La genética molecular es una rama de la biología que estudia cómo las diferencias en las estructuras o la expresión de las moléculas de ADN se manifiestan como variación entre organismos. La genética molecular a menudo aplica un "enfoque investigativo" para determinar la estructura y/o función de los genes en el genoma de un organismo mediante análisis genéticos . [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 varios procesos vitales. [1]
Un objetivo fundamental de la genética molecular es identificar y estudiar las 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 a 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 de los trabajos combinados de muchos científicos. En 1869, el químico Johann Friedrich Miescher , que estaba investigando la composición de los glóbulos blancos, descubrió y aisló una nueva molécula que llamó nucleína del núcleo celular, que en última instancia sería el primer descubrimiento de la molécula ADN que más tarde se determinó que era la base molecular de la vida. Determinó que estaba compuesta de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. [4] El bioquímico Albrecht Kossel identificó la nucleína como un ácido nucleico y proporcionó su nombre ácido desoxirribonucleico (ADN). Continuó desarrollando eso al aislar los bloques básicos de construcción del ADN y el ARN ; compuestos de los nucleótidos : adenina, guanina, timina, citosina y uracilo. Su trabajo sobre los nucleótidos le valió un Premio Nobel de Fisiología. [5]
A principios de la década de 1900, Gregor Mendel , conocido como uno de los padres de la genética , realizó grandes contribuciones al campo de la genética a través de sus diversos experimentos con plantas de guisante donde pudo descubrir los principios de la herencia como los caracteres 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 lugar por primera vez a 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 esencial para identificar la molécula responsable de la herencia . La genética molecular surgió inicialmente de estudios que involucraban la transformación genética en bacterias . En 1944 Avery, McLeod y McCarthy [8] aislaron ADN de una cepa virulenta de S. pneumoniae , y utilizando solo este ADN pudieron convertir una cepa inofensiva en virulenta. Llamaron a la captación, incorporación y expresión de ADN por parte de las bacterias "transformación". 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 dedujo reglas que ofrecían evidencia de que el ADN era el material genético de la vida. Estas eran "1) que la composición básica 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 de doble hélice tridimensional del ADN. [11]
El grupo de fagos fue una red informal de biólogos centrada en Max Delbrück que contribuyó sustancialmente a la genética molecular y los orígenes de la biología molecular durante el período de aproximadamente 1945 a 1970. [12] El grupo de fagos tomó su nombre de los bacteriófagos , los virus que infectan bacterias que el grupo utilizó como organismos modelo experimentales. Los estudios de los 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 en cómo se ensamblan los virus a partir de componentes de proteínas y ácidos nucleicos (morfogénesis molecular). Además, se dilucidó el papel de los codones de terminación de cadena. Un estudio notable fue realizado por Sydney Brenner y colaboradores utilizando mutantes "ámbar" defectuosos en el gen que codifica la proteína principal de la cabeza del bacteriófago T4. [13] Este estudio demostró la colinealidad del gen con su polipéptido codificado, proporcionando así una fuerte evidencia de 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] Las enzimas de restricción se utilizaron para linealizar el ADN para su separación por electroforesis y el Southern blotting permitió la identificación de segmentos específicos de ADN a través de 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 allanó el camino para la clonación molecular. [18] El desarrollo de técnicas de secuenciación de ADN a fines 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) con la polimerasa Taq, inventada por Mullis en 1985, permitió a los científicos crear millones de copias de una secuencia de ADN específica que podría utilizarse para la transformación o manipularse mediante la separación en gel de agarosa . [20] Una década después, se secuenció el primer genoma completo ( Haemophilus influenzae ), seguido de la secuenciación final 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, a través de la aplicación de técnicas de genética molecular, la genómica se está estudiando en muchos organismos modelo y se están recopilando datos en bases de datos informáticas como NCBI y Ensembl . El análisis informático y la comparación de genes dentro y entre diferentes especies se llama bioinformática y vincula las mutaciones genéticas a escala evolutiva. [23]
El dogma central desempeña un papel clave en el estudio de la genética molecular. El dogma central establece 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 se traduce el ARN en proteínas. La replicación del ADN y la transcripción del ADN al ARNm se producen 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 las moléculas de ADN, llamadas "bases": adenina, citosina, uracilo (en el ARN; timina en el ADN) y guanina, y es redundante, lo que significa que 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 ADN y es responsable de sus características genéticas, su función y su 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 cadena, cada una de las cuales está orientada de forma antiparalela. Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN, cada uno de ellos 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 los nucleótidos. La adenina se une a la timina y la citosina a la guanina. Estas cuatro secuencias de bases forman el código genético de toda la vida biológica y contienen la información para todas las proteínas que el organismo podrá sintetizar. [29]
Su estructura única permite que el ADN almacene y transmita información biológica a través de generaciones 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 hebra es complementaria a su hebra compañera y, por lo tanto, cada una de estas hebras puede actuar como una hebra plantilla para la formación de una nueva hebra complementaria. Es por esto que el proceso de replicación del ADN se conoce como un 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 cribado genético , se generan mutaciones aleatorias con mutágenos (sustancias químicas o radiación) o transposones y se examina a los individuos para 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 utilizando un gen de resistencia a antibióticos o un reportero fluorescente para que los mutantes con el fenotipo deseado se seleccionen de los no mutantes. [31]
Los mutantes que exhiben el fenotipo de interés se aíslan 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 costoso y consumir mucho tiempo. Los 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]
La 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 sin sentido causada por la sustitución de nucleótidos, una adición o eliminación de nucleótidos para inducir una mutación por desplazamiento del marco de lectura , o una adición/eliminación completa de un gen o segmento de gen. La eliminación de un gen en particular crea un gen knockout donde el gen no se expresa y resulta en una pérdida de función (por ejemplo, ratones knockout ). Las mutaciones sin sentido pueden causar la pérdida total de la función o resultar en una pérdida parcial de la función, conocida como knockdown. El knockdown también puede lograrse mediante interferencia de ARN (ARNi). [35] Alternativamente, los genes pueden sustituirse 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 cierto sesgo inherente con respecto a la decisión de vincular un fenotipo a una función particular, es mucho más rápido 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 principios básicos de la genética como herramienta para comprender mejor la base molecular de una enfermedad y los procesos biológicos en los organismos. A continuación se presentan algunas herramientas que utilizan los investigadores en este campo.
Los microsatélites o repeticiones de secuencia única (SSRS) son segmentos cortos de ADN repetitivos compuestos de 6 nucleótidos en una ubicación particular del genoma que se utilizan como marcadores genéticos. Los investigadores pueden analizar estos microsatélites en técnicas como la identificación de ADN y las pruebas de paternidad, ya que estas repeticiones son altamente exclusivas de individuos/familias. También se pueden utilizar para construir mapas genéticos y para estudiar el vínculo genético para localizar el gen o la mutación responsable de un rasgo o enfermedad específicos. 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, por sus siglas en inglés) son una técnica que se basa en polimorfismos de un solo nucleótido ( SNP , por sus siglas en inglés) para estudiar las variaciones genéticas en poblaciones que pueden estar asociadas con una enfermedad en particular. El Proyecto Genoma Humano mapeó todo el genoma humano y ha hecho que este enfoque esté más disponible y sea más rentable para que los investigadores lo implementen. 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 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 examinarlo 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 esa causa de la enfermedad. [38]
El cariotipo permite a los investigadores analizar los cromosomas durante la metafase de la mitosis, cuando se encuentran en 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 género en 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 genéticamente modificados y mejorados para fines industriales, agrícolas y médicos. Esto se puede hacer mediante técnicas de edición genómica, que pueden implicar la modificación de pares de bases en una secuencia de ADN o la adición y eliminación de ciertas regiones de ADN. [40]
La edición genética permite a los científicos alterar o editar el ADN de un organismo. Una forma de lograrlo es mediante la técnica Crispr/Cas9 , que fue adaptada de la defensa inmunitaria del genoma que se produce de forma natural en las bacterias. Esta técnica se basa en la proteína Cas9, que permite a los científicos realizar un corte en las 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 en el 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 la base molecular de una enfermedad permite la oportunidad de diagnósticos y terapias más eficaces. Uno de los objetivos de este 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 individuos podrían hacerlos más receptivos a un medicamento en particular mientras que otros podrían tener un mayor riesgo de reacción adversa a los tratamientos. Por lo tanto, esta información permitiría a los investigadores y médicos tomar las decisiones más informadas sobre la eficacia del tratamiento para los pacientes en lugar del enfoque estándar de prueba y error. [42]
La genética forense desempeña un papel esencial en las investigaciones criminales mediante el uso de diversas técnicas de genética molecular. Una técnica común es la huella de ADN, que se realiza mediante una combinación de técnicas de genética molecular 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 una escena del crimen se puede extraer y replicar muchas veces para proporcionar una cantidad suficiente de material para el análisis. La electroforesis en gel permite separar la secuencia de ADN en función del tamaño, y el patrón que se deriva se conoce como huella 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 la ciencia forense. [43]
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