9  Genética

9.1 Los genes

Los seres vivos transmiten sus características a los descendientes, gracias a la información que contiene el ADN del núcleo celular. El ADN se organiza dentro del núcleo formando los cromosomas.

A lo largo de un cromosoma distinguimos diversos fragmentos de ADN. Cada uno de estos fragmentos, que contiene información para un carácter hereditario, recibe el nombre de gen.

De este modo, en los genes residen los diferentes caracteres hereditarios, es decir, todos los aspectos de los seres vivos que dependen de la información genética. El color de las flores de un geranio, el del pelaje de un caballo o la estructura de la proteína hemoglobina, son algunos ejemplos de caracteres hereditarios.

La zona del cromosoma donde se localiza un gen se llama locus, en plural loci.

Todos los individuos de una especie poseen información para los mismos caracteres hereditarios; es decir, todos tienen los mismos genes. No obstante, la información que contienen puede variar de un individuo a otro. Cada una de estas variaciones es un alelo; esto es, una de las diversas posibilidades que puede presentar un gen para la información de un carácter.

Así, pues, los individuos de una misma especie no son iguales, presentan diferencias que dependen de la información genética de cada uno.

Estas diferencias (tanto de aspecto como de actividad del organismo) constituyen la variabilidad genética.

9.1.1 Genoma y dotación cromosómica

Al conjunto formado por toda la información genética de una especie lo llamamos genoma. Esta información se localiza en un número fijo de cromosomas, que constituye la dotación cromosómica. En el ser humano, corresponde a cuarenta y seis cromosomas, agrupados en ventitres parejas.

Las parejas que van de la 1 a la 22 son cromosomas autosómicos, cada uno es homólogo de su compañero de pareja, porque ambos poseen genes para los mismos caracteres situados en los mismos loci. La pareja 23 corresponde a los cromosomas sexuales: en las mujeres, la pareja está formada por dos cromosomas X, que son homólogos; en los hombres, está formada por un cromosoma X y un cromosoma Y, que no son homólogos. Para observar la dotación cromosómica de un individuo, elaboramos un cariotipo:

—Tomamos células en metafase, añadimos colchicina para detener el proceso de mitosis y teñimos los cromosomas.

—Se fotografían al microscopio óptico y ampliamos la fotografía.

—A partir de la fotografía digital, recortamos los cromosomas y agrupamos por parejas pegándolos ordenadamente sobre una línea horizontal por el centrómero.

Los cariotipos permiten observar si un individuo presenta el número, la forma y el tamaño característicos de los cromosomas de su especie.

9.2 La transmisión de los caracteres

Los gametos son las células encargadas de transmitir la información genética a los descendientes. Los gametos son haploides, es decir, tienen la mitad del número de cromosomas, para poder mantener la dotación cromosómica de la especie de generación en generación. Como son haploides, solo disponen de un cromosoma de cada pareja de homólogos y, por tanto, de un solo alelo de cada gen.

El gen que transmita cada gameto para un carácter determinado dependerá de la información que tenga la célula precursora del gameto. Vamos a tomar como ejemplo la espermatogénesis humana.

Durante la fecundación se unen las dotaciones cromosómicas de los dos gametos, óvulo y espermatozoide. El resultado será el cigoto que ya es diploide, es decir, presenta pares de cromosomas homólogos. El cigoto tendrá dos copias de cada gen, una en cada cromosoma del par de homólogos. Estos genes no tienen por qué contener la misma información, pueden ser dos alelos diferentes, ya que cada uno proviene de un progenitor.

9.3 La expresión de los genes: la herencia

La herencia es la relación que existe entre los diferentes alelos que puede presentar un gen. Llamamos genotipo a la combinación de alelos de un organismo para un determinado carácter. Ya hemos visto que el genotipo puede ser homocigoto o heterocigoto.

El fenotipo es la información que se expresa de un determinado carácter. Si recordamos el ejemplo del carácter «color de la semilla» de la planta de arveja, los individuos que tienen el genotipo AA presentarán las semillas de color amarillo; es decir, su fenotipo para este carácter será «amarillo». De igual forma, el fenotipo de los individuos aa será «verde». El fenotipo de los individuos Aa dependerá del tipo de herencia que presente el carácter. A continuación, estudiaremos los diferentes tipos de herencia y conoceremos qué son y para qué sirven los árboles genealógicos.

9.3.1 Herencia dominante

La herencia dominante se da cuando la información de un alelo, al que llamaremos dominante, domina sobre la información del otro, al que llamaremos recesivo.

En la anotación, escribiremos en mayúscula el alelo dominante y en minúscula el recesivo. En este tipo de herencia, el fenotipo del heterocigoto (Aa) se corresponde con la información del alelo dominante. Tomaremos como ejemplo el carácter «color de la semilla» de la planta de arveja de jardín. Podemos observar que el fenotipo del heterocigoto es «semilla amarilla», al igual que el fenotipo del homocigoto dominante (AA).

9.3.2 Herencia codominante y herencia intermedia

En estos dos tipos de herencia, la información que presenta un alelo no es dominante sobre la que presentan los otros. Por tanto, no habrá ni alelos dominantes ni recesivos; decimos que los alelos son equipotentes. Los anotaremos en mayúsculas.

Herencia intermedia

En este tipo de herencia, el fenotipo de los heterocigotos (RB) es una mezcla del fenotipo de los dos homocigotos. Tomaremos como ejemplo el carácter «color de la flor» de la planta Dondiego de noche, en la que podemos apreciar que el heterocigoto presenta el fenotipo «flor rosa».

Herencia codominante

Los heterocigotos manifiestan los fenotipos de los dos homocigotos a la vez. Un carácter que posee esta herencia es el aspecto de las plumas en cierta variedad de gallinas que presentan tres fenotipos diferentes: plumas lisas, plumas rizadas y combinación de plumas lisas y plumas rizadas. Se ha comprobado que este fenotipo intermedio corresponde a los heterocigotos para el carácter «aspecto de las plumas».

9.3.3 Herencia del sexo y herencia ligada al sexo

La mayoría de los organismos con reproducción sexual presenta dos sexos separados: el masculino y el femenino. Los factores que determinan el sexo de un individuo varían según la especie.

Herencia del sexo

El sexo de una persona depende de la pareja de cromosomas n.o 23 de su cariotipo. Son los llamados cromosomas sexuales (los demás cromosomas se llaman autosomas) y son diferentes en hombres y en mujeres.

• Las mujeres presentan dos cromosomas iguales y homólogos, porque tienen información para los mismos caracteres. los anotamos XX.

• Los hombres tienen dos cromosomas diferentes que no son homólogos. Uno de ellos es más pequeño y se llama Y. Anotamos XY.

Herencia ligada al sexo

Llamamos así a la herencia de los genes situados en el cromosoma X y que no se encuentran en el cromosoma Y. Estos genes se expresarán de forma diferente en hombres y en mujeres.

Vamos a tomar como ejemplo el daltonismo o ceguera para los colores. El gen que determina este carácter se encuentra en el cromosoma X y presenta dos alelos:

• X, que determina «no afectado de daltonismo ». Es dominante.

• Xd, que determina «afectado de daltonismo » y es recesivo.

Siempre que un hombre presente el alelo Xd será daltónico, mientras que una mujer lo será solo si tiene los dos alelos Xd.

9.3.4 Herencia de alelos múltiples

Existen genes que pueden presentar más de dos variedades o alelos, entre los cuales puede haber diferentes relaciones de herencia. Vamos a estudiar un carácter heredable que presenta esta peculiaridad: el grupo sanguíneo AB0 en humanos.

El grupo sanguíneo AB0

Es uno de los principales parámetros que se tienen en cuenta en las transfusiones sanguíneas. Las personas pueden presentar cuatro fenotipos para este carácter: grupo A, grupo B, grupo AB y grupo 0. Los fenotipos afectan a los glóbulos rojos y al plasma sanguíneo. En la siguiente tabla observamos los diferentes fenotipos que puede presentar el ser humano para el carácter «grupo sanguíneo AB0».

Si, por ejemplo, se pone en contacto sangre del grupo A con el anticuerpo anti-A, el anticuerpo reaccionará con la proteína A de los glóbulos rojos y estos se aglutinarán, formarán grumos. Una persona del grupo B tiene anticuerpos anti-A en su plasma; por tanto, no puede recibir sangre ni del grupo A ni del grupo AB, ya que sus anticuerpos aglutinarían a los glóbulos rojos de la sangre del donante. Una persona del grupo A no podrá recibir ni del grupo B ni del grupo AB. Una persona del grupo AB puede recibir de todas y una persona del grupo 0 solo puede recibir de su mismo grupo.

Según lo anterior, podemos confeccionar una tabla de donantes y receptores posibles en función del grupo AB0:

Podemos saber a qué grupo sanguíneo pertenece una persona haciendo reaccionar dos muestras de su sangre, una con anticuerpos anti-A y la otra con anticuerpos anti-B. Si, por ejemplo, la muestra de sangre con anti-A aglutina y la muestra con anti-B no aglutina, significa que la persona es del grupo B.

Herencia del grupo sanguíneo AB0

El gen que determina el grupo sanguíneo AB0 puede presentar tres alelos diferentes: A, B y 0. Entre ellos se establecen diferentes relaciones de herencia, de forma que:

• El alelo A es dominante frente al alelo 0 y codominante frente al alelo B.

• El alelo B es dominante frente al alelo 0 y codominante frente al alelo A.

• El alelo 0 es recesivo siempre. Por tanto, el grupo sanguíneo de una persona dependerá de los alelos que estén presentes en su genotipo.

9.3.5 Los árboles genealógicos

Para poder determinar el tipo de herencia de un carácter, debemos estudiar cómo ha ido pasando de generación en generación. El método más utilizado para tal fin es la elaboración de árboles genealógicos.

En el siguiente esquema, vamos a aprender cómo elabora árboles genealógicos en el caso del ser humano.

El estudio de los árboles genealógicos nos servirá para determinar el genotipo de los individuos de la familia. Para ello, debemos tener en cuenta cómo se transmiten los caracteres de progenitores a descendientes.

Trastorno	Descripción	Alelos y tipo de herencia
Anemia falciforme	Trastorno causado por una configuración tridimensional errónea de la hemoglobina, que deforma los eritrocitos, que se rompen y ocasionan anemia.	Alelo normal: HbA Alelo falciforme: HbS Son alelos codominantes.
Albinismo	Consiste en la ausencia de melanina, el pigmento que da color a la piel, los ojos y el cabello. Estas partes quedan despigmentadas y se produce una extrema sensibilidad a las radiaciones solares.	Alelo normal: A Alelo albino: a Normal domina sobre albino.
Condrodistrofia	Es un tipo de enanismo que consiste en un acortamiento de la longitud de las extremidades.	Alelo normal: c Alelo condrodistrofia: C Condrodistrofia domina sobre normal.
Fenilcetonuria	Deriva de un error en la reacción de degradación del aminoácido fenilalanina. La acumulación de este en el cerebro causa trastornos muy graves, como el retraso mental.	Alelo normal: F Alelo fenilcetonuria: f Normal domina sobre fenilcetonuria.

Con las informaciones anteriores, podemos resolver cuestiones sobre la herencia de estos caracteres. Fíjate en el ejemplo siguiente:

—¿Cuál es el genotipo de un hombre de grupo sanguíneo A y el de una mujer de grupo B que tienen un hijo del grupo 0?

La representación de diversas posibilidades en los árboles genealógicos de la derecha puede ser de ayuda para resolver este caso.

Repasando las posibilidades representadas, los genotipos son A0 y B0. Si no fuera así, no podrían reunirse en el hijo dos alelos 0.

9.4 Genética mendeliana

9.4.1 Leyes de Mendel

Gregor Mendel (Heizendorf, 1822- Brno, 1884) fue un monje agustino que actualmente está considerado el «padre de la genética». En la época en la que vivió Mendel, numerosos investigadores, llamados hibridadores, se dedicaban a cruzar diferentes organismos y estudiar cómo eran los descendientes. Mendel fue uno de ellos, pero el éxito de sus observaciones reside en la simplicidad del diseño experimental que utilizó:

• Al contrario que sus coetáneos, solo estudiaba la herencia de uno o dos caracteres como máximo. Además, los caracteres estudiados eran fáciles de observar y el organismo utilizado (guisantera de jardín) era fácil de mantener y de controlar su fecundación, además de presentar un tiempo de generación relativamente corto.

• Para iniciar su estudio, partió de lo que él llamaba razas puras (se corresponde con lo que hoy llamamos homocigotos) para el carácter que estudiaba. Cuando Mendel desarrolló su investigación, aún no se conocían ni el ADN, ni los cromosomas, ni la meiosis. Dedujo sus leyes a partir del estudio estadístico de los resultados que obtuvo.

9.4.2 Primera ley: ley de la uniformidad de la primera generación

Si cruzamos dos homocigotos diferentes para un determinado carácter, todos los descendientes serán heterocigotos e iguales entre sí.

Mendel estudió el carácter «aspecto de la semilla». Observó que había arvejas de semillas lisas y de semillas rugosas. Entonces cruzó plantas homocigotas de semillas lisas con plantas homocigotas de semillas rugosas.

El alelo L (lisa) es dominante frente al alelo l (rugosa).

• Todos los gametos del primer individuo tendrán el alelo L.

• Todos los gametos del segundo individuo tendrán el alelo l.

Por tanto, después de la fecundación, todos los descendientes serán heterocigotos y de aspecto liso para el carácter «aspecto de la semilla».

9.4.3 Segunda ley: ley de la segregación de los alelos

Si cruzamos dos heterocigotos de la F1 entre sí, veremos que en la descendencia (F2) obtenemos todos los genotipos y fenotipos posibles siguiendo unas proporciones concretas.

Para deducir su segunda ley, Mendel cruzó las plantas de la primera generación filial (F1) entre sí. Todas las plantas de la F1 son heterocigotas para el carácter «aspecto de la semilla» y su fenotipo es «semilla lisa».

Como son heterocigotas:

• Todos los individuos de la F1 generan dos tipos de gametos: gametos con el alelo L y gametos con el alelo l.

• Como todos los gametos tienen las mismas posibilidades de participar en la fecundación, tendremos en cuenta todas las posibles combinaciones.

Como resultado, la segunda generación filial (F2) presentará unas proporciones fijas tanto de genotipos como de fenotipos

9.4.4 Tercera ley: ley de la independencia de los alelos

Si estudiamos cómo pasan a la descendencia dos caracteres diferentes, veremos que estos se heredan de forma independiente cumpliendo con la primera y la segunda leyes.

Mendel tuvo en cuenta dos caracteres:

• «Aspecto de la semilla», con los alelos L (lisa) y l (rugosa).

• «Color de la semilla», con los alelos A (amarilla) y a (verde).

Después de cruzar a los homocigotos para los dos caracteres, vemos que, de acuerdo con la primera ley, toda la F1 es heterocigota e igual entre sí.

Si cruzamos los individuos de la F1, se formarán diferentes combinaciones de alelos en los gametos. Obtendremos una F2 donde se podrán observar todos los genotipos y los fenotipos posibles para los dos caracteres y en proporciones fijas.

Esta ley no se cumple cuando:

• Los caracteres estudiados están determinados por genes situados en el mismo cromosoma.

• Los caracteres estudiados están determinados por genes situados en los cromosomas sexuales.

9.4.5 La investigación de la herencia

El cultivo y la reproducción en el laboratorio de muchos tipos de seres vivos, y también de virus, han permitido investigar y conocer la herencia de un gran número de caracteres. Los mecanismos de control y expresión del ADN son universales y, por ello, las conclusiones de los estudios realizados contribuyen a descifrar los mecanismos básicos de la herencia en todos los seres vivos.

Una de las especies más utilizadas ha sido Drosophila melanogaster, la mosca del vinagre, que se encuentra a menudo en lugares donde hay fruta muy madura, ya que se alimenta de la levadura que fermenta los azúcares desprendidos por este tipo de alimentos.

Este insecto, de dimensiones reducidas, presenta características muy favorables para llevar a cabo este tipo de investigaciones:

• Se cría en el interior de botes de vidrio con un sencillo medio de cultivo.

• Cada dos semanas nace una nueva generación de moscas.

• De cada cruzamiento se obtienen muchos descendientes.

• Su dotación cromosómica es solo de ocho cromosomas.

A principios del siglo XX, T. H. Morgan, de la Universidad de Columbia, después de haber visitado a Hugo de Vries y de haberse puesto al corriente de sus descubrimientos, eligió la mosca Drosophila para realizar estudios similares a los de Mendel. Desde entonces, las experiencias llevadas a cabo con esta especie han servido tanto para la investigación como para la formación científica. Los trabajos con Drosophila se basan en la selección de individuos que presenten alguna característica diferencial de origen hereditario y en el diseño de los cruzamientos para deducir el tipo de herencia de este carácter.

La manipulación de las moscas es un proceso sencillo:

— Anestesiamos sustituyendo el tapón del frasco por un algodón impregnado de éter.

— Pocos minutos después, las moscas se han dormido y, entonces, las extendemos sobre una superficie de color claro para facilitar su observación.

— Con una lupa, si es preciso, observamos detalles del cuerpo de las moscas. Para moverlas o cogerlas sin dañarlas, utilizamos un pincel.

Los investigadores del equipo de Morgan estudiaron diversas poblaciones de moscas y encontraron un gran número de caracteres hereditarios.

Otro carácter hereditario muy característico en Drosophila es el color de los ojos. El fenotipo normal corresponde al color rojo brillante, pero existen muchos otros, por ejemplo, el de ojos blancos. Observa los resultados de las experiencias de Morgan sobre el alelo ojos blancos.

Al genoma de Drosophila lo conocemos detalladamente, porque se han conseguido identificar todos los genes y su situación en los cromosomas.

9.5 Herencia de enfermedades ligadas al sexo

Como ya hemos visto, existen ciertas enfermedades hereditarias ligadas al cromosoma X como la hemofilia o el daltonismo. Por lo tanto, estas enfermedades se expresan de forma diferente en hombres y mujeres. Ambas enfermedades son recesivas y los hombres presentarán la enfermedad si poseen el cromosoma X dañado mientras que las mujeres solo presentarán la enfermedad si tienen los dos cromosomas X dañados. Si una mujer solo tiene un cromosoma X afectado será portadora de la enfermedad, pero no la expresará. A continuación veremos un ejemplo sobre la herencia de la hemofilia.

Martina va a tener una hija y está muy contenta, pero hay una cuestión que le preocupa. Aunque ella no la presenta, en su familia hay casos de hemofilia, una enfermedad que se caracteriza por la ausencia de una proteína en el organismo que está implicada en la coagulación sanguínea. Las personas que padecen hemofilia pueden llegar a desangrarse ante heridas de poca gravedad aparente, de modo que deben evitar las situaciones de riesgo.

Martina ha estudiado los casos de su familia e intentará descubrir si su hija tiene probabilidades de padecer la enfermedad. A continuación, te mostramos el árbol genealógico de la familia de Martina.

— ¿Qué representan los círculos y los cuadrados? ¿Qué significa el color negro?

— A la vista de este árbol, ¿crees que la herencia de la hemofilia es un caso de herencia dominante, intermedia o codominante? Justifica la respuesta.

— ¿El alelo «hemofílico» se comporta como dominante o recesivo respecto al alelo «sano»? En Internet, Martina ha descubierto que la hemofilia es una enfemedad hereditaria ligada al sexo.

— ¿Qué significa la afirmación anterior? ¿Podemos saber en qué cromosoma está el gen de la hemofilia?

— Teniendo en cuenta este hecho, determina el genotipo de todos los componentes de la familia de Martina (los parientes externos no presentan casos de hemofilia en sus familias). En casos como en el de la hemofilia, se habla de individuos sanos, enfermos y «portadores » de la enfermedad.

— Explica qué crees que indica cada una de estas categorías de individuos.

— Anota qué parientes de Martina son portadores de la hemofilia. Ahora tendrás que ayudar a Martina a calcular la probabilidad de que su hija presente un alelo «hemofílico».

— Señala qué genotipos puede presentar Martina y, sin análisis genético previo, indica qué probabilidad presenta para cada uno.

— Realiza una tabla con las posibles combinaciones de genotipos resultantes de la unión de Martina con su pareja.

— ¿Existe alguna probabilidad de que su hija presente la enfermedad?

— Calcula la probabilidad de que la niña sea portadora o sana para la hemofilia.

— Si Martina tuviera un hijo varón, ¿qué probabilidad tendría de ser enfermo? ¿Podría ser portador?

9.6 La ingeniería genética

9.6.1 Desarrollo histórico de la genética

Conocemos como ingeniería genética al conjunto de técnicas basadas en la manipulación del ADN. En ocasiones, también utilizamos la expresión tecnología del ADN recombinante, porque muchas técnicas se basan en la recombinación de fragmentos de ADN. Recordemos que durante el paquiteno de la profase I de la meiosis se produce una recombinación entre los cromosomas duplicados. La recombinación tiene como consecuencia la reorganización de los alelos. Por este motivo, al término de la meiosis aparecen combinaciones génicas diferentes de las de los cromosomas originales.

La recombinación génica en el laboratorio se realiza mediante la unión de fragmentos de ADN que originalmente están separados, porque corresponden a cromosomas distintos de la misma célula, a células diferentes o, incluso, a organismos distintos.

A la ingeniería genética la aplicamos con finalidades muy diversas: por ejemplo, todos los fenómenos que hemos descrito hasta ahora en esta unidad se han descifrado mediante la aplicación de técnicas de ingeniería genética.

Por otro lado, la tecnología del ADN recombinante abre todo un universo de posibilidades, algunas de ellas controvertidas. Mediante la manipulación del ADN podemos conseguir que una bacteria sintetice una proteína humana, o bien, que para fabricar una vacuna, un virus reduzca su capacidad infecciosa. Así, también se estudiamos la posibilidad de modificar la dotación genética de una persona para corregir una enfermedad hereditaria mediante la terapia génica. Pero también sería posible que, como cualquier otro avance científico, los aplicamos en situaciones en las que los objetivos primordiales no fuesen el bienestar de toda la humanidad y la mejora de las condiciones del medioambiente para todos los seres vivos. Por esta razón, diversas organizaciones internacionales estudian el modo de regular la aplicación de estas técnicas.

A continuación, describiremos brevemente algunas técnicas usadas en los proyectos de ingeniería genética, hablaremos de los principales campos en los que se aplican estas técnicas y, finalmente, veremos un ejemplo de su aplicación.

Instrumentos y técnicas utilizados en ingeniería genética

Para obtener nuevas combinaciones de genes, llevamos a cabo una serie de operaciones en las que utilizamos enzimas, microorganismos y virus como «instrumentos» imprescindibles.

Enzimas

A partir de diversas especies de bacterias, levaduras y animales, y también de virus, se han aislado y catalogado numerosas enzimas que pueden utilizarse en el laboratorio a la hora de manipular el ADN. Estas enzimas permiten llevar a cabo muchas operaciones (cortar, copiar, pegar…), para obtener nuevas combinaciones de genes dentro de un organismo o bien transferir ADN de un organismo a otro.

Algunas de las enzimas más utilizadas son las polimerasas (añaden nucleótidos a los extremos de las cadenas de ácidos nucleicos), las transcriptasas inversas (procedentes de retrovirus, sintetizan ADN a partir de ARN) o las enzimas de restricción (rompen enlaces fosfodiester entre nucleótidos en determinadas secuencias).

Algunas de estas enzimas son grandes polipéptidos, formadas por diversas subunidades con funciones diferentes. Por este motivo, tienen más de un tipo de actividad, como en el caso de la ADN pol I de E. coli.

Microorganismos y virus

Utilizamos como receptores de fragmentos de ADN, lo cual permite:

• Obtener, en poco tiempo, numerosas copias del ADN que les ha sido transferido, gracias a su elevada tasa de división.

• Favorecer la transferencia de ADN a otros organismos, ya que, de manera natural, los microorganismos y los virus participan en muchos intercambios de material genético. Los más habituales son la transducción, la conjugación y la transformación.

La transducción es un mecanismo de transferencia de genes entre bacterias que tiene un virus como vehículo.

Puede producirse en el interior de bacterias infectadas por un virus si, durante la formación de las nuevas partículas víricas, se obtiene un virus que contiene un fragmento del cromosoma bacteriano.

Cuando este virus infecta otra célula bacteriana, le transfiere el ADN procedente de la bacteria inicial.

La conjugación es un proceso de intercambio de material genético entre bacterias, que tiene lugar mediante plásmidos.

Un plásmido es un fragmento de ADN, cerrado sobre sí mismo y de pequeñas dimensiones, que tiene capacidad para pasar de una célula a otra. Al incorporarse a la célula receptora, los plásmidos pueden recombinarse con el cromosoma bacteriano.

Finalmente, la transformación es la incorporación a las células bacterianas de fragmentos de ADN libres en el medio de cultivo.

9.6.2 Aplicaciones de la ingeniería genética

Los numerosos avances técnicos en la ingeniería genética han permitido un amplio desarrollo de todas las áreas relacionadas directa o indirectamente con la genética. Fruto de todo ello han sido los grandes avances científicos y tecnológicos, tanto en el campo de la biotecnología aplicada a la alimentación y la industria como en el campo de las ciencias de la salud.

De entre todos ellos cabe destacar dos líneas de investigación por su renombre e implicaciones científicas, sociales y éticas: la genómica y la proteómica.

Genómica

Definimos como genómica a la parte de la genética que se encarga del estudio del genoma de una especie. Ello incluye el estudio de la secuencia de bases de su ADN y la determinación y la ubicación de todos los genes que lo componen, ya que no todo el ADN es codificante. Algunas de las primeras especies de las que se obtuvo la secuencia de su genoma son Haemophilus influenzae (bacteria responsable de un tipo de gripe), Saccharomyces cerevisiae (levadura de la cerveza) y Drosophila melanogaster (mosca del vinagre). El proyecto de genómica más conocido es quizás el Proyecto Genoma Humano (PGH), iniciado en 1990 por el Departamento de Energía y el Instituto de Salud de Estados Unidos y finalizado en 2003 con la colaboración de científicos de diversos países. Del análisis del genoma humano podemos derivar múltiples ventajas, muchas de ellas relacionadas con las aplicaciones médicas.

Las técnicas utilizadas son muy complejas y necesitan la colaboración de aplicaciones informáticas muy potentes. En resumen, se trata de dividir los cromosomas en pequeños fragmentos mediante enzimas de restricción. Estos fragmentos se clonan (se hacen múltiples copias) y se cartografían (se establece su situación relativa en el cromosoma). Seguidamente se identifican por computadora los fragmentos que se han solapado, llamados cóntigos (contigs en inglés), que son los que permiten ordenar todos los fragmentos. Por último, se completan los espacios vacíos.

Proteómica

Surge con posterioridad a la genómica y como consecuencia de esta. La proteómica se encarga del estudio del conjunto de proteínas funcionales que se expresan en una especie concreta.

La proteómica abarca tanto la identificación del gen que codifica cada proteína como el estudio de los procesos postraduccionales que esta padece y cómo estos cambios influyen en su funcionalidad posterior. El Proyecto Proteoma Humano se considera el siguiente paso del camino iniciado con el PGH y tiene como objetivo la identificación del conjunto de proteínas humanas así como sus propiedades y sus funciones.

Diseño de un proyecto de ingeniería genética

Para mostrar un ejemplo de utilización de las técnicas de ingeniería genética, proponemos seguir, de un modo sencillo, el desarrollo de un proyecto de clonación.

La clonación es un proceso de obtención de copias idénticas que puede aplicarse en ámbitos muy diversos: pueden clonarse fragmentos de ADN, células o individuos.

En nuestro caso describiremos un método de clonación de fragmentos de ADN, que se desarrollará en las cuatro fases: obtención de fragmentos de ADN, unión de los fragmentos obtenidos a un ADN vector, introducción del ADN recombinante en la célula receptora e identificación del ADN clonado.

Obtención de fragmentos de ADN

Se produce mediante la utilización de endonucleasas de restricción. Estas enzimas rompen los enlaces fosfodiester de una doble hélice de ADN por una secuencia específica, llamada diana de restricción.

Las dianas de restricción corresponden, en general, a secuencias de pocos nucleótidos, normalmente entre cuatro y ocho, y pueden dar lugar a extremos cohesivos o a extremos romos.

El tratamiento con endonucleasas de restricción origina fragmentos de ADN con características diversas según la enzima usada.

Se conocen más de cien enzimas de restricción, las cuales se comercializan para ser utilizados en ingeniería genética.

Unión de los fragmentos a un ADN vector

Después del tratamiento con enzimas de restricción, incorporaremos los fragmentos obtenidos a un ADN vector, normalmente un plásmido, que debe haber sido seleccionado previamente, ya que es importante que reúna estas características:

• Ha de tener una sola diana de restricción para la enzima utilizada. Si presentase más de una, el plásmido se partiría en diversos trozos, lo que dificultaría la unión posterior de todos los fragmentos de ADN.

• No debe contener genes que puedan tener efectos virulentos sobre la célula receptora.

• Es importante que contenga dos genes que le confieran resistencia a dos antibióticos diferentes, a los que, de forma genérica, llamaremos antibiótico A y antibiótico B.

Uno de estos dos genes, supongamos que el de resistencia al antibiótico A, ha de incluir en su secuencia la diana de restricción. Esta condición es imprescindible para poder identificar, posteriormente, las células que hayan incorporado el plásmido y garantizar que dicho plásmido contenga el fragmento de ADN.

Para facilitar la unión entre el fragmento de ADN y el plásmido conviene que ambos hayan sido cortados por la misma enzima de restricción.

Dependiendo del tipo de diana sobre la que actúe la enzima de restricción, se deberán realizar diferentes procesos:

• Si se trata de una enzima como EcoR I, los extremos monocatenarios que se obtienen son cohesivos.

• Si se trata de una enzima como Hae III, podemos añadir a los extremos de los fragmentos de ADN un trozo de cadena sencilla formado por un solo tipo de nucleótido, mediante la transferasa terminal. A los extremos del plásmido añadiremos un fragmento formado por la repetición del nucleótido complementario del anterior para formar extremos cohesivos artificialmente.

Independientemente de la enzima de restricción usado, una vez que se han producido las uniones correspondientes por complementariedad de bases, la ADN ligasa sella las discontinuidades entre los diversos fragmentos.

Introducción del ADN recombinante en la célula receptora

A continuación, se incuba el plásmido obtenido de la recombinación junto con el cultivo de bacterias específicamente seleccionados. En las condiciones adecuadas, el plásmido se incorpora a las células bacterianas.

Identificación del ADN clonado

Aunque las condiciones sean las más favorables, en cada fase se produce un porcentaje de errores que afectan tanto a la unión entre el plásmido y el ADN que se tiene que clonar como a la incorporación del plásmido a las células bacterianas. Por este motivo, en el cultivo se encuentran:

• Células que han incorporado el plásmido que, a su vez, contiene el fragmento de ADN que se quiere clonar. Son resistentes al antibiótico A, pero sensibles al antibiótico B.

• Células que han incorporado un plásmido que no contiene el fragmento de ADN. Son resistentes a los dos antibióticos.

• Células que no han incorporado el plásmido. Son sensibles a los dos antibióticos. Para la correcta identificación se obtiene una placa de cultivo de bacterias así como su placa calco.

A continuación, se deben identificar las colonias que hayan incorporado el plásmido con el gen que queremos clonar. Dichas colonias serán resistentes al antibiótico A pero sensibles al antibiótico B (el gen introducido interrumpe la secuencia del gen de resistencia al antibiótico B).

Para detectarlas trataremos las dos placas con antibiótico A para eliminar las colonias que no han incorporado el plásmido. Después, trataremos con el antibiótico B la placa calco para identificar las que tienen el plásmido con el gen. Compararemos la placa calco con la de referencia para identificar las colonias que nos interesan.

A partir de este momento, se dispone de diversas colonias de bacterias que contienen un fragmento de ADN procedente de otro organismo. En las condiciones adecuadas, se obtendrá un gran número de copias de este fragmento de ADN. Con dicho método puede fragmentarse todo el ADN de un organismo e incluir los fragmentos en diversas colonias de bacterias, de manera que cada colonia contenga un fragmento del genoma y entre todas las colonias se almacene el genoma completo.

Así se constituyen las genotecas, que permiten estudiar el genoma de los organismos identificando los genes que contienen y descifrando su actividad.

La clonación de Dolly

El caso más famoso de clonación de individuos fue el de la oveja Dolly. Este proyecto de ingeniería genética se desarrolló en 1996 en el Roslin Institute de Edimburgo, Escocia; donde los investigadores Keith Campbell e Ian Wilmut llevaron a cabo con éxito la transferencia de un núcleo de célula somática de oveja y su implantación en un óvulo no fecundado de otra oveja. De esta forma nació Dolly, el primer mamífero clonado a partir de un individuo adulto.

El éxito del nacimiento de Dolly se basó en que los investigadores consiguieron coordinar los ciclos de replicación del ADN del núcleo de la célula de la oveja donante con el ciclo de producción de ARN del óvulo receptor. Conseguir esta sincronización no es sencillo por lo que este tipo de clonaciones todavía es difícil de conseguir. Además, la mayoría de los animales clonados que nacen mediante esta técnica sufren patologías, en algunos casos letales, lo que hace replantearse si es ético seguir clonando individuos con estas técnicas.

Los avances en clonación han llegado ya a varios países de Europa, Asia, Norteamérica y Oceanía. En Latinoamérica, se empezaron a desarrollar estas técnicas en 2001 y en 2002 se anunció en Argentina la clonación de un ternero como parte de un proyecto dedicado a la producción de alimentos mediante la introducción de genes. De esta forma, en 2003 se anunció que una de las terneras clonadas estaba produciendo leche con hormona del crecimiento humano.

Ingeniería genética y el cáncer

Cuando una célula pierde la capacidad de regular su ciclo celular, comienza a reproducirse de forma descontrolada transformándose en una célula cancerosa. No responden a los factores de crecimiento ni detienen su división por la presencia de otras células.

Un organismo puede generar numerosas células cancerosas a lo largo de su vida y que son eliminadas de forma natural por el sistema inmune. Algunas de estas células, si no son eliminadas, forman un tumor, esto es, una masa de células cancerosas que proliferan sin detener su división. En algunas ocasiones, estos tumores permanecen en una masa compacta sin moverse del tejido al que pertenecen y pueden extraerse por completo, por lo que se considera tumor benigno. Sin embargo, los tumores pueden invadir otros tejidos e impiden su funcionamiento normal. En este caso se habla de tumor maligno, y puede provocar que el órgano donde se encuentre deje de funcionar y provoque la muerte del individuo. En ocasiones, las células cancerosas pueden desprenderse y pasar al torrente sanguíneo, desde donde podrán invadir otros tejidos y formar nuevos tumores. A este fenómeno lo denominamos metástasis.

Los estudios más recientes sobre el cáncer han demostrado que existen unos genes denominados oncogenes que estimulan la división no controlada de las células. Estos genes están implicados en la regulación del ciclo celular y, cuando se ven alterados, provocan la aparición de tumores. También se ha descubierto la existencia de genes supresores de tumores que son capaces de regular el ciclo celular y, por tanto, pueden detener la división celular y la formación de tumores. Dentro de este grupo encontramos el gen más estudiado en los últimos años, el gen p53 y que se encuentra dañado en el 50% de los casos de cáncer en seres humanos.

Al descubrir la relación de algunos genes con la formación de tumores y el desarrollo de cáncer, la ingeniería genética está realizando investigaciones sobre estos genes para poder conocer cómo se desarrollan estas células cancerosas y encontrar así una posible solución para su división no controlada.

Aunque aún no existe un tratamiento definitivo para el cáncer, los avances en la detección de estos genes permiten mejorar los diagnósticos y detectar los tumores cuando todavía son pequeños y no ha ocurrido metástasis. La ingeniería genética también ha permitido mejorar el uso de anticuerpos que atacan a las células cancerosas (aunque todavía se debe mejorar, ya que estos anticuerpos también atacan a células normales). Actualmente, se trabaja en la síntesis de sustancias que inhiben el metabolismo de células cancerosas, lo que provocaría la muerte de este tipo de células y frenaría el crecimiento de los tumores.