorax tienen la capacidad de transformar la situación posicional en expresión diferencial de genes en diferentes células.

La genética del desarrollo es, sin duda, uno de los campos que menos conocemos y del cual requerimos tener más información en el futuro. Es en ese ámbito, entre la estructura del gene, que llevó casi un siglo descubrir, y el fenotipo, que el genetista siempre ha tratado de comprender, donde se requiere investigar más en el futuro. Quisiéramos saber cómo es que de una estructura genética particular se puede expresar cierta morfología. Sólo experimentos cuidadosamente planeados y la creatividad que de vez en vez ha hecho avanzar a la genética podrán obtener esta respuesta, que es sin duda el mayor misterio que tenemos en el campo de la genética.

Enfermedades y Genes

Con la ayuda de las sondas gen‚ticas, los médicos ya pueden rastrear el ADN en busca de genes defectuosos, responsables de una infinidad de males.

Parte de estos genes han sido desenmascarados, aislados y clonados.

He aquí algunos junto a las enfermedades que desencadenan.

Hemofilia:

Deficiencia del proceso normal de coagulación sanguínea.

Est  causada por la ausencia de una proteína coagulante.

El gen fue aislado y clonado en 1984.

Alcoholismo:

En marzo de 1990, investigadores de Utah, EE.UU., anunciaban que un gen localizado en el cromosoma 11 podría estar implicado en el desarrollo de este mal.

Corea de Huntington:

Trastornos neurológicos, como perdida de memoria y movimientos incontrolados.

El gen se halla en el cromosoma 4.

Anemia Falciforme:

Mal causado por la fabricación de hemoglobina defectuosa, incapaz de transportar el oxigeno en la sangre.

El gen mutante fue aislado en 1980.

Mucoviscosidosis:

O fibrosis quística.

Gen anómalo encontrado en el año 1990 en el cromosoma 7.

Afecta a miles de niños, ocasionándoles trastornos respiratorios y digestivos.

Hipotiroidismo Congénito

Afecta aproximadamente a unos 80 niños en Chile, provocando retraso mental profundo si no es detectado antes de los seis meses.

Determinante del Sexo:

En julio de 1991, biólogos británicos  anunciaban que el sexo del embrión viene determinado por la activación de un gen hallado en el cromosoma masculino Y.

Retraso Mental del X - Frágil :

Se trata de la causa hereditaria m s frecuente de retraso mental.

Se caracteriza por una especie de ruptura de uno de los brazos del cromosoma X.

Se esta buscando el gen correspondiente.

Miopatia de Duchenne:

Atrofia muscular que aparece hacia los dos años de edad y desemboca en una parálisis total.

Maníaco - Depresión:

También llamada enfermedad bipolar, afecta a un 2 por ciento de la población.

El gen responsable fue localizado en 1987, en el cromosoma 11.

Esquizofrenia:

Afecta al 1 por ciento de la población.

En 1989 psiquiatras de la Universidad de Londres encontraron el gen de la locura en una región del cromosoma 5.

Síndrome de Lesch Nyhan

Ceguera y parálisis.

Aparece con una frecuencia de 1 en 3000 en las poblaciones judías originarias en Europa Central.

El gen clonado en 1980.

Deficiencia de ADA

Existen 100 casos declarados en el mundo, la terapia gen‚tica a punto para corregir el gen.

Malformaciones Congénitas

El riesgo de una embarazada tenga un hijo con una malformación gen‚tica en el nacimiento es del cuatro por ciento.

Entre los casos m s comunes se destacan:

Hidrocefalia:

Tamaño desmesurado de la cabeza debido a la acumulación excesiva de liquido en el interior del cráneo.

Microcefalia:

Cabeza pequeña y generalmente deforme, ocasionada por un subdesarrollo de la caja craneal.

Labio Leporino:

Presencia en el recién nacido de una gran hendidura en el labio.

Ano Imperfecto:

Deformidad conocida también como imperforación. El bebe nace sin ano.

Espina Bífida:

Defecto del tubo neural que consiste en una anomalía en el cierre de uno o más vértebras.

Genética Moderna

Actualmente los importantes avances producidos en las tecnicas de investigación cientifica han permitido resolver gran parte de las incógnitas que, durante mucho tiempo, han permanecido sin respuesta en el campo de la genética.

Entre los progresos más importantes podemos citar el descubrimiento de la estructura en doble hélice del ADN, efectuado en 1953 por los biólogos Watson y Crick, descubrimiento que sentó las bases de la moderna biología molecular. Dentro ya de este campo y en años recientes, se ha conseguido dilucidar el mecanismo por el cual se interpreta la informaci6n contenida en el ADN. El contenido de esta información se ha visto que depende del orden en el que se disponen los distintos tipos de acidos nucleicos para forrnar las cadenas de ADN. Esta secuencia es leida del mismo modo que se leen las distintas letras del alfabeto que componen una palabra, y se interpretan según un conjunto de reglas válidas para todos los seres vivos y descubiertas muy recientemente, que reciben el nombre de código genético. Mediante un proceso denominado transcripción,

esta secuencia es copiada con exactitud en una molécula de ADN y transportada a los ribosomas del citoplasma. En estos organúlos la información se traduce mediante un complejo proceso denominado biosintesis proteica por el cual se originan las complejas proteinas que componen la materia viva.

Otros progresos importantes realizados en el campo de la genética son: el descubrimiento de las mutaciones y su influencia en los seres vivos; el origen de las enfermedades hereditarias y su posible curación; la elaboración de mapas cromosómicos describiendo exactamente la información genética de algunos organismos; la posibilidad de manipular dicha información artificialmente mediante la ingenieria genética, etcetera. Los

avances producidos en este último campo son de tal magnitud que sus aplicaciones están planteando numerosos problemas desde el punto de vista ético, a causa de las importantes repercusiones que puede llegar a tener sobre el futuro de la especie humana.