Genética molecular (IV)

Genética
molecular (IV)
Sistemas de
reparación del DNA
Durante la
replicación
Corrección de pruebas
de la DNA-polimerasa
Durante el resto
del ciclo celular
Reparación
con escisión
Sistema
SOS
Reparación
sin escisión
o directa
REPARACIÓN CON ESCISIÓN
1-una endonucleasa detecta el error
y corta a ambos lados la hebra;
2-una exonucleasa, elimina el
segmento delimitado;
3-una ADN-polimerasa, sintetiza el
fragmento correctamente
4-una ADN-ligasa lo empalma con
los extremos
Mutaciones en los genes que
codifican a las enzimas reparadoras
de estos mecanismos originan
enfermedades humanas como la
Xeroderma Pigmentosum
Vídeo xerordema pigmentosum
REPARACIÓN DIRECTA (FOTOENZIMÁTICA)
Es aquella en la que se revierte la
lesión, por ejemplo, la reparación de
dímeros de timina (dos timinas
adyacentes en una misma hebra de
DNA unidas covalentemente por un
anillo ciclobutano) producidos por la
luz ultravioleta, mediante la enzima
fotoliasa:
1-la fotoliasa reconoce la lesión y se
une a ella.
2-la luz visible de 300-500nm (azul)
activa dicha enzima
3-la enzima activada cataliza la
rotura del anillo ciclobutano y a
continuación se libera.
Animación
Otra animación
SISTEMA SOS
Cuando se acumula un gran número de mutaciones que dañan severamente el ADN,
o que interfieren seriamente con la replicación, puede ocurrir que los sistemas de
reparación anteriores no sean suficientes para reparar todos los daños; en estas
circunstancias se pone en marcha un nuevo mecanismo de emergencia que tiende a
salvaguardar la viabilidad de la célula, a costa de acumular mutaciones con frecuencia
elevada. Las enzimas correctoras SOS incorporan al azar un nucleótido en el punto en
que la replicación se detiene debido a una lesión. El resultado es que la célula se divide
pero incorporando gran número de mutaciones
MUTACIONES Y CÁNCER
Agentes cancerígenos: físicos, químicos, biológicos
Mutaciones en genes específicos del ADN de las células
Reparación o
muerte celular
Información: apoptosis
METÁSTASIS
Migración a otros tejidos,
a través de la sangre o la
linfa, donde crecen y
reemplazan al tejido normal
No hay reparación
Células alteradas
Proliferación rápida
e incontrolada
TUMOR
Formación de
una masa celular
Distintas proteínas
de membrana
Cambios en la
estructura del
citosqueleto...
Autosuficiencia en
el crecimiento
Evasión de la
Apoptosis
Resistencia a estímulos
antiproliferativos
Las capacidades que
adquieren las células
para el desarrollo
de la enfermedad
(Hanahan y Weinberg,
2000)
Cada uno de estos
cambios en la fisiología
celular, adquiridos durante
el desarrollo de los
tumores, representa una
ventaja en la lucha contra
los complejos sistemas de
defensa con que cuentan
las células para
mantener estable la
armonía funcional de los
tejidos.
Angiogénesis
sostenida
Invasión y
Metástasis
Inmortalidad
Vídeo de Angiogénesis
Vídeo de Metástasis
Información
Genes reguladores
del ciclo celular
PROTOONCOGENES
GENES SUPRESORES DE TUMORES
Activan los procesos
de crecimiento y
proliferación celular
Inhiben los procesos
de crecimiento y
proliferación celular
Activación
permanente
por mutación
ONCOGENES
Ganancia de función
(efecto dominante)
Inactivación
por mutación
Transformación
de una célula
normal en maligna
Pérdida de función
(efecto recesivo)
Para que un cáncer pueda progresar y desarrollarse, deben producirse al menos media
docena de mutaciones que afecten a varios genes reguladores. Sin embargo, otros tipos
de genes también pueden participar en la malignidad, facilitando la capacidad invasiva
del tumor (por ejemplo, mutaciones en las proteínas del citoesqueleto que favorecen la
motilidad celular).
genes supr. tumores
oncogenes
RELACIÓN DE LAS MUTACIONES CON LA EVOLUCIÓN:
La mutación genera los cambios sobre los que puede operar la Selección
ADAPTACIÓN
VARIABILIDAD GENÉTICA
Diferencias anatómicas /
funcionales entre los
individuos de la población.
Las diferencias pueden ser
beneficiosas, aumentando la
tasa de supervivencia de los
individuos que las poseen,
que dejan mas descendientes,
o perjudiciales.
SELECCIÓN NATURAL
Las diferencias ventajosas
tienden a permanecer en la
población y las perjudiciales
tienden a desaparecer.
Generan
MUTACIONES
Son aleatorias,
no se producen
como respuesta
a una necesidad
EVOLUCIÓN
La población va cambiando
conforme cambian las
condiciones ambientales.
CHARLES DARWIN Y LA SELECCIÓN NATURAL (I)
A lo largo de cinco años —entre 1831 y 1836— viajando
a bordo del Beagle, Charles Darwin, recogió datos
botánicos, zoológicos y geológicos que le permitirían
formular, durante los siguientes veinte años, una
explicación coherente sobre la diversidad de la vida. En
1858, Darwin se vio obligado a presentar sus trabajos,
cuando recibió el manuscrito de un joven naturalista,
A. R. Wallace, que había llegado de manera independiente
a sus mismas conclusiones , es decir, a la idea de la
evolución por medio de la selección natural.
CHARLES DARWIN Y LA SELECCIÓN NATURAL (II)
Darwin publicó su obra “Sobre el origen de las especies por medio de
la selección natural“ en 1859, en la que introduce los conceptos de
variabilidad de la descendencia y selección natural.
En ella Darwin postuló que:
-Los individuos de una misma
especie no son iguales entre sí,
sino que presentan variaciones
que se pueden transmitir a la
descendencia. Estas variaciones
hacen que cada uno tenga distintas
capacidades para adaptarse al medio
natural, reproducirse exitosamente
y transmitir sus rasgos a su
descendencia.
-El crecimiento de las poblaciones es exponencial y
los recursos son limitados. En la competencia por la
supervivencia tiene lugar una selección natural que
favorecerá a los individuos mejor adaptados, que
tendrán así mas oportunidades de reproducirse y
transmitir sus caracteres a la siguiente generación,
mientras que los peor adaptados serán eliminados.
CHARLES DARWIN Y LA SELECCIÓN NATURAL (III)
-Con el tiempo, los rasgos de los individuos que mejor se adaptan a las condiciones
naturales se vuelven más comunes y la población evoluciona. La acumulación gradual
de caracteres ventajosos para distintos ambientes daría lugar, con el tiempo, a la aparición
de nuevas especies.
Las enormes orejas del fenec son una adaptación
al medio desértico, que ayudan a irradiar el exceso
de calor hacia el exterior
Las pequeñas orejas del zorro ártico son una
adaptación al frío pues así su cuerpo pierde
menos calor por irradaiación.
Darwin murió sin conocer las causas de la variabilidad en las poblaciones, ya que los resultados
de los experimentos de Mendel son posteriores (1866) y apenas tuvieron difusión hasta 1900.
Biston betularia, la mariposa del abedul, es una
mariposa nocturna, de la que existen dos variedades:
una gris claro y moteada y otra melánica, gris oscura,
resultante de una mutación.
En Inglaterra, a mediados del siglo XIX, la forma
clara era la predominante, pero la contaminación
provocada por la revolución industrial mató los
líquenes de los troncos de los bosques y los
ennegreció. La consecuencia fue un progresivo
aumento de la variedad melánica, que remplazó
casi completamente a la variedadad clara en las
zonas industrializadas.
El aumento se debía a que las formas claras
destacaban durante el día sobre el tronco negruzco
de los árboles, siendo presa fácil de los pájaros que
se alimentaban de ellas, mientras que las formas
oscuras quedaban ahora camufladas. La selección
natural, que en esta caso actúa mediante la
contaminación y la depredación,eliminó en mayor
medida las formas claras y aumentó la frecuencia de
las oscuras, que tienen mayor probabilidad de
supervivencia y, por lo tanto, de reproducción. Hoy
día, gracias a las medidas anticontaminantes, el
proceso se ha invertido y está aumentando la
frecuencia de las formas claras. Este fenómeno,
que se ha observado en otras mariposas similares,
tanto americanas como europeas, se denomina
melanismo industrial.
MELANISMO INDUSTRIAL:
UN EJEMPLO DE EVOLUCIÓN
POR SELECCIÓN NATURAL
BIOTECNOLOGÍA
La biotecnología es la utilización de seres vivos, o partes de ellos, para obtener produtos
de interés para las personas, sean de tipo alimentario, terapeútico, para mejora del medio
ambiente, etc.
ORÍGENES DE LA BIOTECNOLOGÍA
Desde los comienzos de la agricultura y de la ganadería (hace unos 10.000 años), los seres
humanos realizaron múltiples cruzamientos entre variedades distintas de una misma planta
o entre razas diferentes de una especie animal, con el fin de obtener más y mejores cosechas
y razas animales más eficientes para el fin al que fueran destinadas. Estas técnicas de
“selección artificial” produjeron las especies actuales de ganado y cultivos, muy diferentes a
las especies silvestres originarias y en las que se mezclaron ADNs de distintas variedades.
Si quieres conocer la evolución del maíz haz clik aquí
INGENIERÍA GENÉTICA
En la actualidad, gracias a los avances de la genética, disponemos de un conjunto de técnicas
que permiten la manipulación de los genomas de los seres vivos con distintos propósitos. Esta
tecnología y la manipulación genética a ella debida se denominan “ingeniería genética”.
Entre sus logros se pueden citar la mejora de plantas y animales con fines alimentarios, la
obtención de proteínas de interés terapéutico, de vacunas o la obtención de múltiples copias
de un fragmento de ADN (clonación de ADN), también con distintos fines como el estudio de la
actividad de un gen, la detección de enfermedades infecciosas o la identificación de individuos
(huella genética) con fines policiales o jurídicos.
INGENIERÍA GENÉTICA: TÉCNICAS DE MANIPULACIÓN DEL ADN
REQUERIMIENTOS
ENZIMAS
ENDONUCLEASAS
DE RESTRICCIÓN
VECTORES
LIGASAS
Unen covalentemente
fragmentos de ADN del
mismo o distinto origen
Cortan ADN por
sitios precisos
POLIMERASAS
Sintetizan ácidos nucleicos
complementarios a un
molde
De ADN
ADN y ARN
polimerasas
De ARN
Transcriptasa
inversa
PLÁSMIDOS
Y FAGOS
Para introducir
genes en
bacterias
Transportan
fragmentos de
ADN exógenos
a una célula
donde se
multiplican
o expresan
Plásmidos
( de Levadura y
plásmido Ti)
Virus eucariotas
Cromosomas
artificiales de
levadura
Para introducir
genes en
células
eucariotas
ENDONUCLEASAS DE RESTRICCIÓN
Son “tijeras moleculares“, de una gran precisión y especificidad que reconocen dianas
específicas en el ADN y cortan cada vez que las encuentran. A diferencia de otras nucleasas,
no degradan el ADN sino que solo lo cortan produciendo fragmentos cuyo número dependerá
de las veces que exista la diana en el ADN.
Existen distintos tipos de enzimas de restricción, obtenidas de diferentes microorganismos y
con distintas secuencias diana. Las más utilizadas tienen secuencias diana palindrómicas y
pueden producir 2 tipos de cortes:
-en bases no enfrentadas, generando fragmentos con extremos monocatenarios o
“cohesivos“, capaces de aparearse con otros fragmentos de ADN con extremos
complementarios, generados por la misma enzima
-en bases enfrentadas de la secuencia diana generando fragmentos con extremos romos.
Animación
VECTORES
Son moléculas de DNA utilizadas para introducir en una célula huésped un fragmento de
DNA foráneo y, una vez en su interior, posibilitar su replicación (vectores de clonación) e
incluso su expresión (vectores de expresión).
Vector
de
Los vectores deben reunir las siguientes
clonación
características:
Un origen de replicación
Tamaño global pequeño para facilitar su
entrada en la célula hospedadora y garantizar
su estabilidad dentro de la misma.
Varias dianas para diferentes endonucleasas
de restricción en regiones no esenciales que
permitan intercalar el DNA exógeno
Genes de resistencia a antibióticos para
seleccionar las células hospedadoras que lo
contienen.
Si se trata de un vector de expresión deberá
tener las secuencias necesarias para la
transcripción (promotor y terminador) y la
traducción.
Vector
de
expresión
POLIMORFISMO EN LA LONGITUD DE LOS FRAGMENTOS DE RESTRICCIÓN
Mutaciones distintas en los distintos individuos de la población (variabilidad)
Cambios en las secuencias diana de diferentes enzimas de restricción
Diferencias en el tamaño y número de los fragmentos producidos por las enzima de
restricción (RFLP= polimorfismos en la longitud de los fragmentos de restricción)
Los fragmentos se separan en función de su tamaño cuando se colocan en un gel al que se
aplica una corriente eléctrica, provocando la migración de los fragmentos hacia el cátodo (por
la presencia de grupos fosfato),
tanto mas rapidamente cuanto
menor es su longitud
( Electroforesis en gel)
Video
Animación
Para cada individuo se obtienen
distintas bandas, que vienen a ser
como su código de barras genético.
El análisis de los RFLP permite,
no solo obtener la huella genética,
sino también el diagnóstico (incluso
prenatal) de determinadas
enfermedades congénitas.
CLONACIÓN= OBTENCIÓN DE COPIAS IDÉNTICAS
Del genoma de un ser vivo
De un gen o
un fragmento
de ADN
In vivo
Dentro de
una célula
hospedadora
De células
Introduciendo todo el
genoma en una célula
reproductora (óvulo)
previamente enucleada
(transferencia nuclear)
In vitro
Mediante
la PCR
Se induce el desarrollo
embrionario
Implantación en el útero de
una madre portadora donde
se completará el desarrollo
embrionario
Clonación
terapeútica
Se aísla una célula
y se permite su
reproducción para
generar muchas
células idénticas
(un clon de células)
Utilización del blastocisto
para obtener células madre
de las que se pueden obtener
distintos tejidos
Clonación
reproductiva
CLONACIÓN DE ADN IN VIVO (MULTIPLICACIÓN EN EL INTERIOR CELULAR)
1- Cortar el ADN y el plásmido vector
(que contiene un gen marcador de
resistencia a un antibiótico) con la misma
enzima de restricción.
2- Unión del fragmento y el vector con
ADN ligasa, generando moléculas híbridas
(ADN recombinante).
3- Introducción del ADN recombinante
en una célula hospedadora (bacteria)
para su replicación.
4- Selección de las células que contienen
el ADN recombinante por crecimiento en
presencia de antibiótico.
5-Purificación del ADN que ha sido
clonado
Animación
CLONACIÓN REPRODUCTIVA
CLONACIÓN TERAPÉUTICA
La obtención de un embrión
genéticamente idéntico a un
individuo puede tener una
aplicación terapéutica, pues
en ese embrión hay células
madre de las que pueden
obtenerse células diferenciadas
de cualquier tejido.
Estos tejidos podrían ser
trasplantados a un paciente que
los precisara sin producir rechazo,
como ocurre con los trasplantes de
tejidos de donantes distintos.
OBTENCIÓN DE PROTEÍNAS DE INTERÉS MEDIANTE INGENIERÍA GENÉTICA
1-aislamiento del gen humano cortándolo con la misma enzima de restricción
con la que se abre el plásmido, generando extremos cohesivos
2-obtención del plásmido recombinante (DNA humano + DNA bacteriano)
3-introducción del plásmido recombinante en la bacteria
4-clonación y expresión del gen (obtención de grandes cantidades de proteína humana)
Actualmente se obtienen por ingeniería genética: el factor VIII de coagulación, la
hormona del crecimiento, la insulina, el interferón y algunas vacunas antivirales
como las de la hepatitis A y B.
ORGANISMOS TRANSGÉNICOS
Los organismos modificados genéticamente (abreviado OMG, OGM o GMO) son organismos
cuyo material genético o genoma ha sido manipulado mediante técnicas de ingeniería genética
con el fin de otorgarle alguna característica específica.
Cuando dicha manipulación consiste en introducir en el genoma de un organismo genes
pertenecientes a organismos de otras especies, el organismo genéticamente modificado se
denomina “organismo transgénico“. El gen foráneo que porta el organismo transgénico se
denomina “transgen“ y al proceso de transferencia de estos genes se le denomina
“transgénesis“
Familia de ratones fluorescentes
desarrollados por la compañía
taiwanesa Level Biotech en 2003.
Información
El arroz dorado está modificado genéticamente
(con dos genes del narciso y un gen bacteriano)
para producir una gran cantidad de betacaroteno
(precursor de la Vitamina A). Información aquí
OBTENCIÓN DE
PLANTAS TRANSGÉNICAS
1- Preparación del transgén para
su entrada en la célula,uniéndolo
a un vector, como el plásmido Ti
de Agrobacterium (bacteria del
suelo que, de forma natural,
introduce el plásmido en las
células de la planta) o bien
utilizándolo como revestimiento
de microesferas metálicas que
se disparan sobre las células
con “pistolas génicas“, técnica
denominada biobalística.
2- Introducción del transgén en
células en cultivo de la planta.
3- Selección de las células que
contienen el transgén.
4- Multiplicación de las células
seleccionadas para formar
plantas transgénicas.
Animación
OBTENCIÓN DE ANIMALES TRANSGÉNICOS
TERAPIA GÉNICA
La terapia génica es el tratamiento de una enfermedad por medio de la manipulación genética,
utilizando un gen, que se introduce en el individuo enfermo, como agente terapeútico. La
introducción del gen foráneo se limita, actualmente, a las células somáticas de un determinado
órgano o tejido. Esta terapia se realiza normalmente ex vivo, es decir, en células blanco que se
extraen del cuerpo, se cultivan y se les introduce el gen terapeútico en el laboratorio y luego se
reintroducen en el organismo del enfermo. Para introducir el gen terapeútico en las células
diana suelen utilizarse vectores víricos. Las enfermedades con mayores posibilidades de poder
ser tratadas por terapia génica son las producidas por un solo gen defectuoso como la fibrosis
quística, la hemofilia A, la deficiencia de la enzima ADA (un tipo de inmunodeficiencia), la
distrofia muscular de Duchenne, etc.
APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA (I)
APLICACIONES EN MEDICINA Y EN LA INDUSTRIA FARMACEÚTICA
▪ Producción de proteínas para tratar o prevenir enfermedades (hormonas,
factores de coagulación, interferón, vacunas...).
▪ Terapia génica.
▪ Diagnóstico de enfermedades de origen genético
APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA (II)
APLICACIONES EN AGRICULTURA .
Obtención de plantas transgénicas con distintos objetivos:
▪ Conseguir plantas resistentes a herbicidas, al ataque de insectos o
a enfermedades víricas.
▪ Mejora del producto: aumento del valor nutritivo.
▪ Conseguir plantas fijadoras de nitrógeno atmosférico, lo que evitaría
la utilización de elevadas cantidades de fertilizantes químicos.
▪ Maduración controlada de frutos y flores.
▪ Tolerancia a condiciones ambientales extremas de temperatura,
salinidad...
▪ Biorremediación mediante plantas con genes bacterianos que les
confieren la capacidad de descontaminar campos contaminados
con material explosivo, eliminar la toxicidad por mercurio del suelo...
El maíz Bt es un maíz transgénico que produce en
sus flores una proteína de la bacteria del suelo
Bacillus thuringiensis que es tóxica para las larvas
de un parásito que se alimenta de este maíz. Así,
cuando las larvas de estos insectos, comúnmente
denominados "barrenadores del tallo", intentan
alimentarse de la hoja o del tallo del maíz Bt,
mueren.
APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA (III)
APLICACIONES EN LA CRÍA DE ANIMALES (GANADERÍA, ACUICULTURA).
Obtención de animales transgénicos con distintos objetivos:
▪ Mejoras en la producción. Los mejores resultados se han obtenido con
peces, como el salmón, la carpa y la lubina, a los que se les ha añadido
el gen de la hormona del crecimiento de otras especies, lo que produce
un aumento de tamaño del pez en muy poco tiempo y el gen de la
"proteína anticongelante" de peces árticos, que permite su cría en aguas
muy frías.
▪ Conocimiento del papel de un gen determinado (su regulación y la función
de la proteína) o estudio de enfermedades humanas de origen genético.
▪ Producción de proteínas de interés (humanas o de otro tipo).
▪ Obtención de órganos para xenotransplantes (por ej. de cerdos a los que
se les eliminan los genes que codifican las proteínas responsables del
rechazo), etc.
Salmón transgénico junto a otro no transgénico de la misma edad
PROYECTO GENOMA HUMANO
Genoma es el conjunto de todos los genes de un
organismo, que en nuestra especie están distribuidos
entre los 23 pares de cromosomas que tenemos en
nuestras células.
En 1991 se puso en marcha un ambicioso proyecto,
el Proyecto Genoma Humano, concebido para
localizar, secuenciar y estudiar la función de todos
los genes de la especie humana.
Guía del genoma humano
La Organización del Genoma Humano (HUGO)
fue la entidad destinada a la coordinación
internacional, para evitar duplicaciones de
esfuerzos, y para difundir el conocimiento
En este Proyecto se involucraron centros
de investigación de todo el mundo y
debido a la amplia colaboración
internacional y a los avances en la
tecnología computacional, el borrador
inicial del genoma fue terminado en el año
2000 .
En febrero de 2001 el Proyecto de
Genoma Humano y Celera Genomics
(empresa fundada por Craig Venter que
competía con el consorcio público)
publican, simultáneamente, su
secuenciación del genoma humano en
Nature y Science, respectivamente.
Finalmente el genoma completo fue
presentado en abril del 2003, dos años
antes de lo esperado.
GENOMA HUMANO
3.10 9 pares de
bases
30.000 genes aprox. que
codifican
entre 100.000 y 200.000
proteínas
2000 Genes aprox.
responsables
de enfermedades humanas
DNA codificante
(10%)
Genes y secuencias
relacionadas
(25%)
DNA no codificante: Intrones...
(90%)
Genoma nuclear
(30.000 genes)
Genom
a
human
o
DNA
intergénico
o extragénico
(75%)
Secuencias únicas
o bajo nº copias
(60%)
-Telómeros
Secuencias moderada -Centrómeros
a altamente
Transposones
repetitivas
-Retrovirus
(40%)
endógenos...
2 genes de rRNA
Genoma
mitocondrial
(37 genes)
22 genes de
tRNA
13 genes de
mRNA