La genética molecular es una rama de la biología que aborda cómo las diferencias en las estructuras o la expresión de las moléculas de ADN se manifiestan como variaciones entre organismos. La genética molecular a menudo aplica un "enfoque de investigación" para determinar la estructura y/o función de los genes en el genoma de un organismo mediante pruebas genéticas . [1] [2]
El campo de estudio se basa en la fusión de varios subcampos de la biología: herencia mendeliana clásica , biología celular , biología molecular , bioquímica y biotecnología . Integra estas disciplinas para explorar aspectos como la herencia genética, la regulación y expresión de genes y el mecanismo molecular detrás de diversos procesos de la vida. [1]
Un objetivo clave de la genética molecular es identificar y estudiar mutaciones genéticas. Los investigadores buscan mutaciones en un gen o inducen mutaciones en un gen para vincular una secuencia genética a un fenotipo específico. [3] Por lo tanto, la genética molecular es una metodología poderosa para vincular mutaciones con condiciones genéticas que pueden ayudar en la búsqueda de tratamientos para diversas enfermedades genéticas.
El descubrimiento del ADN como modelo para la vida y los avances en la investigación de la genética molecular surgieron del trabajo combinado de muchos científicos. En 1869, el químico Johann Friedrich Miescher , que investigaba la composición de los glóbulos blancos, descubrió y aisló del núcleo celular una nueva molécula a la que denominó nucleína, lo que a la postre sería el primer descubrimiento de la molécula ADN que más tarde se determinó que era la base molecular de la vida. Determinó que estaba compuesto de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. [4] El bioquímico Albrecht Kosell identificó la nucleína como un ácido nucleico y le dio el nombre de ácido desoxirribonucleico (ADN). Continuó basándose en esto aislando los componentes básicos del ADN y el ARN ; formado por los nucleótidos : adenina, guanina, timina, citosina. y uracilo. Su trabajo sobre los nucleótidos le valió el Premio Nobel de Fisiología. [5]
A principios del siglo XX, Gregor Mendel , quien llegó a ser conocido como uno de los padres de la genética , hizo grandes contribuciones al campo de la genética a través de sus diversos experimentos con plantas de guisantes donde pudo descubrir los principios de la herencia, como los rasgos recesivos y dominantes. , sin saber de qué genes estaban compuestos. [6] A mediados del siglo XIX, el anatomista Walther Flemming, descubrió lo que hoy conocemos como cromosomas y el proceso de separación que sufren a través de la mitosis. Su trabajo junto con Theodor Boveri dio como resultado la teoría cromosómica de la herencia, que ayudó a explicar algunos de los patrones que Mendel había observado mucho antes. [7]
Para que la genética molecular se desarrollara como disciplina fueron necesarios varios descubrimientos científicos. El descubrimiento del ADN como medio para transferir el código genético de la vida de una célula a otra y entre generaciones fue fundamental para identificar la molécula responsable de la herencia . La genética molecular surgió inicialmente a partir de estudios que involucraban transformación genética en bacterias . En 1944, Avery, McLeod y McCarthy [8] aislaron ADN de una cepa virulenta de S. pneumoniae y, utilizando sólo este ADN, pudieron convertir una cepa inofensiva en virulencia. Llamaron "transformación" a la captación, incorporación y expresión del ADN por parte de las bacterias. Este hallazgo sugirió que el ADN es el material genético de las bacterias. [9] La transformación bacteriana a menudo es inducida por condiciones de estrés, y la función de la transformación parece ser la reparación del daño genómico . [9]
En 1950, Erwin Chargaff derivó reglas que ofrecían evidencia de que el ADN era el material genético de la vida. Estos fueron "1) que la composición de bases del ADN varía entre especies y 2) en las moléculas de ADN natural, la cantidad de adenina (A) es igual a la cantidad de timina (T), y la cantidad de guanina (G) es igual a la cantidad de citosina (C)". [10] Estas reglas, conocidas como reglas de Chargaff, ayudaron a comprender la genética molecular. [10] En 1953, Francis Crick y James Watson, basándose en el trabajo de cristalografía de rayos X realizado por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, pudieron derivar la estructura tridimensional de doble hélice del ADN. [11]
El grupo de fagos era una red informal de biólogos centrados en Max Delbrück que contribuyó sustancialmente a la genética molecular y los orígenes de la biología molecular durante el período comprendido aproximadamente entre 1945 y 1970. [12] El grupo de fagos tomó su nombre de los bacteriófagos , las bacterias que infectan virus que el grupo utilizó como organismos modelo experimentales. Los estudios realizados por genetistas moleculares afiliados a este grupo contribuyeron a comprender cómo funcionan las proteínas codificadas por genes en la replicación del ADN , la reparación del ADN y la recombinación del ADN , y sobre cómo los virus se ensamblan a partir de componentes de proteínas y ácidos nucleicos (morfogénesis molecular). Además, se aclaró el papel de los codones de terminación de cadena. Sydney Brenner y sus colaboradores realizaron un estudio digno de mención utilizando mutantes "ámbar" defectuosos en el gen que codifica la proteína principal principal del bacteriófago T4. [13] Este estudio demostró la colinealidad del gen con su polipéptido codificado, proporcionando así evidencia sólida para la "hipótesis de la secuencia" de que la secuencia de aminoácidos de una proteína está especificada por la secuencia de nucleótidos del gen que determina la proteína.
El aislamiento de una endonucleasa de restricción en E. coli por Arber y Linn en 1969 abrió el campo de la ingeniería genética . [14] Se utilizaron enzimas de restricción para linealizar el ADN para su separación mediante electroforesis y la transferencia Southern permitió la identificación de segmentos de ADN específicos mediante sondas de hibridación . [15] [16] En 1971, Berg utilizó enzimas de restricción para crear la primera molécula de ADN recombinante y el primer plásmido de ADN recombinante . [17] En 1972, Cohen y Boyer crearon el primer organismo de ADN recombinante insertando plásmidos de ADN recombinante en E. coli , ahora conocido como transformación bacteriana , y allanaron el camino para la clonación molecular. [18] El desarrollo de técnicas de secuenciación de ADN a finales de la década de 1970, primero por Maxam y Gilbert, y luego por Frederick Sanger , fue fundamental para la investigación genética molecular y permitió a los científicos comenzar a realizar exámenes genéticos para relacionar secuencias genotípicas con fenotipos. [19] La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) utilizando la polimerasa Taq, inventada por Mullis en 1985, permitió a los científicos crear millones de copias de una secuencia de ADN específica que podría usarse para la transformación o manipularse mediante separación en gel de agarosa . [20] Una década más tarde, se secuenció el primer genoma completo ( Haemophilus influenzae ), seguido de la eventual secuenciación del genoma humano a través del Proyecto Genoma Humano en 2001. [21] La culminación de todos esos descubrimientos fue un nuevo campo llamado genómica que vincula la estructura molecular de un gen con la proteína o ARN codificado por ese segmento de ADN y la expresión funcional de esa proteína dentro de un organismo. [22] Hoy en día, mediante la aplicación de técnicas de genética molecular, se estudia la genómica en muchos organismos modelo y se recopilan datos en bases de datos informáticas como NCBI y Ensembl . El análisis por computadora y la comparación de genes dentro y entre diferentes especies se llama bioinformática y vincula mutaciones genéticas a escala evolutiva. [23]
Esta imagen muestra un ejemplo del dogma central que utiliza una cadena de ADN que se transcribe y luego se traduce y muestra enzimas importantes utilizadas en los procesos.
El Dogma Central juega un papel clave en el estudio de la genética molecular. El Dogma Central afirma que el ADN se replica a sí mismo, el ADN se transcribe en ARN y el ARN se traduce en proteínas. [24] Junto con el Dogma Central, el código genético se utiliza para comprender cómo el ARN se traduce en proteínas. La replicación del ADN y la transcripción del ADN al ARNm se produce en el núcleo , mientras que la traducción del ARN a proteínas se produce en el ribosoma . [25] El código genético está formado por cuatro partes intercambiables de otras moléculas de ADN, llamadas "bases": adenina, citosina, uracilo (en el ARN; timina en el ADN) y guanina, y es redundante, es decir, múltiples combinaciones de estos pares de bases (que se leen por triplicado) producen el mismo aminoácido. [26] La proteómica y la genómica son campos de la biología que surgen del estudio de la genética molecular y el Dogma Central. [27]
El genoma de un organismo está formado por todo su conjunto de ADN y es responsable de sus rasgos genéticos, función y desarrollo. La composición del ADN en sí es un componente esencial en el campo de la genética molecular; es la base de cómo el ADN puede almacenar información genética, transmitirla y estar en un formato que pueda leerse y traducirse. [28]
El ADN es una molécula de doble hebra, con cada hebra orientada de forma antiparalela. Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN, cada uno de los cuales está compuesto por una molécula de azúcar, un grupo fosfato y una de las cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina. Una sola cadena de ADN se mantiene unida mediante enlaces covalentes, mientras que las dos cadenas antiparalelas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno entre las bases de nucleótidos. La adenina se une a la timina y la citosina a la guanina. Son estas cuatro secuencias de bases las que forman el código genético de toda la vida biológica y contienen la información de todas las proteínas que el organismo podrá sintetizar. [29]
Su estructura única permite que el ADN almacene y transmita información biológica de generación en generación durante la división celular . En la división celular, las células deben poder copiar su genoma y transmitirlo a las células hijas. Esto es posible debido a la estructura bicatenaria del ADN porque una cadena es complementaria de su cadena asociada y, por lo tanto, cada una de estas cadenas puede actuar como una cadena plantilla para la formación de una nueva cadena complementaria. Por eso el proceso de replicación del ADN se conoce como proceso semiconservativo. [30]
La genética directa es una técnica de genética molecular que se utiliza para identificar genes o mutaciones genéticas que producen un determinado fenotipo . En un examen genético , se generan mutaciones aleatorias con mutágenos (químicos o radiación) o transposones y se examina a los individuos para detectar el fenotipo específico. A menudo, un ensayo secundario en forma de selección puede seguir a la mutagénesis cuando el fenotipo deseado es difícil de observar, por ejemplo en bacterias o cultivos celulares. Las células pueden transformarse usando un gen de resistencia a antibióticos o un indicador fluorescente de modo que los mutantes con el fenotipo deseado se seleccionen entre los no mutantes. [31]
Se aíslan los mutantes que presentan el fenotipo de interés y se puede realizar una prueba de complementación para determinar si el fenotipo resulta de más de un gen. Luego, los genes mutantes se caracterizan como dominantes (lo que resulta en una ganancia de función), recesivos (que muestran una pérdida de función) o epistáticos (el gen mutante enmascara el fenotipo de otro gen). Finalmente, la ubicación y la naturaleza específica de la mutación se mapean mediante secuenciación . [32] La genética directa es un enfoque imparcial y a menudo conduce a muchos descubrimientos imprevistos, pero puede ser costosa y consumir mucho tiempo. Organismos modelo como el gusano nematodo Caenorhabditis elegans , la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y el pez cebra Danio rerio se han utilizado con éxito para estudiar fenotipos resultantes de mutaciones genéticas. [33]
Genética inversa es el término para las técnicas de genética molecular utilizadas para determinar el fenotipo resultante de una mutación intencional en un gen de interés. El fenotipo se utiliza para deducir la función de la versión no mutada del gen. Las mutaciones pueden ser cambios aleatorios o intencionales en el gen de interés. Las mutaciones pueden ser una mutación con sentido erróneo causada por una sustitución de nucleótidos, una adición o eliminación de nucleótidos para inducir una mutación por cambio de marco de lectura , o una adición/eliminación completa de un gen o segmento de gen. La eliminación de un gen particular crea un gen knockout donde el gen no se expresa y se produce una pérdida de función (por ejemplo, ratones knockout ). Las mutaciones con sentido erróneo pueden causar una pérdida total de la función o provocar una pérdida parcial de la función, lo que se conoce como caída. La eliminación también se puede lograr mediante ARN de interferencia (ARNi). [35] Alternativamente, se pueden sustituir genes en el genoma de un organismo (también conocido como transgén ) para crear un gen knock-in y dar como resultado una ganancia de función por parte del huésped. [36] Aunque estas técnicas tienen algún sesgo inherente con respecto a la decisión de vincular un fenotipo a una función particular, es mucho más rápida en términos de producción que la genética directa porque el gen de interés ya se conoce.
La genética molecular es un enfoque científico que utiliza los fundamentos de la genética como herramienta para comprender mejor las bases moleculares de una enfermedad y los procesos biológicos en los organismos. A continuación se presentan algunas herramientas fácilmente utilizadas por los investigadores en el campo.
Los microsatélites o repeticiones de secuencia única (SSRS) son segmentos cortos de ADN repetidos compuestos por 6 nucleótidos en una ubicación particular del genoma que se utilizan como marcadores genéticos. Los investigadores pueden analizar estos microsatélites mediante técnicas como la toma de huellas dactilares de ADN y las pruebas de paternidad, ya que estas repeticiones son muy exclusivas de los individuos o familias. a también se puede utilizar en la construcción de mapas genéticos y en el estudio del vínculo genético para localizar el gen o la mutación responsable de un rasgo o enfermedad específica. Los microsatélites también se pueden aplicar a la genética de poblaciones para estudiar comparaciones entre grupos. [37]
Los estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) son una técnica que se basa en polimorfismos de un solo nucleótido ( SNP ) para estudiar variaciones genéticas en poblaciones que pueden asociarse con una enfermedad en particular. El Proyecto Genoma Humano cartografió todo el genoma humano y ha hecho que este enfoque esté más disponible y sea más rentable para que lo implementen los investigadores. Para realizar un GWAS, los investigadores utilizan dos grupos, un grupo que tiene la enfermedad que los investigadores están estudiando y otro que actúa como control y que no tiene esa enfermedad en particular. Se obtienen muestras de ADN de los participantes y luego se puede derivar su genoma a través de maquinaria de laboratorio y encuestarlos rápidamente para comparar a los participantes y buscar SNP que potencialmente puedan estar asociados con la enfermedad. Esta técnica permite a los investigadores identificar genes y ubicaciones de interés en el genoma humano que luego pueden estudiar más a fondo para identificar la causa de la enfermedad. [38]
El cariotipo permite a los investigadores analizar los cromosomas durante la metafase de la mitosis, cuando se encuentran en un estado condensado. Los cromosomas se tiñen y se visualizan a través de un microscopio para buscar anomalías cromosómicas. Esta técnica se puede utilizar para detectar trastornos genéticos congénitos como el síndrome de Down , identificar el sexo de los embriones y diagnosticar algunos cánceres causados por mutaciones cromosómicas, como las translocaciones. [39]
La ingeniería genética es un campo científico emergente y los investigadores pueden aprovechar la tecnología genética molecular para modificar el ADN de los organismos y crear organismos mejorados y modificados genéticamente para fines industriales, agrícolas y médicos. Esto se puede hacer mediante técnicas de edición del genoma, que pueden implicar modificar pares de bases en una secuencia de ADN o agregar y eliminar ciertas regiones del ADN. [40]
La edición de genes permite a los científicos alterar/editar el ADN de un organismo. Una forma de lograrlo es a través de la técnica Crispr/Cas9 , que fue adaptada del genoma de defensa inmune que se produce naturalmente en las bacterias. Esta técnica se basa en la proteína Cas9, que permite a los científicos hacer un corte en hebras de ADN en una ubicación específica, y utiliza una secuencia guía de ARN especializada para garantizar que el corte se realice en la ubicación adecuada del genoma. Luego, los científicos utilizan las vías de reparación del ADN para inducir cambios en el genoma; Esta técnica tiene amplias implicaciones para el tratamiento de enfermedades. [41]
La genética molecular tiene amplias implicaciones en el avance médico y la comprensión de las bases moleculares de una enfermedad brinda la oportunidad de realizar diagnósticos y terapias más eficaces. Uno de los objetivos del campo es la medicina personalizada , donde la genética de un individuo puede ayudar a determinar la causa y adaptar la cura para una enfermedad que padece y potencialmente permitir enfoques de tratamiento más individualizados que podrían ser más efectivos. Por ejemplo, ciertas variaciones genéticas en los individuos podrían hacerlos más receptivos a un medicamento en particular, mientras que otros podrían tener un mayor riesgo de sufrir reacciones adversas a los tratamientos. Por lo tanto, esta información permitiría a los investigadores y clínicos tomar decisiones más informadas sobre la eficacia del tratamiento para los pacientes en lugar del enfoque estándar de prueba y error. [42]
La genética forense juega un papel esencial en las investigaciones criminales mediante el uso de diversas técnicas de genética molecular. Una técnica común es la toma de huellas dactilares de ADN, que se realiza mediante una combinación de técnicas genéticas moleculares como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y la electroforesis en gel . La PCR es una técnica que permite amplificar una secuencia de ADN objetivo, lo que significa que incluso una pequeña cantidad de ADN de la escena de un crimen puede extraerse y replicarse muchas veces para proporcionar una cantidad suficiente de material para el análisis. La electroforesis en gel permite separar la secuencia de ADN según el tamaño, y el patrón que se deriva se conoce como huella digital de ADN y es único para cada individuo. Esta combinación de técnicas de genética molecular permite extraer, amplificar, analizar y comparar una secuencia de ADN simple con otras y es una técnica estándar utilizada en medicina forense. [43]
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Medios relacionados con la genética molecular en Wikimedia Commons