Genética molecular: Dogmas, Ramas, Técnicas, Aplicaciones

Área científica de la genética (ciencia del estudio de genes y la transmisión de los caracteres hereditarios) que estudia los genes, estructura y función, a nivel molecular; es decir, las unidades moleculares: nucleótidos y los enlaces que los unen.

No debe confundirse con la biología molecular, aunque usa y comparte sus fundamentos y métodos, esta última se relaciona con estudiar molecularmente a los seres vivos, y no los genes.

Genoma: los genes y cromosomas

Usando una analogía práctica para entender mejor los niveles estructurales de genética es, la célula, la unidad estructural y funcional de los seres vivos; la unión de múltiples células forma tejidos que componen a los órganos, que en última instancia van a constituir el cuerpo.

En genética, la unidad es el gen, física y funcionalmente se encarga de la herencia, la información que pasa de generación en generación en cada especie. Se componen de ácido desoxirribonucleico (ADN) formado a su vez por los nucleótidos; estas moléculas compuestas bioquímicamente por una azúcar pentosa, un grupo fosfato y una de las cuatro bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina, y timina) que se unen por enlaces de puentes de hidrógeno en la estructura que denominamos ADN.

 La secuencia de ADN contiene secciones con información destinadas a ser “leídas, traducidas y enviadas” en un proceso llamado transcripción, que finalmente producirá proteínas en la célula, sin embargo, otras secciones no transcriben información para un producto, sino que su información es para regular dichas producciones, iniciándose, acelerándose o deteniéndose. Aquellas secciones que al transcribirse producen son los genes.

Similar a los tejidos, la secuencia de ADN se compacta con la ayuda de un grupo de proteínas en una estructura mayor denominada cromosoma (aunque a diferencia del primero, es una única hebra de ADN) del cual, cada humano posee dos, heredados de los padres al momento de la fecundación; y finalmente, todo el conjunto de genes, en los cromosomas, constituyen el genoma: el cuerpo completo de información hereditaria.

Dogma de la Genética Molecular

El punto central de la genética molecular fue propuesto por el biólogo molecular Francis Crick, uno de los descubridores de la estructura molecular del ADN (1953), en 1970. Propone que la expresión del ADN es unidireccional, es decir, que una vez iniciada la transcripción esta termina en la proteína. Esto también implica, que la información genética solo puede transmitirse a la descendencia. Sin embargo, algunos virus y en situaciones de laboratorio, se da la síntesis de ADN o producción de proteínas in vitro por medio de enzimas y ribosomas, respectivamente.

Ramas relacionadas a la genética molecular

Se denomina sistemática molecular a un área de la genética molecular que usa, la información obtenida para clasificar la descendencia de las especies biológicas; mientras que la filogenia molecular, estudia los parentescos entre especies.

La genética molecular también, estudia las mutaciones genéticas, causantes de múltiples enfermedades cuyo origen se deba a un fallo en la codificación de secuencia del ADN, se aplica en la detección de alelos relacionados con enfermedades hereditarias y su diagnóstico.

Rastreo Genético

Es un método de la genética molecular, trata de mapear el genotipo especifico responsable de un fenotipo en la secuencia de ADN. Inicialmente se practicó con mutaciones naturales, consecuentemente se inició la práctica de inducción de mutaciones con radiación y agentes químicos. Es la visión clásica del estudio genético.

Genética Inversa

Es el segundo método fundamental de la genética molecular, básicamente su objetico es el mismo que el rastreo pero parte del análisis del fenotipo para entender la función del genotipo. Por tanto, es la visión moderna del estudio genético, buscando que fenotipos están relacionados con una secuencia de ADN en particular.

Técnicas de Genética Molecular

Para lograr un estudio genético minucioso es necesario aplicar estos métodos de estudio:

Extracción de ADN

Antes de cualquier análisis, se debe obtener la “materia prima” de estudio, el ADN. Es un paso fundamental, ya que su práctica incorrecta conlleva el daño irreparable y la  pérdida del ADN, lo que detendrá el estudio.

El procedimiento se basa en purificar el ADN desde una muestra de tejido, tradicional y preferentemente de sangre pero también se pueden usar otros como la médula ósea (en forense para identificar cadáveres). Secuencialmente se realizan lavados con enzimas que eliminan las proteínas y detergentes que destruirán la membrana celular, liberando el ADN.

Amplificación de ADN: PCR y Clonación

La técnica de amplificación es útil cuando la muestra de ADN es escasa (ejemplo, en muestras forenses de antigüedad) o sencillamente, se requiere de una mayor cantidad de material para múltiples estudios. Se realiza por medio de dos métodos:

• Reacción en cadena de la polimerasa (PCR): es una técnica que permite a partir de nucleótidos (ADN molde), (secuencia de ADN iniciadora) y una ADN Polimerasa (enzima que realiza la síntesis de un nuevo ADN) llamada Taq Polimerasa (extraída de una bacteria volcánica, por lo tanto, termoestable) que resiste la alta temperatura necesaria para el proceso, producir una nueva cadena de ADN. En esta técnica no se usa la célula.
• Clonación de ADN: es la técnica que permite obtener “copias” de una secuencia inicial de ADN. Se realiza a partir de una secuencia de ADN recombinante (obtenida de un vector clonador) que es insertada en una bacteria que va a generar múltiples copias, por tanto, múltiples copias con resultado de una única molécula de ADN

Visualización del ADN

Utilizando la técnica de electroforesis en gel de agarosa se consigue un realizar un patrón del ADN. La técnica consiste en un gel conductor de electricidad que posee ciertas características para que las moléculas se movilicen en él; al aplicar cargas eléctricas opuestas haciendo un extremo positivo y uno negativo, las moléculas que también adquieren cargas, van a migrar a un polo u otro y según su tamaño van a separarse, ya que las más pequeñas van a ir más rápido, caso contrario las moléculas grandes. La separación va a resultar en una serie de “columnas con barras” que el ADN, teñido de Bromuro de Etidio (colorante que reacciona sólo con los rayos ultravioleta) va a visualizarse color naranja (existen otras técnicas y tinciones).

Secuenciación de ADN

Se utilizan varias técnicas para determinar la posición en secuencia de los nucleótidos presentes en un fragmento de ADN.

• Método Sanger o método por terminación de cadena: desarrollado en 1977, fue el primer método de secuenciación, que permite “romper” en pequeñas secuencias el ADN que contienen alrededor de 900 pares de nucleótidos cuyos extremos son fluorescentes, lo que permite determinar la secuencia.

Aunque fue usada para el mayor proyecto de secuenciación: el genoma humano, ya que permite estudiar secuencias largas, hoy en día es considerado un método muy costoso y lento por lo que se prefiere la secuenciación a gran escala para un genoma completo, y se reserva para fragmento de ADN obtenidos por PCR o clonación.

• Secuenciación de nueva generación: es una técnica moderna que permite secuenciar paralelamente múltiples secuenciaciones al mismo tiempo, esto reduce altamente su costo al resultar más rápido. Conceptualmente, es como realizar al mismo tiempo múltiples secuencias de Sanger, lo que es favorecedor para secuenciar grandes fragmentos de ADN o genomas completos.

Aplicaciones de la Genética Molecular

Debido al importante estudio que desempeña esta ciencia permite ser aplicada en conjunto con otras como:

Terapia Génica

Cuando existe una mutación de un gen, este puede derivar en una condición patológica en la que produce de forma defectuosa una proteína, poniendo en riesgo, todos aquellos procesos fisiológicos y tejidos relacionados con dicha proteína. Este conjunto de patologías se denominan trastornos genéticos.

La terapia génica, a diferencia de la alternativa farmacéutica, va corregir directamente el defecto a nivel genético; mediante la inserción de una copia “correcta” del gen defectuoso a la secuencia, obteniendo una proteína funcional.

Diagnóstico prenatal o pre-implantación de embrión

Hoy en día casi es rutinario que se realicen pruebas genéticas al feto en formación, en este caso para detectar prenatalmente si es portador de algún síndrome genético que sea incompatible con la vida o ponga en riesgo la vida materna tempranamente cuando todavía es posible abortarlo o para mayor preparación al momento del nacimiento. Lo que busca es determinar si el feto posee ambos pares de todos los cromosomas, y de ser necesario realizar estudios más exhaustivos.

En caso de realizar fecundaciones in vitro, muchas parejas que han tenido múltiples pérdidas, que tienen conocimiento de ser portadores de una enfermedad genética (presencia en la familia) o son de edad avanzada, recurren a pruebas pre-implantación para asegurar un feto viable o sin la presencia del gen causante de la enfermedad. En este caso, las pruebas se guían de los marcadores genéticos para ubicar los genes relacionados con la enfermedad a estudiar.

Proyecto Genoma Humano

Desde el inicio del estudio molecular de los genes, una meta fue la secuenciación completa del genoma humano. El proyecto fue fundado en 1990 con una proyección de 15 años de extensión y la participación de un equipo internacional de científicos; en el 2000 se publicó un borrador inicial del genoma, que fue finalizado parcialmente en 2003, dos años antes del tiempo propuesto. Finalmente, fue en 2016 cuando se anunció que se había realizado completamente la secuenciación del ADN humano, sin embargo, no se tiene conocimiento de las funciones de todos los genes hallados.

Hoy en día, las investigaciones del genoma humano continúan y se extendió el proyecto a estudiar el microbioma humano, la población de microorganismos que habitan a ser humano tanto en la condición de salud como de enfermedad.

Preguntas frecuentes

En genética estas definiciones son fundamentales para entender la importancia del estudio de los genes.

¿Qué es el genotipo?

Se refiere a los genes que contienen la información a expresar, por ejemplo, en los ojos, el gen EYCL1 es responsable de la coloración azul y verde mientras que el gen EYCL2 es responsable de la coloración marrón.

¿Qué es el fenotipo?

Se refiere a la expresión de la característica física de un gen, por ejemplo, una persona puede heredar ambos genotipos del color de ojos, pero puede que se exprese el color azul y no el marrón, y viceversa; esto depende de una serie de leyes naturales (van más allá de lo que corresponde a la genética molecular).

¿Qué es el locus?

Es la posición única de un gen en el cromosoma y por tanto en la secuencia de ADN. Esto permite llamar a algunos genes o secuencias de función desconocida como marcadores genéticos, lo que permite ubicar los genes conocidos para estudiarlos.