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El fenotipo extendido: la genética más allá del propio cuerpo

Los genes determinan nuestro color de ojos, altura, desarrollo a lo largo de la vida e, incluso, nuestro comportamiento. Todos los seres vivos poseen un juego de genes que, al expresarse, se manifiestan de una forma más o menos explícita en su cuerpo, modelándolo y otorgándole de una serie de rasgos y funciones. ¿Es posible, sin embargo, que la expresión de algunos genes tenga efectos más allá del propio cuerpo?

Descubre algunas ideas básicas sobre la teoría del fenotipo extendido.

El fenotipo extendido: la genética más allá del propio cuerpo

Antes de nada, necesitamos aclarar dos conceptos básicos que os ayudarán a entender mejor el concepto de fenotipo extendido: genotipo y fenotipo.

Genotipo

El genotipo es la colección de genes o información genética que posee un organismo en particular en forma de ADN. También puede referirse a los dos alelos de un gen (o formas alternativas de un gen) que hereda un organismo de sus progenitores, uno por progenitor.

La información que un organismo en particular posee en forma de DNA constituye su genotipo. Imagen de dominio público.

No debe confundirse con el genoma: mientras que el genoma hace referencia al conjunto de genes contenidos en el ADN de una especie sin tener en cuenta su diversidad (polimorfismos) entre individuos, el genotipo sí contempla estas variaciones. Por ejemplo: el genoma humano (de toda la especie Homo sapiens sapiens) y el genotipo de una única persona (el acervo o conjunto de genes y sus variaciones en un único individuo).

Fenotipo

El genotipo, o al menos parte de él, se expresa en el organismo contribuyendo a sus rasgos observables. Esta expresión tiene lugar cuando la información codificada en el ADN de los genes se utiliza para sintetizar proteínas o moléculas de ARN, el precursor de las proteínas. El conjunto de rasgos observables que se expresan a partir del genotipo recibe el nombre de fenotipo.

El color de los ojos (fenotipo) se manifiesta a partir de la expresión de los genes de cada organismo particular (genotipo); es decir, de sus alelos. Imagen de cocoparisienne de Pixabay (dominio público).

Sin embargo, los genes no lo son siempre todo a la hora de definir los rasgos de un organismo: el entorno también puede influir sobre su expresión. Así pues, una definición más completa de fenotipo sería el conjunto de atributos que se manifiestan en un organismo en particular como la suma de la expresión de sus genes y de las presiones del entorno sobre éstos. Algunos genes únicamente expresan un fenotipo concreto dadas ciertas condiciones ambientales.

La teoría del fenotipo extendido

El concepto de fenotipo extendido fue acuñado por Richard Dawkins en su libro “El Fenotipo Extendido” (1982). Dawkins se hizo famoso tras la publicación de la que sería su obra divulgativa más polémica, “El gen egoísta” (1976), la cual actúa como precursora de su teoría sobre el fenotipo extendido.

En palabras del propio Dawkins, un fenotipo extendido es aquel que no se limita al cuerpo individual en el que se aloja un gen; es decir, son “todos los efectos que un gen causa sobre el mundo”. Así pues, un gen puede influir en el medio ambiente en el que vive un organismo por medio del comportamiento de dicho organismo.

Dawkins también considera que un fenotipo que va más allá del propio organismo podría llegar a influir en el comportamiento de otros organismos a su alrededor, beneficiando así a todos ellos o únicamente a uno… y no necesariamente al organismo que expresa el fenotipo. Esto llevaría a escenarios a priori extraños como, por ejemplo, que el fenotipo de un organismo fuera ventajoso para un parásito que lo atacara en lugar de para él mismo. Esta idea se resume en lo que Dawkins llama el Teorema central del fenotipo extendido: “el comportamiento de un animal tiende a maximizar la supervivencia de los genes ‘para’ ese comportamiento, independientemente de que dichos genes estén o no en el cuerpo del animal que manifiesta ese comportamiento”.

Esta idea tan compleja cobra sentido si tenemos en cuenta la premisa básica de la que parte Dawkins, la cual trata en su obra “El gen egoísta”: la unidad básica de la evolución y único elemento sobre el que actúa la selección natural, más allá de los individuos y las poblaciones, son los genes, siendo los cuerpos de los organismos meras “máquinas de supervivencia” mejoradas para asegurar la perpetuación de los genes.

Ejemplos de fenotipo extendido

Quizá todos estos conceptos parecen muy complicados, pero lo entenderéis mejor con algunos ejemplos. Según Dawkins, existen tres tipos básicos de fenotipo extendido.

1) Arquitectura animal

Los castores construyen diques y modifican su entorno, de la misma manera que una colonia de termitas construye un termitero y altera el terreno, como parte de su forma de vida.

Dique construído por castores. Imagen de Hugo.arg (CC 4.0)
Termiteros en Australia. Imagen de dominio público.

Por otro lado, las casas o estuches que construyen los tricópteros a su alrededor a partir de material disponible en el medio mejoran su supervivencia.

Larva de tricóptero dentro de su estuche hecho con material vegetal. Imagen de Matt Reinbold (CC 2.0)

Todos estos son ejemplos del tipo de fenotipo extendido más simple: la arquitectura animal. El fenotipo es, en este caso, una expresión física o material del comportamiento del animal que contribuye a mejorar la supervivencia de los genes que expresan este comportamiento.

2) Manipulación del comportamiento del hospedador por parte del parásito

En este tipo de fenotipo extendido, el parasito expresa unos genes que controlan el comportamiento de su hospedador. Dicho de otra forma, el genotipo del parásito manipula el fenotipo (en este caso, el comportamiento) del parasitado.

Un ejemplo clásico es el de grillos siendo controlados por nematomorfos o gordiáceos, un grupo de “gusanos” parasitoides (en inglés, “hair worms”), como se explica en este vídeo:

En resumen: las larvas de estos gusanos se desarrollan en huéspedes acuáticos, como las larvas de las efímeras. Una vez las efímeras alcanzan la adultez tras la metamorfosis, se desplazan volando a tierra firme, donde mueren; y es aquí donde los grillos entran en escena: un grillo adulto se alimenta de los restos de las efímeras y adquiere los parasitoides, los cuales se desarrollan en el interior del grillo alimentándose de su grasa corporal. Los gusanos adultos deben volver al medio acuático para completar su ciclo vital, por lo que, para ello, controlarán el cerebro del grillo para “obligarle” a ir hasta una fuente de agua. Una vez en el agua, los gusanos dejan atrás el cuerpo del grillo, el cual muere ahogado.

Otros ejemplos son el de las hembras de mosquito portadoras del protozoo de la malaria (Plasmodium), el cual hace que las hembras de mosquito (Anopheles) se sientan más atraídas por el aliento humano que las no infectadas, y el de las agallas inducidas en plantas por varias insectos, como los cinípidos (pequeñas avispas).

3) Acción a distancia

Un ejemplo recurrente de este tipo de fenotipo extendido es la manipulación del comportamiento del hospedador por parte de los polluelos de cuco (grupo de aves de la familia Cuculidae). Muchas especies de cucos, como el cuco común (Cuculus canorus), ponen sus huevos en los nidos de otras aves para que éstas los críen en su lugar; al mismo tiempo, los polluelos de cuco eliminan la competencia deshaciéndose de los huevos de la otra especie.

¡Mirad cómo el polluelo de cuco se deshace de los huevos de carricero común (Acrocephalus scirpaceus)!

En este caso de parasitismo, el polluelo no está físicamente asociado al hospedador pero, sin embargo, influye en la expresión de su fenotipo conductual.

Carricero común adulto alimentando a un polluelo de cuco común. Imagen de Per Harald Olsen (CC 3.0).

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Existen muchos más ejemplos y estudios acerca de este concepto. Si os interesa mucho el tema, os recomiendo la lectura del gen egoísta (siempre desde una mirada crítica y abierta). Si, además, tenéis unos buenos conocimientos en biología, os animo a leeros también el fenotipo extendido.  

Imagen de portada: Alandmanson/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

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.

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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).

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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)

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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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Figura 7. Danio rerio (Fuente: NCBI)

(Foto portada: eLife)

 

Del laboratorio a la gran pantalla (II)

Como ya os dije en el anterior artículo sobre genética y cine, hay una gran variedad de largometrajes que tocan la genética. En el siguiente artículo tocaremos la ciencia ficción, con dos películas muy conocidas. ¡Cuidado: spoilers!

GATTACA (1997)

Dirección: Andrew Niccol

Reparto: Ethan Hawke, Uma Thurman, Jude Law

Género: Ciencia ficción

Sinopsis: Ambientada en una sociedad futura, en la que la mayor parte de los niños son concebidos in vitro y con técnicas de selección genética. Vincent, uno de los últimos niños concebidos de modo natural, nace con una deficiencia cardíaca y no le auguran más de treinta años de vida. Se le considera un inválido y, como tal, está condenado a realizar los trabajos más desagradables. Su hermano Anton, en cambio, ha recibido una espléndida herencia genética que le garantiza múltiples oportunidades. Desde niño, Vincent sueña con viajar al espacio, pero sabe muy bien que nunca será seleccionado. Durante años ejerce toda clase de trabajos hasta que un día conoce a un hombre que le proporciona la clave para formar parte de la élite: suplantar a Jerome, un deportista que se quedó paralítico por culpa de un accidente. De este modo, Vincent ingresa en la Corporación Gattaca, una industria aeroespacial, que lo selecciona para realizar una misión en Titán. Todo irá bien, gracias a la ayuda de Jerome, hasta que el director del proyecto es asesinado y la consiguiente investigación pone en peligro los planes de Vincent.

Relación con la genética: GATTACA es la película “genética” por excelencia. Empezando por el título, éste está formado por las iniciales de las cuatro bases nitrogenadas que conforman el ADN (guanina, adenina, timina y citosina). Además, la forma helicoidal del ADN se repite en varios momentos del largometraje, como en las escaleras de casa de Vincent.

El principal tema que trata es el de la selección genética, todos los niños que nacen han sido seleccionados genéticamente, muy ligado a la bioética. La idea de esta selección es llegar a la eugenesia, es decir, mejorar la población mediante la selección de los “mejores” humanos. Este concepto lo podemos relacionar con la Alemania de Hitler, quién creía que los alemanes pertenecían a un grupo superior de razas llamado “ario”. Hitler decía que la raza aria alemana había sido mejor dotada que las demás y que esa superioridad biológica destinaba a los alemanes a estar al mando de un imperio en Europa Oriental.

Aunque hoy en día la selección genética es vigente y es utilizada para evitar enfermedades, no se aplica con los mismos fines que los de la película. En la actualidad, se decide realizar selección genética después de haber estudiado la familia y realizado el adecuado consejo genético. Éste tiene como objetivo ayudar a los pacientes y a sus familias a evitar el dolor y el sufrimiento causado por una enfermedad genética, y no se tiene que confundir con el objetivo eugénico de reducir la incidencia de enfermedades genéticas o la frecuencia de alelos considerados deleterios en la población.

Esto está muy relacionado con la discriminación genética, caso también expuesto en el filme. Gattaca se sitúa en un posible futuro en el cual la genética, intentando mejorar la calidad de vida de la sociedad, provoca un movimiento de discriminación.

Cuando hablamos de discriminación acostumbramos a pensar en la discriminación racial. Ésta se define como el trato distinto o excluyente a una persona por motivos de origen racial o étnico, lo que constituye una vulneración de los derechos fundamentales de las personas, así como un ataque a su dignidad. El racismo ha estado presente en toda la historia de la humanidad, especialmente en el siglo XX con la discriminación racial en Estados Unidos y con el Apartheid en Sudáfrica.

De un tiempo a esta parte la discriminación genética ha ido cogiendo peso. Ocurre cuando las personas son tratadas de manera diferente por su empresa o compañía de seguros porque tienen una mutación genética que causa o aumenta el riesgo de un trastorno hereditario. El miedo a la discriminación es una preocupación común entre las personas que se hacen pruebas genéticas y es un problema actual que concierne a la población, porque tu propio genoma no tiene que ser un currículum vitae que te abra o cierre puertas como pasa en la película. Vincent entra a trabajar en Gattaca después de realizar una prueba de orina y un análisis de sangre, ya que en Gattaca no eligen a los trabajadores por su capacidad ni habilidad sino por su ADN.

No obstante, la película termina con la frase “No hay gen para el espíritu humano”. Esto significa que, aunque la sociedad en la que se sitúa Gattaca se basa en la modificación genética, ésta no afecta en la moralidad y carácter final de las personas porque no existe forma de relacionar genéticamente al espíritu, sólo el cuerpo tiene la información genética.

Vídeo 1. Tráiler Gattaca (Fuente: YouTube)

PARQUE JURÁSICO (1993)

Dirección: Steven Spielberg

Reparto: Sam Neill, Laura Dern, Jeff Goldblum

Género: Ciencia ficción

Sinopsis: El multimillonario John Hammond consigue hacer realidad su sueño de clonar dinosaurios del Jurásico y crear con ellos un parque temático en una isla remota. Antes de abrirlo al público, invita a una pareja de eminentes científicos y a un matemático para que comprueben la viabilidad del proyecto. Pero las medidas de seguridad del parque no prevén el instinto de supervivencia de la madre naturaleza ni la codicia humana.

Relación con la genética: En la primera película de esta saga, a partir de fósiles de dinosaurios extraen el ADN para poder clonarlos. Los dinosaurios clonados formarán parte del parque jurásico en el que se basa la película.

Es cierto que se puede extraer ADN a partir de huesos, muy utilizado en la genética forense. Igual que el tema de la clonación, el cual fue conocido por la oveja Dolly, el primer gran animal clonado a partir de una célula adulta en julio de 1996. Pero la película va más allá y plantea la posibilidad de reimplantar, en el mundo actual, especies ya extinguidas y desafiar la selección natural.

Vídeo 2. Tráiler Parque Jurásico (Fuente: YouTube)

REFERENCIAS

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La farmacogenética: un fármaco para cada persona

¿Quién no ha escuchado a alguien quejarse de que los medicamentos recetados por los médicos no le hacen nada? ¿Puede ser cierto esto? No todos los fármacos sirven para la misma población. Sigue leyendo y descubre los secretos de la farmacogenética. 

INTRODUCCIÓN

Lo mismo que sucede con los nutrientes, pasa con los fármacos. Otro de los objetivos de la medicina personalizada es hacernos ver que no todos los medicamentos sirven para todas las personas. Sin embargo, no nos viene de nuevo porque hacia 1900, el médico canadiense William Osler reconoció que existía una variabilidad intrínseca y propia de cada individuo, de forma que cada uno reacciona de forma diferente ante un fármaco. Es así como años más tarde definiríamos la farmacogenética.

Es importante señalar que no es lo mismo que la farmacogenómica, la cual estudia las bases moleculares y genéticas de las enfermedades para desarrollar nuevas vías de tratamiento.

Antes de todo necesitamos empezar por el principio: ¿qué es un fármaco? Pues bien, un fármaco es toda sustancia fisicoquímica que interactúa con el organismo y lo modifica, para tratar de curar, prevenir o diagnosticar una enfermedad. Es importante saber que los fármacos regulan funciones que hacen nuestras células, pero no son capaces de crear nuevas funciones.

A parte de conocer si un fármaco es bueno o no para una persona, también se tiene que tener en cuenta la cantidad que se debe administrar de él. Y es que todavía no conocemos el origen de todas las enfermedades, es decir, desconocemos la mayoría de las causas moleculares y genéticas reales de las enfermedades.

La clasificación de las enfermedades se basa principalmente en síntomas y signos y no en las causas moleculares. A veces, un mismo grupo de patologías es agrupado, pero entre ellos existe una base molecular muy diferente. Esto comporta que la eficacia terapéutica sea limitada y baja. Frente a los fármacos, podemos manifestar una respuesta, una respuesta parcial, que no nos produzca ningún efecto o que el efecto sea tóxico (Figura 1).

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Figura 1. Efectividad y toxicidad de un fármaco en la población. Los diferentes colores muestran las diferentes respuestas (verde: efectivo y seguro; azul: seguro, pero no efectivo; rojo: tóxico y no efectivo; amarillo: tóxico, pero efectivo) (Fuente: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

LOS FÁRMACOS EN NUESTRO CUERPO

Los fármacos acostumbran a hacer el mismo recorrido por nuestro cuerpo. Cuando nos tomamos un fármaco, normalmente por vía digestiva, éste es absorbido por nuestro cuerpo y va a parar al torrente sanguíneo. La sangre lo distribuye a los tejidos diana donde tiene que hacer efecto. En este caso hablamos de fármaco activo (Figura 2). Pero esto no siempre es así, sino que a veces necesita activarse. Es entonces cuando hablamos de profármaco, el cual necesita hacer escala en el hígado antes de aterrizar al torrente sanguíneo.

La mayoría de las veces, el fármaco que ingerimos es activo y no necesita pasar a visitar al hígado.

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Figura 2. Diferencia entre un profármaco y un fármaco activo (Fuente: Agent of Chemistry – Roger Tam)

Una vez el fármaco ya ha ido al tejido diana y ha interactuado con las células en cuestión, se producen desechos del fármaco. Estos desechos continúan circulando por la sangre hasta llegar al hígado, quien los metaboliza para expulsarlos por una de las dos vías de expulsión: (i) la bilis y excreción junto con los excrementos o (ii) la purificación de la sangre por los riñones y la orina.

LA IMPORTANCIA DE LA FARMACOGENÉTICA

Un claro ejemplo de cómo según los polimorfismos de la población habrá diferente variabilidad de respuesta lo encontramos en los genes transportadores. La glicoproteína P es una proteína situada en la membrana de las células, que actúa como bomba de expulsión de xenobióticos hacia el exterior de la célula, es decir, todos los compuestos químicos que no formen parte de la composición de los organismos vivos.

Los humanos presentamos un polimorfismo que ha sido muy estudiado. Dependiendo del polimorfismo que posea cada individuo, la proteína transportadora tendrá una actividad normal, intermedia o baja.

En una situación normal, la proteína transportadora produce una excreción bastante alta del fármaco. En este caso, la persona es portadora del alelo CC (dos citosinas). Pero si sólo tiene una citosina, combinada con una timina (ambas son bases pirimidínicas), la expresión del gen no es tan buena y la actividad de expulsión es menor, dando una situación intermedia. En cambio, si una persona presenta dos timinas (TT), la expresión de la glicoproteína P en la membrana de la célula será baja. Esto supondrá una menor actividad del gen responsable y, consecuentemente, mayor absorción en sangre ya que el fármaco no es excretado. Este polimorfismo, el polimorfismo TT, es peligroso para el paciente, ya que pasa mucho fármaco a la sangre, resultando tóxico para el paciente. Por lo tanto, si el paciente es TT la dosis tendrá que ser menor.

Este ejemplo nos demuestra que conociendo el genoma de cada individuo y cómo actúa su código genético en base a él, podemos saber si la administración de un fármaco a un individuo será la adecuada o no. Y en base a esto, podemos recetar otro medicamento que se adapte mejor a la genética de esta persona.

APLICACIONES DE LA FARMACOGENÉTICA

Las aplicaciones de estas disciplinas de la medicina de precisión son muchas. Entre ellas se encuentran optimizar la dosis, escoger el fármaco adecuado, dar un pronóstico del paciente, diagnosticarlos, aplicar la terapia génica, monitorizar el progreso de una persona, desarrollar nuevos fármacos y predecir posibles respuestas adversas.

Los progresos que han tenido lugar en la genómica, el diseño de fármacos, terapias y diagnósticos para las diferentes patologías, han avanzado notablemente en los últimos años, y ha dado paso al nacimiento de una medicina más adaptada a las características de cada paciente. Nos encontramos, por lo tanto, en el umbral de una nueva manera de entender las enfermedades y la medicina.

Y esto se produce en una época en la que se quiere dejar atrás el mundo de pacientes que ante una dolencia o malestar son atendidos y diagnosticados de la misma forma. Por rutina, se les prescriben los mismos medicamentos y dosis. Por este motivo ha surgido la necesidad de una alternativa científica que, basada en el código genético, ofrece tratar al enfermo de manera individualizada.

REFERENCIAS

  • Goldstein, DB et al. (2003) Pharmacogenetics goes genomic. Nature Review Genetics 4:937-947
  • Roden, DM et al. (2002) The genetic basis of variability in drug responses. Nature Reviews Drug Discovery 1:37-44
  • Wang, L (2010) Pharmacogenomics: a system approach. Syst Biol Med 2:3-22
  • Ramos, M. et al. (2017) El código genético, el secreto de la vida. RBA Libros
  • Foto portada: Duke Center for Applied Genomics & Precision Medicine

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La insulina: punto a favor para los transgénicos

A pesar de los argumentos y posiciones en contra de los transgénicos, es innegable que la insulina es un gran éxito transgénico. Es imprescindible en algunos tipos de diabetes; y desde que se descubrió la esperanza de vida de las personas diabéticas ha aumentado más de 45 años. Por ello, conozcámosla en detalle.

RECORDATORIO DE LA INGENIERÍA GENÉTICA

La ingeniería genética permite clonar, es decir, multiplicar fragmentos de ADN y producir las proteínas para las cuales estos genes codifican en organismos diferentes al de origen. Es decir, si en un organismo hay una alteración o mutación de un gen que impide que el código genético lo traduzca a proteínas, con las técnicas del ADN recombinante se obtiene un gen sin la mutación en otro organismo. Así, es posible obtener proteínas de interés en organismos diferentes del original del cual se extrajo el gen, mejorar cultivos y animales, producir fármacos y obtener proteínas que utilizan diferentes industrias en sus procesos de elaboración. En otros términos, mediante la ingeniería genética se obtienen los famosos transgénicos.

Ofrecen muchas posibilidades en el uso industrial de los microorganismos con aplicaciones que van desde la producción recombinante de fármacos terapéuticos y vacunas hasta productos alimentarios y agrícolas. Pero, además, tienen un papel prometedor en la medicina y en la cura de enfermedades.

Y es que la consecuencia de obtener un ADN recombinante, a partir de éste, se fabricará una nueva proteína, denominada proteína recombinante. Ejemplo de esto es el caso de la insulina.

¿QUÉ ES LA INSULINA?

La insulina es una hormona producida en el páncreas y con un papel importante en el proceso metabólico. Insulina proviene del latín insulae, que significa isla. Su nombre se debe a que dentro del páncreas, la insulina se produce en las isletas de Langerhans. El páncreas está relacionado con el funcionamiento general del organismo. Se sitúa en el abdomen y está rodeado por órganos como el hígado, el bazo, el estómago, el intestino delgado y la vesícula.

Gracias a ella utilizamos la energía de los alimentos que entran a nuestro cuerpo. Y esto ocurre porque permite que la glucosa ingrese en nuestro organismo. Es así como nos proporciona la energía necesaria para las actividades que debemos realizar, desde respirar hasta correr (Video 1).

Video 1. La insulina, la glucosa y tú (video en inglés con subtítulos en castellano) (Fuente: YouTube)

¿CÓMO FUNCIONA LA INSULINA?

La insulina ayuda a la glucosa a entrar a las células, como una llave que abre la cerradura de las puertas de la célula para que la glucosa, que es el azúcar en sangre, entre y sea utilizada como energía (Figura 1). Si la glucosa no puede entrar porque no hay la llave que abra la puerta, como pasa con las personas que sufren diabetes, se acumula la glucosa en la sangre. Una acumulación de azúcar en sangre puede causar complicaciones a largo plazo. Por eso es importante que las personas diabéticas se inyecten insulina.

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Figura 1. Esquema del funcionamiento de la insulina en las células (Fuente: Encuentra tu balance)

¿POR QUÉ INSULINA TRANSGÉNICA?

Primeramente, se utilizaba la insulina obtenida de animales como perros, cerdos o vacas. Pero aunque, sobre todo, la insulina de cerdo era muy similar a la humana, no era idéntica y contenía algunas impurezas. Este hecho provocaba rechazo y, en algunos casos, alergias. Además, al ser obtenida del páncreas de los cerdos, por cada páncreas sólo se conseguía insulina para el tratamiento de 3 días (a más del coste del cuidado del animal). El resultado era de bajo rendimiento y altos costes.

Pero con las insulinas de ADN recombinante se obtiene mayor cantidad a un menor coste. Por este motivo, actualmente, se obtiene la insulina original de un humano de la ingeniería genética, pese a que las insulinas animales siguen siendo una alternativa perfectamente aceptable.

Mediante la ingeniería genética se ha conseguido producir insulina a partir de la bacteria E. coli. Fue en 1978 cuando se consiguió obtener la secuencia de la insulina e introducirla en el interior de la bacteria para que ésta produjera la insulina. Es así como E. coli ha pasado de ser una bacteria corriente a una fábrica de producción de insulina. La insulina se extrae de la bacteria, se purifica y se comercializa como medicamento.

Las ventajas de la insulina “humana”, obtenida por ingeniería genética son el fácil mantenimiento de las bacterias, una mayor cantidad de producción y con menores costes. Además, la compatibilidad de esta insulina es del 100%, no obstante puede haber reacciones debido a otros componentes.

A escala industrial, la producción de proteínas recombinantes engloba diferentes etapas. Estas etapas son la fermentación, en que las bacterias son cultivadas en medios de cultivo nutritivo; la extracción para recuperar todas las proteínas de su interior, la purificación, que separa la proteína recombinante de las otras proteínas bacterianas; y finalmente la formulación, donde la proteína recombinante es modificada para conseguir una forma estable y estéril que puede administrarse terapéuticamente.

Cada una de las anteriores fases implica un manejo muy cuidadoso de los materiales y un estricto control de calidad para optimizar la extracción, la pureza, la actividad y la estabilidad del fármaco. Este proceso puede ser simple o más complejo dependiendo del producto y del tipo de célula utilizada. Aunque la complejidad del proceso aumentaría el costo final del producto, el valor no llegará a sobrepasar el gasto de aislar el compuesto desde su fuente original para llegar a cantidades medicinales, que es lo que hemos demostrado con la insulina. Es decir, que producir insulina humana tiene un coste menor que obtener la insulina de cerdos.

La ingeniería genética permite que numerosas proteínas potencialmente terapéuticas puedan elaborarse en grandes cantidades. Actualmente, existen más de 30 proteínas aprobadas para su uso clínico, además de cientos de genes de proteínas terapéuticas que se han expresado a nivel de laboratorio y que se siguen haciendo estudios para demostrar su adecuación clínica.

REFERENCIAS

  • Ramos, M. et al. El código genético, el secreto de la vida (2017) RBA Libros
  • Alberts, B. et al. Biología molecular de la célula (2010). Editorial Omega, 5a edición
  • Cooper, G.M., Hausman R.E. La Célula (2009). Editorial Marbán, 5a edición
  • Naukas
  • Vix
  • Foto portada: UniversList

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La realidad de las mutaciones

¿Recordáis las tortugas ninja? Leonardo, Raphael, Michelangelo y Donatello eran cuatro tortugas que sufrieron una mutación al ser bañadas con un líquido radioactivo. Por suerte o por desgracia, una mutación no nos puede convertir en tortugas ninja, pero sí que puede tener otros efectos. A continuación, os cuento qué son las mutaciones.

¿QUÉ SON LAS MUTACIONES?

Nuestro cuerpo es como una gran fábrica en la que nuestras células son los trabajadores. Éstas, gracias a su maquinaria interna, hacen que la fábrica se mantenga a flote con los menores problemas posibles. El funcionamiento constante de nuestras células las 24 horas del día durante los 365 días del año, causa que, a veces, se produzcan errores en su maquinaria. Esto genera imperfecciones en el código genético, las cuales generalmente pasan desapercibidas. Sí que es cierto que las células hacen todo lo posible para arreglar los fallos producidos, pero a veces son inevitables y conducen a la generación de enfermedades o, incluso, a la muerte de la célula si ésta se ve desbordada y no puede superar las adversidades.

Así pues, las mutaciones son estos pequeños errores, es decir, las mutaciones son cambios estables y heredables que alteran la secuencia del ADN. Este hecho hace que se introduzcan nuevas variantes genéticas en la población, generando diversidad genética.

Generalmente, las mutaciones acostumbran a ser eliminadas, pero ocasionalmente algunas pueden tener éxito y escaparse de los mecanismos de reparación del ADN de nuestras células. Sin embargo, sólo se mantienen estables y heredables en el ADN si afectan a un tipo de células, las células germinales.

Los organismos que nos reproducimos sexualmente tenemos dos tipos de células: germinales y somáticas. Mientras que las primeras transmiten la información genética de padres a hijos, las células somáticas forman el cuerpo del organismo. Debido a que la información de las células germinales, que son las que darán lugar a gametos (espermatozoides y ovocitos) pasa de generación a generación, éstas tienen que estar protegidas contra los diferentes cambios genéticos para poder salvaguardar cada individuo.

Debido a que la mayoría de las mutaciones son perjudiciales, ninguna especie puede permitir que se acumulen mutaciones en gran número en sus células germinales. Es por este motivo que no todas las mutaciones quedan fijadas en la población, sino que muchas de estas variantes suelen ser eliminadas. Ocasionalmente algunas sí que se pueden incorporar a todos los individuos de la especie.

La tasa de mutación es la frecuencia en la que se producen nuevas mutaciones en un gen. Cada especie tiene una tasa de mutación propia, modulada por la selección natural. Esto implica que cada especie se pueda enfrontar de manera distinta a los cambios producidos por el ambiente.

Las tasas de mutación espontaneas son muy bajas, del orden de     10-5-10-6 por gen y generación. De esta manera, las mutaciones no producen cambios rápidos en la población.

EL PAPEL DE LA SELECCIÓN NATURAL

Cambios de nucleótidos en las células somáticas pueden dar lugar a células variantes o mutantes, algunas de las cuales, a través de la selección natural, consiguen ser más ventajosas respecto a sus compañeras y proliferan muy rápido, dándonos como resultado, en el caso extremo, el cáncer, es decir, una proliferación celular descontrolada. Algunas de las células del cuerpo empiezan a dividirse sin detenerse y se diseminan a los tejidos de alrededor, proceso conocido como metástasis

Pero la mejor manera de entender el papel de la selección natural de la cuál hablaba el naturista Charles Darwin es con el ejemplo de las polillas moteadas (Biston betularia). En Inglaterra habitan dos tipos de polillas, las de color gris claro y las de color gris oscuro (Figura 1). Las primeras solían ser las más comunes, pero entre los años 1848 y 1898 se impusieron las polillas de color gris.

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Figura 1. Polillas moteadas (Biston betularia) de color gris clar y oscuro (Fuente: TorruBlog)

Este cambio se produjo al mismo tiempo que las ciudades se volvieron más industriales, en las cuales el carbón se convirtió en el combustible principal para las plantas eléctricas. El hollín de esta roca tiñó de gris oscuro el cielo, el suelo y los edificios de las ciudades. También se vieron afectados los troncos de los árboles, donde se camuflaban las polillas.

La consecuencia de este hecho fue que las polillas de color gris claro no podían esconderse de sus depredadores, en cambio, las que eran de color gris oscuro encontraron una salida exitosa camuflándose bien en los troncos tintados. Con el cambio de color de su escondite tenían más oportunidades de sobrevivir y reproducirse (Video 1).

Video 1. Polillas moteadas y la industrialización (en inglés) (Fuente: YouTube)

Este es un ejemplo claro de cómo los cambios del entorno influyen en la variabilidad de las frecuencias génicas, que varían en respuesta a nuevos factores en el medio ambiente.

TIPOS DE MUTACIONES

No existe un solo tipo de mutación, sino que hay varios tipos de mutación que pueden afectar la secuencia de ADN y, de rebote, el código genético. Sin embargo, no todas las mutaciones tienen el mismo efecto.

De mutaciones hay muchas y de diferentes tipos, que se clasifican por niveles mutacionales. Estos niveles se basan en la cantidad de material hereditario afectado por la mutación y van subiendo de rango según el número de genes implicados. Si la mutación sólo afecta a un gen hablamos de mutación génica, mientras que si afecta a un segmento cromosómico que incluye varios genes nos referimos a mutación cromosómica. Cuando la mutación afecta al genoma, afectando a cromosomas completos por exceso o por defecto, hablamos de mutación genómica.

Un ejemplo de mutación puntual lo encontramos en la fibrosis quística, una enfermedad genética hereditaria que produce una alteración en la secreción de mucosidades, afectando al sistema respiratorio y digestivo. Una mutación puntual afecta el gen que codifica para la proteína CFTR. Las personas afectadas reciben de ambos progenitores el gen defectuoso que, al no tener ninguna copia del gen buena, la proteína no será funcional. El resultado es que las secreciones producidas por el cuerpo humano son más espesas de lo habitual, produciendo una acumulación en las vías respiratorias.

REFERENCIAS

  • Ramos, M. et al. El código genético, el secreto de la vida (2017) RBA Libros
  • Alberts, B. et al. Biología molecular de la célula (2010). Editorial Omega, 5a edición
  • Cooper, G.M., Hausman R.E. La Célula (2009). Editorial Marbán, 5a edición
  • Bioinformática UAB
  • Webs UCM
  • Foto portada: Cine Premiere

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