Un transgén es un gen que se ha transferido de forma natural, o mediante cualquiera de varias técnicas de ingeniería genética , de un organismo a otro. La introducción de un transgén, en un proceso conocido como transgénesis , tiene el potencial de cambiar el fenotipo de un organismo. Transgén describe un segmento de ADN que contiene una secuencia genética que se ha aislado de un organismo y se introduce en un organismo diferente. Este segmento no nativo de ADN puede conservar la capacidad de producir ARN o proteínas en el organismo transgénico o alterar la función normal del código genético del organismo transgénico. Por lo general, el ADN se incorpora a la línea germinal del organismo . Por ejemplo, en los vertebrados superiores esto se puede lograr inyectando ADN extraño en el núcleo de un óvulo fertilizado . Esta técnica se utiliza habitualmente para introducir genes de enfermedades humanas u otros genes de interés en cepas de ratones de laboratorio para estudiar la función o patología involucrada con ese gen en particular.
La construcción de un transgén requiere el ensamblaje de algunas piezas principales. El transgén debe contener un promotor , que es una secuencia reguladora que determinará dónde y cuándo está activo el transgén, un exón , una secuencia codificante de proteína (normalmente derivada del ADNc de la proteína de interés) y una secuencia de parada. Por lo general, estos se combinan en un plásmido bacteriano y las secuencias codificantes generalmente se eligen entre transgenes con funciones previamente conocidas. [1]
Los organismos transgénicos o modificados genéticamente , ya sean bacterias, virus u hongos, sirven para muchos fines de investigación. Se han criado plantas, insectos, peces y mamíferos (incluidos los humanos) transgénicos . Las plantas transgénicas como el maíz y la soja han reemplazado a las variedades silvestres en la agricultura de algunos países (por ejemplo, Estados Unidos). El escape de transgenes se ha documentado en cultivos transgénicos desde 2001 con persistencia e invasividad. Los organismos transgenéticos plantean cuestiones éticas y pueden causar problemas de bioseguridad .
La idea de moldear un organismo para que se ajuste a una necesidad específica no es una ciencia nueva. Sin embargo, hasta finales del siglo XX, los agricultores y científicos podían cultivar nuevas cepas de una planta u organismo sólo a partir de especies estrechamente relacionadas porque el ADN tenía que ser compatible para que la descendencia pudiera reproducirse. [ cita necesaria ]
En las décadas de 1970 y 1980, los científicos superaron este obstáculo inventando procedimientos para combinar el ADN de dos especies muy diferentes mediante ingeniería genética . Los organismos producidos mediante estos procedimientos se denominaron transgénicos. La transgénesis es lo mismo que la terapia génica en el sentido de que ambas transforman células para un propósito específico. Sin embargo, sus propósitos son completamente diferentes, ya que la terapia génica tiene como objetivo curar un defecto en las células, y la transgénesis busca producir un organismo genéticamente modificado incorporando el transgén específico en cada célula y cambiando el genoma . Por lo tanto, la transgénesis cambiará las células germinales, no sólo las células somáticas, para garantizar que los transgenes se transmitan a la descendencia cuando los organismos se reproduzcan. Los transgenes alteran el genoma bloqueando la función de un gen huésped; pueden reemplazar el gen huésped por uno que codifique una proteína diferente o introducir un gen adicional. [2]
El primer organismo transgénico se creó en 1974 cuando Annie Chang y Stanley Cohen expresaron genes de Staphylococcus aureus en Escherichia coli . [3] En 1978, las células de levadura fueron los primeros organismos eucariotas en someterse a transferencia genética. [4] Las células de ratón se transformaron por primera vez en 1979, seguidas de embriones de ratón en 1980. La mayoría de las primeras transmutaciones se realizaron mediante microinyección de ADN directamente en las células. Los científicos pudieron desarrollar otros métodos para realizar las transformaciones, como incorporar transgenes en retrovirus y luego infectar células; mediante electroinfusión, que aprovecha una corriente eléctrica para hacer pasar ADN extraño a través de la pared celular; biolística , que es el procedimiento de disparar balas de ADN al interior de las células; y también entregando ADN al óvulo recién fertilizado. [5]
Los primeros animales transgénicos estaban destinados únicamente a la investigación genética para estudiar la función específica de un gen, y en 2003 se habían estudiado miles de genes.
Se ha diseñado una variedad de plantas transgénicas para que la agricultura produzca cultivos genéticamente modificados , como maíz, soja, aceite de colza, algodón, arroz y más. En 2012 [actualizar], estos cultivos transgénicos se plantaron en 170 millones de hectáreas en todo el mundo. [6]
Un ejemplo de especie de planta transgénica es el arroz dorado . En 1997, [ cita necesaria ] cinco millones de niños desarrollaron xeroftalmía , una afección médica causada por la deficiencia de vitamina A , sólo en el sudeste asiático. [7] De esos niños, un cuarto de millón quedó ciego. [7] Para combatir esto, los científicos utilizaron biolística para insertar el gen de la fitoeno sintasa del narciso en cultivares de arroz autóctonos de Asia . [8] La inserción del narciso aumentó la producción de β-caroteno . [8] El producto era una especie de arroz transgénico rico en vitamina A, llamado arroz dorado . Se sabe poco sobre el impacto del arroz dorado en la xeroftalmía porque las campañas contra los OGM han impedido la liberación comercial total del arroz dorado en los sistemas agrícolas que lo necesitan. [9]
El escape de genes vegetales modificados genéticamente mediante la hibridación con parientes silvestres se discutió y examinó por primera vez en México [10] y Europa a mediados de los años noventa. Hay acuerdo en que el escape de transgenes es inevitable, incluso hay "alguna prueba de que está sucediendo". [6] Hasta 2008 había pocos casos documentados. [6] [11]
El maíz muestreado en 2000 en la Sierra Juárez, Oaxaca , México contenía un promotor 35S transgénico, mientras que una muestra grande tomada por un método diferente de la misma región en 2003 y 2004 no lo contenía. Una muestra de otra región de 2002 tampoco lo hizo, pero las muestras dirigidas tomadas en 2004 sí lo hicieron, lo que sugiere persistencia o reintroducción del transgén. [12] Un estudio de 2009 encontró proteínas recombinantes en el 3,1% y el 1,8% de las muestras, más comúnmente en el sureste de México. La importación de semillas y granos desde Estados Unidos podría explicar la frecuencia y distribución de transgenes en el centro-oeste de México, pero no en el sureste. Además, el 5.0% de los lotes de semillas de maíz en las existencias de maíz mexicano expresaron proteínas recombinantes a pesar de la moratoria sobre los cultivos transgénicos. [13]
En 2011, se encontró algodón transgénico en México entre el algodón silvestre, después de 15 años de cultivo de algodón transgénico. [14]
La colza transgénica Brassicus napus – hibridada con una especie nativa japonesa, Brassica rapa – se encontró en Japón en 2011 [15] después de haber sido identificada en 2006 en Quebec , Canadá. [16] Fueron persistentes durante un período de estudio de seis años, sin presión de selección de herbicidas y a pesar de la hibridación con la forma silvestre. Este fue el primer informe de la introgresión (la incorporación estable de genes de un acervo genético a otro) de un transgén de resistencia a herbicidas de Brassica napus en el acervo genético de forma silvestre. [17]
El bentgrass transgénico rastrero , diseñado para ser tolerante al glifosato como "uno de los primeros cultivos transgénicos perennes, polinizados por el viento y altamente cruzados", se plantó en 2003 como parte de una gran prueba de campo (alrededor de 160 ha) en el centro de Oregon, cerca de Madrás . , Oregón . En 2004, se descubrió que su polen había llegado a poblaciones silvestres de bentgrass a una distancia de hasta 14 kilómetros. Incluso se encontró Agrostis gigantea, polinizador cruzado, a una distancia de 21 kilómetros. [18] El productor, Scotts Company, no pudo eliminar todas las plantas genéticamente modificadas y, en 2007, el Departamento de Agricultura de EE. UU . multó a Scotts con 500.000 dólares por incumplimiento de las regulaciones. [19]
Se ha demostrado que el seguimiento y control a largo plazo de un transgén particular no es factible. [20] La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria publicó una guía para la evaluación de riesgos en 2010. [21]
Los ratones genéticamente modificados son el modelo animal más común para la investigación transgénica. [22] Actualmente se están utilizando ratones transgénicos para estudiar una variedad de enfermedades que incluyen cáncer, obesidad, enfermedades cardíacas, artritis, ansiedad y enfermedad de Parkinson. [23] Los dos tipos más comunes de ratones genéticamente modificados son los ratones knockout y los oncomice . Los ratones knockout son un tipo de modelo de ratón que utiliza la inserción transgénica para alterar la expresión de un gen existente. Para crear ratones knockout, se inserta un transgén con la secuencia deseada en un blastocisto de ratón aislado mediante electroporación . Luego, la recombinación homóloga se produce de forma natural dentro de algunas células, reemplazando el gen de interés con el transgén diseñado. A través de este proceso, los investigadores pudieron demostrar que un transgén puede integrarse en el genoma de un animal, cumplir una función específica dentro de la célula y transmitirse a generaciones futuras. [24]
Los oncomice son otra especie de ratón genéticamente modificado creado mediante la inserción de transgenes que aumentan la vulnerabilidad del animal al cáncer. Los investigadores del cáncer utilizan oncomice para estudiar los perfiles de diferentes cánceres con el fin de aplicar este conocimiento a estudios en humanos. [24]
Se han realizado múltiples estudios sobre la transgénesis en Drosophila melanogaster , la mosca de la fruta. Este organismo ha sido un modelo genético útil durante más de 100 años, debido a su patrón de desarrollo bien comprendido. La transferencia de transgenes al genoma de Drosophila se ha realizado mediante diversas técnicas, incluida la inserción del elemento P , Cre-loxP y ΦC31 . El método más practicado utilizado hasta ahora para insertar transgenes en el genoma de Drosophila utiliza elementos P. Los elementos P transponibles, también conocidos como transposones , son segmentos de ADN bacteriano que se translocan al genoma, sin la presencia de una secuencia complementaria en el genoma del huésped. Los elementos P se administran en pares de dos, que flanquean la región de inserción de ADN de interés. Además, los elementos P a menudo constan de dos componentes plásmidos, uno conocido como transposasa del elemento P y el otro, la estructura principal del transposón P. La porción del plásmido de transposasa impulsa la transposición de la estructura principal del transposón P, que contiene el transgén de interés y, a menudo, un marcador, entre los dos sitios terminales del transposón. El éxito de esta inserción da como resultado la adición irreversible del transgén de interés al genoma. Si bien se ha demostrado que este método es eficaz, los sitios de inserción de los elementos P a menudo son incontrolables, lo que resulta en una inserción aleatoria desfavorable del transgén en el genoma de Drosophila . [25]
Para mejorar la localización y precisión del proceso transgénico se ha introducido una enzima conocida como Cre . Cre ha demostrado ser un elemento clave en un proceso conocido como intercambio de casetes mediado por recombinasa (RMCE). Si bien se ha demostrado que tiene una menor eficiencia de transformación transgénica que las transposasas del elemento P, Cre reduce en gran medida la abundancia de trabajo intensivo [ aclaración necesaria ] para equilibrar las inserciones aleatorias de P. Cre ayuda en la transgénesis dirigida del segmento de interés del gen de ADN, ya que apoya el mapeo de los sitios de inserción del transgén, conocidos como sitios loxP. Estos sitios, a diferencia de los elementos P, pueden insertarse específicamente para flanquear un segmento cromosómico de interés, lo que ayuda en la transgénesis dirigida. La transposasa Cre es importante en la escisión catalítica de los pares de bases presentes en los sitios loxP cuidadosamente ubicados, lo que permite inserciones más específicas del plásmido donante transgénico de interés. [26]
Para superar las limitaciones y los bajos rendimientos que producen los métodos de transformación Cre-loxP y mediados por transposones, recientemente se ha utilizado el bacteriófago ΦC31 . Estudios innovadores recientes implican la microinyección de la integrasa del bacteriófago ΦC31, que muestra una inserción transgénica mejorada de grandes fragmentos de ADN que no pueden ser transpuestos solo por elementos P. Este método implica la recombinación entre un sitio de unión (attP) en el fago y un sitio de unión en el genoma del huésped bacteriano (attB). En comparación con los métodos habituales de inserción de transgenes del elemento P, ΦC31 integra todo el vector transgénico, incluidas secuencias bacterianas y genes de resistencia a antibióticos. Desafortunadamente, se ha descubierto que la presencia de estas inserciones adicionales afecta el nivel y la reproducibilidad de la expresión transgénica.
Una aplicación agrícola es criar selectivamente animales para rasgos particulares: se ha producido ganado transgénico con un fenotipo muscular aumentado sobreexpresando un ARN en forma de horquilla corta con homología con el ARNm de miostatina usando ARN de interferencia. [27] Se están utilizando transgenes para producir leche con altos niveles de proteínas o seda a partir de leche de cabra. Otra aplicación agrícola es la cría selectiva de animales resistentes a enfermedades o animales para la producción biofarmacéutica. [27]
La aplicación de transgenes es un área de la biología molecular en rápido crecimiento . En 2005 se predijo que en las próximas dos décadas se generarían 300.000 líneas de ratones transgénicos. [28] Los investigadores han identificado muchas aplicaciones para los transgenes, particularmente en el campo médico. Los científicos se están centrando en el uso de transgenes para estudiar la función del genoma humano con el fin de comprender mejor las enfermedades, la adaptación de órganos animales para trasplantes en humanos y la producción de productos farmacéuticos como la insulina , la hormona del crecimiento y los factores anticoagulantes de la sangre. de la leche de vacas transgénicas. [ cita necesaria ]
En 2004 se conocían cinco mil enfermedades genéticas , y el potencial para tratar estas enfermedades utilizando animales transgénicos es, quizás, una de las aplicaciones más prometedoras de los transgenes. Existe la posibilidad de utilizar la terapia genética humana para reemplazar un gen mutado con una copia no mutada de un transgén con el fin de tratar el trastorno genético. Esto se puede hacer mediante el uso de Cre-Lox o knockout . Además, se están estudiando los trastornos genéticos mediante el uso de ratones, cerdos, conejos y ratas transgénicos. Se han creado conejos transgénicos para estudiar las arritmias cardíacas hereditarias, ya que el corazón del conejo se parece mucho más al corazón humano que el del ratón. [29] [30] Más recientemente, los científicos también han comenzado a utilizar cabras transgénicas para estudiar los trastornos genéticos relacionados con la fertilidad . [31]
Se pueden utilizar transgenes para xenotrasplantes de órganos de cerdo. Mediante el estudio del rechazo de xenoórganos, se descubrió que se produce un rechazo agudo del órgano trasplantado cuando el órgano entra en contacto con la sangre del receptor debido al reconocimiento de anticuerpos extraños en las células endoteliales del órgano trasplantado. Los científicos han identificado el antígeno en los cerdos que causa esta reacción y, por lo tanto, pueden trasplantar el órgano sin un rechazo inmediato mediante la eliminación del antígeno. Sin embargo, el antígeno comienza a expresarse más tarde y se produce el rechazo. Por lo tanto, se están realizando más investigaciones. [ cita necesaria ] Microorganismos transgénicos capaces de producir proteínas catalíticas o enzimas que aumentan la velocidad de las reacciones industriales.
El uso de transgenes en humanos está actualmente plagado de problemas. La transformación de genes en células humanas aún no se ha perfeccionado. El ejemplo más famoso de esto fue el de ciertos pacientes que desarrollaron leucemia de células T después de haber sido tratados por inmunodeficiencia combinada grave ligada al cromosoma X (X-SCID). [32] Esto se atribuyó a la estrecha proximidad del gen insertado al promotor LMO2 , que controla la transcripción del protooncogén LMO2. [33]