Naturaleza del gen
y el genoma
Concepto de gen como unidad de la herencia
la genética apareció alrededor del año 1860 con el trabajo de Gregor Mendel.
Mendel trabajo cruzando plantas de guisantes y decidió enfocarse en siete caracteres o rasgos muy definibles, como la altura de la planta y el color de sus flores, estos últimos aparecidos en dos formas alternativas reconocibles con claridad.
llegó a las siguientes conclusiones, que se describen con la terminología genética actual:
Las características de las plantas dependían de factores de herencia (genes).
Cada célula germinativa generada por una planta sólo tenía una copia del gen correspondiente a cada característica
Los dos alelos que controlan un rasgo permanecen unidos durante toda la vida, pero se separan (o segregan)
durante la formación de los gametos.
La separación de los dos alelos correspondientes de un rasgo no tiene efecto sobre la separación de los alelos de otro rasgo, son independientes.
Cromosomas: portadores físicos de los genes
Descubrimiento de los cromosomas
Las observaciones de células en
división que llevó a cabo Walther Flemming en la década de 1880 revelaron que los elementos del contenido citoplásmico permanecen en una u otra células hijas al azar.
Durante la división
celular, el material del núcleo se organizaba en “filamentos” llamados actualmente cromosomas
en 1887 el biólogo alemán August Weismann propuso que la
meiosis incluía una “división reducida” durante la cual el número
de cromosomas disminuía a la mitad después de la formación de
los gametos.
Cromosomas como portadores
de la información genética
En 1903, Walter Sutton, graduado de la Columbia University, publicó un artículo en el que destacó de manera directa a los cromosomas como portadores físicos de los factores genéticos de Mendel.
Analisis genetico de drosophila
En 1909 Thomas Hunt Morgan, de la Columbia
University, lo consideró que Drosophila era el organismo perfecto e inició lo que
después fue el principio de una nueva era en la investigación genética.
Después de criar miles de moscas, logró su primer mutante, es decir, un individuo con una característica hereditaria que lo diferenciaba del tipo silvestre.
Las mutaciones son un suceso necesario para la evolución,
pero también son una herramienta para los genetistas, un signo
contra el cual se puede comparar el estado silvestre.
Entrecruzamiento recombinado
En 1911, Morgan formuló una explicación para la “rotura” del ligamiento. Dos años antes, F.A. Janssens observó que cromosomas homólogos de los bivalentes se entrelazaban en la etapa temprana de la meiosis.
Morgan sugirió que este fenómeno, que
denominó entrecruzamiento (o recombinación genética), podría
explicar la aparición de la descendencia (recombinantes) de
modo tal que surgen combinaciones inesperadas de características
genéticas.
Mutagénesis y cromosomas gigantes
El redescubrimiento de los cromosomas gigantes de ciertas
células de insectos, que efectuó en 1933 Theophilus Painter.
Las cadenas de DNA duplicado
permanecen unidas en un ordenamiento perfecto lado con
lado y crean un cromosoma gigante,
de hasta 1 024 veces el número de cadenas de DNA de los cromosomas
normales.
Estos cromosomas raros, llamados cromosomas politénicos,
tienen detalles visuales abundantes y en ellos se reconocen
alrededor de 5 000 bandas cuando se tiñen y examinan al microscopio.
Naturaleza química del gen
Estructura de DNA
El ADN consiste en dos moléculas parecidas a cadenas (polinucleótidos) que se tuercen alrededor de la otra para formar la clásica doble hélice. La maquinaria de la célula forma cadenas de polinucleótidos al unir cuatro nucleótidos. Los nucleótidos, que son utilizados para construir las cadenas del ADN, son adenina (A), guanina (G), citosina (C), y timina (T). El ADN alberga la información requerida para crear todos los polipéptidos utilizados por la célula.
Los nucleótidos tienen una estructura polarizada: un extremo donde se localiza el fosfato y se conoce como el extremo 5', mientras el otro extremo es el 3' terminal.
La propuesta de Watson y Crick
Watson y Crick propusieron un modelo de la estructura del
DNA que incluye los siguientes elementos:
1. La molécula se integra con dos cadenas de nucleótidos.
2. Las dos cadenas se enrollan en espiral una alrededor de la
otra, formando un par de hélices dextrógiras.
3. Las dos cadenas comprenden una doble hélice que discurre
en dirección opuesta, esto es, son antiparalelas
4. El esqueleto (azúcar-fosfato-azúcar-fosfato) se localiza en el exterior de la molécula con dos grupos de bases que se proyectan hacia el centro.
5. Las bases ocupan planos más o menos perpendiculares al eje
longitudinal de la molécula y por lo tanto se colocan una sobre
otra como platos apilados.
6. Las dos cadenas se conservan unidas mediante puentes de
hidrógeno entre las bases de una cadena y sus correspondientes
bases sobre la otra cadena.
7. La distancia del esqueleto del átomo de fosfato al centro del
eje es de 1 nm (en consecuencia, el ancho de la doble hélice
es de 2 nm).
8. Una pirimidina en una cadena está siempre pareada con una
purina en la cadena complementaria.
9. Los átomos de nitrógeno unidos al cuarto carbono de la citosina
y al sexto de la adenina muestran de manera predominante la configuración amino (NH2) y no la forma imino (NH).
10. Los espacios entre los giros que forman la hélice crean dos
surcos de diferente amplitud (un surco más amplio llamado
surco mayor y uno más estrecho denominado surco menor), que
rodean en espiral la superficie externa de la doble hélice
11. La doble hélice realiza una vuelta completa cada 10 residuos
de nucleótido (3.4 nm) o 150 vueltas por cada millón de dáltones
de masa molecular.
12. Debido a que una A en una cadena está siempre unida a una
T en la otra cadena, y una G a una C, la secuencia de nucleótidos
de las dos cadenas siempre es fija en relación con la
otra.
DNA superenrrollado
Análisis posteriores indicaron que la molécula de DNA
que se sedimenta con mayor rapidez tiene una forma más compacta porque la molécula se enrolló sobre sí misma, algo muy parecido a una liga cuyos dos extremos se enrollan en direcciones opuestas o un cable de teléfono enrollado sobre
sí mismo luego de usarse. Este estado del DNA se conoce como
superenrollado.
Las células dependen de enzimas para cambiar el estado de
superenrollamiento del DNA dúplex. Estas enzimas se conocen
como topoisomerasas porque cambian la topología del DNA.
Estructura del genoma
Desnaturalización del DNA
La desnaturalización de ácidos nucleicos como el ADN por altas temperaturas produce una separación de la doble hélice, que ocurre porque los enlaces o puentes de hidrógeno se rompen.
Renaturalización del DNA
Renaturalización es el proceso mediante el que dos cadenas sencillas de ácido desoxirribonucleico se combinan para formar ADN de doble cadena.
Complejidad de los genomas virales y bacterianos
Son varios los factores que determinan la frecuencia de renaturalización
de una preparación de DNA. Éstos son los siguientes:
1) fuerza iónica de la solución
2) temperatura de incubación
3) concentración de DNA
4) periodo de incubación
5) tamaño de las moléculas que interactúan.
Complejidad de los genomas eucariotas
Cuando se permite que fragmentos de DNA de plantas yanimales se renaturalicen, la curva típica muestra tres tipos distintos, que corresponden a la renaturalización de tres clases de secuencias de DNA.
Las tres clases se denominan fracción muy repetida, fracción moderadamente
repetida y fracción no repetida.
Las tres clases se renaturalizan a diferente velocidad porque difieren
en cuanto al número de veces que su secuencia de nucleótidos se repite dentro de la población de fragmentos.
Ahora que el genoma humano se ha secuenciado y analizado
se dispone de una medida relativamente precisa de las secuencias de DNA que codifican las secuencias de aminoácidos de las proteínas, la cual es muy pequeña.
Estabilidad del genoma
Duplicación completa del genoma
(poliploidización)
Entre los animales, el anfibio más estudiado es el
Xenopus laevis, que tiene dos veces el número de cromosomas que su primo X. tropicalis. Estos tipos de discrepancias
pueden explicarse por un proceso conocido como duplicación
completa del genoma, o poliploidización.
Duplicación y modificación de secuencias del DNA
la duplicación
génica, que se refiere a la duplicación de una pequeña
porción de un solo cromosoma, sucede con una frecuencia sorprendentemente alta y su ocurrencia se documenta por medio del
análisis genómico.
“Genes saltarines” y la naturaleza
dinámica del genoma
Se concluyó que ciertos elementos genéticos experimentaron
movimiento de un lugar en un cromosoma a un sitio
por entero diferente. Se nombró a estas reconfiguraciones
genéticas transposiciones y a las entidades genéticas
móviles elementos transponibles. Entre tanto, los biólogos moleculares
que trabajaban con bacterias no encontraron evidenciade estos “genes saltarines”.
Secuenciacion de genomas: la base genetica del humano
En el año 2001 se publicó un primer informe
de la secuencia nucleotídica de todo el genoma humano.
Genómica comparativa: “si se conserva,
debe ser importante”
Al comparar regiones del genoma de dos especies relacionadas de manera distante, como las del ser humano y el ratón, es posible identificar las regiones muy conservadas por decenas de millones de años.
La base genética de “el ser humano”
Los investigadores han podido identificar cientos de genes
en el linaje humano que evolucionan a un ritmo más rápido que el
de fondo (o neutro), al parecer en respuesta a la selección natural.
Sin embargo, no está claro cuál de estos genes, si es que lo hay,
contribuye a “hacernos humanos”.
Variación genética dentro
de la población humana
Los polimorfismos genéticos son sitios en el genoma que varían de un individuo a otro.
Variación de la secuencia de DNA
El tipo más común de
variabilidad genética en seres humanos se presenta en sitios del
genoma en que ocurren variaciones de nucleótidos individuales
de un miembro a otro de la población. Estos sitios se denominan
polimorfismos de nucleótidos individuales (SNP, single nucleotide
polymorphisms).
Variación estructural
algunos segmentos de genoma pueden cambiar como resultado
de duplicaciones, deleciones, inserciones, inversiones (cuando un
fragmento de DNA se encuentra con orientación invertida) y
otros fenómenos.