En su sentido moderno, la Genética molecular intenta explicar los fenómenos de la vida a partir de las propiedades macromoleculares que los generan. Dos categorías de macromoléculas en particular son el foco del biólogo molecular: ácidos nucleicos, entre los cuales el más famoso es el ácido desoxirribonucleico (o ADN), el constituyente de los genes, y las proteínas, que son los agentes activos de los organismos vivos .
Una definición del alcance de la biología molecular, por lo tanto, es caracterizar la estructura, la función y las relaciones entre estos dos tipos de macromoléculas. Esta definición relativamente limitada será suficiente para permitirnos establecer una fecha para la llamada «revolución molecular», o al menos establecer una cronología de sus desarrollos más fundamentales.
Historia de la genética molecular
En sus primeras manifestaciones, la biología molecular (el nombre fue acuñado por Warren Weaver, de la Fundación Rockefeller en 1938, fue una idea de las explicaciones físicas y químicas de la vida, en lugar de una disciplina coherente). Tras el advenimiento de la teoría hereditaria de los cromosomas mendelianos en la década de 1910 y la maduración de la teoría atómica y la mecánica cuántica en la década de 1920, tales explicaciones parecían estar al alcance. (ver ecología)
Weaver y otros alentaron (y financiaron) la investigación en la intersección de la biología, la química y la física, mientras que físicos prominentes como Niels Bohr y Erwin Schrödinger centraron su atención en la especulación biológica. Sin embargo, en las décadas de 1930 y 1940 no estaba claro de ninguna manera qué investigación, si acaso alguna, interdisciplinaria daría sus frutos; el trabajo en química coloidal, biofísica y biología de la radiación, cristalografía y otros campos emergentes parecían prometedores.
En 1940, George Beadle y Edward Tatum demostraron la existencia de una relación precisa entre genes y proteínas. En el curso de sus experimentos conectando la genética con la bioquímica, pasaron del pilar genético Drosophila a un organismo modelo más apropiado, el hongo Neurospora; la construcción y explotación de nuevos organismos modelo se convertiría en un tema recurrente en el desarrollo de la biología molecular.
En 1944, Oswald Avery, que trabajaba en el Instituto Rockefeller de Nueva York, demostró que los genes están formados por ADN (véase el experimento Avery-MacLeod-McCarty). En 1952, Alfred Hershey y Martha Chase confirmaron que el material genético del bacteriófago, el virus que infecta a las bacterias, está hecho de ADN [4] (ver el experimento de Hershey-Chase). (ver grado en estudios ingleses )
En 1953, James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura de doble hélice de la molécula de ADN. En 1961, François Jacob y Jacques Monod demostraron que los productos de ciertos genes regulaban la expresión de otros genes actuando en sitios específicos al borde de esos genes. .
También plantearon la hipótesis de la existencia de un intermediario entre el ADN y sus productos proteínicos, al que denominaron ARN mensajero. Entre 1961 y 1965, se determinó la relación entre la información contenida en el ADN y la estructura de las proteínas: hay un código, el código genético , que crea una correspondencia entre la sucesión de nucleótidos en la secuencia de ADN y una serie de aminoácidos en proteínas.
Los principales descubrimientos de la biología molecular tuvieron lugar en un período de sólo veinticinco años. Se necesitaron otros quince años antes de que tecnologías nuevas y más sofisticadas, unidas hoy bajo el nombre de ingeniería genética, permitieran el aislamiento y la caracterización de genes, en particular los de organismos altamente complejos (ver bacteriologo)
¿Qué es genética molecular?
La genética es básicamente un estudio de la herencia, en particular los mecanismos de transmisión hereditaria y la variación de las características heredadas entre organismos similares o relacionados.
Algunas de las ramas de la genética incluyen la genética del comportamiento, la genética clásica, la citogenética, la genética molecular, la genética del desarrollo y la genética de poblaciones. (ver grado en lengua y literatura española )
La genética molecular, en particular, es un estudio de la herencia y la variación a nivel molecular. Se centra en el flujo y la regulación de la información genética entre el ADN, el ARN y las proteínas. Sus subcampos son genómicos (es decir, el estudio de todas las secuencias de nucleótidos, incluidos genes estructurales, secuencias reguladoras y segmentos de ADN no codificantes en los cromosomas de un organismo) y proteómica (es decir, el estudio de proteínas a partir de la replicación del ADN). (ver letras hispánicas)
Las diferentes técnicas empleadas en genética molecular incluyen amplificación, reacción en cadena de la polimerasa, clonación de ADN, aislamiento de ADN, aislamiento de ARNm, etc. La genética molecular es esencial para comprender y tratar los trastornos genéticos.
Es considerado como el campo de genética más avanzado. El Proyecto del Genoma Humano fue un gran esfuerzo de investigación científica en genética molecular. Comenzó en los años 90 y finalizó en 2003 con la intención de identificar los genes y las secuencias de pares de bases químicas en el ADN humano. ( ver grado en teologia)
Genética molecular humana
es una publicación científica quincenal revisada por pares, publicada por The Oxford University Press. El enfoque de la revista es trabajos de investigación sobre todos los temas relacionados con la genética molecular humana. Además, cada año se publican dos números de «revisión especial».
Hay tres profesores que comparten el título de Editor Ejecutivo para esta revista: el profesor Kay Davies de la Universidad de Oxford, el profesor Anthony Wynshaw-Boris de la Universidad de California, San Francisco, y el profesor Joel Hirschhorn de la Facultad de Medicina de Harvard. (ver biologia marina)
Ejemplos de genética molecular
Anemia falciforme: La anemia falciforme es un trastorno autosómico recesivo que afecta a uno de cada 400 niños afroamericanos en los Estados Unidos. El defecto es el resultado de una única sustitución de nucleótidos (A a T) en el sexto codón (GAG a GTG) del gen de la β-globina.
Esta mutación conduce a la sustitución de aminoácido de valina por glutamina en la posición 6 del polipéptido de β-globina. Anteriormente, el diagnóstico de la anemia drepanocítica se basaba en la detección del tipo anormal de hemoglobina en la sangre fetal. Sin embargo, el muestreo de sangre fetal se ha vuelto casi obsoleto, ya que se ha desarrollado un diagnóstico basado en el ADN. (ver educacion primaria)
La mutación que causa anemia drepanocítica reside coincidentemente en los sitios de reconocimiento de las enzimas de restricción Mst II, CvnI y Bsu II. Los individuos con la mutación drepanocítica carecen del sitio de restricción presente en individuos con genes normales de β-globina.
En la Figura 4 se ilustra un procedimiento para diagnosticar fetos afectados con anemia de células falciformes mediante análisis de RFLP. Recientemente, se ha logrado un diagnóstico más rápido de la anemia drepanocítica mediante PCR.6 Con este método, se amplifica una región de 725 pb que incluye la mutación drepanocítica .
El ADN amplificado se digiere con Bsu II, y luego el producto digerido se separa por electroforesis. El gel se tiñe con bromuro de etidio y los patrones de bandas se pueden visualizar directamente bajo luz ultravioleta (figura 5). Este procedimiento es mucho más rápido y más eficiente porque elimina la necesidad de realizar transferencias Southern, hibridación con sonda marcada y autorradiografía.
Este método de diagnóstico directo y directo se puede aplicar a cualquier enfermedad en la que la mutación que causa la enfermedad elimine o cree un sitio de restricción.
Fibrosis quística
La fibrosis quística (FQ) es el trastorno genético autosómico recesivo más frecuente en la población del norte de Europa. Aproximadamente uno de cada 25 caucásicos son portadores (es decir, heterocigotos) del gen, y un niño de cada 2500 nacimientos se ve afectado por la FQ. (ver etologo)
Las personas afectadas rara vez viven más allá de los treinta años y sufren trastornos pulmonares y digestivos debilitantes a lo largo de sus vidas. Al demostrar la vinculación entre la FQ y los RFLP en el cromosoma 7, el gen de la CF se asignó a este cromosoma en 1985,7, 8, 9, 10, pero solo recientemente se identificó y secuenció el gen de la FQ.11, 12, 13 Una base de tres.
La deleción de pares, que da como resultado la pérdida de un residuo de fenilalanina en la posición 508 (llamada delta F508), se encontró en el 75% de los cromosomas de CF estudiados por Kerem y asociados. El resto de los cromosomas CF cada uno lleva una de muchas (más de 100) mutaciones menos comunes.
La detección directa de la mutación delta F508 no requiere el estudio de un pariente vivo afectado con FQ y podría utilizarse para detectar el estado de portador de CF en la población general.13 Debido a que solo aproximadamente el 75% de los portadores de FC tienen la mutación delta F508, 25 % de los portadores pasarían desapercibidos si seleccionamos esta mutación solamente. (ver entomologo)
Como resultado, el 25% de los portadores verdaderos (o aproximadamente el 1% de las personas evaluadas) tendrán una prueba negativa, pero en realidad serán portadores de FQ.
Para complicar aún más las cosas, la frecuencia de la mutación delta F508 es más baja en grupos étnicos y raciales que no sean las poblaciones caucásicas del norte de Europa, no Ashkenazi. En estos grupos (como los afroamericanos, los judíos asquenazíes, los europeos del sur y del este), la frecuencia varía del 30% al 60%.
Debido a estas limitaciones, actualmente solo se recomiendan las pruebas de detección de mutaciones de FQ para familiares de personas con FQ y para cónyuges de portadores de FQ conocidos. No se recomienda la detección del estado de la portadora de la FC en la población general hasta que se puedan analizar mutaciones adicionales, reduciendo así la tasa de falsos positivos y aumentando la sensibilidad de la pantalla14, 15.
Se prevé que estos problemas se superarán en el futuro. futuro cercano, y la detección de portadores de FQ estará disponible en los centros genéticos.
Las pruebas directas para delta F508 u otras mutaciones conocidas son útiles en muchas familias con un niño con FQ. Debido a que no todos los portadores de FQ tienen mutaciones que puedan ser detectadas, sin embargo, el análisis de ligamiento utilizando RFLPs todavía se requiere en algunas familias.
Un método para detectar la mutación delta F508 utiliza PCR, transferencia puntual del producto amplificado e hibridación con sondas oligonucleotídicas específicas de secuencia (SSO) (Fig. 6) .16 Este método determina rápidamente si un individuo lleva cero, uno o dos copias de esta mutación.
Hiperplasia suprarrenal congénita (CAH)
La hiperplasia suprarrenal congénita (HSC) es un trastorno autosómico recesivo de la biosíntesis de cortisol, que se produce en el 95% de los casos por una deficiencia en la enzima esteroide 21-hidroxilasa.19 Esta enzima es necesaria para la conversión de progesterona y 17-hidroxiprogesterona en 11 -desoxicorticosterona y 11-deoxicorticosterol, que son productos intermedios en la biosíntesis de mineralocorticoides y glucocorticoides, respectivamente.
Debido a la falta de retroalimentación en la supresión de CAH de esta vía, hay un aumento compensatorio en la ACTH, que conduce a una hiperplasia suprarrenal y secreción excesiva de esteroides precursores. El aumento de la secreción de andrógenos suprarrenales (como DHEA y DHEAS) conduce a una mayor conversión de estos productos en testosterona y dihidrotestosterona.
CAH se presenta en una serie de formas, que van desde leve a grave. Las formas más leves a menudo se presentan durante la infancia. Formas más atenuadas presentes en la pubertad (o incluso después de la pubertad), con irregularidades menstruales e infertilidad.
La forma severa se caracteriza por virilización temprana en el útero, lo que lleva a una marcada masculinización de los genitales externos. Las mujeres afectadas pueden, de hecho, confundirse con los varones al nacer, con criptorquidia bilateral e hipospadias.
El diagnóstico puede no ser tan obvio en los hombres porque los genitales externos son normales. El desgaste no reconocido de la sal en los recién nacidos con CAH a menudo es fatal porque la insuficiencia de los glucocorticoides puede provocar colapso vascular, shock y muerte. La forma grave de CAH ocurre con una frecuencia de uno en cinco a 10,000 nacimientos, y las formas más leves (o atenuadas) ocurren con una frecuencia de aproximadamente uno en 1000 nacimientos20.
El proceso de virilización en el útero comienza temprano en el embarazo porque el reborde genital se forma a las 9 a 10 semanas de gestación. Afortunadamente, el proceso de virilización de los fetos femeninos en el útero puede ser inhibido por el tratamiento de la madre durante el embarazo con dexametasona, eliminando así la necesidad de cirugía correctiva extensa después del nacimiento.
Sin embargo, debido a que el tratamiento con esteroides de la madre no es totalmente benigno, se debe interrumpir el tratamiento si se determina que el feto es homocigótico o heterocigótico para los genes normales de la 21-hidroxilasa, o si el feto es masculino.
Por lo tanto, el diagnóstico precoz y correcto de esta enfermedad genética es de gran importancia. Sin embargo, la detección prenatal de CAH mediante pruebas bioquímicas para aumentar las concentraciones de líquido amniótico 17-hidroxiprogesterona a menudo no son concluyentes y, por lo general, solo son factibles después de 13 a 14 semanas de gestación.
El gen que codifica la enzima 21-hidroxilasa se ha mapeado en el brazo corto del cromosoma 6, ubicado entre los genes que codifican HLA-B y HLA-DR.21, 22, 23.
Se han desarrollado sondas genéticas para el gen 21-hidroxilasa y moléculas estudios genéticos de esta región han demostrado que dos copias del gen 21-hidroxilasa (llamadas A y B) están presentes en esta región.23, 24 Estos dos genes pueden diferenciarse hibridizando las sondas génicas de la 21-hidroxilasa al ADN digerido con TaqI: Se detecta un gen en un fragmento de 3,2 kb, mientras que el gen B reside en un fragmento de 3,7 kb. El análisis de secuencia detallado de los dos genes ha revelado que son> 90% homólogos.
Tres mutaciones deletéreas en el gen A lo vuelven no funcional, mientras que el gen B es un gen funcional que codifica la enzima.25 26 Análisis de transferencias Southern de ADN genómico de pacientes con pérdida de sal CAH ha revelado que, en aproximadamente el 25% de los pacientes , el gen de la 21-hidroxilasa B se elimina o se convierte en el gen A.27 En estas familias, se puede hacer un diagnóstico directo determinando la presencia o ausencia del fragmento de 3,7 kb.
En la mayoría de los casos, sin embargo, los pacientes con CAH tienen el fragmento TaqI de 3,7 kb (gen B). En estas familias, el diagnóstico prenatal de CAH depende del método indirecto, aunque se conocen los defectos bioquímicos de este trastorno. Los RFLP detectados por sondas para los loci HLA-B o HLA-DRβ han demostrado ser particularmente útiles para estudios de ligamiento en familias de CAH.
Genética molecular aplicada
La palabra AMGen es un acrónimo del nombre original de la compañía,genética molecular aplicada, que se convirtió en el nombre oficial de la compañía en 1983 . El primer director ejecutivo de la compañía, desde 1980, fue cofundador George B. Rathmann, seguido por Gordon M. Binder en 1988, seguido por Kevin W. Sharer en 2000. Robert A. Bradway se convirtió en presidente y director ejecutivo de Amgen en mayo 2012 después de la jubilación de Sharer.
Técnicas de genética molecular
Amplificación La amplificación génica es un procedimiento en el que cierto gen o secuencia de ADN se replica muchas veces en un proceso llamado replicación del ADN.
Reacción en cadena de la polimerasa
Los principales componentes genéticos de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) son los nucleótidos de ADN, el ADN molde, los cebadores y la polimerasa Taq. Los nucleótidos de ADN constituyen la cadena del molde de ADN para la secuencia específica que se amplifica y los cebadores son cadenas cortas de nucleótidos complementarios donde comienza la replicación del ADN. La Taq polimerasa es una enzima termoestable que inicia la producción de nuevo ADN a las altas temperaturas necesarias para la reacción.
Clonación de ADN en bacterias
La clonación es el proceso de crear muchas copias idénticas de una secuencia de ADN. La secuencia de ADN diana se inserta en un vector de clonación. Debido a que este vector proviene de un virus, plásmido o célula del organismo superior autorreplicante, cuando se inserta el tamaño apropiado de ADN, los «fragmentos de ADN del objetivo y del vector se ligan» para crear una molécula de ADN recombinante.
Culturas celulares
Un cultivo celular para genética molecular es una cultura que se cultiva en condiciones artificiales. Algunos tipos de células crecen bien en cultivos como las células de la piel, pero otras células no son tan productivas en las culturas.
Existen diferentes técnicas para cada tipo de célula, y sólo recientemente se ha descubierto que fomentan el crecimiento en células madre y nerviosas. Las culturas para la genética molecular se congelan con el fin de preservar todas las copias de la muestra genética y se descongelan solo cuando es necesario. Esto permite un suministro constante de células.
Aislamiento de ADN
El aislamiento de ADN extrae el ADN de una célula en forma pura. Primero, el ADN se separa de los componentes celulares como las proteínas, el ARN y los lípidos. Esto se hace colocando las células elegidas en un tubo con una solución que mecánicamente, químicamente, rompe las células abiertas.
Esta solución contiene enzimas, productos químicos y sales que descomponen las células a excepción del ADN. Contiene enzimas para disolver proteínas, productos químicos para destruir todo el ARN presente y sales para ayudar a extraer el ADN de la solución.
Genética molecular clínica
Los genetistas moleculares clínicos son empleados por los centros regionales de NHS para la genética y se basan en grandes hospitales o laboratorios especializados.
La función principal es identificar defectos genéticos, anomalías y trastornos, que incluyen enfermedades congénitas y mutaciones adquiridas, como las observadas en tumores malignos.
Las actividades de prueba e identificación se llevan a cabo para enfermedades como el Alzheimer, la fibrosis quística, los cánceres de ovario y de mama, la atrofia muscular, la enfermedad de Huntington, las neuropatías hereditarias y otras anomalías raras. Las pruebas generalmente se realizan en tres fases principales: prueba de portador, confirmación de diagnóstico y diagnóstico prenatal.
Genética molecular y biotecnología
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Genética molecular bacteriana
El enfoque se centra en las bacterias más estudiadas, Escherichia coli y Bacillus subtilis. Además, los ejemplos de otras bacterias importantes desde el punto de vista médico, ecológico o biotecnológico están cubiertos en todo el texto. El texto revisado refleja desarrollos interesantes en el campo de la genética molecular bacteriana y su relación con otros campos, incluidos la genética, la biotecnología y la bioingeniería.
Antropología genética molecular
La antropología molecular es un campo de la antropología en el que el análisis molecular se utiliza para determinar los vínculos evolutivos entre las poblaciones humanas antiguas y modernas, así como entre las especies contemporáneas. Generalmente, las comparaciones se hacen entre secuencias, secuencias de ADN o de proteínas; sin embargo, los primeros estudios usaron serología comparativa.
Al examinar las secuencias de ADN en diferentes poblaciones, los científicos pueden determinar la cercanía de las relaciones entre las poblaciones (o dentro de las poblaciones). Ciertas similitudes en la composición genética permiten a los antropólogos moleculares determinar si los diferentes grupos de personas pertenecen o no al mismo haplogrupo, y por lo tanto si comparten un origen geográfico común.
Esto es significativo porque permite a los antropólogos rastrear los patrones de migración y asentamiento, lo que brinda información útil sobre cómo las poblaciones contemporáneas se han formado y progresado a lo largo del tiempo.
Genética molecular e ingeniería genética
Los avances fundamentales en biología durante los últimos 12 años han llevado a los científicos a comprender la herencia a nivel molecular. Dos técnicas técnicamente sencillas y básicas, la clonación molecular y la secuenciación del ADN, son métodos valiosos y precisos en sí mismos que pueden utilizarse para aprender sobre la estructura y la función de los genes.
Estas dos técnicas demuestran un efecto sinérgico abrumador: la clonación ha hecho posible el aislamiento de segmentos de ADN puro, y la secuenciación de las bases de nucleótidos que comprenden una molécula de ADN ha hecho posible el análisis y la caracterización de esos segmentos aislados.
Por lo tanto, los científicos ahora pueden diseccionar rutinariamente el conjunto de genes que posee un organismo particular y definir la ubicación, el arreglo y la estructura. A partir de este punto, se puede emplear cualquier cantidad de manipulaciones creativas para aprender más sobre la transferencia de genes deseables y la mejora de los rasgos, incluidos los de los animales comestibles y las plantas de cultivo.
En combinación con las técnicas convencionales de mejoramiento vegetal y animal y el conocimiento proporcionado a través de colaboraciones de genetistas, bioquímicos, inmunólogos, biólogos moleculares, patólogos y virólogos, las dos técnicas crean una base sólida para la investigación básica y para la aplicación en el tratamiento y en el diagnóstico de enfermedad tanto hereditaria como patógena.
