1985. Proyecto Genoma Humano

La biología genética se desarrolla vertiginosamente. En 1985 se lleva adelante el Proyecto Genoma Humano, un programa internacional de colaboración científica cuyo objetivo es obtener un conocimiento básico de la dotación genética humana completa.

Proyecto Genoma Humano

El "Proyecto Genoma Humano" es un programa internacional de colaboración científica cuyo objetivo es obtener un conocimiento básico de la dotación genética humana completa.

Esta información genética se encuentra en todas las células del cuerpo, codificada en el ácido desoxirribonucleico (ADN). El programa pretende identificar todos los genes del núcleo de la célula humana, establecer el lugar que los genes ocupan en los cromosomas del núcleo y determinar mediante secuenciación la información genética codificada por el orden de las subunidades químicas de ADN.

El objetivo último de la representación y secuenciación del genoma es asociar rasgos humanos específicos y enfermedades heredadas con genes situados en lugares precisos de los cromosomas. Cuando se termine, el Proyecto Genoma Humano proporcionará un conocimiento sin precedentes de la organización esencial de los genes y cromosomas humanos. Promete revolucionar el tratamiento y la prevención de numerosas enfermedades humanas, ya que penetrará en los fenómenos bioquímicos básicos que las sustentan.

La idea de iniciar un estudio coordinado del genoma humano surgió de una serie de conferencias científicas celebradas entre 1985 y 1987. El Proyecto Genoma Humano ganó impulso en Estados Unidos en 1990 con la ampliación de la financiación de los Institutos Nacionales de Salud y del Departamento de Energía. Uno de los primeros directores del programa en Estados Unidos fue el bioquímico James Watson, que en 1962 compartió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con los biofísicos británicos Francis Crick y Maurice Wilkins por el descubrimiento de la estructura del ADN.

Muchos países tienen en marcha programas oficiales de investigación sobre el genoma humano como parte de esta colaboración informal, entre ellos Francia, Alemania, Japón, Reino Unido y otros miembros de la Unión Europea. El costo de la parte del programa que se realiza en Estados Unidos es de 3.000 millones de dólares a lo largo de 15 años, hasta el 2005.

El genoma humano

Se llama genoma a la totalidad del material genético de un organismo. El genoma humano tiene entre 50.000 y 100.000 genes distribuidos entre los 23 pares de cromosomas de la célula. Cada cromosoma puede contener más de 250 millones de pares de bases de ADN y se estima que la totalidad del genoma tiene aproximadamente 3.000 millones de pares de bases.

El ADN analizado en el Proyecto Genoma Humano procede por lo general de pequeñas muestras de sangre o de tejidos obtenidas de personas diferentes. Aunque los genes del genoma de cada individuo están formados por secuencias de ADN exclusivas, se estima que la variación media de los genomas de dos personas distintas es muy inferior al 1%. Por tanto, las muestras de ADN humano de distintas fuentes presentan muchas más similitudes que diferencias.

Cartografía y secuenciación

Hay dos categorías principales de técnicas de cartografía genética: ligamiento o cartografía genética, que identifica sólo el orden relativo a los genes a lo largo del cromosoma; y cartografía física, un conjunto de métodos más precisos que permite determinar las distancias entre genes dentro del cromosoma. Ambos tipos de cartografía utilizan marcadores genéticos, que son características físicas o moleculares detectables que se diferencian entre los individuos y se transmiten por herencia.

Los mapas de ligamiento humanos se han elaborado sobre todo siguiendo las pautas de herencia de familias extensas a lo largo de muchas generaciones. Inicialmente, estos estudios se limitaban a los rasgos físicos heredados, fácilmente observables en todos los miembros de la familia. Pero actualmente hay técnicas de laboratorio muy refinadas que permiten a los investigadores crear mapas de ligamiento más detallados comparando la posición de los genes diana en relación con el orden de marcadores genéticos o de segmentos específicos y conocidos del ADN.

La cartografía física determina la distancia real entre puntos diferenciados de los cromosomas. Las técnicas más precisas combinan robótica, uso de láser e informática para medir la distancia entre marcadores genéticos. Para realizar estos mapas se extrae ADN de los cromosomas humanos y se rompe aleatoriamente en numerosos fragmentos. A continuación, éstos se duplican muchas veces en el laboratorio para analizar en las copias idénticas así obtenidas, llamadas clones, la presencia o ausencia de marcas genéticas específicas distintivas. Los clones que comparten varias marcas proceden por lo general de segmentos solapados del cromosoma. Las regiones de solapamiento de los clones pueden a continuación compararse para determinar el orden global de las marcas a lo largo del cromosoma y la secuencia exacta que ocupan inicialmente los segmentos de ADN clonados.

Para determinar la secuencia real de nucleótidos hacen falta mapas físicos muy detallados que recojan el orden exacto de las piezas clonadas del cromosoma. En el Proyecto Genoma Humano se utiliza primordialmente un método de secuenciación desarrollado por el bioquímico británico y dos veces premio Nobel, Frederick Sanger. Este método consiste en replicar piezas específicas de ADN y modificarlas de modo que terminen en una forma fluorescente de uno de los cuatro nucleótidos. En los modernos secuenciadores automáticos de ADN, el nucleótido modificado situado al extremo de una de estas cadenas se detecta con un haz de láser y se determina el número exacto de nucleótidos de la cadena. A continuación se combina esta información en un ordenador para reconstruir la secuencia de pares de bases de la molécula original de ADN.

Duplicar el ADN con precisión y rápidamente tiene una importancia crítica, tanto para la cartografía como para la secuenciación. Inicialmente los fragmentos de ADN humano se replicaban mediante clonación en organismos unicelulares que se dividen rápidamente, como bacterias o levaduras. Esta técnica exige mucho tiempo y mucho trabajo. A finales de la década de 1980 se generalizó el uso de un método revolucionario de reproducción de ADN llamado reacción en cadena de polimerasa (RCP). Esta técnica es fácil de automatizar y puede copiar una sola molécula de ADN varios millones de veces en unas pocas horas. En 1993, el bioquímico estadounidense Kary Mullis recibió el Premio Nobel de Química por idear esta técnica.

Bioinformática

Cuando esté terminado, el Proyecto Genoma Humano habrá generado un catálogo con la descripción de 50.000 a 100.000 genes humanos con cierto grado de detalle, mapas de alta resolución de los cromosomas, incluidos cientos de miles de puntos significativos, y miles de millones de información sobre secuencias de pares de bases. Para ayudar a los investigadores del genoma a determinar el sentido de este aluvión de datos hacen falta muchos instrumentos informáticos, como sistemas de información y gestión de laboratorios, robots, sistemas de gestión de bases de datos e interfaces de usuario gráficas.

Se ha desarrollado un nuevo campo de investigación llamado bioinformática para satisfacer las exigencias planteadas por el programa. Los investigadores de bioinformática han creado bases de datos públicas conectadas a Internet para poner los datos del genoma a disposición de los científicos de todo el mundo. Así, los resultados de la cartografía de los genes humanos se encuentran en la Genome Database, y la información de secuenciación del ADN en varias bases de datos, entre ellas GenBank del NIH, Base de Datos de Secuencias de Nucleóticos del Laboratorio Europeo de Biología Molecular, DNA Databank de Japón y Genome Sequence Database del DOE.

Situación del proyecto

A principios de 1996, el Proyecto Genoma Humano iba ya por delante del calendario y por detrás del presupuesto. Se han cartografiado más de 4.000 genes al menos en un cromosoma específico, se han clonado 1.600 genes de función conocida, se han asociado 1.000 enfermedades genéticas con algún defecto de un gen cartografiado y se han secuenciado más de 150 millones de pares de bases de ADN humano. Se han publicado mapas de todo el genoma humano con marcas separadas por término medio cerca de 200.000 pares de bases. El objeto final del Proyecto Genoma Humano es estrechar la separación entre marcas hasta aproximadamente 100.000 pares de bases y secuenciar al menos 3.000 millones de pares de bases para el año 2005 (año en que se completó el anñalisis del genoma).

En años recientes se han identificado los genes asociados con enfermedades hereditarias, como la fibrosis quística, la distrofia muscular o la enfermedad de Huntington. Éste es el primer paso en el desarrollo de mejores pruebas de selección genética, nuevos medicamentos y tratamientos genéticos para combatir estas patologías. La capacidad para corregir defectos mortales de la herencia genética humana puede alterar espectacularmente la forma de enfocar la enfermedad.

El mayor conocimiento del genoma humano puede tener también consecuencias éticas, jurídicas y sociales muy controvertidas. Los primeros resultados ya han estimulado un debate internacional sobre la conveniencia o no de patentar para uso comercial secuencias de genes humanos y de poner la información sobre genética humana a disposición de empresas de seguros y empleadores, así como de corregir los defectos genéticos de forma que podrían transmitirse de generación en generación.

1960. Descubrimiento de la clonación de genes

1960. Se inicia la verdadera expansión de la biología molecular y la terapia génica. Por primera vez se descubre la posibilidad de la clonación de genes.

DESCUBRIMIENTO DE LA CLONACIÓN DE GENES

Aunque el verdadero inicio de la biología molecular se dio durante la década de 1950, con la  presentación del modelo estructural del ácido desoxirribonucleico (Ver: Primera descripción de ADN) por Francis Harry Compton Crick y James Dewey Watson en 1953, la verdadera expansión de esta ciencia comenzó en la década de 1960 con el descubrimiento de la clonación de genes.

Esta técnica permitió aislar fragmentos libres de ADN puro a partir del genoma. Así, fue posible secuenciar fragmentos de ADN, en los cuales estaban incluidos los genes. Todo esto se completó con la puesta en marcha de la técnica de la hibridación, que consiste en el marcaje con isótopos radioactivos de una molécula clónica de ADN, de la cual se conserva sólo una hebra (ADN desnaturalizado o monocatenario). Después de este tratamiento, el fragmento sonda se emplea para detectar secuencias complementarias en presencia de ADN o ARN.

Ed Southern, puso en marcha un procedimiento que se llama absorción de Southern y que se describe a continuación. Un ADN genómico que contiene un gen X, se corta en fragmentos que se separan según su tamaño, y se transfieren a un filtro. Al filtro con los fragmentos de ADN, se le aplica ARN o ADN marcado radiactivamente, de secuencia complementaria a la del gen X (fragmento sonda), que delatará al gen X al unirse a él. El método de absorción de Nothern es similar al anterior, el ADN que contiene el gen X, se une al ARN sonda de distintos tejidos, permitiendo así detectar el gen y cuantificarlo en los distintos tejidos. Estas técnicas han hecho posible recopilar una gran cantidad de información sobre la estructura y la expresión génica.

El empleo del método de absorción de Southern para el estudio de la estructura génica condujo a un importante hallazgo en el campo de la biología molecular. Éste consiste en el descubrimiento de la existencia, en los organismos eucariotas (plantas y animales), de regiones del ADN llamadas exones (que se expresan), que contienen información para la codificación de proteínas y están interrumpidas por otras secuencias del ADN, llamadas intrones (que no se expresan). Estos intrones se transcriben junto a los exones a moléculas de ARN y son eliminados durante el proceso de maduración del ARN. Este proceso ocurre en el interior del núcleo celular y el resultado es una molécula de ARNm sin interrupciones, es decir, sólo con los exones. Este ARNm maduro se traslada al citoplasma celular y se une a los ribosomas, donde tiene lugar la traducción o síntesis de proteínas.

El significado de los intrones no está claro, pero permiten diferentes combinaciones de los exones presentes en el ARN inmaduro, que se procesará de distinta manera según los tipos de células. Este sistema de maduración alternativa produce proteínas relacionadas pero diferentes a partir del mismo gen.

Control de la transcripción

La técnica de absorción de Nothern se puede emplear para detectar la presencia de moléculas de ARNm, procedentes de genes determinados, en extractos de tejido intacto. Estos estudios se complementan con la hibridación in situ, que detecta el ARNm en células individuales, y de esta forma se conoce su distribución en el tejido. La conclusión es que, en la mayoría de los casos, el ARNm codificador de una proteína específica, está presente sólo en los tejidos y en las células donde se expresa la proteína. De forma similar, los precursores inmaduros de moléculas de ARN que contengan aún intrones, no son detectados en los tejidos si no están presentes el ARNm o las proteínas.

En consecuencia, en la mayoría de los casos, la producción de proteínas diferentes en los distintos tejidos está regulada por los genes que se han transcrito en cada tejido, lo cual determina a su vez la eliminación de intrones y la traducción de proteínas. Esto se demuestra midiendo la proporción de transcripción de un gen específico en diferentes tejidos, donde la proteína puede estar presente o ausente.

La síntesis de proteínas distintas en los tejidos es vital para la comprensión de las diferencias funcionales de los mismos y está controlada por la transcripción. Además, la transcripción está regulada por factores de transcripción, los cuales se unen a secuencias específicas del ADN (las regiones reguladoras) y activan este proceso. Puede ser que cada tejido tenga los factores específicos que activan la transcripción de genes concretos, pero también es posible que estén presentes, de forma inactiva, en todas las células. En ese caso se activarían por señales específicas, como una modificación posterior a su síntesis, por ejemplo por adición de residuos fosfato (fosforilación). Esto activará la transcripción de los genes que respondan a la señal.

De la investigación a la aplicación terapéutica

La producción de grandes cantidades de proteína se realiza mediante la expresión del ADN correspondiente en grandes cantidades. Este método se utiliza con fines terapéuticos, en individuos que sufren alguna enfermedad causada por la ausencia de proteínas específicas. La labor de purificación de tales proteínas se realiza a partir de animales o de cadáveres humanos. Éste ha sido el planteamiento empleado para producir insulina en el tratamiento de la diabetes y de hormona del crecimiento en el enanismo.

En la actualidad, los intentos han estado encaminados a prescindir de la fase de producción de proteínas y a tratar a los individuos con enfermedades genéticas aportando los genes funcionales, de modo que la proteína necesaria la sintetice el individuo afectado. La terapia génica aplicada desde la infancia ofrece a los afectados la esperanza de un futuro mejor.

1953: Primera descripción de la estructura del ADN

En 1953, el bioquímico estadounidense James Watson y el biofísico británico Francis Crick publicaron la primera descripción de la estructura del ADN.

La presentación del modelo estructural del ADN constituyó el verdadero inicio de la biología molecular.

Los inicios de la biología molecular. Primera descripción del ADN.

En 1953, el bioquímico estadounidense James Watson y el biofísico británico Francis Crick publicaron la primera descripción de la estructura del ADN. Su modelo adquirió tal importancia para comprender la síntesis proteica, la replicación del ADN y las mutaciones, que los científicos obtuvieron en 1962 el Premio Nobel de Medicina por su trabajo.

La presentación del modelo estructural del ADN constituyó el verdadero inicio de la biología molecular.

La importancia de este hecho se debe, por un lado a que es la molécula que transmite la información hereditaria de generación en generación, y por otro a que la propia estructura muestra cómo lo logra.

El ácido desoxirribonucleico, más conocido por su sigla ADN, constituye el material genético de todos los organismos celulares y casi todos los virus. El ADN lleva la información necesaria para dirigir la síntesis de proteínas y la replicación.

Se llama síntesis de proteínas a la producción de las proteínas que necesita la célula o el virus para realizar sus actividades y desarrollarse. La replicación es el conjunto de reacciones por medio de las cuales el ADN se copia a sí mismo cada vez que una célula o un virus se reproduce y transmite a la descendencia la información de síntesis de proteínas que contiene. En casi todos los organismos celulares el ADN está organizado en forma de cromosomas, situados en el núcleo de la célula.

Estructura

Cada molécula de ADN está constituida por dos cadenas o bandas formadas por un elevado número de compuestos químicos llamados nucleótidos. Estas cadenas forman una especie de escalera retorcida que se llama doble hélice. Cada nucleótido está formado por tres unidades: una molécula de azúcar llamada desoxirribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles compuestos nitrogenados llamados bases: adenina (abreviada como A), guanina (G), timina (T) y citosina (C).
La molécula de desoxirribosa ocupa el centro del nucleótido y está flanqueada por un grupo fosfato a un lado y una base al otro. El grupo fosfato está a su vez unido a la desoxirribosa del nucleótido adyacente de la cadena. Estas subunidades enlazadas desoxirribosa-fosfato forman los lados de la escalera; las bases están enfrentadas por parejas, mirando hacia el interior, y forman los travesaños.

Los nucleótidos de cada una de las dos cadenas que forman el ADN establecen una asociación específica con los correspondientes de la otra cadena. Debido a la afinidad química entre las bases, los nucleótidos que contienen adenina se acoplan siempre con los que contienen timina, y los que contienen citosina con los que contienen guanina. Las bases complementarias se unen entre sí por enlaces químicos débiles llamados puentes de hidrógeno.

Síntesis proteica

El ADN incorpora las instrucciones de producción de proteínas.
Una proteína es un compuesto formado por moléculas pequeñas llamadas aminoácidos, que determinan su estructura y función.
La secuencia de aminoácidos está a su vez determinada por la secuencia de bases de los nucleótidos del ADN.
Cada secuencia de tres bases, llamada triplete, constituye una palabra del código genético, que especifica un aminoácido determinado. Así, el triplete GAC (guanina, adenina, citosina) es el código genético correspondiente al aminoácido leucina, mientras que el CAG (citosina, adenina, guanina) corresponde al aminoácido valina. Por tanto, una proteína formada por 100 aminoácidos queda codificada por un segmento de 300 nucleótidos de ADN.

De las dos cadenas de polinucleótidos que forman una molécula de ADN, sólo una, llamada paralela, contiene la información necesaria para producción de una secuencia de aminoácidos determinada. La otra, llamada antiparalela, ayuda a la replicación.

La síntesis proteica comienza con la separación de la molécula de ADN en sus dos hebras. En un proceso llamado transcripción, una parte de la hebra paralela actúa como plantilla para formar una nueva cadena que se llama ARN mensajero o ARNm.
El ARNm sale del núcleo celular y se acopla a los ribosomas, unas estructuras celulares especializadas que actúan como centro de síntesis de proteínas. Los aminoácidos son transportados hasta los ribosomas por otro tipo de ARN llamado de transferencia (ARNt). Se inicia un fenómeno llamado traducción que consiste en el enlace de los aminoácidos en una secuencia determinada por el ARNm para formar una molécula de proteína.

Un gen es una secuencia de nucleótidos de ADN que especifica el orden de aminoácidos de una proteína por medio de una molécula intermediaria de ARNm.
La sustitución de un nucleótido de ADN por otro que contiene una base distinta hace que todas las células o virus descendientes contengan esa misma secuencia de bases alterada. Como resultado de la sustitución, también puede cambiar la secuencia de aminoácidos de la proteína resultante. Esta alteración de una molécula de ADN se llama mutación.
Casi todas las mutaciones son resultado de errores durante el proceso de replicación. La exposición de una célula o un virus a las radiaciones o a determinados compuestos químicos aumenta la probabilidad de mutaciones.

Replicación

En casi todos los organismos celulares, la replicación de las moléculas de ADN tiene lugar en el núcleo, justo antes de la división celular. Empieza con la separación de las dos cadenas de polinucleótidos, cada una de las cuales actúa a continuación como plantilla para el montaje de una nueva cadena complementaria. A medida que la cadena original se abre, cada uno de los nucleótidos de las dos cadenas resultantes atrae a otro nucleótido complementario previamente formado por la célula.
Los nucleótidos se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno para formar los travesaños de una nueva molécula de ADN. A medida que los nucleótidos complementarios van encajando en su lugar, una enzima llamada ADN polimerasa los une enlazando el grupo fosfato de uno con la molécula de azúcar del siguiente, para así construir la hebra lateral de la nueva molécula de ADN. Este proceso continúa hasta que se ha formado una nueva cadena de polinucleótidos a lo largo de la antigua; se reconstruye así un nueva molécula con estructura de doble hélice.

La estructura del ADN continuó siendo objeto de estudio, y los resultados de la investigación se aplicarán posteriormente a muchas disciplinas.