Genética molecular

La genética molecular es un subcampo de la biología que aborda cómo las diferencias en las estructuras o la expresión de las moléculas de ADN se manifiestan como variaciones entre organismos. La genética molecular a menudo aplica un "enfoque de investigación" para determinar la estructura y/o función de los genes en el genoma de un organismo utilizando pantallas genéticas. El campo de estudio se basa en la fusión de varios subcampos de la biología: herencia mendeliana clásica, biología celular, biología molecular, bioquímica y biotecnología. Los investigadores buscan mutaciones en un gen o inducen mutaciones en un gen para vincular una secuencia de genes con un fenotipo específico. La genética molecular es una metodología poderosa para vincular mutaciones con condiciones genéticas que pueden ayudar en la búsqueda de tratamientos/curas para diversas enfermedades genéticas.

Historia

Para que la genética molecular se desarrollara como disciplina, fueron necesarios varios descubrimientos científicos. El descubrimiento del ADN como medio para transferir el código genético de la vida de una célula a otra y entre generaciones fue fundamental para identificar la molécula responsable de la herencia. La genética molecular surgió inicialmente a partir de estudios que involucraban la transformación genética en bacterias. En 1944, Avery, McLeod y McCarthy aislaron ADN de una cepa virulenta de S. pneumoniae., y usando solo este ADN pudieron convertir una cepa inofensiva en virulenta. Llamaron a la captación, incorporación y expresión del ADN por parte de las bacterias "transformación". Este hallazgo sugirió que el ADN es el material genético de las bacterias. Desde su descubrimiento en 1944, se ha descubierto que la transformación genética ocurre en numerosas especies bacterianas, incluidas muchas especies que son patógenas para los humanos. La transformación bacteriana a menudo es inducida por condiciones de estrés, y la función de la transformación parece ser la reparación del daño genómico.

El grupo de los fagos era una red informal de biólogos centrada en Max Delbrück que contribuyó sustancialmente a la genética molecular y los orígenes de la biología molecular durante el período comprendido entre 1945 y 1970.El grupo de fagos tomó su nombre de los bacteriófagos, los virus que infectan bacterias que el grupo usó como organismos modelo experimentales. Los estudios realizados por genetistas moleculares afiliados a este grupo contribuyeron a la comprensión actual de cómo funcionan las proteínas codificadas por genes en la replicación del ADN, la reparación y la recombinación del ADN, y sobre cómo se ensamblan los virus a partir de componentes de proteínas y ácidos nucleicos (morfogénesis molecular). Además, se elucidó el papel de los codones de terminación de cadena. Un estudio digno de mención fue realizado por Sydney Brenner y sus colaboradores utilizando mutantes ámbar defectuosos en el gen que codifica la principal proteína principal del bacteriófago T4. Este estudio demostró la colinealidad del gen con su polipéptido codificado, proporcionando así una fuerte evidencia para la "hipótesis de la secuencia" de que la secuencia de aminoácidos de una proteína está especificada por la secuencia de nucleótidos del gen que determina la proteína.

Watson y Crick (junto con Franklin y Wilkins) descubrieron la estructura del ADN, una piedra angular para la genética molecular. El aislamiento de una endonucleasa de restricción en E. coli por Arber y Linn en 1969 abrió el campo de la ingeniería genética. Se usaron enzimas de restricción para linealizar el ADN para la separación por electroforesis y la transferencia Southern permitió la identificación de segmentos de ADN específicos a través de sondas de hibridación. En 1971, Berg utilizó enzimas de restricción para crear la primera molécula de ADN recombinante y el primer plásmido de ADN recombinante. En 1972, Cohen y Boyer crearon el primer organismo de ADN recombinante insertando plásmidos de ADN recombinante en E. coli., ahora conocida como transformación bacteriana, y allanó el camino para la clonación molecular. El desarrollo de técnicas de secuenciación de ADN a fines de la década de 1970, primero por Maxam y Gilbert, y luego por Frederick Sanger, fue fundamental para la investigación genética molecular y permitió a los científicos comenzar a realizar análisis genéticos para relacionar secuencias genotípicas con fenotipos. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) con la polimerasa Taq, inventada por Mullis en 1985, permitió a los científicos crear millones de copias de una secuencia de ADN específica que podría usarse para la transformación o manipularse mediante la separación en gel de agarosa. Una década más tarde, se secuenció el primer genoma completo ( Haemophilus influenzae ), seguido de la eventual secuenciación del genoma humano a través del Proyecto Genoma Humano en 2001.La culminación de todos esos descubrimientos fue un nuevo campo llamado genómica que vincula la estructura molecular de un gen a la proteína o ARN codificado por ese segmento de ADN y la expresión funcional de esa proteína dentro de un organismo. Hoy, mediante la aplicación de técnicas de genética molecular, la genómica se estudia en muchos organismos modelo y los datos se recopilan en bases de datos informáticas como NCBI y Ensembl. El análisis informático y la comparación de genes dentro y entre diferentes especies se denomina bioinformática y vincula las mutaciones genéticas en una escala evolutiva.

El dogma central

Esta imagen muestra un ejemplo del dogma central que usa una cadena de ADN que se transcribe y luego se traduce y muestra las enzimas importantes que se usan en los procesos.

El Dogma Central es la base de toda la genética y juega un papel clave en el estudio de la genética molecular. El Dogma Central establece que el ADN se replica a sí mismo, el ADN se transcribe en ARN y el ARN se traduce en proteínas. Junto con el Dogma Central, el código genético se utiliza para comprender cómo se traduce el ARN en proteínas. La replicación del ADN y la transcripción de ADN a ARNm se produce en el núcleo, mientras que la traducción de ARN a proteínas se produce en el ribosoma. El código genético está formado por cuatro pares de bases: adenina, citosina, uracilo y guanina y es redundante, lo que significa que múltiples combinaciones de estos pares de bases (que se leen por triplicado) producen el mismo aminoácido. La proteómica y la genómica son campos de la biología que surgen del estudio de la genética molecular y el Dogma Central.

Técnicas

Genética avanzada

La genética directa es una técnica de genética molecular utilizada para identificar genes o mutaciones genéticas que producen un determinado fenotipo. En una pantalla genética, las mutaciones aleatorias se generan con mutágenos (químicos o radiación) o transposones y los individuos se seleccionan para el fenotipo específico. A menudo, un ensayo secundario en forma de selección puede seguir a la mutagénesis cuando el fenotipo deseado es difícil de observar, por ejemplo, en bacterias o cultivos celulares. Las células pueden transformarse utilizando un gen para la resistencia a los antibióticos o un indicador fluorescente para que los mutantes con el fenotipo deseado se seleccionen entre los no mutantes.

Los mutantes que exhiben el fenotipo de interés se aíslan y se puede realizar una prueba de complementación para determinar si el fenotipo resulta de más de un gen. Luego, los genes mutantes se caracterizan como dominantes (lo que da como resultado una ganancia de función), recesivos (que muestran una pérdida de función) o epistáticos (el gen mutante enmascara el fenotipo de otro gen). Finalmente, la ubicación y la naturaleza específica de la mutación se mapean mediante secuenciación. La genética directa es un enfoque imparcial y, a menudo, conduce a muchos descubrimientos inesperados, pero puede ser costoso y llevar mucho tiempo. Organismos modelo como el gusano nematodo Caenorhabditis elegans, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y el pez cebra Danio reriose han utilizado con éxito para estudiar fenotipos resultantes de mutaciones genéticas.

Genética inversa

La genética inversa es el término para las técnicas de genética molecular utilizadas para determinar el fenotipo resultante de una mutación intencional en un gen de interés. El fenotipo se utiliza para deducir la función de la versión no mutada del gen. Las mutaciones pueden ser cambios aleatorios o intencionales en el gen de interés. Las mutaciones pueden ser una mutación de sentido erróneo causada por la sustitución de nucleótidos, una adición o eliminación de nucleótidos para inducir una mutación de cambio de marco, o una adición/eliminación completa de un gen o segmento de gen. La deleción de un gen en particular crea una desactivación del gen en la que el gen no se expresa y se produce una pérdida de la función (p. ej., ratones desactivados). Las mutaciones de sentido erróneo pueden causar la pérdida total de la función o dar como resultado una pérdida parcial de la función, lo que se conoce como caída. La eliminación también se puede lograr mediante la interferencia de ARN (ARNi).Alternativamente, los genes pueden sustituirse en el genoma de un organismo (también conocido como transgén) para crear un gen knock-in y dar como resultado una ganancia de función por parte del huésped. Aunque estas técnicas tienen un sesgo inherente con respecto a la decisión de vincular un fenotipo a una función particular, es mucho más rápido en términos de producción que la genética avanzada porque el gen de interés ya se conoce.