Texto ilustrado e interactivo de biología molecular e ingeniería genética: Conceptos, técnicas y aplicaciones en ciencias de la salud

505 Pages·2012·57.7 MB·Spanish

by  Herráez Sánchez

Sección I
Estructura
y función
del material
genético
CAPÍTULO 1
Introducción y aspectos generales
1.1 TRANSMISIÓNDELAINFORMACIÓNGENÉTICA 3 1.3.1 Genomadeprocariotasyeucariotas 5
1.2 ELDNACOMOMATERIALGENÉTICO 4 1.3.2 Magnituddelgenomanucleardeeucariotas 7
1.3 CARACTERÍSTICASGENERALESDELGENOMA 5 1.3.3 Magnitudycaracterísticasdelgenomamitocondrial 10
Amododeintroduccióngeneralalplanteamientodelabiologíamolecularylaingenieríagenéticaenestetexto,
se comenzará describiendo de modo sucinto los tres aspectos que mejor ponen de manifiesto el papel de los
ácidosnucleicosenlacélulayenespecialdelDNAcomoportadordelainformacióngenética:porunlado,la
descripciónglobaldelasrutasdetransmisióndelainformacióngenética;ensegundolugar,losantecedentes
experimentales que demostraron el importante papel de los ácidos nucleicos; finalmente, las características
generales del genoma de eucariotas, como punto de partida para el estudio posterior en profundidad de
losconceptosteóricos,lastecnologíasylasaplicacionesdeestamateriaenlascienciasdelasalud.
1.1TRANSMISIÓNDELAINFORMACIÓNGENÉTICA
1:1
FrancisCrickintrodujoeltérmino‘‘dogmacentraldelagenéticamolecular’’paradescribir,inclusoantesde
conocerse por completo su relevancia en los seres vivos, el flujo de la información genética y la utilización
©2012.ElsevierEspaña,S.L.Reservadostodoslosderechos 3
4 I. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO
dedichainformaciónenlascélulas.Enconcreto,latransmisióndelainformacióncontenidaenlasecuenciadel
DNA a las células y organismos descendientes mediante la replicación, y su expresión en biomoléculas
funcionalesmediantelosprocesosdetranscripciónytraducción.Estadescripcióncomprende,pues,elconjunto
derelacionesgeneralesexistentesentreelDNA,elRNAylasproteínas.
Debe evitarse la posible interpretación errónea de la representación abreviada de este ‘‘dogma’’,
DNA!RNA!proteína, que no indica la transformación de una molécula en otra, tal como se utiliza
normalmenteenlasrutasmetabólicas,sinoquecadaelementoenesteesquemaaportalainformaciónnecesaria
paralasíntesisdelsiguiente.Enestesentido,esimportanteelconceptodeplantillaomoldemolecular:aunque
cadapasoestácatalizadoporunaenzima,lossustratos(nucleótidos,aminoácidos)nosonseleccionadospor
dicha enzima, sino que vienen especificados por la intervención del molde, en concreto por su secuencia de
nucleótidos.
El progreso en el conocimiento de los procesos de transmisión de la información genética obligó a la
ampliación de este esquema básico original para acomodar otros procesos que también ocurren, al menos
enalgunosorganismosparticulares,comoeselcasodealgunosvirus:
1:2
Debe resaltarse también el papel esencial de los productos finales (proteínas y algunos RNA) como
componentes estructurales de todas las células y como responsables de la catálisis de las reacciones
bioquímicasqueconducenalaformacióndelasbiomoléculas.
1.2ELDNACOMOMATERIALGENÉTICO
ElconocimientodelaestructuradelosácidosnucleicosseiniciaenelsigloXIXconelaislamientoapartirde
núcleos celulares de un compuesto denominado inicialmente nucleína, formado por una parte ácida (hoy,
DNA)yunapartebásica(proteína),asícomoconelestudioparcialdelaspropiedadesdelanucleínaydesu
relación con la herencia celular. Sin embargo, la estructura sólo se conoció a mediados del siglo XX, tras
demostrarse que el DNA era el componente cromosómico depositario de la información genética. Cabe
destacar en este sentido, como antecedentes clave, los experimentos de Frederick Griffith, Oswald T. Avery,
ColinMacLeodyMaclynMcCarty,en1928y1944,ydeAlfredD.HersheyyMarthaChase,en1952,que
constituyensendoshitosenlaidentificacióndelDNAcomomaterialgenético.
Web1.1.Experimentosquedemostraronlaidentidadmoleculardelmaterialgenético.
Tras estas aportaciones iniciales identificando el DNA como portador de la información genética, el
verdadero inicio de la biología molecular moderna lo constituyó la propuesta de estructura en doble hélice
paraelDNA,formuladaen1953porJamesD.WatsonyFrancisCrick.Apartirdeestemomento,casitodoel
esfuerzorealizadosecentraenelestudiodelDNAgenómico,desdeelpuntodevistaestructuralyfuncional,en
procariotas y eucariotas, con una atención especial a mamíferos en general y humanos en particular. Los
avances logrados, tanto teóricos como técnicos y aplicados, han sido enormes. A ello ha contribuido la
aparicióndelaingenieríagenética,comoprincipaláreaderivadadelabiologíamolecular.Unavezconcluido
en2003elProyectoGenomaHumano(genómicaestructural)seinicióelanálisisdelasfuncionesdecadagen
1.Introducción y aspectos generales 5
(genómicafuncional)yladiseccióndelaestructurayfuncióndelasproteínas(proteómica).Comoexpresiónde
estosnuevosconocimientoshasurgidounagranvariedaddecamposdeactividadenlascienciasdelasalud
(medicina,farmaciayveterinaria),talescomoanticuerposmonoclonales,métodosinmunoquímicos,biochips
paraeldiagnóstico,clonaciónmolecularyclonaciónanimal,farmacogenes,ingenieríadeproteínas,proteínas
recombinantes de interés diagnóstico y terapéutico, sondas de hibridación, terapia celular y terapia génica,
transferencia de genes, vectores, virus, etc. Nuestro objetivo no es describir los aspectos concretos de estos
campos,sinosóloponerdemanifiestolasbasesmolecularesquelessirvendesoporte,comopuntodepartida
paraunestudiodetenidodecadacampoensucorrespondienteáreadeconocimiento.Conestefinsepresentan
enesteprimercapítulolascaracterísticasgeneralesdelgenomadeeucariotas.
1.3CARACTERÍSTICASGENERALESDELGENOMA
1.3.1Genomadeprocariotasyeucariotas
Conceptualmente, el genoma (de la raíz griega gen, origen) puede ser considerado como el ‘‘patrimonio
genético’’ de un organismo, es decir, el conjunto total de material genético hereditario presente en una
célula.Debeincluirseenesteconceptotantoelmaterialgenéticoexistenteenelnúcleocomoelquecontienen
mitocondriasycloroplastos.Porotraparte,esmásadecuadaestadefiniciónquelaqueseempleaenocasiones,
‘‘conjuntodegenesdeunorganismo’’pues,comoseestudiarámásadelante,existegrancantidaddematerial
genéticoquenoseexpresa.LamayoríadeorganismosposeenungenomaconstituidoporDNA,peroalgunos
virustienenungenomadeRNA.Lapartecodificantedelgenomaespecifica,enformadegenes,lainformación
necesaria para dar lugar a productos génicos, moléculas funcionales que son las proteínas y los RNA. Estos
productossonresponsablesdetodalaactividadcelular,desuscaracterísticasmorfológicasydemuchasdelas
claves del comportamiento de un organismo, desde la embriogénesis a su crecimiento, maduración física e
intelectual,estadoadulto,reproducción,ytodassusfuncionesmetabólicasyactividadesfisiológicas.
Conrespectoalestudiodelgenoma,comenzaremosporresaltarlascaracterísticasdiferencialesdeproca-
riotasyeucariotas:
1:3
Recuérdese que los procariotas (o procariontes) son organismos unicelulares (bacterias y arqueas) de
tamañopequeño(entre0,2y5mmdediámetro),conmembranaplasmáticarodeadageneralmenteporuna
pared celularrígiday con diversasestructuras superficiales (pili, flagelos, etc.), pero carecen de membrana
nuclear,deorgánulosydecualquierotrotipodecompartimentacióninterna.Elgenomadeprocariotases,
comparativamente,depequeñotamañoyrelativamentesencillo.Sereduceaunúnicocromosomaformado
por una molécula circular de DNA, localizada en suspensión en el citosol pero anclada a la membrana
6 I. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO
constituyendo la zona nuclear o nucleoide, sin membrana que la delimite. Es frecuente encontrar, además,
unapequeñacantidaddematerialgenéticoextra,noesencial,enformadepequeñasmoléculascircularesde
DNA, llamadas plásmidos. Los plásmidos poseen la propiedad de replicación autónoma, es decir, sin
coordinación alguna con la división celular. Desempeñan un papel importante, al codificar proteínas que
confierenresistenciaalosantibióticosuotrosmaterialestóxicos,yofrecenunaimportanteaplicacióncomo
herramientasenlatecnologíadelDNArecombinante,concretamentecomovectoresparalaincorporación
deDNAacélulas.
Las células de eucariotas (o eucariontes), tanto multicelulares (animales y plantas) como unicelulares y
multicelulares simples (protozoos, hongos y algas), son más variadas y complejas. Son de mayor tamaño
(entre10y50mm),poseenmembranaplasmática,puedenposeerparedcelular(plantas),tienencitoesqueleto
interno, y muestran una gran compartimentación citoplasmática, con diferentes tipos de orgánulos subce-
lulares (mitocondrias en animales y plantas, cloroplastos en plantas, lisosomas en animales, etc.) y otras
estructuras(retículoendoplásmico,complejodeGolgi,etc.).Elnúcleo tienecomocaracterísticaesencialla
presencia de una membrana nuclear doble. En el genoma de eucariotas debe distinguirse entre el genoma
nuclearyeldeorgánulos.Elgenomanuclearaparecebajodosformasestructuralmentediferentesalolargo
del ciclo celular: la cromatina como material filamentoso disperso por la mayor parte del núcleo en la
interfase (entre divisiones), y los cromosomas, fácilmente observables como entidades morfológicas o
corpúsculosindependientesenlosmomentospreviosaladivisióncelular.Ambasformasestánconstituidas
por las mismas moléculas lineales muylargas de DNA bicatenario, estrechamente asociado a proteínas. El
genomadeorgánulos(cloroplastosymitocondrias)estáformadoporcromosomascirculares,aligualqueel
deprocariotas.
Algunascaracterísticas diferencialesdelgenomahumano(célulasomática,diploide,2n)
NUCLEAR MITOCONDRIAL
Tamaño 6,4Gb=6.400Mb=6.400.000kb=6,4(cid:2)109pb 16,5kb(cid:3)m
TipodeDNA Lineal,bicatenario Circular,bicatenario
Númerodecromosomas 23distintos,2copias:46entotal Uno,convariascopiasencada
mitocondria;entre200y2.000
copiasporcélula
Presenciadenucleosomas Sí No
Proteínasasociadas Alrededordel50%delamasa,histonasyotras Poconumerosasoausentes
DNAcodificante Entre2y5% (cid:4)93%
DNArepetitivo Abundante((cid:4)40%) Prácticamentenada
Númerodegenes (cid:4)25.000 37
Densidaddegenes (cid:4)1gencada128kb 1gencada0,45kb
Presenciadeintrones Enlamayoría Ausentes
enlosgenes
Las cifras relativas al número de genes han sufrido fuertes variaciones en los años recientes y aún son
disparesdependiendodelafuentequeseconsulte.EllosedebeaquenoessencillodefinirquéregióndelDNA
genómicoesonoungen,einclusoidentificarconcertezasuspuntosdecomienzoydefin,losquedefinenun
‘‘marcodelecturaabierto’’(pág.314);lastécnicasdedeteccióneidentificacióndegenesenlasecuenciadel
genoma continúan evolucionando. Como ejemplos de situaciones que hacen difícil esta precisión pueden
mencionarse la existencia de copias de genes que no son funcionales (pseudogenes, pág. 113); el tamaño
mucho menor de las regiones codificantes (exones) en la mayoría de genes frente a las no codificantes; la
posibilidaddeexpresiónenformasalternativasdealgunosgenes,dandolugaradiferentesproductos(ayuste
alternativo,pág.306);losgenesquecodificanRNAfuncionalessoncortosycarecendemarcodelectura,etc.
Todo ello complica la definición e identificación inequívocas de un segmento del genoma como un gen.
Igualmente varían las cantidades derivadas, como la fracción del genoma constituida por regiones codifi-
cantes.Loimportantees,entodocaso,transmitirunaideadelascifrasaproximadas,losdiferentestiposde
secuenciaimplicadosylasdiferenciasentreelgenomanucleardeloseucariotasylosgenomasdeorgánulosy
deprocariotas.
1.Introducción y aspectos generales 7
1.3.2Magnituddelgenomanucleardeeucariotas
El material genético contenido en el núcleo supone generalmente más del 90% del total de DNA celular. El
primeraspectoadestacaressumagnitudconrespectoalgenomamitocondrialyaldeprocariotas.Además,a
diferencia de éstos, el genoma nuclear está repartido en varios cromosomas, en número diferente según la
especie, generalmente muy grandes y con el DNA muy condensadoal estar estrechamente asociado con his-
tonasyotrasproteínas.
La magnitud del genoma nuclear viene determinada por la cantidad total de DNA en el conjunto de
cromosomasdeunacélula.Éstasepuedeexpresardevariasformas:
(cid:129) En número de cromosomas, designado por n en organismos haploides y 2n en diploides, en los que hay
2copiasdecadacromosoma.
(cid:129) EnmasadeDNA(pg=picogramos).
(cid:129) ComovalorC,notaciónqueexpresalacantidaddeDNAtotalenelgenomadeunacélulaconrespectoala
presenteenunacélulahaploidedelamismaespecie.Comoseverá,encélulasdiploideselvalorpuedeserde
2Co4C,dependiendodelestadiodelciclocelular.
(cid:129) Lomáshabitualesexpresarloenlongitud:pb=paresdebasesenbicatenario,ont=nucleótidosenmono-
catenario. Para moléculas largas se emplean kilobases (kb o kpb=103 pb) o megabases (Mb o
Mpb=106pb).
ComparacionesqueresaltanlamagnituddelDNAnucleareneucariotas:
(cid:129) Porreglageneral,lacantidadtotaldeDNAenunacéluladiploideeucarióticaesentre10y1.000vecessuperiorquelade
unacélulaprocariótica,aunqueladiferenciapuedellegarhastaunfactorde200.000,porejemplo, considerando los
casosextremosdealgunasplantasyanfibiosrespectoalabacteriademenortamaño,elmicoplasma.
(cid:129) Enformalineal,lalongitudtotaldelDNAdeunacélulahumanasomática(diploide,46cromosomas)seríadeunos
2,2metros.
(cid:129) Al referir esta cifra al número de células del cuerpo humano, la longitud total resultante, 110 billones de metros
(110(cid:2)1012m),equivaleacasi3millonesdevueltasalaTierra,143.000viajesdeidayvueltaalaLunao370viajesdeida
yvueltaalSol.
(cid:129) Para escribir la secuencia completa del genoma de una célula humana diploide se necesitarían 1.280 tomos, que
ocuparían64mdeestantería.
(cid:129) Paraleerenvozaltadichasecuenciasenecesitarían20añosy3meses.
(cid:129) Paraalmacenarlasecuenciacompletadelgenomadeunacélulahumanadiploideenformatoelectrónicoserequieren
1,5GB(gigabytes).
(cid:129) LascifrassehacencasiincomprensiblessisequiereconsiderarlamagnitudtotaldelDNAdelahumanidad(actualmente
7(cid:2)109individuos).
(cid:129) Datosempleados:
– N.(cid:5)decélulasenelcuerpo:estimadoalmenosenunos50billones=50(cid:2)1012células.
– CircunferenciadelaTierra:40.000km.
– DistanciapromedioentrelaTierraylaLuna:384.000km.
– DistanciapromedioentrelaTierrayelSol:150millonesdekm.
– 5.000letrasporpáginay1.000páginasportomo,conungrosorde5cm.
– Velocidaddelectura:10letrasporsegundo.
Procede,porotraparte,analizarlamagnituddelgenomadeformacomparativatantoentreindividuosde
unamismaespeciecomoentreespeciesdiferentes:
a) TodaslascélulasdelosindividuosdeunamismaespecieposeenlamismacantidadtotaldeDNAynúmero
de cromosomas. De esta generalización deben exceptuarse las células germinales, dedicadas a la
reproducción del individuo, que poseen la mitad. En todos los casos, estas cifras se refieren a células en
un mismo estado de división celular (normalmente la interfase) pues, como se verá posteriormente
8 I. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO
(capítulo 8),lacantidadtotaldeDNA,aunquenoelnúmerodecromosomas,varíaenunacélulaalolargo
delciclocelular.
(cid:5)
b) ElcontenidototaldeDNA,expresadoenpgoenn. depb,yelnúmerodecromosomasvaríanampliamente
entreespeciesdiferentes.Amenudosehaasumidoqueeltamañodelgenomapuedaestarrelacionadoconel
gradodecomplejidaddelorganismo,osuposiciónenlaescalaevolutiva,perohoyendíaestáclaroqueesto
no es así. Solamente al comparar virus, procariotas y eucariotas se aprecia una diferencia significativa
enlamagnituddelgenoma.Dentrodeloseucariotas,eltamañodelgenomavaríaampliamenteperodefor-
ma independiente de la posición en la escala evolutiva o de lo que pudiera, bajo un punto de vista
antropocéntrico,entendersecomocomplejidaddelaespecie.Así,porejemplo,lacélulahumanacontiene
700vecesmásDNAqueladeE.coli,pero300vecesmenosquelascélulasdealgunassalamandrasyplantas
angiospermas,einclusomenosquealgunosprotozoos(eucariotasunicelulares).
1:4
Por otro lado, no existe correlación alguna entre el tamaño del genoma de una especie y el número de
cromosomas que lo componen. Por ejemplo, mientras que el genoma humano diploide (6,4 (cid:2) 109 pb) está
repartidoen46cromosomas(23pares,n=23),lascélulasderatón,conungenomamenor(3 (cid:2) 109pb),poseen
menor número de cromosomas(40), mientras que enlas células decebolla ungenoma 2 vecesmayor queel
humano(1,5 (cid:2) 1010pb)estácontenidoensólo16cromosomas.Deformasimilar,lamoscadelafruta,conun
genoma (1,7 (cid:2) 108 pb) mucho mayor que el de la levadura (1,6 (cid:2) 107 pb), posee un número muy inferior de
cromosomas(8frentea32).