La genética directa es un enfoque de genética molecular que permite determinar la base genética responsable de un fenotipo. La genética directa ofrece 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]
Esto se hizo inicialmente utilizando mutaciones que ocurrían de forma natural o induciendo mutantes con radiación, productos químicos o mutagénesis insercional (por ejemplo, elementos transponibles ). Se lleva a cabo una cría posterior, se aíslan los individuos mutantes y luego se mapea el gen . La genética directa puede considerarse como un contrapunto de la genética inversa , que determina la función de un gen analizando los efectos fenotípicos de las secuencias de ADN alteradas. [2] Los fenotipos mutantes a menudo se observan mucho antes de tener alguna 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 rosado de Drosophila , que recibe el nombre del color de los 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 de ADN al azar que pueden incluir:
La mutagénesis química es una herramienta sencilla que se utiliza para generar un amplio espectro de alelos mutantes. Los 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 son típicamente alelos de pérdida de función o nulos porque generan codones de terminación 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.
Otra sustancia química, como la ENU, también conocida como N-etil-N-nitrosourea, funciona de manera similar a la EMS. La ENU también induce mutaciones puntuales aleatorias en las que todos los codones tienen la misma probabilidad de cambiar. Estas mutaciones puntuales modifican la función de los genes 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 generen reordenamientos cromosómicos. Cuando el ADN absorbe la luz ultravioleta de onda corta, pueden producirse mutaciones dimerizantes y oxidativas que pueden causar graves daños a la secuencia de ADN de un organismo.
Las mutaciones también pueden generarse mediante mutagénesis insercional . La mayoría de las veces, la mutagénesis insercional implica el uso de transposones, que introducen cambios drásticos en el genoma de un organismo. Los movimientos de transposones pueden crear mutaciones aleatorias en la secuencia de ADN al cambiar su posición dentro de un genoma, modificando así la función del gen y alterando la información genética del organismo. Por ejemplo, los elementos transponibles que contienen un marcador se movilizan al genoma de forma aleatoria. Estos transposones suelen modificarse para transponerse solo 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 hacer que el mapeo y la clonación del gen sean mucho más fáciles. [3] [7]
Una vez mutagenizado y examinado , normalmente se realiza una prueba de complementación para asegurar que los fenotipos mutantes surgen 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, el alelo que exhibe el fenotipo más fuerte se analiza más a fondo. 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 selección está saturada y es probable que se hayan encontrado todos los genes involucrados 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 de un solo gen 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 enfermedad hasta que los avances en la tecnología del ADN dieron lugar a la clonación posicional y la genética inversa. En los años 1980 y 1990, la clonación posicional consistía en el mapeo genético, el mapeo físico y el discernimiento de la mutación genética. [11] Descubrir loci de enfermedad utilizando antiguas técnicas de genética directa era un proceso muy largo y difícil y gran parte del trabajo se destinaba al mapeo y clonación del gen a través de estudios de asociación y recorrido cromosómico. [3] [12] A pesar de ser laboriosa y costosa, la genética directa proporciona una forma de obtener información objetiva sobre la conexión de una mutación con una enfermedad. [13] Otra ventaja de la genética directa es que no requiere conocimientos previos 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 hasta el cromosoma 7 utilizando marcadores proteicos. Después, se utilizaron técnicas de caminata y salto cromosómico para identificar el gen y secuenciarlo. [14] La genética directa puede funcionar para 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 suele deberse a que las enfermedades complejas tienden a tener múltiples genes, mutaciones u otros factores que las causan o pueden influir en ellas. [9] La genética directa y la 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 cribados alcancen una escala lo suficientemente grande como para que la mayoría o todas las mutaciones recién generadas representen un segundo impacto en 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, tales cribados iniciales eran incompletos porque les faltaban loci redundantes y efectos epigenéticos, y tales cribados eran difíciles de realizar para ciertos fenotipos que carecen de fenotipos directamente mensurables. Además, un enfoque de genética clásica lleva mucho más tiempo.
Gregor Mendel experimentó con fenotipos de plantas de guisante y publicó sus conclusiones sobre genes y herencia en 1865. [10] A principios de la década de 1900, 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 significativos para el desarrollo desde el embrión hasta la mosca adulta. [18] En 1995, el Premio Nobel fue otorgado a Christiane Nüsslein, Edward Lewis y Eris Wieschaus por su trabajo en genética del desarrollo. [18] El genoma humano fue mapeado y la secuencia fue publicada en 2003. [19] La capacidad para 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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