Arxiu de la categoria: GENÈTICA

El fenotip estès: la genètica més enllà del propi cos

Els gens determinen el nostre color d’ulls, la nostra alçada, guien el nostre desenvolupament al llarg de la vida i, fins i tot, el nostre comportament. Tots els éssers vius tenen gens que, un cop s’expressen, es manifesten d’una manera més o menys explícita en el seu cos, modelant-lo i atorgant-li tota una sèrie de trets i funcions. És possible, però, que l’expressió d’alguns gens tingui efectes més enllà del propi cos?

Descobreix algunes idees bàsiques sobre la teoria del fenotip estès.

El fenotip estès: la genètica més enllà del propi cos

Primer de tot, necessitem aclarir dos conceptes bàsics que us ajudaran a entendre millor el concepte de fenotip estès: genotip i fenotip.

Genotip

El genotip és la col·lecció de gens o informació genètica que posseeix un organisme en particular en forma d’ADN. També pot referir-se als dos al·lels d’un gen (o formes alternatives d’un gen) que hereta un organisme dels seus progenitors, un per progenitor.

La informació genètica que poseeix un organisme en particular en forma d’ADN constitueix el seu genotip. Imatge de domini públic.

No s’ha de confondre amb el genoma: mentre que el genoma fa referència al conjunt de gens continguts en l’ADN d’una espècie sense tenir en compte la seva diversitat (polimorfismes) entre individus, el genotip sí que contempla aquestes variacions. Per exemple: el genoma humà (de tota l’espècie Homo sapiens sapiens) i el genotip d’una única persona (conjunt de gens i les seves variacions en un únic individu).

Fenotip

El genotip, o com a mínim una part, s’expressa dins l’organisme contribuint als seus trets observables. Aquesta expressió té lloc quan la informació codificada en l’ADN dels gens s’utilitza per sintetitzar proteïnes o molècules d’ARN, el precursor de les proteïnes. El conjunt de trets observables que s’expressen a partir del genotip rep el nom de fenotip.

El color dels ulls (fenotip) es manifesta a partir de l’expressió dels gens de cada organisme particular (genotip); és a dir, dels seus al·lels. Imatge de cocoparisienne a Pixabay (domini públic).

Tanmateix, els gens no ho són sempre tot a l’hora de definir els trets d’un organisme: l’entorn també pot influir sobre la seva expressió. Així doncs, una definició més completa de fenotip seria el conjunt d’atributs que es manifesten en un organisme en particular com la suma de l’expressió dels seus gens i de les pressions de l’entorn sobre aquests. Alguns gens únicament expressen un fenotip concret donades certes condicions ambientals.

La teoria del fenotip estès

El concepte de fenotip estès va ser proposat per Richard Dawkins en el seu llibre “El Fenotip Estès” (1982). Dawkins es va fer famós després de la publicació de la que seria la seva obra divulgativa més polèmica, “El gen egoista” (1976), la qual li serví de base per a l’elaboració de la seva teoria sobre el fenotip estès.

Segons el propi Dawkins, un fenotip estès és aquell que no es limita al cos individual en el qual s’allotja un gen; és a dir, són “tots els efectes que un gen causa sobre el món”. Així doncs, un gen pot influir en el medi ambient en què viu un organisme per mitjà del comportament d’aquest organisme.

Dawkins també considera que un fenotip que va més enllà del propi organisme podria arribar a influir en el comportament d’altres organismes al seu voltant, beneficiant així a tots ells o únicament a un… i no necessàriament a l’organisme que expressa el fenotip. Això ens duria a escenaris a priori estranys com, per exemple, que el fenotip d’un organisme fora avantatjós per a un paràsit que l’ataqués en lloc de per a ell mateix. Aquesta idea es resumeix en el que Dawkins anomena el “Teorema central del fenotip estès”: “el comportament d’un animal tendeix a maximitzar la supervivència dels gens ‘per’ aquest comportament, independentment que aquests gens estiguin o no dins del cos de l’animal que manifesta aquest comportament”.

Aquesta idea tan complexa adquireix sentit si tenim en compte la premissa bàsica de la qual parteix Dawkins, la qual tracta en la seva obra “El gen egoista”: la unitat bàsica de l’evolució i únic motor de la selecció natural, més enllà dels individus i les poblacions, són els gens, sent els cossos dels organismes meres “màquines de supervivència” millorades per assegurar la perpetuació dels gens.

Exemples de fenotip estès

Potser tots aquests conceptes semblen molt complicats, però ho entendreu tot molt millor amb alguns exemples. Segons Dawkins, hi ha tres tipus bàsics de fenotip estès.

1) Arquitectura animal

Els castors construeixen dics i modifiquen el seu entorn, de la mateixa manera que una colònia de tèrmits construeix un termiter i altera el terreny, com a part del seu estil de vida.

Dic construït per castors. Imatge de Hugo.arg (CC 4.0)
Termiters a Austràlia. Imatge de domini públic.

D’altra banda, les cases o estoigs que construeixen els tricòpters al seu voltant a partir de material disponible en el medi milloren la seva supervivència.

Larva de tricòpter dins del seu estoig fet de material vegetal. Imatge de Matt Reinbold (CC 2.0)

Tots aquests són exemples del tipus de fenotip estès més simple: l’arquitectura animal. El fenotip és, en aquest cas, una expressió física o material del comportament de l’animal que contribueix a millorar la supervivència dels gens que expressen aquest comportament.

2) Manipulació del comportament de l’hoste per part del paràsit

En aquest tipus de fenotip estès, el paràsit expressa uns gens que controlen el comportament del seu hoste. Dit d’una altra manera, el genotip del paràsit manipula el fenotip (en aquest cas, el comportament) del parasitat.

Un exemple clàssic és el de grills sent controlats per nematomorfs o gordiacis, un grup de “cucs” parasitoides (en anglès, “hair worms”), com s’explica en aquest vídeo:

En resum: les larves d’aquests cucs es desenvolupen dins d’hostes aquàtics, com les larves de les efímeres. Quan les efímeres assoleixen l’edat adulta un cop feta la metamorfosi, es desplacen volant a terra ferma, on moren; i és aquí on els grills entren en escena: un grill adult s’alimenta de les restes de les efímeres i adquireix els parasitoides, els quals es desenvolupen a l’interior del grill alimentant-se del seu greix corporal. Els cucs adults han de tornar al medi aquàtic per a completar el seu cicle vital i, per fer-ho, controlen el cervell del grill per “obligar-lo” a anar fins a una font d’aigua. Un cop a l’aigua, els cucs deixen enrere el cos del grill, el qual mor ofegat.

Altres exemples són el de les femelles de mosquit portadores del protozou de la malària (Plasmodium), el qual fa que les femelles de mosquit (Anopheles) se sentin més atretes per l’alè humà que les no infectades, i el de les gales induïdes en plantes per diversos insectes, com els cinípids (petites vespes).

3) Acció a distància

Un exemple recurrent d’aquest tipus de fenotip estès és la manipulació del comportament de l’hoste per part dels pollets de cucut (grup d’aus de la família Cuculidae). Moltes espècies de cucuts, com el cucut comú (Cuculus canorus), ponen els ous en els nius d’altres aus perquè aquestes els criïn enlloc seu; al mateix temps, els pollets de cucut eliminen la competència desfent-se dels ous de l’altra espècie.

Mireu com el pollet de cucut es desfà dels ous d’una boscarla de canyar (Acrocephalus scirpaceus)!

En aquest cas de parasitisme, el pollet no està físicament associat a l’hoste, però influeix en l’expressió del seu fenotip conductual.

Boscarla de canyar alimentant un pollet de cucut comú. Imatge de Per Harald Olsen (CC 3.0).

.            .            .

Hi ha molts més exemples i estudis sobre aquest concepte. Si us interessa molt el tema, us recomano la lectura del gen egoista (sempre des d’una mirada crítica i oberta). Si, a més a més, teniu uns bons coneixements en biologia, us animo a llegir-vos també el fenotip estès.

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

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)

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)

 

 

Del laboratori a la gran pantalla (II)

Com ja vaig comentar en l’anterior article sobre genètica i cinema, hi ha una gran varietat de llargmetratges que toquen la genètica. En el següent article parlarem de la ciència ficció, amb dues pel·lícules molt conegudes. Atenció: spoilers!

GATTACA (1997)

Direcció: Andrew Niccol

Repartiment: Ethan Hawke, Uma Thurman, Jude Law

Gènere: Ciència ficció

Sinopsi: Ambientada en una societat futura, en la que la major part dels nens són concebuts in vitro i amb tècniques de selecció genètica. Vincent, un dels últims nens concebuts de manera natural, neix amb una deficiència cardíaca i no li auguren més de trenta anys de vida. Se’l considera un invàlid i, com a tal, està condemnat a realitzar els treballs més desagradables. El seu germà Anton, en canvi, ha rebut una esplèndida herència genètica que li garanteix múltiples oportunitats. Des de nen, Vincent somia amb viatjar a l’espai, però sap molt bé que mai serà seleccionat. Durant anys exerceix tota classe de feines fins que un dia coneix a un home que li proporciona la clau per formar part de l’elit: suplantar a Jerome, un esportista que es va quedar paraplègic per culpa d’un accident. D’aquesta manera, Vincent ingressa a la Corporació Gattaca, una indústria aeroespacial, que el selecciona per realitzar una missió a Titan. Tot anirà bé, gràcies a l’ajuda de Jerome, fins que el director del projecte és assassinat i la consegüent investigació posa en perill els plans de Vincent.

Relació amb la genètica: GATTACA és la pel·lícula “genètica” per excel·lència. Començant pel títol, aquest està format per les inicials de les quatre bases nitrogenades que conformen l’ADN (guanina, adenina, timina i citosina). A més, la forma helicoidal de l’ADN es repeteix en varis moments del llargmetratge, com en les escales de la casa de Vincent.

El principal tema que tracta és el de la selecció genètica, tots els nens que neixen han sigut seleccionats genèticament, molt lligat a la bioètica. La idea d’aquesta selecció és arribar a la eugenèsia, és a dir, millorar la població mitjançant la selecció dels “millors” humans. Aquest concepte el podem relacionar amb l’Alemanya de Hitler, qui creia que els alemanys pertanyien a un grup superior de races anomenat “ari”. Hitler deia que la raça alemanya havia sigut més dotada que les demés i que aquesta superioritat biològica destinava als alemanys a estar al capdamunt d’un imperi a Europa Oriental.

Tot i que avui en dia la selecció genètica és vigent i és utilitzada per evitar malalties, no s’aplica amb els mateixos fins que els de la pel·lícula. Actualment, es decideix realitzar selecció genètica després d’haver estudiat a la família i realitzar l’adequat consell genètic. Aquest té com a objectiu ajudar als pacients i a les seves famílies a evitar el dolor i el patiment causat per una malaltia genètica, i no s’ha de confondre amb l’objectiu eugènic de reduir la incidència de malalties genètiques o la freqüència d’al·lels considerats deleteris a la població.

Això està molt relacionat amb la discriminació genètica, cas també exposat a la pel·lícula. Gattaca es situa en un possible futur en el qual la genètica, intentant millorar la qualitat de vida de la societat, provoca un moviment de discriminació.

Quan parlem de discriminació acostumem a pensar en la discriminació racial. Aquesta es defineix com el tracte diferent o excloent a una persona per motius d’origen racial o ètnic, el que constitueix una vulneració dels drets fonamentals de les persones, així com un atac a la seva dignitat, El racisme ha estat present en tota la història de la humanitat, especialment en el segle XX amb la discriminació racial a Estats Units i amb l’Apartheid a Sudàfrica.

Des de fa un temps, la discriminació genètica ha anat agafant pes. Ocorre quan les persones són tractades de manera diferent per la seva empresa o companyia d’assegurances perquè tenen una mutació genètica que causa o augmenta el risc d’un trastorn hereditari. La por a la discriminació és una preocupació comú entre les persones que fan proves genètiques i és un problema actual que preocupa a la població, perquè el teu propi genoma no ha de ser un currículum vitae que t’obri o tanqui portes com passa a la pel·lícula. Vincent entra a treballar a Gattaca després de realitzar una prova d’orina i una analítica de sang, ja que a Gattaca no escullen als treballadors per la seva capacitat ni habilitat sinó pel seu ADN.

No obstant, la pel·lícula acaba amb la frase “No hi ha gen per a l’esperit humà”. Això significa que, tot i que la societat en la que es situa Gattaca es basa en la modificació genètica, aquesta no afecta a la moralitat i caràcter final de les persones perquè no existeix forma de relacionar genèticament a l’esperi, només el cos té informació genètica.

Video 1. Tràiler Gattaca (Font: YouTube)

PARC JURÀSSIC (1993)

Direcció: Steven Spielberg

Repartiment: Sam Neil, Laura Dern, Jeff Goldblum

Gènere: Ciència ficció

Sinopsi: El multimilionari John Hammond aconsegueix fer realitat el seu somni de clonar dinosaures del Juràssic i crear amb ells un parc temàtic en una illa remota. Abans d’obrir-lo al públic, convida a una parella d’eminents científics i a un matemàtic perquè provin la viabilitat del projecte. Però les mesures de seguretat del parc no preveuen l’instint de supervivència de la mare naturalesa ni la cobdícia humana.

Relació amb la genètica: A la primera pel·lícula d’aquesta saga, a partir de fòssils de dinosaures extrauen l’ADN per poder clonar-los. Els dinosaures clonats formaran part del parc juràssic en el que es basa la pel·lícula.

És cert que es pot extraure ADN a partir d’ossos, molt utilitzat en la genètica forense. Igual que el tema de la clonació, el qual va ser conegut per l’ovella Dolly, el primer gran animal clonat a partir d’una cèl·lula adulta el juliol de 1996. Però la pel·lícula va més enllà i planteja la possibilitat de reimplantar, en el món actual, espècies ja extingides i desafiar la selecció natural.

Video 2. Tràiler Parc Juràssic (Font: YouTube)

REFERÈNCIES

MireiaRamos-catala2

La farmacogenètica: un fàrmac per a cada persona

Qui no ha sentit a algú queixar-se de que els medicaments receptats pels metges no li fan res? Pot ser això cert? No tots els fàrmacs serveixen per a la mateixa població. Segueix llegint i descobreix els secrets de la farmacogenètica.

INTRODUCCIÓ

El mateix que passa amb els nutrients, passa amb els fàrmacs. Un altre dels objectius de la medicina personalitzada és fer-nos veure que no tots els medicaments serveix per a totes les persones. No obstant, això no és nou perquè cap allà al 1900, el metge canadenc William Osler va reconèixer que existia una variabilitat intrínseca i pròpia de cada individu, de manera que cada persona reacciona de forma diferent davant d’un fàrmac. És així com anys més tard definiríem la farmacogenètica.

És important assenyalar que no és el mateix que la farmacogenómica, la qual estudia les bases moleculars i genètiques de les malalties per desenvolupar noves vies de tractament.

Abans de tot necessitem començar pel principi: què és un fàrmac? Doncs bé, un fàrmac és tota substància fisicoquímica que interactua amb l’organisme i el modifica, per tractar de curar, prevenir o diagnosticar una malaltia. És important saber que els fàrmacs regulen funcions que fan les nostres cèl·lules, però no són capaces de crear noves funcions.

A part de conèixer si un fàrmac és bo o no per a una persona, també s’ha de tenir en compte la quantitat d’aquest que s’ha d’administrat. I és que encara no coneixem l’origen de totes les malalties, és a dir, desconeixem la majoria de les causes moleculars i genètiques reals de les malalties.

La classificació de les malalties es basa principalment en símptomes i signes i no en les causes moleculars. A vegades, un mateix grup de patologies és agrupat, però entre ells existeix una base molecular molt diferent. Això comporta que l’eficàcia terapèutica sigui limitada i baixa. Davant els fàrmacs, podem manifestar una resposta, una resposta parcial, que no ens produeixi cap efecte o que l’efecte sigui tòxic (Figura 1).

efectivitat i toxicitat
Figura 1. Efectivitat i toxicitat d’un fàrmac a la població. Els diferents colors mostren les diferents respostes (verd: efectiu i segur; blau: segur, però no efectiu; vermell: tòxic i no efectiu; groc: tòxic, però efectiu) (Font: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

ELS FÀRMACS AL NOSTRE COS

Els fàrmacs acostumen a fer el mateix recorregut pel nostre cos. Quan ens prenem un fàrmac, normalment per via digestiva, aquest és absorbit pel nostre cos i va a parar al torrent sanguini. La sang el distribueix als teixits diana on ha de fer efecte. En aquest cas parlem de fàrmac actiu (Figura 2). Però no sempre és així, sinó que a vegades necessita activar-se. És llavors quan parlem de profàrmac, el qual necessita fer escala al fetge abans d’aterrar al torrent sanguini.

La majoria de les vegades, el fàrmac que ingerim és actiu i no necessita passa a visitar al fetge.

active and prodrug
Figura 2. Diferència entre un profármac i un fármac actiu (Font: Agent of Chemistry – Roger Tam)

Una vegada que el fàrmac ja ha anat al teixit diana i ha interactuat amb les cèl·lules en qüestió, es produeixen deixalles del fàrmac. Aquestes restes continuen circulant per la sang fins a arribar al fetge, que els metabolitza per a expulsar-los per una de les dues vies d’expulsió: (i) la bilis i excreció junt amb els excrements o (ii) la purificació de la sang pels ronyons i la orina.

LA IMPORTÀNCIA DE LA FARMACOGENÈTICA

Un clar exemple de com segons els polimorfismes de la població hi haurà diferent variabilitat de resposta el trobem en els gens transportadors. La glicoproteïna P és una proteïna situada a la membrana de les cèl·lules, que actua com a bomba d’expulsió de xenobiòtics cap a l’exterior de la cèl·lula, és a dir, tots els compostos químics que no formen part de la composició dels organismes vius.

Els humans presentem un polimorfisme que ha estat molt estudiat. Depenent del polimorfisme que posseeixi cada individu, la proteïna transportadora tindrà una activitat normal, intermèdia o baixa.

En una situació normal, la proteïna transportadora produeix una excreció bastant alta del fàrmac. En aquest cas, la persona és portadora de l’al·lel CC (dues citosines). Però si només té una citosina, combinada amb una timina (totes dues són bases pirimidíniques), l’expressió del gen no és tant bona i l’activitat d’expulsió és menor, donant una situació intermèdia. En canvi, si una persona presenta dues timines (TT), l’expressió de la glicoproteïna P a la membrana de la cèl·lula serà baixa. Això suposarà una menor activitat del gen responsable i, conseqüentment, major absorció en sang ja que el fàrmac no és excretat. Aquest polimorfisme, el polimorfisme TT, és perillós pel pacient, ja que passa molt fàrmac a la sang, resultant tòxic pel pacient. Per tant, si el pacient és TT la dosis haurà de ser menor.

Aquest exemple ens demostra que coneixent el genoma de cada individu i com actua segons el seu codi genètic en base a ell, podem saber si l’administració d’un fàrmac a un individu serà l’adequada o no. I en base a això, podem receptar un altre medicament que s’adapti millor a la genètica d’aquesta persona.

APLICACIONS DE LA FARMACOGENÈTICA

Les aplicacions d’aquestes disciplines de la medicina de precisió són moltes. Entre elles es troben optimitzar la dosi, escollir el fàrmac adequat, donar un pronòstic del pacient, diagnosticar-lo, aplicar la teràpia gènica, monitoritzar el progrés d’una persona, desenvolupar nous fàrmacs i predir possibles respostes adverses.

Els progressos que han tingut lloc en la genòmica, el disseny de fàrmacs, teràpies i diagnòstics per a les diferents patologies, han avançat notablement en els últims anys, i han donat pas al naixement d’una medicina més adaptada a les característiques de cada pacient. Ens trobem, per tant, al llindar d’una nova manera d’entendre les malalties i la medicina.

I això es produeix en una època en la que es vol deixar enrere el món de pacients que davant una malaltia o malestar són atesos i diagnosticats de la mateixa manera. Per rutina, se’ls prescriuen els mateixos medicaments i dosis. Per aquest motiu ha sorgit la necessitat d’una alternativa científica que, basada en el codi genètic, ofereix tractar al malalt de manera individualitzada.

REFERÈNCIES

  • 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

MireiaRamos-catala2

La insulina: punt a favor pels transgènics

Tot i els arguments i les posicions en contra dels transgènics, és innegable que la insulina és un gran èxit transgènic. És imprescindible en alguns tipus de diabetis; i des de que s’ha descobert, l’esperança de vida de les persones diabètiques ha augmentat més de 45 anys. Per això, és necessari que la coneguem en detall.

RECORDATORI DE L’ENGINYERIA GENÈTICA

L’enginyeria genètica permet clonar, és a dir, multiplicar fragments d’ADN i produir les proteïnes per les quals aquests gens codifiquen en organismes diferents als de l’origen. És a dir, si en un organisme hi ha una alteració o mutació d’un gen que impedeix que el codi genètic ho tradueixi a proteïnes, amb les tècniques de l’ADN recombinant s’obté un gen sense la mutació en un altre organisme. Així, és possible obtenir proteïnes d’interès en organismes diferents de l’original del qual s’extreu el gen, millorar cultius i animals, produir fàrmacs i obtenir proteïnes que utilitzen diferents indústries en els seus processos d’elaboració. En altres termes, amb l’enginyeria genètica s’obtenen els famosos transgènics.

Ofereixen moltes possibilitats en l’ús industrial dels microorganismes amb aplicacions que van des de la producció recombinant de fàrmacs terapèutics i vacunes fins a productes alimentaris i agrícoles. Però, a més, tenen un paper prometedor en la medicina i en la cura de malalties.

I és que la conseqüència d’obtenir un ADN recombinant, a partir d’aquest, és fabricar una nova proteïna, denominada proteïna recombinant. Exemple d’això és el cas de la insulina.

QUÈ ÉS LA INSULINA?

La insulina és una hormona produïda en el pàncrees i amb un paper important en el procés metabòlic. Insulina prové del llatí insulae, que significa illa. El seu nom es deu a que dins el pàncrees, la insulina es produeix en les illes de Langerhans. El pàncrees està relacionat amb el funcionament general de l’organisme. Es situa a l’abdomen i està rodejat per òrgans com el fetge, la melsa, l’estómac, l’intestí prim i la vesícula.

Gràcies a ella utilitzem l’energia dels aliments que entren al nostre cos. I això passa perquè permet que la glucosa ingressi en el nostre organisme. És així com ens proporciona l’energia necessària per les activitats que hem de realitzar, des de respirar fins a córrer (Vídeo 1).

Vídeo 1. La insulina, la glucosa i tu (vídeo en anglès amb subtítols en castellà) (Font: YouTube)

COM FUNCIONA LA INSULINA?

La insulina ajuda a la glucosa a entrar a les cèl·lules, com una clau que obre el pany de les portes de la cèl·lula perquè la glucosa, que és el sucre en sang, entri i sigui utilitzada com a energia (Figura 1). Si la glucosa no pot entrar perquè no hi ha la clau que obri la porta, com els passa a les persones que pateixen diabetis, s’acumula la glucosa en la sang. Una acumulació de sucre a la sang pot causar complicacions a llarg termini. Per això és important que les persones diabètiques s’injecten insulina.

7-768x768
Figura 1. Esquema del funcionament de la insulina en les cèl·lules (Font: Encuentra tu balance)

¿PER QUÈ INSULINA TRANSGÈNICA?

Primerament, s’utilitzava la insulina obtinguda d’animals com gossos, porcs o vaques. Però tot i que la insulina de porc era molt similar a la humana, no era idèntica i contenia algunes impureses. Aquest fet provocava rebuig i, en alguns casos, al·lèrgies. A més, al ser obtinguda del pàncrees dels porcs, per cada pàncrees només s’aconseguia insulina pel tractament de 3 dies (a més dels cost del manteniment de l’animal). El resultat era de baix rendiment i alts costos.

Però amb les insulines de l’ADN recombinant s’obté una major quantitat a un menor preu. Per aquest motiu, actualment, s’obté la insulina original d’humà de la enginyeria genètica, tot i que les insulines animals segueixen sent una alternativa perfectament acceptable.

Mitjançant l’enginyeria genètica s’ha aconseguit produir insulina a partir de la bactèria E. coli. Va ser al 1978 quan es va aconseguir obtenir la seqüència de la insulina i introduir-la a l’interior de la bactèria perquè aquesta produís insulina. És així com E. coli ha passat de ser una bactèria corrent a una fàbrica de producció d’insulina. La insulina s’extreu de la bactèria, es purifica i es comercialitza com a medicament.

Els avantatges de la insulina “humana”, obtinguda per enginyeria genètica, són el fàcil manteniment de les bactèries, una major quantitat de producció i amb menors costos. A més a més, la comptabilitat d’aquesta insulina és del 100%, no obstant poden haver reaccions degut a altres components.

A escala industrial, la producció de proteïnes recombinants engloba diferents etapes. Aquestes etapes són la fermentació, en què les bactèries són cultivades en medis de cultius nutritius; l’extracció per recuperar totes les proteïnes del seu interior, la purificació, que separa la proteïna recombinant de les altres proteïnes bacterianes; i finalment la formulació, on la proteïna recombinant és modificada per aconseguir una forma estable i estèril que pot administrar-se terapèuticament.

Cada una de les anteriors fases implica una manipulació molt curosa dels materials i un estricte control de qualitat per optimitzar l’extracció, la puresa, l’activitat i l’estabilitat del fàrmac. Aquest procés pot ser simple o més complex depenent del producte i del tipus de cèl·lula utilitzada. Tot i que la complexitat del procés augmentaria el cost final del producte, el valor no arribarà a sobrepassar el cost d’aïllar el compost des de la seva font original per arribar a quantitats medicinals, que és el que s’ha demostrat amb la insulina. És a dir, que produir insulina humana té un menor cost que obtenir la insulina de porcs.

L’enginyeria genètica permet que nombroses proteïnes potencialment terapèutiques puguin elaborar-se en grans quantitats. Actualment, existeixen més de 30 proteïnes aprovades pel seu ús clínic, a més de centenars de gens de proteïnes terapèutiques que s’han expressat a nivell de laboratori i que es segueixen fent estudis per demostrar la seva adequació clínica.

REFERÈNCIES

  • 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

MireiaRamos-catala2

 

La realitat de les mutacions

Recordeu les tortugues ninja? En Leonardo, Raphael, Michelangelo i Donatello eren quatre tortugues que van patir una mutació al ser banyades amb un líquid radioactiu. Per sort o per desgràcia, una mutació no ens pot convertir en tortugues ninja, però sí que pot tenir altres efectes. A continuació us explico què són les mutacions.

QUÈ SÓN LES MUTACIONS?

El nostre cos és com una gran fàbrica en la que les nostres cèl·lules són els treballadors. Aquestes, gràcies a la seva maquinària interna, fan que la fàbrica segueixi endavant amb els menors problemes possibles. El funcionament constant de les nostres cèl·lules les 24 hores del dia durant els 365 dies de l’any, provoca que, a vegades, es produeixin errors en la seva maquinària. Això genera imperfeccions en el codi genètic, les quals generalment passen desapercebudes. Sí que és cert que les cèl·lules fan tot el possible per arreglar els errors produïts, però a vegades són inevitables i condueixen a la generació de malalties o, inclús, a la mort de la cèl·lula si aquesta es veu desbordada i no pot superar les adversitats.

Així doncs, les mutacions són aquests petits errors, és a dir, canvis estables i heretables que alteren la seqüència de l’ADN. Aquest fet fa que s’introdueixin noves variants gèniques a la població, generant diversitat genètica.

Generalment, les mutacions acostumen a ser eliminades, però ocasionalment algunes poden tenir èxit i escapar-se dels mecanismes de reparació de l’ADN de les nostres cèl·lules. No obstant, només es mantenen estables i heretables en l’ADN si afecten a un tipus de cèl·lules, les cèl·lules germinals.

Els organismes que ens reproduïm sexualment tenim dos tipus de cèl·lules: germinals i somàtiques. Mentre que les primeres transmeten la informació genètica de pares a fills, les cèl·lules somàtiques formen el cos de l’organisme. Degut a que la informació de les cèl·lules germinals, que són les que donen lloc a gàmetes (espermatozoides i oòcits) passa de generació en generació, aquestes han d’estar protegides contra els diferents canvis genètics per poder salvaguardar cada individu.

Degut a que la majoria de les mutacions són perjudicials, cap espècie pot permetre que s’acumulin mutacions en gran número en les seves cèl·lules germinals. És per això que no totes les mutacions queden fixades a la població, sinó que moltes d’aquestes variants solen ser eliminades. Ocasionalment algunes sí que es poden incorporar a tots els individus de l’espècie.

La taxa de mutació és la freqüència en la que es produeixen noves mutacions en un gen. Cada espècie té una taxa de mutació pròpia, modulada per la selecció natural. Això implica que cada espècie es pot enfrontar diferent als canvis produïts per l’ambient.

Les taxes de mutació espontànies són molt baixes, de l’ordre de 10-5-10-6 per gen i generació. D’aquesta manera, les mutacions no produeixen canvis ràpids en la població.

EL PAPER DE LA SELECCIÓ NATURAL

Canvis de nucleòtids en les cèl·lules somàtiques poden donar lloc a cèl·lules variants o mutants, algunes de les quals, a través a de la selecció natural, aconsegueixen ser més avantatjoses respecte a les seves companyes i proliferen molt ràpid. Com a resultat, en el cas extrem, es produeix el càncer, és a dir, una proliferació cel·lular descontrolada. Algunes de les cèl·lules del cos comencen a dividir-se sense aturar-se i es disseminen als teixits del voltant, procés conegut com a metàstasi.

Però la millor manera d’entendre el paper de la selecció natural de la qual en parlava el naturista Charles Darwin és amb l’exemple de les papallones del bedoll (Biston betularia). A Anglaterra habiten dos tipus de papallones, les de color gris clar i les de color gris fosc (Figura 1). Les primeres acostumaven a ser les més comuns, però entre els anys 1848 i 1898 es van invertir els papers i les papallones de color gris es van imposar.

biston
Figura 1. Papallones del bedoll (Biston betularia) de color gris clar i gris fosc (Font: TorruBlog)

Aquest canvi es va produir al mateix temps que les ciutats es van tornar més industrials, en les quals el carbó es va convertir en el combustible principal per a les plantes elèctriques. El sutge d’aquesta roca va tenyir de gris fosc el cel, el sòl i els edificis de les ciutats. També es van veure afectats els troncs dels arbres, on es camuflaven les papallones del bedoll.

La conseqüència d’aquest fet va ser que les papallones de color gris clar no podien amagar-se dels seus depredadors, en canvi, les que eren de color gris fosc van trobar una sortida amb èxit camuflant-se bé en els troncs pintats. Amb el canvi de color del seu amagatall tenien més oportunitats de sobreviure i reproduir-se (Vídeo 1).

Vídeo 1. Papallones del bedoll i la industrialització (en anglès) (Font: YouTube)

Aquest és un exemple clar de com els canvis en l’entorn influeixen en la variabilitat de les freqüències gèniques, que varien en resposta a nous factors en el medi ambient.

TIPUS DE MUTACIONS

No existeix un sol tipus de mutació, sinó que hi ha varis tipus de mutacions que poden afecta la seqüència d’ADN i conseqüentment el codi genètic. No obstant, no totes les mutacions tenen el mateix efecte.

Les mutacions acostumen a classificar-se per nivells mutacionals. Aquests nivells es basen en la quantitat de material hereditari afectat per la mutació i van pujant de rang segons el número de gens implicats. Si la mutació només afecta a un gen parlem de mutació gènica, mentre que si afecta a un segment cromosòmic que inclou varis gens ens referim a mutació cromosòmica. Quan la mutació afecta al genoma, afectant a cromosomes complets per excés o per defecte, ens referim a mutació genòmica.

Un exemple de mutació puntual el trobem en la fibrosi quística, una malaltia genètica hereditària que produeix una alteració en la secreció de mucositats, afectant al sistema respiratori i digestiu. Una mutació puntual afecta el gen que codifica per a la proteïna CFTR. Les persones afectades reben de tots dos progenitors el gen defectuós que, al no tenir cap còpia del gen bona, la proteïna no serà funcional. El resultat és que les secrecions produïdes per l’organisme humà són més espesses del que és habitual, produint una acumulació en les vies respiratòries.

REFERÈNCIES

  • 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

MireiaRamos-catala2