Genética

La genética es una rama de la biología que se ocupa del estudio de genes, variación genética y herencia en organismos.

Aunque la herencia se había observado durante milenios, Gregor Mendel, un científico y fraile agustino que trabajó en el siglo XIX, fue el primero en estudiar la genética científicamente. Mendel estudió la "herencia de rasgos", patrones en la forma en que los rasgos se transmiten de padres a hijos. Observó que los organismos (plantas de guisantes) heredan rasgos a través de "unidades de herencia" discretas. Este término, que todavía se utiliza hoy en día, es una definición algo ambigua de lo que se conoce como gen.

La herencia de rasgos y los mecanismos de herencia molecular de los genes siguen siendo principios primarios de la genética en el siglo XXI, pero la genética moderna se ha expandido más allá de la herencia para estudiar la función y el comportamiento de los genes. La estructura y función de los genes, la variación y la distribución se estudian dentro del contexto de la célula, el organismo (por ejemplo, dominancia) y dentro del contexto de una población. La genética ha dado lugar a una serie de subcampos, incluida la genética molecular, la epigenética y la genética de poblaciones. Los organismos estudiados dentro del amplio campo abarcan los dominios de la vida (arqueas, bacterias y eucarias).

Los procesos genéticos funcionan en combinación con el entorno y las experiencias de un organismo para influir en el desarrollo y el comportamiento, a menudo denominados naturaleza versus nutrir. El entorno intracelular o extracelular de una célula u organismo vivo puede activar o desactivar la transcripción de genes. Un ejemplo clásico son dos semillas de maíz genéticamente idénticas, una colocada en un clima templado y la otra en un clima árido (sin suficiente cascada o lluvia). Si bien la altura promedio de los dos tallos de maíz puede determinarse genéticamente como igual, el de clima árido solo crece a la mitad de la altura del de clima templado debido a la falta de agua y nutrientes en su entorno.

Contenidos

Etimología

La palabra genética proviene del griego antiguo γενετικός genetikos que significa "genitivo" / "generativo", que a su vez deriva de γένεσις genesis que significa "origen".

Historia

La observación de que los seres vivos heredan rasgos de sus padres se ha utilizado desde tiempos prehistóricos para mejorar las plantas de cultivo y los animales a través de la cría selectiva. La ciencia moderna de la genética, buscando comprender este proceso, comenzó con el trabajo del fraile agustino Gregor Mendel a mediados del siglo XIX.

Antes de Mendel, Imre Festetics, un noble húngaro, que vivía en Kőszeg antes que Mendel, fue el primero en utilizar la palabra "genética". Describió varias reglas de la herencia genética en su trabajo La ley genética de la naturaleza (Die genetische Gesätze der Natur, 1819). Su segunda ley es la misma que publicó Mendel. En su tercera ley, desarrolló los principios básicos de la mutación (se le puede considerar un precursor de Hugo de Vries).

Otras teorías de la herencia precedieron al trabajo de Mendel. Una teoría popular durante el siglo XIX, e implícita en Sobre el origen de las especies de Charles Darwin de 1859, era la herencia combinada: la idea de que los individuos heredan una combinación uniforme de rasgos de sus padres. El trabajo de Mendel proporcionó ejemplos en los que los rasgos definitivamente no se combinaron después de la hibridación, lo que demuestra que los rasgos se producen mediante combinaciones de genes distintos en lugar de una combinación continua. La combinación de rasgos en la progenie ahora se explica por la acción de múltiples genes con efectos cuantitativos. Otra teoría que tuvo cierto apoyo en ese momento fue la herencia de características adquiridas: la creencia de que los individuos heredan rasgos fortalecidos por sus padres. Ahora se sabe que esta teoría (comúnmente asociada con Jean-Baptiste Lamarck) es incorrecta: las experiencias de los individuos no afectan los genes que transmiten a sus hijos, aunque la evidencia en el campo de la epigenética ha revivido algunos aspectos de la teoría de Lamarck. Otras teorías incluyeron la pangénesis de Charles Darwin (que tenía aspectos tanto adquiridos como heredados) y la reformulación de la pangénesis de Francis Galton como particulada y heredada.

Genética mendeliana y clásica

La genética moderna comenzó con los estudios de Mendel sobre la naturaleza de la herencia en las plantas. En su artículo " Versuche über Pflanzenhybriden " ("Experimentos sobre hibridación de plantas"), presentado en 1865 a la Naturforschender Verein (Sociedad para la Investigación en la Naturaleza) en Brünn, Mendel trazó los patrones de herencia de ciertos rasgos en las plantas de guisantes y los describió matemáticamente. Aunque este patrón de herencia solo se pudo observar para algunos rasgos, el trabajo de Mendel sugirió que la herencia era particulada, no adquirida, y que los patrones de herencia de muchos rasgos podrían explicarse mediante reglas y proporciones simples.

La importancia del trabajo de Mendel no se entendió ampliamente hasta 1900, después de su muerte, cuando Hugo de Vries y otros científicos redescubrieron su investigación. William Bateson, un proponente de la obra de Mendel, acuñó la palabra genética en 1905 (el adjetivo genética , derivado de la palabra griega genesis —γένεσις, "origen", es anterior al sustantivo y se utilizó por primera vez en un sentido biológico en 1860). Bateson actuó como mentor y fue ayudado significativamente por el trabajo de otros científicos de Newnham College en Cambridge, específicamente el trabajo de Becky Saunders, Nora Darwin Barlow y Muriel Wheldale Onslow. Bateson popularizó el uso de la palabra genética para describir el estudio de la herencia en su discurso inaugural en la Tercera Conferencia Internacional sobre Hibridación de Plantas en Londres en 1906.

Después del redescubrimiento de Mendel trabajo, los científicos intentaron determinar qué moléculas en la célula eran responsables de la herencia. En 1900, Nettie Stevens comenzó a estudiar el gusano de la harina. Durante los siguientes 11 años, descubrió que las mujeres solo tenían el cromosoma X y los hombres, los cromosomas X e Y. Pudo concluir que el sexo es un factor cromosómico y lo determina el hombre. En 1911, Thomas Hunt Morgan argumentó que los genes están en los cromosomas, basándose en observaciones de una mutación del ojo blanco ligada al sexo en las moscas de la fruta. En 1913, su alumno Alfred Sturtevant utilizó el fenómeno del enlace genético para mostrar que los genes están dispuestos linealmente en el cromosoma.

Genética molecular

Aunque los genes se Se sabe que existen en los cromosomas, los cromosomas están compuestos tanto de proteínas como de ADN, y los científicos no sabían cuál de los dos es responsable de la herencia. En 1928, Frederick Griffith descubrió el fenómeno de la transformación (ver el experimento de Griffith): las bacterias muertas podían transferir material genético para "transformar" otras bacterias aún vivas. Dieciséis años después, en 1944, el experimento de Avery-MacLeod-McCarty identificó al ADN como la molécula responsable de la transformación. El papel del núcleo como depósito de información genética en eucariotas había sido establecido por Hämmerling en 1943 en su trabajo sobre el alga unicelular Acetabularia . El experimento Hershey-Chase en 1952 confirmó que el ADN (en lugar de la proteína) es el material genético de los virus que infectan a las bacterias, lo que proporciona más pruebas de que el ADN es la molécula responsable de la herencia.

James Watson y Francis Crick determinó la estructura del ADN en 1953, utilizando el trabajo de cristalografía de rayos X de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins que indicó que el ADN tiene una estructura helicoidal (es decir, con forma de sacacorchos). Su modelo de doble hélice tenía dos hebras de ADN con los nucleótidos apuntando hacia adentro, cada uno con un nucleótido complementario en la otra hebra para formar lo que parecen peldaños en una escalera retorcida. Esta estructura mostró que existe información genética en la secuencia de nucleótidos en cada hebra de ADN. La estructura también sugirió un método simple de replicación: si las hebras se separan, se pueden reconstruir nuevas hebras asociadas para cada una en función de la secuencia de la hebra antigua. Esta propiedad es lo que le da al ADN su naturaleza semi-conservadora donde una hebra de ADN nuevo es de una hebra parental original.

Aunque la estructura del ADN mostraba cómo funciona la herencia, todavía no se sabía cómo influye el ADN en la comportamiento de las células. En los años siguientes, los científicos intentaron comprender cómo el ADN controla el proceso de producción de proteínas. Se descubrió que la célula usa ADN como plantilla para crear ARN mensajero coincidente, moléculas con nucleótidos muy similares al ADN. La secuencia de nucleótidos de un ARN mensajero se usa para crear una secuencia de aminoácidos en una proteína; esta traducción entre secuencias de nucleótidos y secuencias de aminoácidos se conoce como código genético.

Con la recién descubierta comprensión molecular de la herencia, se produjo una explosión de investigación. Una teoría notable surgió de Tomoko Ohta en 1973 con su enmienda a la teoría neutral de la evolución molecular mediante la publicación de la teoría casi neutral de la evolución molecular. En esta teoría, Ohta enfatizó la importancia de la selección natural y el medio ambiente en la velocidad a la que ocurre la evolución genética. Un avance importante fue la secuenciación de ADN de terminación de cadena en 1977 por Frederick Sanger. Esta tecnología permite a los científicos leer la secuencia de nucleótidos de una molécula de ADN. En 1983, Kary Banks Mullis desarrolló la reacción en cadena de la polimerasa, que proporciona una forma rápida de aislar y amplificar una sección específica de ADN de una mezcla. Los esfuerzos del Proyecto Genoma Humano, el Departamento de Energía, los NIH y los esfuerzos privados paralelos de Celera Genomics llevaron a la secuenciación del genoma humano en 2003.

Características de la herencia

Discretas herencia y leyes de Mendel

En su nivel más fundamental, la herencia en los organismos se produce al pasar unidades hereditarias discretas, llamadas genes, de padres a hijos. Esta propiedad fue observada por primera vez por Gregor Mendel, quien estudió la segregación de rasgos hereditarios en plantas de guisantes. En sus experimentos que estudiaron el rasgo del color de las flores, Mendel observó que las flores de cada planta de guisantes eran púrpuras o blancas, pero nunca intermedias entre los dos colores. Estas versiones diferentes y discretas del mismo gen se denominan alelos.

En el caso del guisante, que es una especie diploide, cada planta individual tiene dos copias de cada gen, una copia heredada de cada padre. Muchas especies, incluidos los humanos, tienen este patrón de herencia. Los organismos diploides con dos copias del mismo alelo de un gen determinado se denominan homocigotos en ese locus del gen, mientras que los organismos con dos alelos diferentes de un gen determinado se denominan heterocigotos.

El conjunto de alelos de un organismo determinado se denomina genotipo, mientras que los rasgos observables del organismo se denominan fenotipo. Cuando los organismos son heterocigotos en un gen, a menudo un alelo se llama dominante porque sus cualidades dominan el fenotipo del organismo, mientras que el otro alelo se llama recesivo porque sus cualidades retroceden y no se observan. Algunos alelos no tienen dominancia completa y, en cambio, tienen dominancia incompleta al expresar un fenotipo intermedio, o codominancia al expresar ambos alelos a la vez.

Cuando un par de organismos se reproducen sexualmente, su descendencia hereda aleatoriamente uno de los dos. alelos de cada padre. Estas observaciones de herencia discreta y la segregación de alelos se conocen colectivamente como la primera ley de Mendel o la Ley de Segregación.

Notación y diagramas

Los genetistas usan diagramas y símbolos para describir la herencia. Un gen está representado por una o unas pocas letras. A menudo, se usa un símbolo "+" para marcar el alelo no mutante habitual de un gen.

En experimentos de fertilización y reproducción (y especialmente cuando se habla de las leyes de Mendel), los padres se denominan "P "generación y la descendencia como la generación" F1 "(primera filial). Cuando los descendientes F1 se aparean entre sí, los descendientes se denominan generación "F2" (segunda filial). Uno de los diagramas más comunes que se utilizan para predecir el resultado del cruzamiento es el cuadro de Punnett.

Al estudiar las enfermedades genéticas humanas, los genetistas suelen utilizar cuadros genealógicos para representar la herencia de rasgos. Estos gráficos trazan un mapa de la herencia de un rasgo en un árbol genealógico.

Interacciones de múltiples genes

Los organismos tienen miles de genes y, en los organismos que se reproducen sexualmente, estos genes generalmente se clasifican independientemente unos de otros. Esto significa que la herencia de un alelo del color del guisante amarillo o verde no está relacionada con la herencia de los alelos de las flores blancas o púrpuras. Este fenómeno, conocido como "la segunda ley de Mendel" o la "ley del surtido independiente", significa que los alelos de diferentes genes se mezclan entre los padres para formar descendientes con muchas combinaciones diferentes. (Algunos genes no se clasifican de forma independiente, lo que demuestra un vínculo genético, un tema que se analiza más adelante en este artículo).

A menudo, diferentes genes pueden interactuar de una manera que influye en el mismo rasgo. En la María de ojos azules ( Omphalodes verna ), por ejemplo, existe un gen con alelos que determinan el color de las flores: azul o magenta. Sin embargo, otro gen controla si las flores tienen color o son blancas. Cuando una planta tiene dos copias de este alelo blanco, sus flores son blancas, independientemente de si el primer gen tiene alelos azul o magenta. Esta interacción entre genes se denomina epistasis, y el segundo gen es epistático al primero.

Muchos rasgos no son rasgos diferenciados (por ejemplo, flores púrpuras o blancas) sino que son características continuas (por ejemplo, la altura y el color de la piel humanos) . Estos rasgos complejos son producto de muchos genes. La influencia de estos genes está mediada, en diversos grados, por el entorno que ha experimentado un organismo. El grado en que los genes de un organismo contribuyen a un rasgo complejo se llama heredabilidad. La medición de la heredabilidad de un rasgo es relativa; en un entorno más variable, el entorno tiene una mayor influencia en la variación total del rasgo. Por ejemplo, la estatura humana es un rasgo con causas complejas. Tiene una heredabilidad del 89% en los Estados Unidos. En Nigeria, sin embargo, donde las personas experimentan un acceso más variable a una buena nutrición y atención médica, la altura tiene una heredabilidad de solo el 62%.

Base molecular para la herencia

ADN y cromosomas

La base molecular de los genes es el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN está compuesto por una cadena de nucleótidos, de los cuales hay cuatro tipos: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). La información genética existe en la secuencia de estos nucleótidos y los genes existen como tramos de secuencia a lo largo de la cadena de ADN. Los virus son la única excepción a esta regla; a veces, los virus usan una molécula de ARN muy similar en lugar de ADN como material genético. Los virus no se pueden reproducir sin un huésped y no se ven afectados por muchos procesos genéticos, por lo que no suelen considerarse organismos vivos.

El ADN normalmente existe como una molécula de doble hebra, enrollada en forma de doble hélice. Cada nucleótido en el ADN se empareja preferentemente con su nucleótido compañero en la hebra opuesta: A se empareja con T y C se empareja con G. Por lo tanto, en su forma de dos hebras, cada hebra contiene efectivamente toda la información necesaria, redundante con su hebra asociada. Esta estructura del ADN es la base física de la herencia: la replicación del ADN duplica la información genética al dividir las hebras y usar cada hebra como plantilla para la síntesis de una nueva hebra asociada.

Los genes están dispuestos linealmente a lo largo de largas cadenas. de secuencias de pares de bases de ADN. En las bacterias, cada célula generalmente contiene un único genóforo circular, mientras que los organismos eucariotas (como plantas y animales) tienen su ADN dispuesto en múltiples cromosomas lineales. Estas hebras de ADN suelen ser extremadamente largas; el cromosoma humano más grande, por ejemplo, tiene aproximadamente 247 millones de pares de bases de longitud. El ADN de un cromosoma está asociado con proteínas estructurales que organizan, compactan y controlan el acceso al ADN, formando un material llamado cromatina; en eucariotas, la cromatina suele estar compuesta de nucleosomas, segmentos de ADN enrollados alrededor de núcleos de proteínas histonas. El conjunto completo de material hereditario en un organismo (generalmente las secuencias de ADN combinadas de todos los cromosomas) se llama genoma.

El ADN se encuentra con mayor frecuencia en el núcleo de las células, pero Ruth Sager ayudó en el descubrimiento de genes no cromosómicos que se encuentran fuera del núcleo. En las plantas, estos se encuentran a menudo en los cloroplastos y en otros organismos, en las mitocondrias. Estos genes no cromosómicos aún pueden ser transmitidos por cualquiera de las parejas en la reproducción sexual y controlan una variedad de características hereditarias que se replican y permanecen activas a lo largo de generaciones.

Si bien los organismos haploides tienen solo una copia de cada cromosoma, la mayoría de los animales y muchas plantas son diploides, contienen dos de cada cromosoma y, por tanto, dos copias de cada gen. Los dos alelos de un gen están ubicados en loci idénticos de los dos cromosomas homólogos, cada alelo heredado de un padre diferente.

Muchas especies tienen los llamados cromosomas sexuales que determinan el género de cada organismo. En los seres humanos y muchos otros animales, el cromosoma Y contiene el gen que desencadena el desarrollo de las características específicamente masculinas. En la evolución, este cromosoma ha perdido la mayor parte de su contenido y también la mayoría de sus genes, mientras que el cromosoma X es similar a los otros cromosomas y contiene muchos genes. Dicho esto, Mary Frances Lyon descubrió que hay inactivación del cromosoma X durante la reproducción para evitar transmitir el doble de genes a la descendencia. El descubrimiento de Lyon condujo al descubrimiento de otras cosas, incluidas las enfermedades ligadas al cromosoma X. Los cromosomas X e Y forman un par fuertemente heterogéneo.

Reproducción

Cuando las células se dividen, se copia su genoma completo y cada célula hija hereda una copia. Este proceso, llamado mitosis, es la forma más simple de reproducción y es la base para la reproducción asexual. La reproducción asexual también puede ocurrir en organismos multicelulares, produciendo descendientes que heredan su genoma de un solo padre. Los descendientes que son genéticamente idénticos a sus padres se denominan clones.

Los organismos eucariotas a menudo utilizan la reproducción sexual para generar descendientes que contienen una mezcla de material genético heredado de dos padres diferentes. El proceso de reproducción sexual alterna entre formas que contienen copias simples del genoma (haploide) y copias dobles (diploide). Las células haploides se fusionan y combinan material genético para crear una célula diploide con cromosomas emparejados. Los organismos diploides forman haploides al dividirse, sin replicar su ADN, para crear células hijas que heredan al azar uno de cada par de cromosomas. La mayoría de los animales y muchas plantas son diploides durante la mayor parte de su vida, y la forma haploide se reduce a gametos unicelulares, como los espermatozoides o los óvulos.

Aunque no utilizan el método haploide / diploide de reproducción sexual, las bacterias tienen muchos métodos para adquirir nueva información genética. Algunas bacterias pueden experimentar conjugación, transfiriendo un pequeño trozo circular de ADN a otra bacteria. Las bacterias también pueden tomar fragmentos de ADN sin procesar que se encuentran en el medio ambiente e integrarlos en sus genomas, un fenómeno conocido como transformación. Estos procesos dan como resultado una transferencia genética horizontal, que transmite fragmentos de información genética entre organismos que de otra manera no estarían relacionados. La transformación bacteriana natural ocurre en muchas especies bacterianas y puede considerarse como un proceso sexual para transferir ADN de una célula a otra (generalmente de la misma especie). La transformación requiere la acción de numerosos productos génicos bacterianos, y su función adaptativa primaria parece ser la reparación de los daños del ADN en la célula receptora.

Recombinación y ligamiento genético

La naturaleza diploide de los cromosomas permite que los genes de diferentes cromosomas se clasifiquen de forma independiente o se separen de su par homólogo durante la reproducción sexual en la que se forman los gametos haploides. De esta forma, pueden producirse nuevas combinaciones de genes en la descendencia de una pareja de apareamiento. Teóricamente, los genes del mismo cromosoma nunca se recombinarían. Sin embargo, lo hacen a través del proceso celular de cruce cromosómico. Durante el cruce, los cromosomas intercambian tramos de ADN, barajando efectivamente los alelos del gen entre los cromosomas. Este proceso de cruce cromosómico generalmente ocurre durante la meiosis, una serie de divisiones celulares que crea células haploides. La recombinación meiótica, particularmente en eucariotas microbianos, parece cumplir la función adaptativa de reparación de daños en el ADN.

La primera demostración citológica de cruzamiento fue realizada por Harriet Creighton y Barbara McClintock en 1931. Su investigación y experimentos sobre El maíz proporcionó evidencia citológica para la teoría genética de que los genes vinculados en los cromosomas emparejados de hecho intercambian lugares de un homólogo a otro.

La probabilidad de que ocurra un cruce cromosómico entre dos puntos dados del cromosoma está relacionada con la distancia entre los puntos. Para una distancia arbitrariamente larga, la probabilidad de cruce es lo suficientemente alta como para que la herencia de los genes no esté correlacionada. Sin embargo, para los genes que están más juntos, la menor probabilidad de cruzamiento significa que los genes demuestran un vínculo genético; Los alelos de los dos genes tienden a heredarse juntos. Las cantidades de enlace entre una serie de genes se pueden combinar para formar un mapa de enlace lineal que describe aproximadamente la disposición de los genes a lo largo del cromosoma.

Expresión génica

Código genético

Los genes generalmente expresan su efecto funcional a través de la producción de proteínas, que son moléculas complejas responsables de la mayoría de funciones en la célula. Las proteínas están formadas por una o más cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales está compuesta por una secuencia de aminoácidos, y la secuencia de ADN de un gen (a través de un intermedio de ARN) se usa para producir una secuencia de aminoácidos específica. Este proceso comienza con la producción de una molécula de ARN con una secuencia que coincide con la secuencia de ADN del gen, un proceso llamado transcripción.

Esta molécula de ARN mensajero se usa luego para producir una secuencia de aminoácidos correspondiente a través de un proceso llamado traducción . Cada grupo de tres nucleótidos en la secuencia, llamado codón, corresponde a uno de los veinte posibles aminoácidos en una proteína o una instrucción para terminar la secuencia de aminoácidos; esta correspondencia se llama código genético. El flujo de información es unidireccional: la información se transfiere de las secuencias de nucleótidos a la secuencia de aminoácidos de las proteínas, pero nunca se transfiere de la proteína a la secuencia de ADN, un fenómeno que Francis Crick llamó el dogma central de la biología molecular.

La secuencia específica de aminoácidos da como resultado una estructura tridimensional única para esa proteína, y las estructuras tridimensionales de las proteínas están relacionadas con sus funciones. Algunas son moléculas estructurales simples, como las fibras formadas por la proteína colágeno. Las proteínas pueden unirse a otras proteínas y moléculas simples, a veces actuando como enzimas facilitando reacciones químicas dentro de las moléculas unidas (sin cambiar la estructura de la proteína en sí). La estructura de la proteína es dinámica; la proteína hemoglobina se dobla en formas ligeramente diferentes ya que facilita la captura, transporte y liberación de moléculas de oxígeno dentro de la sangre de mamíferos.

Una única diferencia de nucleótidos dentro del ADN puede provocar un cambio en la secuencia de aminoácidos de una proteína. Debido a que las estructuras de las proteínas son el resultado de sus secuencias de aminoácidos, algunos cambios pueden cambiar drásticamente las propiedades de una proteína al desestabilizar la estructura o al cambiar la superficie de la proteína de una manera que cambie su interacción con otras proteínas y moléculas. Por ejemplo, la anemia de células falciformes es una enfermedad genética humana que resulta de una única diferencia de bases dentro de la región codificante de la sección de β-globina de la hemoglobina, lo que provoca un cambio de un solo aminoácido que cambia las propiedades físicas de la hemoglobina. Las versiones de células falciformes de la hemoglobina se adhieren a sí mismas y se apilan para formar fibras que distorsionan la forma de los glóbulos rojos que llevan la proteína. Estas células en forma de hoz ya no fluyen sin problemas a través de los vasos sanguíneos, y tienen una tendencia a obstruirse o degradarse, lo que causa los problemas médicos asociados con esta enfermedad.

Algunas secuencias de ADN se transcriben en ARN pero no se traducen en proteínas. productos: estas moléculas de ARN se denominan ARN no codificante. En algunos casos, estos productos se pliegan en estructuras que están involucradas en funciones celulares críticas (por ejemplo, ARN ribosómico y ARN de transferencia). El ARN también puede tener efectos reguladores a través de interacciones de hibridación con otras moléculas de ARN (por ejemplo, microARN).

Naturaleza y nutrición

Aunque los genes contienen toda la información que un organismo usa para funcionar, el medio ambiente juega un papel importante en la determinación de los fenotipos finales que muestra un organismo. La frase "naturaleza y crianza" se refiere a esta relación complementaria. El fenotipo de un organismo depende de la interacción de los genes y el medio ambiente. Un ejemplo interesante es la coloración del pelaje del gato siamés. En este caso, la temperatura corporal del gato juega el papel del medio ambiente. Los genes del gato codifican el pelo oscuro, por lo que las células productoras de pelo del gato producen proteínas celulares que dan como resultado el pelo oscuro. Pero estas proteínas productoras de cabello oscuro son sensibles a la temperatura (es decir, tienen una mutación que causa sensibilidad a la temperatura) y se desnaturalizan en ambientes con temperaturas más altas, sin producir pigmento de cabello oscuro en áreas donde el gato tiene una temperatura corporal más alta. Sin embargo, en un ambiente de baja temperatura, la estructura de la proteína es estable y produce pigmentos de cabello oscuro normalmente. La proteína sigue siendo funcional en las áreas de la piel que están más frías, como las patas, las orejas, la cola y la cara, por lo que el gato tiene pelo oscuro en las extremidades.

El medio ambiente juega un papel importante en los efectos del ser humano. fenilcetonuria enfermedad genética. La mutación que causa la fenilcetonuria altera la capacidad del cuerpo para descomponer el aminoácido fenilalanina, lo que provoca una acumulación tóxica de una molécula intermedia que, a su vez, provoca síntomas graves de discapacidad intelectual progresiva y convulsiones. Sin embargo, si alguien con la mutación de fenilcetonuria sigue una dieta estricta que evita este aminoácido, permanece normal y saludable.

Un método común para determinar cómo los genes y el medio ambiente ("naturaleza y crianza") contribuyen a una fenotipo implica el estudio de gemelos idénticos y fraternos, u otros hermanos de nacimientos múltiples. Los hermanos idénticos son genéticamente iguales ya que provienen del mismo cigoto. Mientras tanto, los gemelos fraternos son genéticamente tan diferentes entre sí como los hermanos normales. Al comparar la frecuencia con la que ocurre un determinado trastorno en un par de gemelos idénticos con la frecuencia con que ocurre en un par de gemelos fraternos, los científicos pueden determinar si ese trastorno es causado por factores ambientales genéticos o posnatales. Un ejemplo famoso involucró el estudio de los cuatrillizos Genain, que eran cuatrillizos idénticos todos diagnosticados con esquizofrenia; sin embargo, tales pruebas no pueden separar los factores genéticos de los factores ambientales que afectan el desarrollo fetal.

Regulación genética

El genoma de un organismo determinado contiene miles de genes, pero no todos estos genes necesitan estar activos en un momento dado. Un gen se expresa cuando se transcribe en ARNm y existen muchos métodos celulares para controlar la expresión de genes, de modo que las proteínas se producen solo cuando la célula las necesita. Los factores de transcripción son proteínas reguladoras que se unen al ADN, ya sea promoviendo o inhibiendo la transcripción de un gen. Dentro del genoma de la bacteria Escherichia coli , por ejemplo, existe una serie de genes necesarios para la síntesis del aminoácido triptófano. Sin embargo, cuando el triptófano ya está disponible para la célula, estos genes para la síntesis de triptófano ya no son necesarios. La presencia de triptófano afecta directamente la actividad de los genes: las moléculas de triptófano se unen al represor de triptófano (un factor de transcripción), cambiando la estructura del represor de tal manera que el represor se une a los genes. El represor de triptófano bloquea la transcripción y expresión de los genes, creando así una regulación por retroalimentación negativa del proceso de síntesis de triptófano.

Las diferencias en la expresión génica son especialmente claras dentro de los organismos multicelulares, donde las células contienen el mismo genoma pero tienen estructuras y comportamientos muy diferentes debido a la expresión de diferentes conjuntos de genes. Todas las células de un organismo multicelular derivan de una sola célula, diferenciándose en tipos celulares variantes en respuesta a señales externas e intercelulares y estableciendo gradualmente diferentes patrones de expresión génica para crear diferentes comportamientos. Como ningún gen es responsable del desarrollo de estructuras dentro de los organismos multicelulares, estos patrones surgen de las complejas interacciones entre muchas células.

Dentro de los eucariotas, existen características estructurales de la cromatina que influyen en la transcripción de genes, a menudo en forma de modificaciones del ADN y la cromatina que son heredadas de manera estable por las células hijas. Estas características se denominan "epigenéticas" porque existen "encima" de la secuencia de ADN y retienen la herencia de una generación celular a la siguiente. Debido a las características epigenéticas, los diferentes tipos de células que crecen dentro del mismo medio pueden conservar propiedades muy diferentes. Aunque las características epigenéticas son generalmente dinámicas a lo largo del desarrollo, algunas, como el fenómeno de la paramutación, tienen herencia multigeneracional y existen como raras excepciones a la regla general del ADN como base de la herencia.

Cambio genético

Mutaciones

Durante el proceso de replicación del ADN, ocasionalmente ocurren errores en la polimerización de la segunda hebra. Estos errores, llamados mutaciones, pueden afectar el fenotipo de un organismo, especialmente si ocurren dentro de la secuencia de codificación de proteínas de un gen. Las tasas de error suelen ser muy bajas (1 error por cada 10 a 100 millones de bases) debido a la capacidad de "corrección de pruebas" de las ADN polimerasas. Los procesos que aumentan la tasa de cambios en el ADN se denominan mutagénicos: las sustancias químicas mutagénicas promueven errores en la replicación del ADN, a menudo al interferir con la estructura del emparejamiento de bases, mientras que la radiación UV induce mutaciones al dañar la estructura del ADN. El daño químico al ADN también ocurre naturalmente y las células usan mecanismos de reparación del ADN para reparar fallas y roturas. Sin embargo, la reparación no siempre restaura la secuencia original. Una fuente particularmente importante de daños en el ADN parecen ser las especies reactivas de oxígeno producidas por la respiración celular aeróbica, y estas pueden conducir a mutaciones.

En organismos que usan el cruce cromosómico para intercambiar ADN y recombinar genes, los errores de alineación durante la meiosis también puede causar mutaciones. Los errores en el cruce son especialmente probables cuando secuencias similares hacen que los cromosomas asociados adopten una alineación errónea; esto hace que algunas regiones de los genomas sean más propensas a mutar de esta manera. Estos errores crean grandes cambios estructurales en la secuencia de ADN (duplicaciones, inversiones, deleciones de regiones enteras) o el intercambio accidental de partes completas de secuencias entre diferentes cromosomas (translocación cromosómica).

Selección y evolución natural

Las mutaciones alteran el genotipo de un organismo y ocasionalmente esto hace que aparezcan diferentes fenotipos. La mayoría de las mutaciones tienen poco efecto sobre el fenotipo, la salud o la capacidad reproductiva de un organismo. Las mutaciones que tienen un efecto suelen ser perjudiciales, pero en ocasiones algunas pueden ser beneficiosas. Los estudios en la mosca Drosophila melanogaster sugieren que si una mutación cambia una proteína producida por un gen, alrededor del 70 por ciento de estas mutaciones serán dañinas y el resto será neutral o débilmente beneficioso.

La genética de poblaciones estudia la distribución de las diferencias genéticas dentro de las poblaciones y cómo estas distribuciones cambian con el tiempo. Los cambios en la frecuencia de un alelo en una población están influenciados principalmente por la selección natural, donde un alelo dado proporciona una ventaja selectiva o reproductiva al organismo, así como otros factores como mutación, deriva genética, autostop genético, selección artificial y migración. .

A lo largo de muchas generaciones, los genomas de los organismos pueden cambiar significativamente, lo que resulta en una evolución. En el proceso llamado adaptación, la selección de mutaciones beneficiosas puede hacer que una especie evolucione hacia formas más capaces de sobrevivir en su entorno. Las nuevas especies se forman a través del proceso de especiación, a menudo causado por separaciones geográficas que impiden que las poblaciones intercambien genes entre sí.

Al comparar la homología entre los genomas de diferentes especies, es posible calcular la distancia evolutiva entre ellos y cuándo pueden haber divergido. Las comparaciones genéticas generalmente se consideran un método más preciso para caracterizar la relación entre especies que la comparación de características fenotípicas. Las distancias evolutivas entre especies se pueden utilizar para formar árboles evolutivos; estos árboles representan la descendencia común y la divergencia de especies a lo largo del tiempo, aunque no muestran la transferencia de material genético entre especies no relacionadas (conocida como transferencia horizontal de genes y más común en bacterias).

Organismos modelo

Aunque los genetistas originalmente estudiaron la herencia en una amplia gama de organismos, los investigadores comenzaron a especializarse en el estudio de la genética de un subconjunto particular de organismos. El hecho de que ya exista una investigación significativa para un organismo determinado alentaría a los nuevos investigadores a elegirlo para un estudio más a fondo, por lo que, finalmente, algunos organismos modelo se convirtieron en la base de la mayoría de las investigaciones genéticas. Los temas de investigación comunes en la genética de organismos modelo incluyen el estudio de la regulación genética y la participación de los genes en el desarrollo y el cáncer.

Los organismos se eligieron, en parte, por conveniencia: los tiempos de generación cortos y la fácil manipulación genética hicieron que algunos organismos herramientas populares de investigación genética. Los organismos modelo ampliamente utilizados incluyen la bacteria intestinal Escherichia coli , la planta Arabidopsis thaliana , la levadura de pan ( Saccharomyces cerevisiae ), el nematodo Caenorhabditis. elegans , la mosca común de la fruta ( Drosophila melanogaster ) y el ratón doméstico común ( Mus musculus ).

Medicina

La genética médica busca comprender cómo la variación genética se relaciona con la salud y la enfermedad humanas. Al buscar un gen desconocido que pueda estar involucrado en una enfermedad, los investigadores comúnmente usan enlaces genéticos y cuadros genealógicos genéticos para encontrar la ubicación en el genoma asociado con la enfermedad. A nivel de población, los investigadores aprovechan la aleatorización mendeliana para buscar ubicaciones en el genoma que estén asociadas con enfermedades, un método especialmente útil para rasgos multigénicos que no están claramente definidos por un solo gen. Una vez que se encuentra un gen candidato, a menudo se realizan más investigaciones sobre los genes correspondientes (u homólogos) de los organismos modelo. Además de estudiar las enfermedades genéticas, la mayor disponibilidad de métodos de genotipado ha llevado al campo de la farmacogenética: el estudio de cómo el genotipo puede afectar las respuestas a los medicamentos.

Los individuos difieren en su tendencia heredada a desarrollar cáncer y cáncer es una enfermedad genética. El proceso de desarrollo del cáncer en el cuerpo es una combinación de eventos. Ocasionalmente ocurren mutaciones dentro de las células del cuerpo mientras se dividen. Aunque estas mutaciones no serán heredadas por ninguna descendencia, pueden afectar el comportamiento de las células, provocando en ocasiones que crezcan y se dividan con mayor frecuencia. Existen mecanismos biológicos que intentan detener este proceso; A las células que se dividen de forma inapropiada se les dan señales que deberían desencadenar la muerte celular, pero a veces ocurren mutaciones adicionales que hacen que las células ignoren estos mensajes. Un proceso interno de selección natural ocurre dentro del cuerpo y eventualmente las mutaciones se acumulan dentro de las células para promover su propio crecimiento, creando un tumor canceroso que crece e invade varios tejidos del cuerpo.

Normalmente, una célula se divide solo en responde a señales llamadas factores de crecimiento y deja de crecer una vez que entra en contacto con las células circundantes y en respuesta a señales inhibidoras del crecimiento. Por lo general, luego se divide un número limitado de veces y muere, permaneciendo dentro del epitelio donde no puede migrar a otros órganos. Para convertirse en una célula cancerosa, una célula debe acumular mutaciones en varios genes (de tres a siete). Una célula cancerosa puede dividirse sin factor de crecimiento e ignora las señales inhibitorias. Además, es inmortal y puede crecer indefinidamente, incluso después de entrar en contacto con las células vecinas. Puede escapar del epitelio y, en última instancia, del tumor primario. Luego, la célula escapada puede atravesar el endotelio de un vaso sanguíneo y ser transportada por el torrente sanguíneo para colonizar un nuevo órgano, formando metástasis mortal. Aunque existen algunas predisposiciones genéticas en una pequeña fracción de los cánceres, la fracción principal se debe a un conjunto de nuevas mutaciones genéticas que originalmente aparecen y se acumulan en una o en una pequeña cantidad de células que se dividirán para formar el tumor y no se transmitirán a la progenie (mutaciones somáticas). Las mutaciones más frecuentes son una pérdida de función de la proteína p53, un supresor de tumores, o en la vía p53, y mutaciones de ganancia de función en las proteínas Ras, o en otros oncogenes.

Métodos de investigación

El ADN se puede manipular en el laboratorio. Las enzimas de restricción son enzimas de uso común que cortan el ADN en secuencias específicas, produciendo fragmentos predecibles de ADN. Los fragmentos de ADN se pueden visualizar mediante el uso de electroforesis en gel, que separa los fragmentos según su longitud.

El uso de enzimas de ligación permite conectar los fragmentos de ADN. Al unir ("ligar") fragmentos de ADN de diferentes fuentes, los investigadores pueden crear ADN recombinante, el ADN que a menudo se asocia con organismos modificados genéticamente. El ADN recombinante se usa comúnmente en el contexto de los plásmidos: moléculas de ADN circulares cortas con algunos genes en ellas. En el proceso conocido como clonación molecular, los investigadores pueden amplificar los fragmentos de ADN insertando plásmidos en bacterias y luego cultivándolos en placas de agar (para aislar clones de células bacterianas, "clonación" también puede referirse a los diversos medios para crear clones (" organismos clonales ")).

El ADN también se puede amplificar mediante un procedimiento llamado reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Mediante el uso de secuencias cortas específicas de ADN, la PCR puede aislar y amplificar exponencialmente una región objetivo de ADN. Debido a que puede amplificar a partir de cantidades extremadamente pequeñas de ADN, la PCR también se usa a menudo para detectar la presencia de secuencias de ADN específicas.

Secuenciación de ADN y genómica

Secuenciación de ADN, una de las más tecnologías fundamentales desarrolladas para estudiar la genética, permiten a los investigadores determinar la secuencia de nucleótidos en fragmentos de ADN. La técnica de secuenciación por terminación de cadena, desarrollada en 1977 por un equipo dirigido por Frederick Sanger, todavía se utiliza de forma rutinaria para secuenciar fragmentos de ADN. Con esta tecnología, los investigadores han podido estudiar las secuencias moleculares asociadas con muchas enfermedades humanas.

A medida que la secuenciación se ha vuelto menos costosa, los investigadores han secuenciado los genomas de muchos organismos mediante un proceso llamado ensamblaje del genoma, que utiliza herramientas computacionales para unir secuencias de muchos fragmentos diferentes. Estas tecnologías se utilizaron para secuenciar el genoma humano en el Proyecto Genoma Humano completado en 2003. Las nuevas tecnologías de secuenciación de alto rendimiento están reduciendo drásticamente el costo de la secuenciación del ADN, y muchos investigadores esperan reducir el costo de la resecuenciación de un genoma humano a mil dólares.

La secuenciación de próxima generación (o secuenciación de alto rendimiento) surgió debido a la creciente demanda de secuenciación de bajo costo. Estas tecnologías de secuenciación permiten la producción de potencialmente millones de secuencias al mismo tiempo. La gran cantidad de datos de secuencia disponibles ha creado el campo de la genómica, una investigación que utiliza herramientas computacionales para buscar y analizar patrones en los genomas completos de los organismos. La genómica también puede considerarse un subcampo de la bioinformática, que utiliza enfoques computacionales para analizar grandes conjuntos de datos biológicos. Un problema común en estos campos de investigación es cómo administrar y compartir datos que tratan con sujetos humanos e información de identificación personal.

Sociedad y cultura

El 19 de marzo de 2015, un grupo de biólogos destacados instaron a una prohibición mundial del uso clínico de métodos, en particular el uso de CRISPR y el dedo de zinc, para editar el genoma humano de una manera que pueda ser heredada. En abril de 2015, investigadores chinos informaron sobre los resultados de una investigación básica para editar el ADN de embriones humanos no viables utilizando CRISPR.