GENÉTICA MOLECULAR Y SUS APLICACIONES. DIMENSIÓN ÉTICA

TEMA 64. GENÉTICA MOLECULAR Y SUS APLICACIONES. DIMENSIÓN ÉTICA.

1. INTRODUCCIÓN

Es evidente que el estudio de los ácidos nucleicos constituye una de las vías de investigación más importantes de la biología ya que de ellos depende la vida. Nosotros intentaremos hacer en este tema un resumen de los hitos fundamentales en este campo de investigación renunciando a profundizar en cuestiones como la estructura de los ácidos nucleicos o los procesos de replicación, transcripción o la traducción por considerar que su estudio corresponde a los Temas 24 y 25.

En el primer apartado, hablaremos brevemente del nacimiento de la genética molecular y de los descubrimientos que han marcado su desarrollo hasta nuestros días, continuaremos hablando de cómo se regula la expresión del mensaje genético y terminaremos repasando los tIpos de ADN existentes.

En el segundo apartado, hablaremos de la ingeniería genética, de sus aplicaciones y de las principales herramientas que esta utiliza.

Terminaremos el tema mencionando las implicaciones éticas y morales de estas doctrinas.

1. LA GENÉTICA MOLECULAR

2.1 NACIMIENTO DE LA GENÉTICA MOLECULAR.

Los primeros estudios realizados acerca del ADN se deben a  Meischer (1869), que lo aisló y acuñó el nombre de nucleina. Posteriormente, el descubrimiento de que la molécula portadora de la información genética era era el ADN y no las proteínas se debe a los experimentos de Griffith (1928) con ratones y la una cepa patógena de Streptococcus pneumoniae”.

Años después, la estructura del ADN propuesta por Watson y Crick en 1953 sugería un modelo de replicación en el que una cadena servía como molde para la síntesis de la cadena complementaria (“replicación semiconservativa”); diversas pruebas apoyaron la validez de este modelo tanto para el cromosoma bacteriano (Meselson y Stahl, 1958) como para el ADN eucariota (Herbert Taylor, 1963) y en el mismo año Cairns visualizó el proceso en Escherichia coli con técnicas autorradiográficas descubriendo la existencia de un origen de replicación.

En 1955, Severo Ochoa y Grumberg-Manago aislaron el enzima polinucleótido fosforilasa capaz de sintetizar cadenas de ARNm “in vitro”. El mecanismo por el cual se sintetizaba una hebra de ARN a partir de una de ADN fue estudiado por Arthur Kornberg (discípulo de Ochoa) en 1956 que aisló la ADN polimerasa y sintetizó ADN in vitro a partir de los correspondientes desoxirribonucleótidos, Mg2+ y un ADN cebador.

A mitad de los años 60, Nirenberg y Khorana terminaron de descifrar el código genético y confirmaron que la colinealidad de establecía entre tripletes de nucleótidos y aminoácidos.

Los primeros trabajos en replicación bacteriana (Cairns, 1963) postulaban una replicación bidireccional del ADN con una ADN polimerasa capaz de fabricar en sentido 5’-->3’’, por lo que la hebra 3’-->5’ no suponía ningún problema a la hora de ser replicada pero la hebra complementaria suponía un problema’. Sin embargo, en 1968 Tsuneko Okazaki descubrió unos fragmentos que presentaban crecimiento discontinuo y daba la impresión de que crecían en sentido 3’-->5’.

2.2 CONCEPTOS BÁSICOS

2.2.1 GENÉTICA MOLECULAR Y GENES

Según la genética mendeliana, un gen es una unidad de información hereditaria que se expresa determinando una característica observable o fenotipo. Posteriormente este concepto se ha matizado y un gen se define como “un fragmento de ADN que contiene toda la información necesaria para la síntesis de un polipéptido” siendo la unidad física y funcional de la herencia. Cada gen tiene una localización específica en un determinado cromosoma y el conjunto de todos los genes constituye el genoma de un ser vivo.

La genética molecular se ocupa de estudiar la naturaleza de los genes y la forma en que se expresan.

En los años 40, Beadle y Tatum fueron los primeros en establecer la existencia de una relación directa entre el ADN y la secuencia de aminoácidos de una enzima y propusieron la hipótesis: “un gen, una enzima”: Para ello, trabajaron con el hongo Neurospora crassa, al que sometieron a elevadas dosis de rayos X para aumentar la tasa de mutación y observaron la pérdida de actividad de ciertas enzimas.

El siguiente paso fue averiguar la razón de esta pérdida de actividad, la respuesta la dió Linus pauling que descubrió que la anemia falciforme se debía a un cambio en la estructura de la hemoglobina sanguínea, concretamente un ácido glutámico es sustituido por una valina haciendo que la anemia no realice correctamente su función.

2.2.2 EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

El dogma central de la biología molecular enunciado por Crick en 1970 establece que el flujo de la información genética se establece de acuerdo a la Figura 1.

Todo este trasvase de información se produce gracias a la naturaleza química de los ácidos nucleicos. Debido a la complementariedad de las bases nitrogenadas, el ADN se puede replicar y transcribir a ARNm que se va a traducir por medio de los ARNt y ARNr; también gracias a la complementariedad de las bases.

Actualmente, esta forma de expresar el flujo de la información genética ha sido modificado debido a los mecanismos de replicación que presentan varios virus:

• Algunos almacenan su información genética en forma de ARN y poseen una enzima: ARN replicasa capaz de fabricar copias de ARN.
• Los retrovirus almacenan información en forma de ARN y emplean una enzima: la transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de ARN mediante un proceso conocido como retrotranscripción o transcripción inversa.

2.3 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO

Como hemos estudiado en el Tema 24, la expresión genética no ocurre de forma continua sino que depende de las necesidades celulares y además, en los seres pluricelulares los genes que se expresan varían según el tipo celular. De ello deducimos que es imprescindible la existencia de de un control de la expresión de los genes y cómo vamos a ver este se realiza fundamentalmente sobre la transcripción.

2.3.1 REGULACIÓN EN PROCARIOTAS

A principios de los 60, Jacob y Monod propusieron un modelo para explicar la regulación de la transcripción en cepas mutantes de E. coli al que denominaron “OPERON”. De acuerdo con este modelo existen proteínas reguladoras que controlan la transcripción de los genes de codifica las enzimas de una ruta determinada. Existen cuatro tipos de genes:

• Estructurales. información para la síntesis de enzimas.
• Promotor: secuencia donde se une la polimerasa para iniciar la transcripción
• Operador. Lugar de ADN dónde puede unirse la proteína reguladora impidiendo la transcripción de un gen estructural.
• Regulador. Codifica la proteína reguladora.

Según se trate de una ruta anabólica o catabólica se diferencian dos sistemas de regulación:

• Inducible (Ruta catabólica). La proteína reguladora es un represor que al unirse al operador impide la transcripción. Cuando aparece el sustrato inicial de la ruta este se une al represor impidiendo  su unión al operador y se produce la transcripción del gen que codifica la enzima (Figura 2).

• Represible. (Ruta anabólica). El represor es inactivo y sólo se une al promotor si se une el sustrato que normalmente es el producto final de una ruta anabólica.

2.3.2 REGULACIÓN EN EUCARIOTAS

La expresión génica en eucariotas es mucho más compleja, implica muchos pasos y casi todos pueden regularse. Diferentes genes se regulan en diferentes puntos y es frecuente que un mismo gen sea regulado en múltiples pasos. Entre los mecanismos regulatorios más frecuentes tenemos:

• Accesibilidad de la cromatina. La estructura de la cromatina (ADN y sus proteínas de organización) puede regularse. La cromatina más abierta o “relajada” hace a un gen más disponible para la transcripción.
• Transcripción. La transcripción es un punto regulador clave para muchos genes. Los factores de transcripción se fijan a secuencias específicas del ADN de un gen y promueven o reprimen su transcripción.
• Procesamiento del ARN. El de maduración del ARN pueden regularse, así como su salida del núcleo.

1. LA INGENIERÍA GENÉTICA

3.1 CONCEPTO Y ANTECEDENTES HISTÓRICOS

La ingeniería genética es la ciencia que se ocupa de la manipulación del genemoa de los seres vivos a través de la modificación del ADN. En esta doctrina es preciso aplicar una serie de métodos y técnicas que en conjunto reciben el nombre de tecnología del  ADN recombinante y que es resultado de toda una serie de investigaciones y hallazgos quese resumen a continuación:

1968 → Arbor y Hamilton descubren las endonucleasas de restricción.

1970 → Temin y Baltimore describren la transcriptasa inversa

1972 → Jackson, Simons y Berg obtienen las primeras moléculas de ADN recombinante

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