Historia de la genética
1.- La prehistoria de la genética: Selección artificial:
•
•
Ganadería
Agricultura
2.- Primeras etapas de la genética.
•
•
Aparición de la genética como ciencia
Primeros descubrimientos
3.- La era del ADN
4.- La era de la genómica
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
2
Genética clásica
•
1865: Publicación del artículo de Gregor Mendel Experiments on Plant
Hybridization
•
1869: Friedrich Miescher descubre lo que hoy se conoce como ADN.
•
1905: William Bateson acuña el término «genética» en una carta
dirigida a Adam Sedgwick.
•
1906: William Bateson propone el término «genética».
•
1908: Ley de Hardy-Weinberg.
•
1910: Thomas Morgan demuestra que los genes residen en los
cromosomas.
•
1913: Alfred Sturtevant realiza el primer mapa genético de un
cromosoma.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
3
Genética clásica
•
1913: Los mapas genéticos muestran
conteniendo genes organizados linealmente.
•
1928: Frederick Griffith descubre que el material hereditario de
bacterias muertas puede ser incorporado en bacterias vivas.
•
1931: se identifica el “sobrecruzamiento” como la causa de la
recombinación genética.
•
1933: Jean Brachet demuestra que el ADN se encuentra en
los cromosomas y que el ARN está presente en el citoplasma
de todas las células.
•
1941: Edward Lawrie Tatum y George Wells Beadle muestran
que los genes codifican las proteínas.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
cromosomas
4
La era del ADN
•
1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty
aíslan ADN como material genético.
•
1950 Erwin Chargaff muestra que los cuatro nucleótidos no están
presentes en los ácidos nucleicos en proporciones estables.
•
1952 El experimento Hershey-Chase prueba que la información
genética de todos los organismos es ADN.
•
1953 James D. Watson y Francis Crick demuestran la estructura
de doble hélice del ADN.
•
1956 Joe Hin Tjio y Albert Levan establecen en 46 el número de
cromosomas en humanos .
•
1958 El experimento Meselson-Stahl demuestra que el ADN se
replica de modo semiconservador.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
5
•
1961 El código genético se ordena en tripletes
•
1964 Howard Temin muestra, utilizando virus de ARN,
que la dirección de transcripción ADN-ARN puede
revertirse
•
1970 Se descubren las enzimas de restricción, lo que
permite a los científicos cortar y pegar fragmentos de
ADN
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
6
La era de la genómica
•
1972: Walter Fiers y su equipo, en el Laboratorio de
biología molecular de la Universidad de Ghent (Bélgica)
fueron los primeros en determinar la secuencia de un gen:
el gen para la proteína del pelo del bacteriófago MS2.
•
1976 Walter Fiers y su equipo determinan la secuencia
completa del ARN del bacteriófago MS2
•
1977 Primera secuenciación del ADN por Fred Sanger,
Walter Gilbert, y Allan Maxam.
•
1983 Kary Banks Mullis descubre la reacción en cadena de
la polimerasa (PCR).
•
1989 Francis Collins y Lap-Chee Tsui secuencian el gen
humano codificador de la proteína CFTR
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
7
•
1995. Se secuencia por primera vez el genoma de un
organismo vivo (Haemophilus influenzae)
•
1996: Primera secuenciación de
eucariota: Saccharomyces cerevisiae
•
1998: Primera secuenciación del genoma de un
eucariota multiceular: Caenorhabditis elegans
•
2001: Primeras secuencias del genoma humano por
el Proyecto Genoma Humano y Celera Genomics.
•
2003: El Proyecto Genoma Humano publica la
primera secuenciación completa del genoma humano
con un 99.99% de fidelidad
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
un
genoma
8
Antes de Mendel
Preformismo:
La observación de espermatozoides con un microscopio en el
s.XVIII hizo creer que tras la fecundación, solo por crecimiento,
estos daban individuos adultos.
Epigénesis:
Al mejorar las técnicas microscópicas se postuló que además de
crecimiento había transformaciones estructurales.
Pangénesis.
Los órganos producen unas gémulas que viajan por la sangre a
los genitales y de ahí a los hijos.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
9
Caracteres adquiridos (Lamarck):
Teoría de Lamarck, que consideraba que las variaciones eran
adquiridas y hereditarias. Los individuos cambian para adaptarse
al medio y estás características se transmiten a los
descendientes.
Plasma germinal (Weissmann):
Existe un plasma formado por los tejidos reproductores que se
perpetúa a sí mismo. Las modificaciones del plasma germinal
originarían modificaciones en el cuerpo. Hay diferencia entre
células germinales y células somáticas.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
10
Herencia mendeliana
Monje agustino católico y naturalista, en
la actual República Checa, que describió
las llamadas Leyes de Mendel que rigen
la herencia genética, por medio de los
trabajos que llevó a cabo con diferentes
variedades de la planta del guisante.
Su trabajo no fue valorado cuando lo
publicó en el año 1866.
Hugo de Vries, botánico holandés, junto a
Carl Correns y Erich von Tschermak,
redescubrieron las leyes de Mendel por
separado en el año 1900.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
11
Experimentos de Mendel
Mendel seleccionó siete caracteres para sus experimentos,
cada uno de los cuales tenía dos posibilidades y obtuvo
razas puras de guisantes para cada uno de estos caracteres.
Posteriormente
cruzó entre sí las
razas puras que
presentaban
diferencias
respecto a uno de
los caracteres
elegidos
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
12
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
13
Conclusiones de Mendel
1. La herencia se transmite por factores hereditarios
almacenadas en los gametos. Dichos factores son de
procedencia materna y paterna que se unen en el
nuevo individuo sin mezclarse, y volviéndose a separar
al formar las células reproductoras.
2. La herencia sigue normas estadísticas sencillas.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
14
Leyes de Mendel
Primera Ley de Mendel o Ley de la uniformidad de los
híbridos de la primera generación (F1). , y dice que
cuando se cruzan dos variedades individuos de raza
pura ambos (homocigotos) para un determinado
carácter, todos los híbridos (hereocigotos) de la primera
generación son iguales.
AA
aa
Aa
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P (generación paterna)
F1 (generación filial)
Tema 4: La revolución genética
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Interpretación del experimento:
El polen de la planta progenitora aporta a la
descendencia un alelo para el color de la
semilla, y el óvulo de la otra planta
progenitora aporta el otro alelo para el color
de la semilla ; de los dos alelos, solamente se
manifiesta aquél que es dominante (A),
mientras que el recesivo (a) permanece
oculto.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
16
Segunda ley, o Principio de la segregación: “Ciertos
individuos son capaces de transmitir un carácter aunque en
ellos no se manifieste”.
El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una
segunda generación filial en la cual reaparece el fenotipo "a", a
pesar de que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo "A“
Esto hace presumir a Mendel que el carácter "a" no había
desaparecido, sino que sólo había sido "opacado" por el
carácter "A", pero que al reproducirse un individuo, cada
carácter segrega por separado.
Aa
AA
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Aa
Aa
Aa
aa
Tema 4: La revolución genética
17
Tercera ley, o Principio de la transmisión independiente:
Esta ley hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido:
cuando se considera un carácter; polihibrido: cuando se
consideran dos o más caracteres).
Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las
características que él observaba (color de la semilla y rugosidad
de su superficie) se encontraban en cromosomas separados. De
esta manera, observó que los caracteres se transmitían
independientemente unos de otros.
Esta ley sólo se cumple si los caracteres estudiados están en
cromosomas distintos.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
18
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
19
Después de Mendel
1900. Redescubrimiento de las Leyes de Mendel.
1910. Experimentos de Morgan. Demuestra que los
genes están en los cromosomas, y los que están en el
mismo cromosoma se transmiten juntos y los que están
en cromosomas independientes se transmiten por
separado. Se comprobó la existencia de recombinación
o intercambio entre cromosomas homólogos (los dos
cromosomas iguales que proceden uno del padre y otro
de la madre)
1944. El ADN es el portador de la información genética
(Experimentos de Avery)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
20
Estas experiencias demostraban
que el ADN era la molécula que
contenía la información necesaria
para que las bacterias S fueran
virulentas y que, a pesar de estar
muertas, su ADN no estaba
destruido y podía pasar al medio y
de aquí a las bacterias de cepa R
integrándose en el genoma de
éstas y transformándolas en
virulentas
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
21
Biología molecular
Ciencia que nace a partir del descubrimiento de la estructura
del ADN (1953, Watson y Crick)
•
•
•
Estudio de la vida a nivel molecular
Esclarece la estructura molecular del ADN
Estudia los procesos de formación de un
ser vivo a partir del ADN:




Eduardo Gómez
Replicación del ADN
Transcripción a ARN
Síntesis de proteínas
Regulación de los genes
Tema 4: La revolución genética
22
El ADN
El ADN está formado por dos cadenas antiparalelas
de nucleótidos. Los puentes de hidrógeno que unen
ambas cadenas dan estabilidad a la estructura . La
combinación de las secuencias de bases
nitrogenadas (A, T, G y C) forma los distintos ADN’s.
Esta enorme variabilidad
origina todas las diferentes
proteínas que podemos
encontrar en los seres
vivos.
Las uniones siempre son:
A-T
C-G
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
23
Relación entre genes y proteínas
El ADN (más concretamente, los genes que contiene y que se
definen como segmentos de ADN que codifican una proteína)
contiene la información con las características de los seres
vivos. Esta información se expresa en forma de proteínas.
Las proteínas son las que finalmente definen al ser vivo, junto
con la influencia que puede ejercer el medio ambiente.
La relación entre genes y proteínas se expresa a través del
dogma central de la Biología Molecular (1970, Crick)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
24
Replicación
ADN
Transcripción
ARN m
Traducción
Proteínas
ARN m
Traducción
Proteínas
Replicación
ADN
Transcripción
Retrotranscripción
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
25
A raíz de la modificación del Dogma central de la Biología
Molecular se han cuestionado los conceptos de gen y ADN
basura (ADN que no codifica información para proteínas).
Actualmente se cree que este ADN basura puede tener un papel
regulador importante, así como que un gen puede dar lugar a
varias proteínas (hasta hace muy poco, el concepto fundamental
era “un gen, una proteína”).
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
26
Replicación del ADN
1. La replicación es el proceso en que se sintetizan dos
copias idénticas de ADN tomando como molde otra
cadena de ADN. Es una replicación semiconservativa.
2. Tiene lugar en el núcleo de la célula
3. Se basa en la complementariedad de las bases
nitrogenadas (al igual que en los procesos de
reparación de secuencias dañadas y transcripción del
ARN)
4. Se realiza antes de cada división celular para que las
células hijas lleven la misma información que la célula
madre.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
27
Modelos de replicación del ADN
Modelo
conservativo
Eduardo Gómez
Modelo
semiconservativo
Tema 4: La revolución genética
Modelo
dispersivo
28
Replicación del ADN
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
29
Complementariedad de bases
La complementariedad de bases es útil para saber el contenido
de bases de un ADN o conocer a partir de una secuencia como
será la cadena complementaria:
Ejercicio 8 (pag 105): Si un ADN tiene un contenido de C+G del 42%,
¿qué porcentaje habrá de cada una de las bases?
C+G=42% A+T=58%
C= 42:2= 21%; G= 42:2= 21%; A= 58:2= 29%; C= 58:2= 29%
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
30
Ejercicio 11 (pag 105):
Dada una hebra simple de ADN 3’-TACGGAATTCAT-5’, construye la
hebra complementaria y la cadena de ADN que se formaría tomando
como referencia la hebra inicial.
Hebra ADN: 3’-TACGGAATTCAT - 5’
Cadena complementaria: 5’- ATGCCTTAAGTA - 3’
Hebra ADN: 3’- TACGGAATTCAT- 5’
Cadena de ARM m: 5’- AUGCCUUAAGUA-3’
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
31
Transcripción del ADN
1. Se basa en el mismo mecanismo (complementariedad de
bases) que la replicación, pero intervienen enzimas
diferentes y se sustituye la base nitrogenada Timina por
Uracilo.
2. Tiene lugar en el núcleo celular.
3. El ARN resultante sufre un proceso de maduración, y el
ARN maduro sale al citoplasma celular.
4. El ARNm lleva la información a los ribosomas donde se
producirá la síntesis de proteínas
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
32
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
33
Traducción del ADN
1. Es la formación de proteínas a partir de la información
que lleva el ARNm
2. Tiene lugar en los ribosomas (citoplasma)
3. Son necesarias otras moléculas como:
• ARNt
• Aminoácidos
• Enzimas diversos
4. El proceso de traducción se hace según el Código
Genético
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
34
Traducción del ADN
1. Las proteínas están formadas por aminoácidos.
2. El orden de colocación de los aminoácidos viene dado
por la secuencia de bases del ARNm. Cada tres bases
de ARNm (triplete o codón) indica la colocación de un
aminoácido.
3. Con las 4 bases nitrogenadas (A, U, G, C) se pueden
formar 64 tripletes diferentes, que llevan la información
para los 20 aminoácidos que forman todas las proteínas
de los seres vivos
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
35
El código genético está compuesto por codones
(codón= 3 bases nitrogenadas) que definen el
proceso de traducción
•61 codones para aminoácidos
(existen 20 aminoácidos diferentes)
•3 codones de terminación
El código genético es
universal
El código genético es
redundante (varios
codones para un mismo
aminoácido)
Ejemplo: El aminoácido
glicina está codificado
por GGU, GGC, GGA y
GGG
Código genético
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
37
A partir de un ARN m:
AUG - CCU – AAG – UUU – GCU – CUC ….
MET
PRO
LYS
PHE
ARG
LEU
PROTEÍNA
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
38
El Código genético
1. Es un código universal. Todos los seres vivos conocidos lo
utilizan (hay una excepción, las mitocondrias, un orgánulo del
interior de las células eucariotas).
2. Es un código redundante o degenerado. Hay más tripletes de
bases que aminoácidos.
3. Es un código sin superposición o sin solapamientos: dos
aminoácidos sucesivos no comparten nucleótidos de sus
tripletes.
4. La lectura del ARN mensajero es continua, sin interrupciones.
Cualquier pérdida o ganancia de un sólo ribonucleótido
produce a partir de ese punto una modificación de la pauta
de lectura, cambiando todos los aminoácidos desde el lugar
de la alteración.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
39
Ingeniería genética
Se puede definir como la formación in vitro de nuevas
combinaciones de material genético, por medio de la inserción
de un ADN de interés en un vehículo genético (vector), de
modo que tras su introducción en un organismo huésped, el
ADN híbrido (recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y
eventualmente expresarse.
Lo que se pretende mediante la ingeniería
genética es lograr ciertos fines tanto en la
ciencia pura como en la aplicada
(producción microbiana de productos,
plantas y animales transgénicos, nuevos
diagnósticos).
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
40
ADN recombinante
El ADN recombinante es aquel que tiene fragmentos de distinta
procedencia.
De forma natural existen ADN recombinantes, cuando los
virus insertan su ADN en el ADN de la célula huésped.
Se pensó hacer lo mismo de manera artificial en el
laboratorio utilizando enzimas de restricción.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
41
Enzimas de restricción
1. Estas enzimas, procedentes de bacterias, tienen la
capacidad de reconocer una secuencia determinada de
nucleótidos y extraerla del resto de la cadena.
2. Esta secuencia puede volver a colocarse con la ayuda de
otra clase de enzimas, las ligasas.
3. La enzima de restricción actúa como una "tijera de ADN", y
la ligasa en el "pegamento". Por lo tanto, es posible quitar
un gen de la cadena principal y en su lugar colocar otro.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
42
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
43
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
44
Vectores génicos
Son elementos móviles, en los
que se inserta el gen a transferir.
Son fácilmente manipulables y
pueden transferirse hasta la
célula huésped para obtener las
células transgénicas.
Los principales vectores utilizados son:
1.
2.
3.
4.
Eduardo Gómez
Plásmidos
Bacteriófagos
Cósmidos
Cromosomas artificiales de levaduras (YAC)
Tema 4: La revolución genética
45
Genes marcadores
En los vectores, además del gen de interés se colocan otros
genes denominados marcadores.
Son genes que permiten identificar aquellas células que han
incorporado el ADN del vector.
En general, estos genes dan a la
célula que los contiene resistencia a
antibióticos, de tal forma que si
añadimos el antibiótico a una mezcla
de células con y sin el ADN de
interés, las que no lo tengan (y por
tanto, tampoco el gen de resistencia
al antibiótico), morirán.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
46
Las bacterias que no crecen en presencia de tetraciclina
pero que crecen en presencia de ampicilina son las que
contienen un plásmido recombinado.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
47
Amplificación del ADN
El estudio y manipulación del ADN requiere muchas
copias de los fragmentos de ADN que se quieren
estudiar.
El método clásico de obtención de copias era la
clonación mediante bacterias. Era un proceso lento y
costoso.
En 1983, Mullis diseño un mecanismo para obtener
múltiples copias de forma mucho más sencilla. Este
método denominado PCR (Polimerasa Chain
Reaction) ha sido determinante en multiples areas del
conocimiento que utilizan ADN
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
48
PCR
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
49
PCR
Esta técnica requiere conocer la secuencia de nucleótidos de los extremos del
fragmento que se quiere amplificar para diseñar dos oligonucleótidos sintéticos
(P1 y P2) de DNA complementarios a una porción de cada una de las dos
cadena de la doble hélice.
La mezcla de reacción contiene la secuencia de DNA que se quiere amplificar,
los dos oligonucleótidos sintéticos, una DNA polimerasa termoestable (Taq) y
los cuatro nucleótidos (dATP, dGTP, dCTP y dTTP)
La mezcla de reacción se somete a ciclos que constan cada uno de una fase de
desnaturalización, una de hibridación y una de elongación.
Durante la desnaturalización, que se realiza por calentamiento de la mezcla a
95 ºC, se separan las dos cadenas del DNA molde.
Durante la hibridación, la temperatura de incubación se reduce para permitir el
apareamiento de las bases de ambos cebadores en el sitio donde encuentran
una secuencia complementaria.
Durante la fase de elongación, la mezcla se calienta a 72 ºC, temperatura a la
cual la DNA polimerasa extiende la cadena complementaria a partir del extremo
3' de los cebadores. Al finalizar cada ciclo, tenemos el doble de ADN
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
50
Mutaciones
1. Es todo cambio en la información hereditaria (ADN,
cromosomas o cariotipo).
2. Las mutaciones pueden producirse tanto en células
somáticas (no se heredan) como en células germinales
(se transmiten a la descendencia).
3. Las mutaciones pueden ser: naturales (espontáneas) o
inducidas (provocadas artificialmente con radiaciones,
sustancias químicas u otros agentes mutágenos).
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
51
Tipos de mutaciones
Origen
Naturales
Inducidas
Según el tipo de
célula
Según la extensión del
material afectado
Somáticas
Génicas
Germinales
Cromosómicas
Numéricas
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
52
Tipos de mutaciones
Según la extensión del material genético afectado se
distinguen los siguientes tipos de mutaciones:
1) Génicas. Son aquellas que producen alteraciones en la
secuencia de nucleótidos de un gen.
2) Cromosómicas estructurales. Son los cambios en la
estructura interna de los cromosomas.
3) Cromosómicas numéricas o genómicas. Son
alteraciones en el número de los cromosomas propios de
la especie. Pueden ser: Euploidías y Aneuploidías
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
53
Mutaciones génicas
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
54
Mutaciones cromosómicas
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
55
Tipos de mutaciones
numéricas
S. de Turner
Monosomías
S. deCri du Chat
Aneuploidías
Trisomías
S. de Down
S. de Kinefelter
Mutaciones
Numéricas
Tetrasomías
S. de Edwards
Monoploidías
Euploidías
Poliploídías
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
56
Aneuploidía
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
57
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
58
Genoma humano
El Proyecto Genoma Humano es una investigación
internacional que busca seleccionar un modelo de
organismo humano por medio del mapeo de la secuencia
de su DNA.
El proyecto fue fundado en 1990 por el Departamento
de Energía y los Institutos de la Salud de los Estados
Unidos, con un plazo de realización de 15 años.
Debido a la amplia colaboración internacional (más de
20 países implicados), a los avances en el campo de la
genómica y la informática un borrador inicial del genoma
fue terminado en el año 2000.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
59
Objetivos
El objetivo inicial del Proyecto Genoma Humano fue no
sólo determinar los 3 mil millones de pares de bases en el
genoma humano, sino también identificar todos lo genes
en esta gran cantidad de datos.
También tuvo como objetivo el desarrollo rápido de
métodos eficientes para secuenciar los aproximadamente
cien mil genes del ADN.
Otros objetivos fueron:
•
Guardar toda esta información en bases de datos
de libre acceso.
•
Desarrollar herramientas para facilitar el análisis
de esta información, y trabajar los aspectos éticos,
legales y sociales
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
60
Este proyecto supone la realización de dos tipos de mapas:
Mapas genéticos: Estos mapas indican la posición relativa
de los diferentes genes. Para esta confección se están
estudiando la transmisión de caracteres hereditarios,
capaces de ser objetivados de una generación a otra en
grandes familias.
Por ejemplo, en Estados Unidos se han localizado muchos
genes gracias a estudios realizados en comunidades
mormonas, cuya endogamia es notoria.
En 1994 se terminó el primer mapa genético de todo el
genoma humano.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
61
Mapa genético
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
62
Mapas Físicos: de mayor resolución, pues muestra la secuencia
de nucleótidos en la molécula de ADN que constituye el
cromosoma. Se establece la situación real de los genes en los
cromosomas (en los mapas genéticos era un posición relativa).
Se obtiene la secuencia de nucleótidos de un gen. Se realiza
fundamentalmente mediante la electroforesis en gel de distintos
fragmentos de ADN y la ayuda de ordenadores.
El completar este mapa se ha conseguido cinco años antes de lo
que se esperaba.
Secuenciación de
ADN por ordenador
con letras y colores.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
63
Resultados del PGH
Algunos de los aspectos que más han llamado la atención es el
bajo número de genes encontrados (en comparación a lo
esperado), así como lo repetitivo, similar y duplicado que es el
genoma humano.
También ha sorprendido la presencia de genes más afines con las
bacterias que con cualquier otro organismo estudiado.
Otros datos importantes son:
Las células humanas tienen 46 cromosomas (44 autosomas y2
cromosomas sexuales), distribuidos en dos series (una de
procedencia paterna y otra materna).
Cada serie tiene unos 3200 millones de pb y menos de 25000
genes. El resto es el “ADN basura” (cerca del 95%)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
64
Beneficios
El trabajo de interpretación del genoma no ha hecho nada
más que empezar. Los beneficios de conocer e interpretar el
genoma se esperan fructíferos en los campos de la medicina
y de la biotecnología.
1. Prevenir y curar enfermedades hereditarias.
2. Conseguir mayor longevidad a partir del estudio de los genes
implicados en el envejecimiento.
3. Recaudar información acerca de nuestro origen, el de
nuestros antepasados y el de otras civilizaciones a través el
análisis del ADN.
4. Conocer la huella genética de un delincuente a través del
análisis del pelo, uñas o una gota de sangre.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
65
Problemas éticos
Pero el conocimiento del código de un genoma abre las
puertas para nuevos conflictos ético-morales.
Esto atentaría contra la diversidad biológica y reinstalaría
entre otras, la cultura de una raza superior, dejando
marginados a los demás.
Quienes tengan desventaja genética serían discriminados.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
66
Desventajas
• Que las compañías aseguradoras, empresarios, ejército u
otras personas utilizaras de manera deshonesta este tipo
de información.
• Pérdida de la privacidad y confidencialidad de la
información.
• Impacto psicológico y estigmatización de la sociedad
ante un individuo genéticamente diferente.
• Mejoras genéticas para determinar características
específicas de los individuos, pero que no están
relacionadas con el tratamiento de enfermedades.
• Comercialización de la información genética.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
67
Biotecnología
Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la
biotecnología se define como:
“Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos
y organismos vivos o sus derivados para la creación o
modificación de productos o procesos para usos
específicos".
El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología
del Convenio sobre la Diversidad Biológica define la
biotecnología moderna como la aplicación de:
Técnicas in vitro de ácido nucleico, incluidos el ADN
recombinante y la inyección directa de ácido nucleico en células
u orgánulos, o la fusión de células más allá de la familia
taxonómica que superan las barreras fisiológicas naturales de la
reproducción o de la recombinación y que no son técnicas
utilizadas en la reproducción y selección tradicional.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
68
Historia
Se han aplicado procesos biotecnológicos desde muy antiguo
(aunque sin saber nada de biotecnología):
•
•
•
•
8000 a. C.: Recolección de semillas para replantación.
Evidencias de que en Mesopotamia se utilizaba crianza selectiva
en ganadería.
6000 a. C.: Medio Oriente, elaboración de cerveza con levadura.
4000 a. C.: China, fabricación de yogur y queso por fermentación
láctica utilizando bacterias.
2300 a. C.: Egipto, producción de pan con levadura.
En épocas más modernas, se puede considerar biotecnología la
obtención de antibióticos u otros productos a partir de hongos.
Hoy en día, la biotecnología moderna se basa en la ingeniería
genética.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
69
Inconvenientes de la biotecnología
1. Falta de control sobre los microorganismo manipulados.
2. Producción y almacenamiento de armas biológicas.
3. Aparición de especies nuevas con función desconocida
en los ecosistemas.
4. Transito de genes entre especies.
5. Agudizar la diferencia entre países ricos y pobres.
Todo ello ha provocado rechazo por parte de grupos con
distinto tipo de ideologías por motivos ecológicos, filosóficos,
éticos o religiosos.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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Biotecnología: Aplicaciones
A pesar de los inconvenientes, las aplicaciones de la
biotecnología son numerosas y se suelen clasificar como:
1. Biotecnología roja o médica.
2. Biotecnología blanca o industrial.
3. Biotecnología verde o biotecnología agrícola.
4. Biotecnología azul o biotecnología marina.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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Biotecnología médica
Se aplica en procesos médicos. Algunos ejemplos son:
1.
2.
3.
4.
5.
Diseño de organismos para producir antibióticos.
Desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos.
Diagnósticos moleculares.
Terapias regenerativas
Desarrollo de la ingeniería genética para curar
enfermedades a través de la manipulación génica.
6. Trasplante de órganos a partir de animales modificados
genéticamente….
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
72
Obtención de fármacos
Se obtienen a partir de microorganismos que contienen el gen
que produce la proteína de interés farmacológico (insulina,
hormona del crecimiento…)
Las principales ventajas son:
Se controla mejor la producción, disminuye el riesgo de
contaminación, se abaratan los costes…
Por el mismo procedimiento se pueden fabricar vacunas, evitando
el riesgo de utilizar virus atenuados.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
74
Determinación de enfermedades
Consiste en poner en contacto ADN de un individuo con
secuencias de genes responsables de una determinada
enfermedad.
Las hebras del ADN del paciente se separan y si hibridan
con el ADN de la enfermedad, es que el paciente tiene ese
gen.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
75
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
76
Terapia génica
•
Consiste en modificar los genes anómalos para impedir
que se manifieste la enfermedad o curarla una vez
manifestada.
•
En las células afectadas se puede introducir una copia
correcta del gen defectuoso mediante vectores (infección
vírica), corrigiendo el problema.
•
El proceso se podría hacer incluso en las células
germinales, pero esto plantea problemas éticos.
•
Es una técnica prometedora pero aún en una fase muy
temprana, con todavía muy pocos logros significativos.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
77
l
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
78
Biotecnología agrícola
Se basa en la modificación de plantas por IG para que generen
proteínas de interés. Son las plantas transgénicas.
Los principales objetivos son:
1. Lograr plantas resistentes a herbicidas, bacterias, virus e
insectos
2. Aumentar el rendimiento fotosintético (más producción)
3. Fijación del nitrógeno atmosférico
4. Mayor calidad de los productos
5. Obtener plantas con proteínas de interés comercial (vacunas,
interferones, vitaminas…)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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Tecnología
Tradicional
Convencional
Era
Intervenciones genéticas
Unos 10 000 años a.C.
Se domestican plantas y animales, comienzan a seleccionar material
vegetal para su propagación y animales para su mejoramiento.
Unos 3 000 años a.C.
Se fabrica cerveza y queso, se fermenta vino.
Finales del siglo XIX
Gregor Mendel identifica en 1865 los principios de la herencia, sentando
las bases para los métodos clásicos de mejoramiento.
Década de 1930
Se obtienen cultivos híbridos comerciales.
de la década de 1940 a
Se aplica la mutagénesis, el cultivo de tejidos y la regeneración de plantas.
la década de 1960
Década de 1970
Transferencia de genes mediante técnicas de recombinación de ADN.
Aislamiento y cultivo de embriones y a la fusión de protoplasmas en la
fitogenética y a la inseminación artificial en la reproducción animal.
Década de 1980
La insulina es el primer producto comercial obtenido mediante
transferencia de genes. Se recurre al cultivo de tejidos para la
propagación en gran escala de plantas y al trasplante de embriones para
la producción animal.
Década de 1990
Se aplica la caracterización genética a una gran variedad de organismos.
En 1990 se realizan los primeros ensayos de campo de variedades de
plantas obtenidas mediante ingeniería genética, que se distribuyen
comercialmente en 1992. Se obtienen vacunas y hormonas mediante
ingeniería genética y se clonan animales.
Década del 2000
Aparecen la bioinformática, la genómica, la proteómica y la
metabolómica.
Moderna
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
80
Plantas transgénicas
Transgénesis= introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable
de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares.
Agrobacterium tumefaciens es patógena de plantas. Produce tumores
Agrobacterium
núcleo
Plásmido Ti
cromosoma
inductor de tumores
contiene oncogenes
(genes onc)
cromosoma
Ingeniero genético natural
tras sutitución de genes onc
por genes de interés
célula
vegetal
tumores
Proliferación de
hormonas
crecimiento. Se
forman tumores en
las zonas de la
lesión
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
83
Efectos negativos
1. El uso masivo de cultivos transgénicos representa riesgos
potenciales desde un punto de vista ecológico.
2. Los efectos ecológicos no están limitados a la resistencia en
las plagas o a la creación de nuevas variedades de malezas o
de virus.
3. Los cultivos transgénicos pueden producir toxinas ambientales
que se mueven a través de las cadenas tróficas y que también
pueden llegar al suelo y al agua, afectando así a los
invertebrados y probablemente a procesos tales como el ciclo
de nutrientes.
4. En realidad, nadie puede predecir los impactos a largo plazo
que pueden resultar de la diseminación masiva de estos
cultivos.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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Biotecnología ganadera
Consiste en la alteración genética de animales para mejorar
el rendimiento que de ellos se obtiene.
La investigación se centra en la obtención de animales que
produzcan proteínas y compuestos de interés farmacológico
y a obtener órganos destinados a trasplantes humanos
(fundamentalmente a partir de cerdos)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
86
Biorremediación
La naturaleza tiene una cierta capacidad de limpieza de los
elementos contaminantes. Microorganismos como levaduras,
hongos o bacterias degradan una gran cantidad de sustancias
tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o incluso volviéndolas
inocuas para el medio ambiente y la salud humana.
La biorremediación
consiste en acelerar
este proceso natural
para mitigar la
contaminación
ambiental.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
87
Los expertos en ingeniería genética creen que la utilización
de organismos modificados genéticamente traerá un mayor
desarrollo de la biorremediación.
Los ejemplos son muy variados:
•
•
•
La introducción de un gen en el organismo específico
para el vertido.
El desarrollo de cepas biosensoras luminiscentes, que
permitirían monitorizar el proceso de degradación.
La creación de plantas transgénicas para limpiar suelos
contaminados.
Sin embargo, sus detractores advierten de sus posibles
efectos secundarios sobre el medio ambiente, por lo que
deben hacer frente a importantes restricciones legales, y
recuerdan que en la mayoría de los casos los organismos
naturales pueden servir igualmente.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
88
Biolixiviación
También denominada lixiviación bacteriana, consiste en el
ataque químico de distintas materias primas naturales, de
residuos o de productos reciclados mediante la participación
directa o indirecta de bacterias.
Estas son generalmente
mesófilas, como la
Thiobacillus ferrooxidans,
aunque cada vez se utilizan
más las de naturaleza
termófila con temperaturas de
crecimiento de hasta 80 ºC.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
89
Reproducción asistida
La reproducción asistida tiene como finalidad solucionar
problemas de esterilidad
Actualmente se trabaja en evitar la aparición de enfermedades
genéticas (diagnostico genético preimplantacional) y obtener
bebes sanos cuyas células del cordón umbilical sirvan para
salvar vidas de familiares enfermos.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
90
Técnicas de reproducción
asistida
1.
2.
3.
4.
5.
Estimulación ovárica
Inseminación artificial
Fecundación “in vitro”
Inyección citoplasmática de espermatozoides
Transferencia de embriones clonados
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
91
Inseminación artificial
1. Control y estimulación de la ovulación mediante hormonas.
2. Obtención y preparación del semen.
3. Selección de espermatozoides.
4. Inseminación en el momento adecuado del ciclo.
5. Tratamiento hormonal para favorecer el desarrollo del
embrión.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
92
Usos y Problemas
Se utiliza fundamentalmente en los siguientes casos:
•
•
•
•
Infertilidad masculina
Enfermedades venéreas
Enfermedades hereditarias
Obtención de hijos sin relaciones sexuales
Riesgo de embarazo múltiple
Se estima que en España 35.000 mujeres se someten a
este procedimiento cada año. El estrés, el aumento de la
edad de la maternidad y la mala calidad del semen son
algunas de las causas para recurrir a este proceso.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
93
Fecundación in vitro
La fecundación in vitro es una técnica por la cual la
fecundación de los óvulos por los espermatozoides se
realiza fuera del cuerpo de la madre. La FIV es el principal
tratamiento para la infertilidad cuando otros métodos de
reproducción asistida no han tenido éxito.
El ovulo fecundado (preembrión) se implanta en la madre
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
94
Proceso FIV
1. Estimulación ovárica por medio de hormonas
2. Extracción de óvulos y espermatozoides
3. Fecundación extrauterina
4. Divisiones de los preembriones
5. Implantación de los preembriones seleccionados
Es una técnica con un elevado porcentaje de éxito
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
95
Inconvenientes
1. Embarazos múltiples
2. Embarazos ectópicos
3. Problemas de tipo moral (por la
acumulación de embriones congelados
no utilizados)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
96
Inyección intracitoplasmática
El procedimiento consiste en la inyección de un espermatozoide
en el interior del óvulo. De esta forma cualquier varón del que se
pueda obtener un espermatozoide del semen, epidídimo o
testículo puede convertirse en padre, situación que antes no se
podía corregir en muchos casos.
Las pruebas genéticas (particularmente en caso de alteraciones
genéticas como la fibrosis quística y las microdelecciones del
cromosoma Y) a veces aconsejan esta técnica para mejorar los
resultados reproductivos
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
97
Transferencia de embriones
Se usa cuando los dos miembros de la pareja son
estériles.
Los preembriones llevan una información genética
diferente a la de los padres (preembriones sin utilizar
de otras parejas, congelados o no)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
98
Regulación de la fecundación asistida
En España está regulada desde 1988.
Posteriormente se promulgó una nueva ley del año
2003 (se impedía la fecundación de más de tres
óvulos, no se podían usar los embriones
originados con otra finalidad que la reproducción) y
más recientemente se ha aprobado otra ley (2006)
con bastante polémica.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
99
Legislación actual
•
Acota el concepto de preembrión (embrión de menos de 14 días y
formado “in vitro”
•
Regula la aplicación de las Técnicas de Reproducción Asistida.
•
No hay límite a la generación de óvulos pero solo autoriza la
transferencia de tres preembriones. Los embriones sobrantes se
usan según decisión de los donantes.
•
Regula la donación de semen, ovulos y preembriones
•
Permite la selección de embriones mediante diagnostico genético
preimplantacional
•
Prohibe las madres de alquiler y la clonación humana
•
Regula los centros de reproducción asistida
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
100
Clonación
Es la obtención de copias (ADN, células u organismos)
genéticamente iguales.
Las primeras clonaciones de organismos se hicieron por fisión de
embriones tempranos.
Un embrión, obtenido por procedimientos normales, se dividía, y
los embriones resultantes eran genéticamente idénticos, pero no
se sabía las características que iban a tener.
Esto ya se puede saber a partir de la primera clonación por
transferencia de núcleos de células de individuos adultos. Los
embriones resultantes eran genéticamente idénticos al donante
del núcleo.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
101
Dolly
La primera clonación de mamíferos fue realizada por Ian Wilmut en
1996 utilizando tres ovejas, la donadora de la información (núcleo) la
donadora del ovulo y la “madre de alquiler” (oveja nodriza). El
resultado fue la oveja Dolly
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
102
Aplicaciones
•
Obtención de animales que contengan y produzcan
proteínas de interés médico.
•
Mejora controlada del ganado
•
Recuperación de especies extintas o en peligro de
extinción.
Problemas
•
Éxito de clonación muy bajo
•
Individuos clonados con problemas
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
103
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
104
Células madre
Son aquellas que tienen capacidad de multiplicarse y la
posibilidad de desarrollarse y diferenciarse dando lugar a
células especializadas
•
La clonación humana con fines reproductivos está prohibida,
pero la clonación terapéutica si es legal en muchos países.
•
Consiste en implantar, en un óvulo, material genético de un
individuo, y del embrión obtenido sacar células madre
embrionarias, que podrían dar lugar a los diferentes tejidos,
y por lo tanto evitar los problemas de rechazo en los
trasplantes.
•
Además se podrían ensayar tratamientos médicos sobre
estas células antes de dar los medicamentos al paciente,
para conocer la respuesta.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
105
Tipos de células madre
Embrionarias o troncales:
Se obtienen de embriones de
menos de 14 días. Pueden
generar un organismo completo
(totipotentes).
Adultas o somáticas
Están en los adultos. Pueden
generar células especializadas de
diferentes tejidos (no son
totipotentes)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
106
Controversia
Hay un importante debate (político, ético y científico) sobre el uso
de las células madre.
¿Qué tipo de célula madre es más
conveniente usar (embrionaria o
adulta)?, y sobre todo el estatus de
un embrión humano, aunque tenga
menos de 14 días y haya sido
obtenido “in vitro” y esté congelado.
La solución puede venir de los últimos avances científicos. Se ha
logrado obtener células madre pluripotenciales a partir de
células adultas (se comportar como células madre embrionarias)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
107
Bioética
Es una consecuencia del enorme desarrollo alcanzado, pero
de también los efectos negativos de la ciencia (experimentos
con prisioneros, Hiroshima, deterioro ambiental, guerras
químicas y bacteriológicas…)
La ciencia no es neutral desde un punto de vista ético o
económico y se puede utilizar con buenos fines u otros no tan
buenos. Lo que esto nos indica es que hay cosas que la
ciencia puede lograr, pero “no todo lo que puede hacerse,
debe ser hecho”
La Bioética nace para establecer unos principios que permitan
afrontar los avances de la ciencia con respeto y
responsabilidad. El criterio ético fundamental que regula esta
disciplina es el respeto al ser humano, a sus derechos
inalienables, a su bien verdadero e integral: la dignidad de la
persona.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
108
Principios de Bioética
En 1979, se definieron como cuatro los principios de la Bioética:
autonomía, no maleficencia, beneficencia y justicia. En un
primer momento definieron que estos principios son prima facie,
esto es, que vinculan siempre que no colisionen entre ellos, en
cuyo caso habrá que dar prioridad a uno u otro dependiendo del
caso.
Sin embargo en 2003, se considera que los principios deben ser
especificados para aplicarlos a los análisis de los casos
concretos.
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
109
Principio de autonomía.
Es un principio de respeto a las personas que impone la obligación de
asegurar las condiciones necesarias para que actúen de forma autónoma.
Principio de beneficencia:
Obligación de actuar en beneficio de otros, promoviendo sus legítimos
intereses y suprimiendo perjuicios.
Principio de no maleficencia (Primum non nocere):
Abstenerse intencionadamente de realizar acciones que puedan causar
daño o perjudicar a otros. Es un imperativo ético válido para todos, no sólo
en el ámbito biomédico sino en todos los sectores de la vida humana.
Principio de justicia:
Tratar a cada uno como corresponda con la finalidad de disminuir las
situaciones de desigualdad (biológica, social, cultural, económica, etc.)
Eduardo Gómez
Tema 4: La revolución genética
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