Totes les entrades de Mireia Ramos Muntada

Transponable elements: the jumping genes of our genome

In the same way that grasshoppers are jumping and moving through the field, there is a type of genes that jump through our genome and change its position. Our genome is not static, so read on to know everything about these kinds of genes.

THE DISCOVERY OF TRANSPONABLE ELEMENTS

Barbara McClintock discovered transposable elements, or also called mobile genetic elements because of their ability to move around the genome. The “jumping genes,” as this American geneticist christened them, changed the knowledge about genetics so far, since at first the scientific community did not believe in the idea that a DNA sequence could move on its own.

She had a special relationship with corn, a plant domesticated by man for 10,000 years and has become one of the three most cultivated cereals in the world. In addition, it is one of the most important staple foods since from it many derived products are made, such as flours and oils. Its great industrial value has made it have been studied in depth and its genome has been sequenced.

McClintock began studying the DNA of corn and observed that there were a number of genetic sequences that, without knowing how, changed position within the genome. Somehow, these sequences turned on or off the expression of other corn genes and this was observed with the naked eye; the grains of a corn cob could be of different colours (Figure 1), even within the same grain there were areas of various colours. Then McClintock sought the answer of how this was possible if the genes responsible for colour were inherited from the parents. The result was the discovery of the transposable elements, which led her to win the Nobel Prize in Medicine in 1983.

elemento transponible maiz
Figure 1. (A) P gene gives a purple grain. (B) A transponable element is inserted in the middle of the P gen and the grain has no pigmentation. (C) Corn cob wit some grains with P gene intact and others with P gene interrupted by a mobile genetic element. (Source: Porque biotecnología, adaptation)

EFFECTS OF THE CHANGE OF POSITION

When the transposable elements jump and change position they produce a loss of bases when leaving the place where they rested. This loss of some bases does not have “much” importance. But if the transposable element is inserted into a gene, there is an addition of a large number of bases that will cause the loose of gene’s function. For this reason, mobile genetic elements produce mutations because by jumping and changing their location, they alter the DNA sequence and prevent genes from encoding proteins through the genetic code. However, when they jump again, the gene regains its functionality and expresses itself as if nothing had happened.

Often, these jumping genes are considered parasites, because the cell cannot get rid of them. Although they can also bring benefits to the cell, such as transporting advantageous genes. The best known example is not found in humans, but in bacteria and their resistance to antibiotics such as penicillin, discovered by Alexander Fleming. The spread of antibiotic resistance is due to genes that encode enzymes that inactivate them, and that are located in mobile genetic elements. It is usually related to the horizontal transfer of genes, in which they can move from one cell to another as if they were bees that go from flower to flower. When this happens, the transposable element is introduced into a new cell and inserted into the genome of this new cell. That is when it will be faithfully transmitted to its progeny through the normal process of DNA replication and cell division.

TYPES OF TRANSPONABLE ELEMENTS

It is estimated that in the human genome there are 44% transposable elements, which can amount to 66% taking into account repeated fragments and short sequences derived from them. The consequence is that we have more than 1000 genes regulated, directly or indirectly, by sequences from transposable elements.

So far, two types of transposable elements are known: class I transposable elements or retrotransposons and class II transposable elements or DNA transposons. They are classified according to whether they require reverse transcription to jump and transpose or not.

Reverse transcription is similar to the transcription process, but with the difference that it occurs in reverse. That is, if in the classical transcription process a single strand of RNA is obtained from a double strand of DNA, in reverse transcription of an RNA molecule a DNA molecule is obtained. This is common in viruses such as HIV virus (AIDS) or hepatitis virus, but also in some class I transposable elements. These are very abundant and represent 90% of the transposable elements of our genome.

Instead, the others are class II transposable elements or DNA transposons. These are the elements that McClintock discovered in corn, with a 10% representation in our genome and responsible for the spread of antibiotic resistance in bacterial strains.

It should be noted that DNA transposons never use intermediaries, but are autonomous. They jump from one place of the genome to another by themselves, without any help. The mechanism they use is called “cut and paste” and is similar to the cut and paste we use on the computer. The DNA transposon cuts the DNA sequence that has end and look for another place to settle. Then there it also cuts the DNA sequence and is “hooked” (Figure 2).

transposon
Figure 2. Mechanism of cutting and pasting (Source: SITN: science in the news)

It is currently known that the activity of transposable elements is a source of evolutionary innovation due to the generation of mutations, which could have been key both in the development of organisms and in different evolutionary phenomena such as speciation; the process by which a population of a given species gives rise to another or other species.

The vast majority of these mutations are deleterious to organisms, but some of them will lead to adaptive improvement and tend to spread throughout the population. We could put our hand in the fire and we probably wouldn’t burn to ensure that much of the variability that life shows around us originally comes from the displacement of mobile genetic elements or transposable elements.

(Main picture: ABC Canada)

Anuncis

Elementos transponibles: los genes saltarines de nuestro genoma

De la misma manera que los saltamontes van saltando y moviéndose por el campo, existen un tipo de genes que saltan por nuestro genoma y cambian de posición. Nuestro genoma no es estático, así que sigue leyendo para saberlo todo sobre este tipo de genes.

SU DESCUBRIMIENTO

Barbara McClintock fue la descubridora de los elementos transponibles o también llamados elementos genéticos móviles por su capacidad de moverse por el genoma. Los “genes saltarines”, tal y como los bautizó esta genetista americana, cambiaron el conocimiento que se tenía sobre la genética hasta el momento, ya que al principio no se creía en la idea de que una secuencia de ADN se pudiera desplazar por sí sola.

McClintock tenía una relación especial con el maíz, una planta domesticada por el hombre desde hace 10.000 años y que se ha convertido en uno de los tres cereales más cultivados del mundo. Además, es uno de los alimentos básicos más importantes ya que a partir de él se hacen muchos productos derivados, como harinas y aceites. Su gran valor industrial ha hecho que sea haya estudiado en profundidad y se haya secuenciado su genoma.

McClintock empezó a estudiar el ADN del maíz y observó que había una serie de secuencias genéticas que, sin saber cómo, cambiaban de posición dentro del genoma. De alguna manera, estas secuencias encendían o apagaban la expresión de otros genes del maíz y esto se observaba a simple vista; los granos de una mazorca de maíz podían ser de diferentes colores (Figura 1), incluso dentro del mismo grano había zonas de varios colores. Entonces McClintock buscó la respuesta de cómo era esto posible si los genes responsables del color se heredaban de los progenitores. El resultado fue el descubrimiento de los elementos transponibles, que le llevaron a ganar el premio Nobel de Medicina en el 1983.

elemento transponible maiz.png
Figura 1. (A) El gen P da un grano de color púrpura. (B) Un elemento transponible se inserta en medio del gen P y el grano no tiene pigmentación. (C) Mazorca de maíz con algunos granos con el gen P intacto y otros con el gen P interrumpido por un elemento genético móvil (Fuente: Porque biotecnología, adaptación)

EFECTOS DE SU CAMBIO DE POSICIÓN

Cuando los elementos transponibles saltan y cambian de posición producen una pérdida de bases al abandonar el lugar donde reposan. Esta pérdida de algunas bases no tiene “mucha” importancia. Pero si el elemento transponible se inserta en el interior de un gen se produce una adición de una gran cantidad de bases que harán que el gen pierda su función. Por esta razón, los elementos genéticos móviles producen mutaciones porque al saltar y cambiar su localización, alteran la secuencia del ADN e impiden que los genes puedan codificar proteínas mediante el código genético. Sin embargo, cuando vuelven a saltar el gen recupera su funcionalidad y vuelve a expresarse como si nada hubiera pasado.

A menudo, estos genes saltarines son considerados parásitos, ya que la célula no puede deshacerse de ellos. Aunque también pueden aportarle beneficios, como transportar genes ventajosos. El ejemplo que nos resultará más conocido no se encuentra en humanos, sino en las bacterias y su resistencia a los antibióticos como la penicilina, descubierta por Alexander Fleming. La propagación de la resistencia a antibióticos se debe a genes que codifican enzimas que los inactivan, y que se encuentran situadas en los elementos genéticos móviles. Habitualmente se relaciona con la transferencia horizontal de genes, en que se pueden desplazar de una célula a otra como si fueran abejas que van de flor en flor. Cuando esto sucede, el elemento transponible se introduce en una nueva célula y se inserta en el genoma de esta nueva célula. Es entonces cuando será fielmente transmitido a su progenie a través del proceso normal de replicación del ADN y de división celular.

TIPOS DE ELEMENTOS TRANSPONIBLES

Se calcula que en el genoma humano hay un 44% de elementos transponibles, que puede ascender hasta el 66% teniendo en cuenta fragmentos repetidos y secuencias cortas derivadas de ellos. La consecuencia es que tenemos más de 1000 genes regulados, directa o indirectamente, por secuencias procedentes de elementos transponibles.

Hasta el momento se conocen dos tipos de elementos transponibles: los elementos transponibles de clase I o retrotransposones y los elementos transponibles de clase II o transposones de ADN. Se clasifican según si requieren transcripción inversa para saltar y transponerse o no.

La transcripción inversa es similar al proceso de transcripción, pero con la diferencia de que se produce en sentido inverso. Es decir, si en el proceso clásico de transcripción se obtiene una cadena simple de ARN a partir de una doble cadena de ADN, en la transcripción inversa de una molécula de ARN se obtiene una molécula de ADN. Esto es común en virus como el virus del VIH (sida) o el de la hepatitis, pero también en algunos elementos transponibles de clase I. Éstos son muy abundantes y representan el 90% de los elementos transponibles de nuestro genoma.

En cambio, los otros son los elementos transponibles de clase II o transposones de ADN. Se trata de los elementos que descubrió McClintock en el maíz, con una representación del 10% en nuestro genoma y responsables de la diseminación de la resistencia a antibióticos en cepas bacterianas.

Cabe destacar que los transposones de ADN nunca utilizan intermediarios, sino que son autónomos. Saltan de un lugar del genoma a otro por sí mismos, sin ningún tipo de ayuda. El mecanismo que utilizan se llama “cortar y pegar” y es similar al Ctrl+C y Ctrl+V que usamos en el ordenador. El transposón de ADN corta la secuencia de ADN que tiene a extremo y extremo y busca otro sitio donde aposentarse. Entonces allí también corta la secuencia de ADN y se “engancha” (Figura 2).

transposon
Figura 2. Mecanismo de corta y pega del transposón de ADN (Fuente: SITN: Science in the news)

Actualmente se sabe que la actividad de los elementos transponibles es una fuente de innovación evolutiva debido a la generación de mutaciones, que podría haber sido clave tanto en el desarrollo de los organismos como en distintos fenómenos evolutivos como la especiación; el proceso mediante el cual una población de una determinada especie da lugar a otra u otras especies.

La inmensa mayoría de estas mutaciones es deletérea para los organismos, pero algunas de ellas darán lugar a una mejora adaptativa y tenderán a propagarse por la población. Podríamos poner la mano en el fuego y probablemente no nos quemaríamos asegurando que gran parte de la variabilidad que muestra la vida a nuestro alrededor proviene originalmente del desplazamiento de los elementos genéticos móviles o elementos transponibles.

(Foto portada: ABC Canada)

Elements transposables: els gens saltadors del nostre genoma

De la mateixa manera que les llagostes van saltant i movent-se pel camp, existeixen un tipus de gens que salten pel nostre genoma i canvien de posició. El nostre genoma no és estàtic, així que segueix llegint per saber-ho tot sobre aquest tipus de gens.

EL SEU DESCOBRIMENT

Bàrbara McClintock va ser la descobridora dels elements transposables o també anomenats elements genètics mòbils per la seva capacitat de moure’s pel genoma. Els “gens saltadors”, tal i com els batejar aquesta genetista americana, van canviar el coneixement que es tenia sobre la genètica fins el moment, ja que el principio no es creia en la idea que una seqüència d’ADN pogués desplaçar-se per si sola.

McClintock tenia una relació especial amb el blat de moro, una planta domesticada per l’home des de fa 10.000 anys i que s’ha convertit en un dels tres cereals més cultivats al món. A més, és un dels aliments bàsics més importants ja que a partir d’ell es fa productes derivats, com farines i olis. El seu gran valor industrial ha fet que sigui estudiat en profunditat i s’hagi seqüenciat el seu genoma.

McClintock va començar a estudiar l’ADN del blat de moro i va observar una sèrie de seqüències genètiques que, sense saber com, canviaven de posició dins del genoma. D’alguna manera, aquestes seqüències encenien o apagaven l’expressió d’altres gens del blat de moro i això s’observava a simple vista (Figura 1); els grans de la panotxa podien ser de diferents colors, inclús dins del mateix gra hi havia zones de varis colors. Llavors, McClintock va buscar la resposta de com era possible si els gens responsables del color s’heretaven dels progenitors. El resultat va ser el descobriments dels elements transposables, que van fer que guanyés el premi Nobel de Medicina el 1983.

elemento transponible maiz
Figura 1. (A) El gen P dóna un gra de color lila. (B) Un element transposable s’insereix enmig del gen P i el gra no té pigmentació. (C) La panotxa amb alguns gran amb el gen P intacte i altres amb el gen P interromput per un element genètic mòbil (Font: Porque biotecnología, adaptació)

EFECTES DEL CANVI DE POSICIÓ

Quan els elements transposables salten i canvien de posició produeixen una pèrdua de bases a l’abandonar el seu lloc on reposaven. Aquesta pèrdua d’algunes “bases” no té molta importància. Però si l’element transposable s’insereix a l’interior d’un gen es produeix una addició d’una gran quantitat de bases que faran que el gen perdi la seva funció. Per aquesta raó, els elements genètics mòbils produeixen mutacions perquè al saltar i canviar de localització, alteren la seqüència de l’ADN i impedeixen que els gens puguin codificar proteïnes mitjançant el codi genètic. No obstant, quan tornen a saltar el gen recupera la seva funcionalitat i torna a expressar-se com si no hagués passat res.

Sovint aquests gens són considerats paràsits, ja que la cèl·lula no pot desfer-se d’ells. Tot i que també pot aportar-li beneficis, com transportar gens avantatjosos. L’exemple que ens resultarà més conegut no es troba en humans, sinó en els bacteris i la seva resistència als antibiòtics com la penicil·lina, descoberta per Alexander Fleming. La propagació de la resistència a antibiòtics es deu a gens que codifiquen enzims que els inactiven, i que es troben situats en els elements genètics mòbils. Habitualment es relaciona la transferència horitzontal de gens, en què es poden desplaçar d’una cèl·lula a una altra com si fossin abelles que van de flor en flor. Quan això succeeix, l’element transposable s’introdueix a una nova cèl·lula i s’insereix al genoma d’aquesta nova cèl·lula. És llavors quan es transmetrà als seus progenitors a través del procés normal de replicació de l’ADN i de divisió cel·lular.

TIPUS D’ELEMENTS TRANSPOSABLES

Es calcula que en el genoma humà hi ha un 44% d’elements transposables, que pot ascendir fins el 66% tenint en compte fragments repetits i seqüències curtes derivades d’ells. La conseqüència és que tenim més de 1000 gens regulats, directa o indirectament, per seqüències procedents d’elements transposables.

Fins el moment es coneixen dos tipus d’elements transposables: els elements transposables de classe I o retrotransposons i els elements transposables de classe II o transposons d’ADN. Es classifiquen segons si requereixen transcripció inversa per saltar i transposar-se o no.

La transcripció inversa és similar al procés de transcripció, però amb la diferència de que es produeix en sentit invers. És a dir, si en el procés clàssic de transcripció s’obté una cadena simple d’ARN a partir d’una doble cadena d’ADN, en la transcripció inversa d’una molècula d’ARN s’obté una molècula d’ADN. Això és comú en virus com el virus del VIH (sida) o el de l’hepatitis, però també en alguns elements transposables de classe I. Aquests són molt abundants i representen el 90% dels elements transposables del nostre genoma.

En canvi, els altres són els elements transposables de classe II o transposons d’ADN. Es tracta dels elements que va descobrir McClintock en el blat de moro, amb una representació del 10% en el nostre genoma i responsables de la disseminació de la resistència a antibiòtics en soques bacterianes.

Cal destacar que els transposons d’ADN mai utilitzen intermediaris, sinó que són autònoms. Salten d’un lloc del genoma a un altre per si mateixos, sense cap tipus d’ajuda. El mecanisme que utilitzen s’anomena “tallar i enganxar” i és similar al Ctrl+C y Ctrl+V que utilitzem a l’ordinador. El transposó d’ADN talla la seqüència d’ADN que té a extrem i extrem per aposentar-se en un altre lloc. Llavors allà també talla la seqüència d’ADN i s’hi “enganxa” (Figura 2).

transposon
Figura 2. Mecanisme de tallar i enganxar del transposó d’ADN (Font: SITN: Science in the news)

Actualment es coneix que l’activitat dels elements transposables és una font d’innovació evolutiva degut a la generació de mutacions, que podria haver sigut clau tant en el desenvolupament dels organismes com en diferents fenòmens evolutius com la especiació; el procés mitjançant el qual una població d’una determinada espècie dona lloc a una o altres espècies.

La immensa majoria d’aquestes mutacions és deletèria pels organismes, però algunes d’elles donen lloc a una millora adaptativa i tendiran a propagar-se per la població. Podríem posar la mà al foc i probablement no ens cremaríem assegurant que gran part de la variabilitat que mostra la vida al nostre voltant prové originalment del desplaçament dels elements genètics mòbils o elements transposables.

(Foto portada: ABC Canada)

Model organisms in genetics

For scientists it is basic to work with models to discover what happens in a complete organism, which is more complex than the sum of its parts. It is for this reason that there are certain organisms, that by their characteristics, it is easy to use them as model in science. Below I present the 7 most commonly used species as model organisms in genetics.

WHAT IS A MODEL ORGANISM?

Model organisms are easily studied organisms, which thanks to them we can study important phenomena and extrapolate them to the organism that interests us. As Jacques Monod, Nobel Prize in Medicine in 1965, said, “What is true for bacteria is for elephants“.

These are characterized by:

  • Easy maintenance: it is not a big cost to have them in the laboratory.
  • Rapid biological cycle: in a few hours or days your biological cycle is completed.
  • High number of descendants: they have a high number of children in a short time.
  • Simple genome: they have few genes.

Model organisms are used to obtain information about other species that are more difficult to study directly. These are widely studied because they are easy to maintain and reproduce in a laboratory environment and have particular experimental advantages (Video 1).

Video 1. What is model organism? What does model organism mean? Model organism meaning & explanation (Source: YouTube)

The most commonly used are: Drosophila melanogaster (fruit fly), Mus musculus (mouse), Escherichia coli (colon bacteria), Arabidopsis thaliana (meadowsweet), Caenorhabditis elegans (worm), Sacharomyces cerevisiae (yeast) i Danio rerio (fish).

DROSOPHILA MELANOGASTER

Drosophila melanogaster (Figure 1) is better known as the fruit fly or vinegar. Surely you have seen in your kitchens, flying over ripe fruit or initial decomposition, and sweetened or alcoholic liquids.

It is one of the best-known animals, each of its body parts and the different stages of its life cycle is known up to the formation of an adult animal. It can live 30 days and the process from egg to adult lasts 7 days. In addition, its genome was sequenced in 2000.

In research it has a prominent role in biomedicine because it is used to study aspects related to cancer, neurodegenerative diseases or drug addiction.

drosophila melanogaster
Figure 1. Drosophila melanogaster (Source: YourGenome)

MUS MUSCULUS

Mus musculus (Figure 2) is the scientific name of the common mouse, the most commonly used mammal in the laboratory. The adult mice gets to measure (from the nose to the tail) between 7.5 and 10 cm long and weighs between 10 and 25 grams. Its gestation period is 19-21 days and it has between 3 and 14 offspring.

Its genome was completely sequenced in 2002. This phenomenon generated a great expectation for being a mammal that has a great scientific relevance for the human species.

Laboratory mice are not within the general laws of animal protection, but bioethical protocols and standards are followed.

It is used as a model in many fields, such as in the investigation of cardiovascular diseases, diabetes, neurological disorders, cancer … and in genetic engineering.

mus musculus
Figure 2. Mus muculus (Source: eLife)

ESCHERICHIA COLI

Escherichia coli (Figure 3) is the best known organism in the scientific field. It is a bacterium that lives in the lower part of the intestines of warm-blooded animals, including birds and mammals, and is necessary for the proper digestion of food. Its genome was sequenced in 1997 and it could be observed that the number of genes that comprise it is one seventh of the number of genes in humans.

In recent decades, this bacterium has become an instrument in the laboratory, especially in the field of molecular biology. Thanks to this, it has reached the knowledge of the foundations of modern biology and has earned the recognition of different Nobel prizes, such as the processes of genetic recombination of bacteria, RNA transcription, DNA replication and gene regulation.

ecoli
Figure 3. Escherichia coli (Source: Public Health England)

ARABIDOPSIS THALIANA

It is an annual plant (Figure 4) that was introduced into laboratories about 40 years ago. You can complete your entire life cycle in six weeks. The central floriferous stem grows in about three weeks from germination and the flowers naturally self-pollinate. In the laboratory, it can grow inside plates or sherds under fluorescent light or in greenhouses.

Like Drosophila melanogaster, its genome was sequenced in 2000 and it was the first sequenced genome.

Currently, researchers try to discover the secrets behind their development, growth or flowering.

arabidopsis
Figure 4. Arabidopsis thaliana (Source: Biology pages)

CAENORHABDITIS ELEGANS

It is a 1 mm long earthworm (Figure 5) that lives in temperate environments. Although more than 40 years ago we can find it in the laboratory, in the last decades it has achieved the prestige of more traditional organisms, such as Drosophila melanogaster or Mus musculus. The sequence of its genome as the first multicellular organism was published in 1998 and is considered complete today.

In research it has helped in the knowledge of the causes of aging, cell death and the structure of the genome.

C.-elegans
Figure 5. Caenorhabditis elegans (Source: Society for mucosal immunology)

SACHAROMYCES CEREVISIAE

Sacharomyces cerevisiae is a yeast (Figure 6), the yeast of bread, wine and beer. Its sequencing, specifically of strain S288C, was completed in 1996, after four years of a project led by the European Union and the participation of more than 100 laboratories from around the world. It was the first eukaryotic organism to be sequenced and it is currently the most known eukaryotic genome. This has made it gain weight and has become a powerful biological model of eukaryotic organisms.

It is used above all in biotechnological research, improving and innovating the processes of baking and production of alcoholic beverages.

yeast
Figure 6. Sacharomyces cerevisiae (Source: Fratelli Pasini)

DANIO RERIO

It is a zebrafish (Figure 7), a tropical freshwater fish that is surely known to lovers of aquariums. Genetically speaking, it is more similar to the human species than the Drosophila melanogaster or Caenorhabditis elegans and it is easier to manipulate, maintain and breed than Mus musculus. It is capable of producing between 300 and 500 eggs per laying and it can live up to 5 years. The draft of the sequencing of its genome was published in 2002.

A little more than 30 years ago, it was introduced as a model species for research in the field of development biology and genetics. It is widely used for the study of human biology.

danio-rerio
Figure 7. Danio rerio (Source: NCBI)

(Main picture: eLife)

 

Organismos modelo en genética

Para los científicos es básico trabajar con modelos para descubrir qué pasa en un organismo completo, que es más complejo que la suma de sus partes. Es por este motivo que hay ciertos organismos, que por sus características, es fácil utilizarlos como modelos en ciencia. A continuación os presento las 7 especies más utilizadas como organismos genéticos modelo.

¿QUÉ ES UN ORGANISMO MODELO?

Los organismos genéticos modelo son organismos de fácil estudio, que gracias a ellos podemos estudiar fenómenos importantes y extrapolarlos al organismo que nos interese. Como dijo Jacques Monod, premio Nobel de Medicina el 1965, “lo que es válido para las bacterias lo es para los elefantes”.

Estos se caracterizan por:

  • Fácil mantenimiento: no supone un gran coste tenerlos en el laboratorio.
  • Ciclo biológico rápido: en pocas horas o días se completa su ciclo biológico.
  • Alto número de descendientes: tienen un alto número de hijos en poco tiempo.
  • Genoma sencillo: tienen pocos genes.

Los organismos modelo se utilizan para obtener información sobre otras especies que son más difíciles de estudiar directamente. Estos son ampliamente estudiados debido a que son fáciles de mantener y reproducir en un entorno de laboratorio y tienen ventajas experimentales particulares (Vídeo 1).

Vídeo 1. Organismos modelo: bien explicado (Fuente: YouTube)

Los más utilizados son: Drosophila melanogaster (mosca de la fruta), Mus musculus (ratón doméstico), Escherichia coli (bacteria del colon), Arabidopsis thaliana (mala hierba de los prados), Caenorhabditis elegants (gusano), Sacharomyces cerevisiae (levadura del pan) i Danio rerio (pez).

DROSOPHILA MELANOGASTER

La Drosophila melanogaster (Figura 1) es más conocida como la mosca de la fruta o del vinagre. Seguramente habéis visto en vuestras cocinas, volando sobre fruta madura o en descomposición inicial, y sobre líquidos edulcorados o alcohólicos.

Es uno de los animales más conocidos, se conoce cada una de sus partes del cuerpo y las diferentes etapas de su ciclo vital hasta la formación de animal adulto. Puede vivir 30 días y el proceso de huevo a adulto dura 7 días. Además, se secuenció su genoma en el 2000.

En investigación tiene un papel destacado en la biomedicina ya que se utiliza para estudiar aspectos relacionados con el cáncer, las enfermedades neurodegenerativas o la drogadicción.

drosophila melanogaster
Figura 1. Drosophila melanogaster (Fuente: YourGenome)

MUS MUSCULUS

Mus musculus (Figura 2) es el nombre científico del ratón común, el mamífero más utilizado en el laboratorio. El ratón adulto llega a medir (de la nariz hasta la cola) entre 7,5 y 10 cm de largo y pesa entre 10 y 25 gramos. Su período de gestación es de 19-21 días y tienen entre 3 y 14 crías.

Su genoma se secuenció por completo el año 2002. Este fenómeno generó una gran expectación por tratarse de un mamífero que tiene una gran relevancia científica para la especie humana.

Los ratones de laboratorio no están dentro de las leyes generales de protección de los animales, pero se siguen unos protocolos y normas bioéticas.

Se utiliza como modelo en muchos campos, como en la investigación de enfermedades cardiovasculares, diabetes, trastornos neurológicos, cáncer… y en ingeniería genética.

mus musculus
Figura 2. Mus musculus (Fuente: eLife)

ESCHERICHIA COLI

Escherichia coli (Figura 3) es el organismo más conocido en el ámbito científico. Es una bacteria que vive en la parte más baja de los intestinos de los animales de sangre caliente, incluyendo los pájaros y mamíferos, y es necesaria para la correcta digestión de los alimentos. Su genoma fue secuenciado el 1997 y se pudo observar que el número de genes que lo conforman es una séptima parte del número de genes en el ser humano.

En las últimas décadas, esta bacteria se ha convertido en un instrumento más del laboratorio, sobretodo en el campo de la biología molecular. Gracias a ella, se ha llegado al conocimiento de los fundamentos de la biología moderna y que han merecido el reconocimiento de diferentes premios Nobel, como los procesos de recombinación genética de las bacterias transcripción del ARN, replicación del ADN y de la regulación génica.

ecoli
Figura 3. Escherichia coli (Fuente: Public Health England)

ARABIDOPSIS THALIANA

Es una planta (Figura 4) anual que se introdujo en los laboratorios hace unos 40 años. Puede completar todo su ciclo vital en seis semanas. El tallo central florífero crece en unas tres semanas desde la germinación y las flores de manera natural se autopolinizan. En el laboratorio, puede crecer dentro de placas o tiestos bajo luz fluorescente o en invernaderos.

Igual que la Drosophila melanogaster, su genoma se secuenció el año 2000 y fue el primer genoma de planta secuenciado.

Actualmente, los investigadores intentan descubrir los secretos que hay detrás de su desarrollo, crecimiento o floración.

arabidopsis
Figura 4. Arabidopsis thaliana (Fuente: Biology pages)

CAENORHABDITIS ELEGANS

Es un gusano de tierra (Figura 5) de 1 mm de largo que vive en ambientes atemperados. Aunque hace más de 40 años que lo podemos encontrar en el laboratorio, en las últimas décadas ha conseguido el prestigio de organismos más tradicionales, como la Drosophila melanogaster o Mus musculus. La secuencia de su genoma como primer organismo pluricelular se publicó el 1998 y a día de hoy se considera completa.

En la investigación ha ayudado en el conocimiento de las causas del envejecimiento, de la muerte celular y de la estructura del genoma.

C.-elegans
Figura 5. Caenorhabditis elegans (Fuente: Society for mucosal immunology)

SACHAROMYCES CEREVISIAE

Sacharomyces cerevisiae es una levadura (Figura 6), la levadura del pan, del vino y de la cerveza. Su secuenciación, concretamente de la cepa S288C, se completó el año 1996, después de cuatro años de un proyecto liderado por la Unión Europea y la participación de más de 100 laboratorios de todo el mundo. Fue el primer organismo eucariota en ser secuenciado y actualmente es el genoma eucariota más conocido. Esto ha hecho que ganara peso y se haya convertido en un potente modelo biológico de organismos eucariotas.

Se utiliza sobretodo en investigación biotecnológica, mejorando e innovando los procesos de panificación y de producción de bebidas alcohólicas.

yeast
Figura 6. Sacharomyces cerevisiae (Fuente: Fratelli Pasini)

DANIO RERIO

Es un pez cebra (Figura 7), un pez tropical de agua dulce y que seguro que para los amantes de los acuarios es conocido. Genéticamente hablando, es más similar a la especie humana que la Drosophila melanogaster o Caenorhabditis elegans y es más fácil de manipular, mantener y criar que Mus musculus. Es capaz de producir entre 300 y 500 huevos por puesta y puede llegar a vivir hasta 5 años. El borrador de la secuenciación de su genoma se publicó en el 2002.

Hace poco más de 30 años que se introdujo como especie modelo para la investigación en el campo de la biología del desarrollo y la genética. Se utiliza mucho para el estudio de la biología humana.

danio-rerio
Figura 7. Danio rerio (Fuente: NCBI)

(Foto portada: eLife)

 

Organismes model en genètica

Pels científics és bàsic treballar amb models per esbrinar què passa en un organisme complet, que és més complex que la suma de les seves parts. Per això hi ha certs organismes, que per les seves característiques, és fàcil utilitzar-los com a models en ciència. A continuació us presento les 7 espècies més utilitzades com a organismes genètics model.

QUÈ ÉS UN ORGANISME MODEL?

Els organismes genètics model són organismes de fàcil estudi, que gràcies a ells podem estudiar fenòmens importants i extrapolar-los a l’organisme que ens interessi. Com va dir Jacques Monod, premi Nobel de Medicina el 1965, “el que és vàlid pels bacteris ho és pels elefants”.

Aquests es caracteritzen per:

  • Fàcil manteniment: no suposa un gran cost tenir-los al laboratori.
  • Cicle biològic ràpid: en poques hores o dies es completa el seu cicle biològic.
  • Alt nombre de descendents: tenen un alt nombre de fills en poc temps.
  • Genoma senzill: tenen pocs gens.

Els organismes model s’utilitzen per obtenir informació sobre altres espècies que són més difícils d’estudiar directament. Aquests són àmpliament estudiats degut a que són fàcils de mantenir i reproduir en un entorn de laboratori i tenen avantatges experimentals particulars (Vídeo 1).

Vídeo 1. Organismos modelo: bien explicado (en castellà, Font: YouTube)

Els més utilitzats són: Drosophila melanogaster (mosca de la fruita), Mus musculus (ratolí domèstic), Escherichia coli (bacteri del colon), Arabidopsis thaliana (mala herba dels prats), Caenorhabditis elegans (cuc), Sacharomyces cerevisiae (llevat del pa) i Danio rerio (peix).

DROSOPHILA MELANOGASTER

La Drosophila melanogaster (Figura 1) és més coneguda com la mosca de la fruita o del vinagre. Segurament n’heu vist a les vostres cuines, voleiant sobre fruita madura o en descomposició inicial, i sobre líquids ensucrats o alcohòlics.

És un dels animals més coneguts, es coneix cada una de les seves parts del cos i les diferents etapes del seu cicle vital fins a la formació d’animal adult. Arriba a viure 30 dies i el procés d’ou a adult dura 7 dies. A més, es va seqüenciar el seu genoma l’any 2000.

En investigació té un paper destacat en la biomedicina ja que s’utilitza per estudiar aspectes relacionats amb el càncer, les malalties neurodegeneratives o la drogoaddicció.

drosophila melanogaster.jpg
Figura 1. Drosophila melanogaster (Font: YourGenome)

MUS MUSCULUS

Mus musculus (Figura 2) és el nom científic del ratolí comú, el mamífer més utilitzat en el laboratori. El ratolí adult arriba a fer (del nas a la cua) de 7,5 a 10 cm de llarg i pesa entre 10 i 25 grams. El seu període de gestació és de 19-21 dies i tenen entre 3 i 14 cries.

El seu genoma es va seqüenciar per complet l’any 2002. Aquest fenomen va generar una gran expectació per tractar-se d’un mamífer que té una gran rellevància científica per l’espècie humana.

Els ratolins de laboratori no estan dins les lleis generals de protecció dels animals però se’n segueixen uns protocols i normes bioètiques.

S’utilitza com a model en molts camps, com en la investigació de malalties cardiovasculars, diabetis, trastorns neurològics, càncer… i en l’enginyeria genètica.

mus musculus.jpg
Figura 2. Mus musculus (Font: eLife)

ESCHERICHIA COLI

Escherichia coli (Figura 3) és l’organisme més conegut en l’àmbit científic. És un bacteri que viu a la part més baixa dels intestins dels animals de sang calenta, incloent-hi els ocells i mamífers, i és necessari per a la correcta digestió dels aliments. El seu genoma va ser seqüenciat el 1997 i es va poder observar que el nombre de gens que el conformen és una sèptima part del nombre de gens en l’ésser humà.

En les últimes dècades, aquest bacteri s’ha convertit en un instrument més del laboratori, sobretot en el camp de la biologia molecular. Gràcies a ell, s’ha arribat al coneixement del fonaments de la biologia moderna i que han merescut el reconeixement de diversos premis Nobel, com els processos de recombinació genètica dels bacteris, transcripció de l’ARN, replicació de l’ADN i de la regulació gènica.

ecoli.jpg
Figura 3. Escherichia coli (Font: Public Health England)

ARABIDOPSIS THALIANA

És una planta anual (Figura 4) que es va introduir als laboratoris fa uns 40 anys. Pot completar tot el seu cicle vital en unes sis setmanes. La tija central florífera creix en unes tres setmanes des de la germinació i les flors de manera natural s’autopol·linitzen. En el laboratori, pot créixer dins de plaques o testos sota llum fluorescent o en hivernacle.

Igual que la Drosophila melanogaster, el seu genoma es va seqüenciar l’any 2000 i va ser el primer genoma de planta seqüenciat.

Actualment, els investigadors intenten descobrir els secrets que hi ha darrere del seu desenvolupament, creixement o floració.

arabidopsis.jpg
Figura 4. Arabidopsis thaliana (Font: Biology pages)

CAENORHABDITIS ELEGANS

És un cuc de terra (Figura 5) d’1 mm de llarg que viu en ambients temperats. Tot i que fa més de 40 anys que el podem trobar al laboratori, en les últimes dècades ha aconseguit el prestigi d’organismes més tradicionals, com la Drosophila melanogaster o Mus musculus. La seqüència del seu genoma com a primer organisme pluricel·lular es va publicar el 1998 i a dia d’avui es considera completa.

En la investigació ha ajudat en el coneixement de les causes de l’envelliment, de la mort cel·lular i de l’estructura del genoma.

C.-elegans
Figura 5. Caenorhabditis elegans (Font: Society for mucosal immunology)

SACHAROMYCES CEREVISIAE

Sacharomyces cerevisiae és un llevat (Figura 6), el llevat del pa, del vi i de la cervesa. La seva seqüenciació, concretament de la soca S288C, es va completar l’any 1996, després de quatre anys d’un projecte liderat per la Unió Europea i la participació de més de 100 laboratoris de tot el món. Va ser el primer organisme eucariota en ser seqüenciat i actualment és el genoma eucariota més conegut. Això ha fet que guanyés pes i s’hagi convertit en un potent model biològic d’organismes eucariotes.

S’utilitza sobretot en investigació biotecnològica, millorant i innovant els processos de panificació i de producció de begudes alcohòliques.

yeast.gif
Figura 6. Saccharomyces cerevisiae (Font: Fratelli Pasini)

DANIO RERIO

És el peix zebra (Figura 7), un peix tropical d’aigua dolça i que segur que pels amants dels aquaris és conegut. Genèticament parlant, és més similar a l’espècie humana que la Drosophila melanogaster o Caenorhabditis elegans i és més fàcil de manipular, mantenir i criar que Mus musculus. És capaç de produir entre 300 i 500 ous per posta i pot arribar a viure fins a 5 anys. L’esborrany de la seqüenciació del seu genoma es va publicar el 2002.

Fa poc més de 30 anys que es va introduir com a espècie model per la investigació en el camp de la biologia del desenvolupament i la genètica. S’utilitza molt per l’estudi de la biologia humana.

danio-rerio
Figura 7. Danio rerio (Font: NCBI)

(Foto portada: eLife)

 

 

From lab to big screen (II)

As I told you in the previous article on genetics and cinema, there is a wide variety of films that talk about genetics. In the next article we will talk about science fiction, with two well-known films. Beware: spoilers!

GATTACA (1997)

Director: Andrew Niccol

Cast: Ethan Hawke, Uma Thurman, Jude Law

Genre: Science fiction

Story line: Vincent is one of the last “natural” babies born into a sterile, genetically-enhanced world, where life expectancy and disease likelihood are ascertained at birth. Myopic and due to die at 30, he has no chance of a career in a society that now discriminates against your genes, instead of your gender, race or religion. Going underground, he assumes the identity of Jerome, crippled in an accident, and achieves prominence in the Gattaca Corporation, where he is selected for his lifelong desire: a manned mission to Saturn’s 14th moon (titan). Constantly passing gene tests by diligently using samples of Jerome’s hair, skin, blood and urine, his now-perfect world is thrown into increasing desperation, his dream within reach, when the mission director is killed – and he carelessly loses an eyelash at the scene! Certain that they know the murderer’s ID, but unable to track down the former Vincent, the police start to close in, with extra searches, and new gene tests. With the once-in-a-lifetime launch only days away, Vincent must avoid arousing suspicion, while passing the tests, evading the police, and not knowing whom he can trust.

Relation with genetics: GATTACA is the “genetic” film par excellence. Starting with the title, this is formed by the initials of the four nitrogenous bases that make up DNA (guanine, adenine, thymine and cytosine). In addition, the helical shape of the DNA is repeated in several moments of the film, as in the stairs of Vincent’s house.

The main issue is about genetic selection, all children born have been genetically selected, closely linked to bioethics. The idea of ​​this selection is to reach eugenics, that is, to improve the population by selecting the “best” humans. This concept can be related to the Hitler’s Germany, who believed that Germans belonged to a superior group of races called “Aryan”. Hitler said that German Aryan race had been better endowed than the others and that this biological superiority destined Germans to oversee an empire in Eastern Europe.

Although nowadays genetic selection is valid and is used to avoid diseases, it is not applied with the same purposes as those of the film. At present, it is decided to carry out genetic selection after having studied the family and carried out the appropriate genetic counselling. It aims to help patients and their families avoid the pain and suffering caused by a genetic disease and should not be confused with the eugenic objective of reducing the incidence of genetic diseases or the frequency of alleles considered to be deleterious in the population.

This is very related to the genetic discrimination, case also exposed in the film. Gattaca is situated in a possible future in which genetics, trying to improve the quality of life of society, causes a movement of discrimination.

When we talk about discrimination, we tend to think about racial discrimination. This is defined as the different or exclusive treatment of a person for reasons of racial or ethnic origin, which constitutes a violation of the fundamental rights of individuals, as well as an attack on their dignity. Racism has been present throughout the history of mankind, especially in the twentieth century with racial discrimination in the United States and apartheid in South Africa.

For some time now, genetic discrimination has been gaining weight. It happens when people are treated differently by their company or insurance company because they have a genetic mutation that causes or increases the risk of a hereditary disorder. Fear of discrimination is a common concern among people who undergo genetic testing, and is a current problem that concerns the population because your own genome does not have to be a curriculum vitae that opens or closes doors as happens in the film. Vincent goes to work in Gattaca after performing a urine test and a blood test, since in Gattaca they do not choose workers for their ability or ability but for their DNA.

However, the film ends with the sentence “There is no gene for the human spirit”. This means that, although the society in which Gattaca is located is based on genetic modification, it does not affect the morality and final character of people because there is no way to genetically relate to the spirit, only the body has the genetic information.

Video 1. Trailer Gattaca (Source: YouTube)

JURASSIC PARK (1993)

Director: Steven Spielberg

Cast: Sam Neill, Laura Dern, Jeff Goldblum

Genre: Science fiction

Story line: Huge advancements in scientific technology have enabled a mogul to create an island full of living dinosaurs. John Hammond has invited four individuals, along with his two grandchildren, to join him at Jurassic Park. But will everything go according to plan? A park employee attempts to steal dinosaur embryos, critical security systems are shut down and it now becomes a race for survival with dinosaurs roaming freely over the island.

Relation with genetics: In the first film of this saga, from dinosaur’s fossils scientists extract DNA to be able to clone dinosaurs. The cloned dinosaurs will be part of the Jurassic park on which the film is based.

It is true that DNA can be extracted from bones, widely used in forensic genetics. Same as the issue of cloning, which was known by the Dolly sheep, the first large animal cloned from an adult cell in July 1996. But the film goes further and raises the possibility of reintroducing, in today’s world, extinct species and challenge natural selection.

Video 2. Trailer Jurassic Park (Source: YouTube)

REFERENCES

MireiaRamos-angles2