La genética directa es un enfoque de genética molecular para determinar la base genética responsable de un fenotipo. La genética directa proporciona un enfoque imparcial porque se basa en gran medida en la identificación de los genes o factores genéticos que causan un fenotipo o rasgo de interés en particular. [1]
Inicialmente, esto se hizo mediante el uso de mutaciones naturales o la inducción de mutantes con radiación, productos químicos o mutagénesis por inserción (por ejemplo, elementos transponibles ). Se produce una reproducción posterior, se aíslan los individuos mutantes y luego se mapea el gen . La genética directa puede considerarse como una contrapartida de la genética inversa , que determina la función de un gen mediante el análisis de los efectos fenotípicos de secuencias de ADN alteradas. [2] Los fenotipos mutantes a menudo se observan mucho antes de tener idea de qué gen es responsable, lo que puede llevar a que los genes reciban el nombre de su fenotipo mutante (por ejemplo, el gen rosy de Drosophila , que lleva el nombre del color de ojos en los mutantes). [3]
La genética directa proporciona a los investigadores la capacidad de identificar cambios genéticos causados por mutaciones que son responsables de fenotipos individuales en organismos. [1] Hay tres pasos principales involucrados en el proceso de genética directa que incluyen: realizar mutaciones aleatorias, seleccionar el fenotipo o rasgo de interés e identificar el gen y su función. [4] La genética directa implica el uso de varios procesos de mutagénesis para inducir mutaciones en el ADN al azar, que pueden incluir:
La mutagénesis química es una herramienta sencilla que se utiliza para generar un amplio espectro de alelos mutantes. Productos químicos como el metanosulfonato de etilo (EMS) causan mutaciones puntuales aleatorias , particularmente en las transiciones de G/C a A/T debido a la alquilación de guanina. [3] Estas mutaciones puntuales suelen ser alelos nulos o de pérdida de función porque generan codones de parada en la secuencia de ADN. [5] Estos tipos de mutágenos pueden ser útiles porque se aplican fácilmente a cualquier organismo, pero tradicionalmente eran muy difíciles de mapear , aunque la llegada de la secuenciación de próxima generación ha hecho que este proceso sea considerablemente más fácil.
Otro químico como ENU, también conocido como N-etil-N-nitrosourea, funciona de manera similar al EMS. ENU también induce mutaciones puntuales aleatorias en las que todos los codones son igualmente propensos a cambiar. Estas mutaciones puntuales modifican la función genética al inducir diferentes alelos, incluidas mutaciones de ganancia o pérdida de función en regiones codificantes o no codificantes de proteínas del genoma. [6]
También se pueden utilizar otros métodos, como el uso de radiación para provocar grandes deleciones y reordenamientos cromosómicos, para generar mutantes. [3] La radiación ionizante se puede utilizar para inducir mutaciones en todo el genoma, así como duplicaciones, inversiones y translocaciones cromosómicas.
De manera similar, la luz ultravioleta de onda corta funciona de la misma manera que la radiación ionizante, que también puede inducir mutaciones que generan reordenamientos cromosómicos. Cuando el ADN absorbe la luz ultravioleta de onda corta, pueden ocurrir mutaciones dimerizantes y oxidativas que pueden causar daños graves a la secuencia de ADN de un organismo.
Las mutaciones también pueden generarse mediante mutagénesis por inserción . Muy a menudo, la mutagénesis por inserción implica el uso de transposones, que introducen cambios dramáticos en el genoma de un organismo. Los movimientos de transposones pueden crear mutaciones aleatorias en la secuencia del ADN al cambiar su posición dentro de un genoma, modificando así la función genética y alterando la información genética del organismo. Por ejemplo, los elementos transponibles que contienen un marcador se movilizan aleatoriamente en el genoma. Estos transposones a menudo se modifican para transponerse sólo una vez y, una vez insertados en el genoma, se puede utilizar un marcador seleccionable para identificar a los individuos mutagenizados. Dado que se insertó un fragmento conocido de ADN, esto puede facilitar mucho el mapeo y la clonación del gen. [3] [7]
Una vez mutagenizado y seleccionado , normalmente se realiza una prueba de complementación para garantizar que los fenotipos mutantes surjan de los mismos genes si las mutaciones son recesivas. [3] [8] Si la progenie después de un cruce entre dos mutantes recesivos tiene un fenotipo de tipo salvaje, entonces se puede inferir que el fenotipo está determinado por más de un gen. Normalmente, se analiza más a fondo el alelo que muestra el fenotipo más fuerte. Luego se puede crear un mapa genético utilizando marcadores genéticos y de ligamiento , y luego se puede clonar y secuenciar el gen de interés. Si se encuentran muchos alelos de los mismos genes, se dice que la pantalla está saturada y es probable que se hayan encontrado todos los genes implicados en la producción del fenotipo. [8]
Las enfermedades y trastornos humanos pueden ser el resultado de mutaciones. [9] Los métodos de genética directa se emplean en el estudio de enfermedades hereditarias para determinar los genes responsables. [10] En el caso de trastornos monogénicos o mendelianos, una mutación sin sentido puede ser significativa; Los polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) se pueden analizar para identificar mutaciones genéticas asociadas con el fenotipo del trastorno. Antes de 1980, muy pocos genes humanos habían sido identificados como loci de enfermedades hasta que los avances en la tecnología del ADN dieron lugar a la clonación posicional y la genética inversa. En las décadas de 1980 y 1990, la clonación posicional consistía en mapeo genético, mapeo físico y discernimiento de la mutación genética. [11] Descubrir loci de enfermedades utilizando antiguas técnicas genéticas avanzadas fue un proceso muy largo y difícil y gran parte del trabajo se centró en mapear y clonar el gen mediante estudios de asociación y recorrido cromosómico. [3] [12] A pesar de ser laboriosa y costosa, la genética directa proporciona una manera de obtener información objetiva sobre la conexión de una mutación con una enfermedad. [13] Otra ventaja de la genética directa es que no requiere conocimiento previo sobre el gen que se está estudiando. [10] Sin embargo , la fibrosis quística demuestra cómo el proceso de genética directa puede dilucidar un trastorno genético humano. Los estudios de ligamiento genético pudieron mapear los loci de la enfermedad en la fibrosis quística en el cromosoma 7 mediante el uso de marcadores proteicos. Posteriormente, se utilizaron técnicas de caminata y salto cromosómico para identificar el gen y secuenciarlo. [14] La genética directa puede funcionar en situaciones de un solo gen y un solo fenotipo, pero en enfermedades más complicadas como el cáncer, a menudo se utiliza la genética inversa. [12] Esto generalmente se debe a que las enfermedades complejas tienden a tener múltiples genes, mutaciones u otros factores que las causan o pueden influir. [9] La genética directa y la genética inversa operan con enfoques opuestos, pero ambas son útiles para la investigación genética. [10] Se pueden combinar para ver si se encuentran resultados similares. [10]
Según el enfoque de la genética clásica , un investigador localizaría (mapearía) el gen en su cromosoma mediante el cruce con individuos que portan otros rasgos inusuales y recopilaría estadísticas sobre la frecuencia con la que los dos rasgos se heredan juntos. Los genetistas clásicos habrían utilizado rasgos fenotípicos para mapear los nuevos alelos mutantes. Con el tiempo, la esperanza es que tales pantallas alcancen una escala lo suficientemente grande como para que la mayoría o todas las mutaciones recién generadas representen un segundo golpe de un locus, saturando esencialmente el genoma con mutaciones. Este tipo de mutagénesis de saturación dentro de los experimentos clásicos se utilizó para definir conjuntos de genes que eran un mínimo indispensable para la aparición de fenotipos específicos. [15] Sin embargo, dichas evaluaciones iniciales estaban incompletas ya que carecían de loci redundantes y efectos epigenéticos, y dichas evaluaciones fueron difíciles de realizar para ciertos fenotipos que carecen de fenotipos directamente mensurables. Además, un enfoque genético clásico lleva mucho más tiempo.
Gregor Mendel experimentó con fenotipos de plantas de guisantes y publicó sus conclusiones sobre los genes y la herencia en 1865. [10] A principios del siglo XX, Thomas Hunt Morgan estaba mutando Drosophila usando radio e intentando encontrar mutaciones hereditarias. [16] Alfred Sturtevant más tarde comenzó a mapear genes de Drosophila con mutaciones que habían estado siguiendo. [17] En la década de 1990 se utilizaron métodos de genética avanzada para comprender mejor los genes de Drosophila importantes para el desarrollo desde embrión hasta mosca adulta. [18] En 1995, el Premio Nobel fue para Christiane Nüsslein, Edward Lewis y Eris Wieschaus por su trabajo en genética del desarrollo. [18] Se cartografió el genoma humano y la secuencia se publicó en 2003 . [19] La capacidad de identificar genes que contribuyen a los trastornos mendelianos ha mejorado desde 1990 como resultado de los avances en genética y tecnología. [9]
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