Conceptes Clau de Genètica i Biotecnologia: De la Cèl·lula a l'Edició Gènica

Comparació: Mitosi i Meiosi

Mitosi

En cèl·lules haploides i diploides

Origina dues cèl·lules filles idèntiques

No hi ha sinapsi ni encreuament

En la metafase, a la placa equatorial, se situen cromosomes independents

Anafase: se separen les cromàtides germanes

El nucli només es divideix 1 cop

Una citocinesi

Meiosi

En cèl·lules diploides

Origina 4 cèl·lules filles haploides amb la meitat d'informació genètica

Hi ha sinapsi, encreuament i recombinació genètica

Se situen bivalents

Anafase I: se separen els cromosomes homòlegs; Anafase II: se separen les cromàtides germanes

Es divideix 2 cops

Dues citocinesis

CDK: Cinases dependents de ciclina

Les cinases dependents de ciclina (CDK) juntament amb les ciclines formen el Factor Promotor de la Maduració (FPM).

Llei de la Uniformitat

En encreuar dues línies pures, s'obté una F1 híbrida, uniforme i idèntica a un dels progenitors. Aquest és un creuament monohíbrid.

Llei de la Segregació dels Al·lels

Quan s'autopol·linitzen els híbrids de la F1, s'obté una F2 en la qual apareixen els al·lels ocults de la F1.

Llei de la Distribució Independent dels Caràcters

En els encreuaments d'híbrids de dos o més caràcters, la generació resultant mostra una separació aleatòria d'aquests caràcters. (Només es compleix si els caràcters es troben en cromosomes diferents o molt allunyats dins del mateix cromosoma).

Càncer

Els protooncogens es converteixen en oncogens. Els gens supressors de tumors (TSG) codifiquen proteïnes que inhibeixen el creixement cel·lular descontrolat.

Traducció

1. L'ARNt s'activa mitjançant una reacció i forma el complex aminoacil-ARNt.
2. Inici: La subunitat petita del ribosoma s'uneix prop del codó d'inici. L'ARNt porta el primer aminoàcid.
3. Es forma l'enllaç peptídic entre el primer i el segon aminoàcid (activitat peptidil transferasa).
4. El moviment de l'ARNm és de 5' a 3'.
5. El procés continua fins que l'ARNt reconeix un codó de terminació.
6. La peptidil transferasa allibera la cadena polipeptídica.
7. La subunitat gran del ribosoma se separa.

Mutacions

Les mutacions poden ser:

• Espontànies: Per error en la duplicació o reparació de l'ADN o dels cromosomes.
• Induïdes: Per agents mutàgens.

Tipus de Mutacions

• Somàtiques / Germinals
• Puntuals: Afecten un sol nucleòtid.
• Cromosòmiques: Afecten un segment de cromosoma.
• Genòmiques: Canvis en el joc de cromosomes (nombre de cromosomes).

Diversitat Cel·lular

La diversitat cel·lular s'explica per la diferenciació cel·lular i la regulació de l'expressió gènica. Diferents gens s'activen o inactiven segons factors específics, donant lloc a milers de tipus cel·lulars.

Vectors de Clonació

• BAC: Cromosomes artificials bacterians.
• YAC: Cromosomes artificials de llevats.

Clonació Molecular

1. Els enzims de restricció tallen el genoma, generant fragments amb extrems cohesius.
2. Aquests enzims també actuen sobre els plasmidis, obrint-los i creant extrems cohesius.
3. La DNA-ligasa uneix els fragments de DNA al plasmidi, formant plasmidis recombinants.
4. Aquests plasmidis s'introdueixen en bacteris, creant bacteris recombinants que formen colònies.
5. Les colònies que contenen el gen d'interès formen una genoteca.

Selecció de Clons

• Directa: Selecció per resistència a antibiòtics o altres marcadors.
• Indirecta: Mitjançant una sonda que s'hibrida i indica les colònies que contenen el gen d'interès.

DNA complementari (cDNA)

El cDNA s'utilitza per clonar exons a partir de l'ARNm extret del citoplasma.

1. La transcriptasa inversa sintetitza una cadena d'ADN a partir de l'ARNm.
2. S'elimina l'ARNm.
3. La DNA polimerasa sintetitza la segona cadena complementària.

La genoteca de cDNA conté els gens que s'expressaven en l'ARNm en un moment donat.

PCR (Reacció en Cadena de la Polimerasa)

La PCR és una tècnica d'amplificació de fragments de DNA que consta de tres etapes:

1. Desnaturalització: Les cadenes de DNA es separen (s'obren).
2. Hibridació: Els encebadors s'uneixen a les cadenes de DNA.
3. Extensió: La DNA polimerasa sintetitza noves cadenes complementàries.

Seqüenciació de DNA

La seqüenciació determina l'ordre dels nucleòtids en una cadena de DNA.

Mètode Sanger (Seqüenciació per Terminació de Cadena)

1. Es desnaturalitzen les cadenes de DNA.
2. S'uneixen els encebadors i s'inicia la síntesi de noves cadenes.
3. La síntesi s'atura per la unió de dideoxinucleòtids (ddNTP).
4. Els fragments resultants se separen per electroforesi en gel de poliacrilamida.
5. Un analitzador mesura l'absorció de fluorescència dels ddNTP per determinar la seqüència.

Seqüenciació Massiva per Nanoporus

1. Una molècula de DNA bicatenari s'apropa a un nanoporus.
2. Una helicasa separa les cadenes.
3. Els nucleòtids passen a través del nanoporus, obstruint-lo momentàniament.
4. Es detecta una diferenciació en el corrent iònic que permet reconèixer cada nucleòtid.

Seqüenciació de Genomes

El procés implica:

1. Obtenció de moltes còpies de DNA i fragmentació.
2. Clonació i seqüenciació dels fragments.
3. Superposició dels fragments mitjançant eines informàtiques per reconstruir la seqüència completa de tots els cromosomes (per exemple, el genoma humà).

Anàlisi de l'Expressió Gènica

Per determinar quins gens s'expressen en un moment o teixit determinat, es realitza la síntesi de cDNA i la seva posterior seqüenciació.

Clonació i Cèl·lules Mare

Clonació Reproductiva

Exemples inclouen la clonació en plantes i la clonació reproductiva en animals (com la transferència nuclear que va donar lloc a l'ovella Dolly).

Cèl·lules Mare

Les cèl·lules mare pluripotents provenen d'un embrió jove o blastocist. Mitjançant la transferència nuclear, una cèl·lula somàtica s'introdueix en un òvul enucleat, donant lloc a un embrió que es desenvolupa fins a la fase de blastocist. Aquestes cèl·lules poden generar cèl·lules per reparar teixits danyats.

Tipus de Cèl·lules Mare

• Cèl·lules Mare Embrionàries: Poden generar tot tipus de cèl·lules.
• Totipotents: Generen tots els tipus cel·lulars, incloent els teixits extraembrionaris (com la placenta).
• Pluripotents: Formen qualsevol cèl·lula del cos, però no la placenta.
• Multipotents: Es diferencien només en cèl·lules d'un mateix teixit.

Reprogramació Cel·lular

La reprogramació és el procés de revertir una cèl·lula al seu estat pluripotent (cèl·lules mare pluripotents induïdes, iPSCs).

Sistema CRISPR-Cas

El sistema CRISPR-Cas permet inactivar o modificar un gen de manera precisa.

Mecanisme d'Acció (en bacteris)

1. Primera infecció: Endonucleases tallen el DNA víric i el converteixen en un espaiador (seqüència CRISPR).
2. Segona infecció: El bacteri sintetitza RNA CRISPR que, juntament amb les proteïnes Cas, forma un complex.
3. El complex es dirigeix al DNA víric, reconeix la regió PAM i talla el DNA víric, neutralitzant la infecció.

Edició de Gens amb CRISPR-Cas (en enginyeria genètica)

Es sintetitzen complexos CRISPR-Cas que s'introdueixen en les cèl·lules mitjançant un virus o nanoporus. Aquests complexos es fixen al DNA diana i produeixen un tall.

Sistemes de Reparació del DNA després del tall

• NHEJ (Unió d'Extrems No Homòlegs): La cèl·lula repara el tall unint els extrems directament, sovint afegint o eliminant nucleòtids, la qual cosa pot alterar la seqüència de bases i inactivar el gen.
• HDR (Reparació Dirigida per Homologia): S'introdueix un fragment de DNA amb una seqüència idèntica a la regió del tall, però amb una modificació al centre. Això permet introduir nova informació genètica de manera precisa.

Aplicacions de la Biotecnologia i l'Enginyeria Genètica

• Salut:
  • Teràpia gènica (ús de virus per corregir gens defectuosos).
  • Estudis de SNPs (polimorfismes de nucleòtid simple) per a la predisposició a malalties.
  • Edició genètica amb CRISPR (per eliminar gens defectuosos).
  • PCR (per amplificar gens relacionats amb malalties).
  • Producció de fàrmacs i vacunes mitjançant enginyeria genètica.
• Ciència Forense: Anàlisi de DNA en escenes del crim per identificar sospitosos.
• Medi Ambient: Bioremediació amb bacteris per eliminar contaminants.
• Antropologia: Estudi de l'ADN antic per analitzar l'evolució humana.
• Agricultura i Ramaderia: Desenvolupament d'organismes transgènics i plantes modificades genèticament per millorar la resistència i les propietats.