Introducción a la Genética

La Genética es la rama de la biología que estudia todo lo referente a la herencia biológica, los genes y su expresión en los organismos. La unidad fundamental de la herencia se denomina gen. Los genes se transmiten según reglas o leyes definidas y se localizan en los cromosomas, estructuras formadas por una sustancia del núcleo celular. En la mayoría de los organismos vivos, el sexo está determinado por los genes o los cromosomas.

Componentes Moleculares Fundamentales

En todas las células de los seres vivos existe una molécula, una sustancia, que está encerrada en el núcleo y que contiene la información genética: el ADN.

• Monómero: Molécula pequeña que se une con otras, iguales o diferentes, para originar moléculas grandes (ejemplos: monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos).
• Polímero: Macromolécula (molécula grande) formada por la unión de varios monómeros iguales o diferentes (ejemplos: polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos).

Ácidos Nucleicos: Estructura y Tipos

Los ácidos nucleicos son polinucleótidos (polímeros de nucleótidos). Cada nucleótido está compuesto por tres elementos:

• Base nitrogenada: Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G), Timina (T) o Uracilo (U).
• Pentosa: Ribosa o desoxirribosa.
• Grupo fosfato.

Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos:

• Ácido Ribonucleico (ARN): Los nucleótidos del ARN contienen ribosa, fosfato y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina, citosina, guanina y uracilo. Hay varios subtipos de ARN, como el ARNm (mensajero), ARNt (de transferencia) y ARNr (ribosómico).
• Ácido Desoxirribonucleico (ADN): Todos los nucleótidos del ADN están compuestos por desoxirribosa, un grupo fosfato y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina.

Procesos Biológicos Clave

Replicación del ADN

El modelo de replicación del ADN se realiza en fases que pueden observarse en la doble hélice:

1. Fase 1: La replicación comienza con el desenrollamiento y separación de las dos cadenas de la doble hélice.
2. Fase 2: Las cadenas se duplican de manera independiente, sirviendo de molde para producir una nueva cadena mediante el acoplamiento de los nucleótidos complementarios.
3. Fase 3: El resultado final son dos nuevas dobles hélices, que son una copia exacta de la molécula de ADN de partida.

Síntesis de Proteínas

La síntesis de proteínas es un proceso biológico esencial que consta de dos etapas principales:

Transcripción

Durante esta etapa, la información almacenada en el ADN se transfiere a un tipo de ARN denominado ARN mensajero (ARNm). Este ARNm estará constituido por las bases complementarias de un fragmento (gen) de una de las dos cadenas de ADN que le ha servido de molde.

Traducción

La traducción es la formación de una cadena de aminoácidos en el orden que determina la secuencia de nucleótidos del ARNm. Tras la transcripción, el ARNm pasa al citoplasma y se une a los ribosomas. Paralelamente, los aminoácidos se unen a un tipo especial de ARN denominado ARN de transferencia (ARNt), que se encarga de transportar cada aminoácido hacia el ribosoma donde está siendo leído el ARNm. Cada ARNt reconoce una secuencia concreta de tres bases del ARNm (codón) y se une a ella, permitiendo la formación de la cadena de proteína.

Código Genético

El código genético es la relación de correspondencia entre los nucleótidos (bases) de un polinucleótido y los aminoácidos que forman una proteína.

Biotecnología y sus Aplicaciones

Organismos Transgénicos

Se denominan organismos transgénicos a aquellos que se desarrollan a partir de una célula en la que se introdujo un fragmento de ADN procedente de otro ser vivo, el cual se integra en su genoma.

Cultivos Celulares

Los cultivos celulares son técnicas fundamentales en biotecnología. Se distinguen varios tipos:

• Cultivo de órganos: El órgano se mantiene en un medio del que obtiene los nutrientes. Tienen una utilidad limitada en el campo de investigación, ya que se deterioran y no es posible conservar una réplica exacta de ellos.
• Cultivo de fragmentos de tejidos o de órganos: Los fragmentos se adhieren a una superficie, en la que proliferan las células de la periferia.
• Cultivo celular: Consiste en disgregar el órgano o el tejido de partida y en cultivar la suspensión celular obtenida como una monocapa adherente o en suspensión.

Tecnología del ADN Recombinante

La Tecnología del ADN Recombinante permite la clonación de genes, como el gen de la insulina en bacterias. Los pasos clave son:

1. Se localiza el cromosoma de la célula animal en el que se encuentra el gen de interés. Paralelamente, se selecciona un vector para ese gen. Los vectores (algunos virus, ciertas moléculas de ADN bacteriano llamadas plásmidos) son vehículos para introducir genes en las células de otro organismo.
2. Se aísla el material genético de la célula animal y de la bacteria.
3. Se fragmenta el ADN cromosómico y el plasmídico en trozos más pequeños. Para ello se utilizan las enzimas de restricción.
4. El gen aislado se une al plásmido gracias a la acción de las enzimas ligasas.
5. Se introduce el nuevo ADN recombinante en otra bacteria. Al cabo de varias generaciones, se dispondrá de un clon de células portadoras del gen de la insulina.

Terapia Génica

La Terapia Génica es un tratamiento de enfermedades que se basa en la introducción de genes en el organismo. Los pasos clave para una terapia génica exitosa son:

1. Introducir el gen deseado en las células.
2. Introducir las células modificadas en el organismo.
3. Asegurar que los genes lleguen en condiciones óptimas a su objetivo.
4. Controlar la expresión de estos genes.

Métodos de Terapia Génica

La terapia génica se puede realizar de dos maneras principales:

• Ex vivo: Es la técnica más utilizada. Se extraen las células del paciente, se cultivan, se les inserta el gen normal y se reintroducen en el organismo.
• In vivo: Se introducen los genes directamente por vía sanguínea, utilizando vectores que contienen en su superficie moléculas reconocidas solo por determinadas células (las células diana), que cuentan con receptores específicos. Allí transfieren la información genética deseada. Así se consiguen modificar los genes defectuosos en todas las células que los poseen; por ejemplo, en el caso de células transformadas en un cáncer diseminado.

Reproducción Asistida

Procedimientos Principales

La reproducción asistida incluye dos procedimientos principales:

• Inseminación Artificial: Consiste en la introducción de semen en el útero por medio de una cánula. El semen puede obtenerse del varón de la pareja o, si esto no es posible debido a su infertilidad, de un donante anónimo procedente de un banco de semen.
• Fecundación in vitro (FIV): Consiste en realizar la fecundación en el laboratorio y luego implantar el embrión en el útero de la madre. La implantación es la anidación del embrión en la pared del útero, generalmente en la fase de blastocisto.

Para ambos procedimientos, en primer lugar, se estimula la ovulación para que se desarrollen varios óvulos en un ciclo y aumentar así la posibilidad de éxito. En ocasiones, esto provoca embarazos gemelares. Escogido el momento más favorable para la fecundación, se selecciona el semen, concentrando los espermatozoides móviles y activándolos.

En el caso específico de la Fecundación in vitro, se estimula el ovario, se extraen los óvulos por punción transvaginal y se colocan en un recipiente junto con espermatozoides tratados. Los óvulos fecundados se cultivan para que se inicie el desarrollo embrionario. Pasados unos días, ya están listos para ser implantados en el útero.

Ingeniería Genética en Plantas

Obtención de Plantas Transgénicas

El proceso para obtener plantas transgénicas implica dos fases principales:

Transformación

Se clona el gen del carácter deseado en un plásmido. El más utilizado es el plásmido Ti, perteneciente a Agrobacterium tumefaciens, una bacteria que provoca tumores en las plantas. La infección por esta bacteria conlleva la inserción del plásmido en el material genético de la célula vegetal. La cadena del plásmido contiene genes que inducen la producción de tumores. Una vez eliminados estos genes e insertados los deseados, se induce la infección y las células vegetales integran la secuencia del plásmido, que ya no es patógeno y que lleva la información genética insertada mediante la tecnología del ADN recombinante.

Regeneración

Las células del tejido transformado se cultivan in vitro hasta dar lugar a una nueva planta. Si el proceso ha sido exitoso, la nueva planta contiene el ADN insertado de forma estable y lo transmite a sus descendientes.

El Proyecto Genoma Humano

Hallazgos y Relevancia

• El genoma humano contiene, sorprendentemente, menos de 30.000 genes y no los 100.000 que se pensaba inicialmente. La mayoría del ADN está formado por secuencias repetitivas procedentes de duplicaciones, recombinaciones, virus, etc.
• Las diferencias genéticas que se presentan con otras especies son menores de lo esperado. Se sabe que el genoma del chimpancé es idéntico al humano en un 98,55%.
• El conocimiento de los nucleótidos de los genes humanos es limitado si no se determina dónde comienza y termina cada gen, en qué cromosoma se localiza y, sobre todo, cuál es el efecto de la expresión de cada uno de ellos.

Presente y Futuro del Proyecto

El Proyecto Genoma Humano ha abierto y seguirá abriendo puertas a diversas aplicaciones:

• Tests genéticos: Para diferenciar tipos de cáncer, diagnosticar diabetes, cardiopatías, etc. Se podrá saber la probabilidad de padecer estas enfermedades y, por tanto, se podrán emplear medios de prevención y detección precoz.
• Terapia génica: Numerosos niños con inmunodeficiencia combinada severa (conocidos como “niños burbuja”) han sido tratados con éxito mediante los procedimientos descritos anteriormente.
• Diagnóstico genético pretrasplante: Un bebé sano pudo salvar la vida de su hermano gracias a un trasplante compatible, seleccionado genéticamente.
• Conocimientos sobre la evolución humana y las migraciones: Permite entender las migraciones de las distintas poblaciones a lo largo de la historia.

En definitiva, se dispondrá de un registro de enfermedades asociadas a genes, para lograr una medicina más personalizada.

Clonación

Tipos de Clonación

• Clonación de células aisladas o de tejidos: Pueden ser utilizadas en investigación o ser implantadas en pacientes con fines médicos. Especial interés merecen las llamadas células madre, células indiferenciadas que pueden dar lugar a un tejido u órgano. Las más útiles y fáciles de obtener son las células madre embrionarias, que son pluripotentes, es decir, pueden dar lugar a cualquier tipo de célula. Sin embargo, la investigación también se centra en células madre adultas o inducidas para evitar el uso de embriones en tratamientos.
• Clonación de organismos: Es la obtención de un organismo animal o planta idéntico genéticamente a otro.
  • La clonación de plantas es conocida desde antiguo: un simple esqueje que contenga células de meristemo puede producir una planta completa, genéticamente idéntica a la planta donante del esqueje.
  • La clonación de animales puede llevarse a cabo por distintos procedimientos:
    • Por inducción de divisiones en un embrión: Se ha llegado a obtener un primate clónico provocando divisiones en un embrión, proceso cuyo resultado es similar al que da lugar a los gemelos naturales.
    • Transferencia nuclear: Requiere dos células: la receptora, que suele ser un óvulo sin fecundar y que se desarrollará en cuanto se la estimule; y la donante, que aportará el genoma que se va a copiar. El objetivo de la transferencia nuclear es obtener células totipotentes que contengan la copia de un determinado genoma.

Aplicaciones de la Clonación

Aunque se ha especulado mucho con las posibilidades que ofrecen las técnicas de clonación, hay mucho que investigar sobre los procedimientos empleados y su adecuación en relación con los fines que se persigan. Las mayores expectativas se centran en la combinación entre las técnicas de clonación y las de ingeniería genética, en la producción de células u organismos clónicos que, modificados genéticamente, ofrezcan posibilidades de detección o tratamiento de enfermedades, o mejora.

• Desarrollo de la investigación en diversos campos: Por ejemplo, en el conocimiento de la diferenciación celular y en los estudios con experimentos efectuados con animales clonados, ya que al ser idénticos, los resultados no se verán afectados por diferencias genéticas.
• Reproducción de animales transgénicos: Se podrían formar rebaños en los que, en el caso de la encefalopatía espongiforme, se hubiera suprimido el gen que produce la proteína del prión, evitando la enfermedad. También se podrían reproducir animales que produjeran sustancias beneficiosas para combatir enfermedades o aquellos que portaran genes que favorecieran una mejor producción de leche o carne.
• Reproducción de animales en vías de extinción: Determinadas técnicas de clonación podrían dar lugar a individuos que aseguren la supervivencia de la especie.
• Aplicaciones terapéuticas: Son las que mayor interés han despertado y sobre las que se están concentrando más esfuerzos, aunque sean las que, al tener relación con la especie humana, más problemas de orden ético plantean. Todas están en fase de investigación y en muy pocos casos se han podido hacer pruebas en pacientes. Algunas posibilidades futuras son la producción de células humanas para trasplantes o terapias regenerativas.