Fundamentos de Genética Molecular: Estructura, Alelos y Regulación Génica

Conceptos Fundamentales de la Genética

Un gen es una porción de ácido desoxirribonucleico (ADN) que codifica para una proteína o ARN. Un alelo es cada versión diferente de un gen para una misma proteína. La palabra alelo es una abreviación de alelomorfo. La posición en el cromosoma de un gen se llama locus.

El conjunto de genes de un individuo se conoce como genoma y determina el genotipo o secuencia de ADN del genoma. El fenotipo está representado por las características y rasgos visibles y medibles del ser vivo. El material genético de un organismo constituye su genoma. Se trata de un conjunto único y completo de información genética. Prácticamente todas las células de un organismo multicelular contienen el mismo material genético.

Los genes son las unidades funcionales de la herencia. Un gen se define como un segmento de la secuencia de ADN correspondiente a una proteína, a un conjunto de variantes de proteínas o a moléculas de ARN estructural que no producen proteínas. El ADN contiene también otros segmentos o secuencias con función puramente reguladora. Las secuencias reguladoras actúan como señales que permiten identificar el principio y el final de los genes, influir en su transcripción o funcionar como puntos de inicio de la replicación o la recombinación. Los genes determinan las características físicas y bioquímicas que tendrá un individuo. Se manifiestan a través de los rasgos físicos visibles (fenotipo), como el color de la piel o de los ojos, además del funcionamiento del organismo.

Estructura de los Genes

La organización de los genes en el ADN eucariótico es mucho más compleja que en el caso de los procariotas. La mayor parte de los genes eucarióticos tienen una estructura característica:

• Sus secuencias de nucleótidos contienen uno o más segmentos intercalados de ADN que no codifican la secuencia de aminoácidos del producto polipeptídico.
• Estas inserciones interrumpen la relación co-lineal entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos del polipéptido.
• Estos segmentos de ADN no traducido se denominan secuencias intercaladas o intrones, y los segmentos codificantes se denominan exones.

Comparativa entre Gen y Alelo

Organización del Material Genético

Genoma Bacteriano (Procariota)

La mayor parte de los genomas procariotas están compuestos por una sola molécula de ADN circular, aunque en algunas especies se han hallado moléculas de ADN lineales. El ADN bacteriano no está unido a proteínas histonas como en el caso del ADN eucariota, pero sí forma complejos con gran cantidad de proteínas no histonas, que ayudan a mantener su estado compacto.

Muchos genes que se encuentran adyacentes en el genoma de procariotas se expresan como una unidad y están funcionalmente relacionados. Constituyen lo que se conoce como operón. Los más conocidos y estudiados son el operón de la lactosa y el del triptófano. La bacteria Escherichia coli puede utilizar la lactosa como única fuente de carbono gracias a la enzima $\beta$-galactosidasa, que hidroliza la lactosa a galactosa y glucosa. En ausencia de lactosa, un represor evita la transcripción de estos tres genes, mientras que, en presencia de un inductor, el sistema se desreprime y los genes de estas tres enzimas se transcriben y traducen para que la célula pueda emplear la lactosa del medio.

Genoma Viral

La naturaleza del material genético de los virus es extraordinariamente flexible. Presentan los cuatro tipos posibles de ácidos nucleicos:

• ADN monocatenario ($\text{ssDNA}$)
• ADN bicatenario ($\text{dsDNA}$)
• ARN monocatenario ($\text{ssRNA}$)
• ARN bicatenario ($\text{dsRNA}$)

Los cuatro tipos se encuentran en los virus de animales. Los virus de plantas suelen tener genomas de ARN monocatenario y los virus bacterianos suelen contener ADN bicatenario, aunque también pueden tener ADN monocatenario o ARN monocatenario.

Genoma Eucariota

El ADN de las células eucariotas contiene diversos tipos de secuencias ausentes en el ADN de las células procariotas. Está compuesto por al menos tres tipos de secuencias:

• Secuencias de ADN únicas: compuestas por grupos de nucleótidos que solo se repiten una vez o, como máximo, unas pocas veces en el genoma.
• Secuencias de ADN moderadamente repetitivas: están compuestas por secuencias de entre 150 y 300 pb, repetidas varios miles de veces. Este se caracteriza por tener 2 tipos de secuencias:
  • Las secuencias repetidas en tándem aparecen una después de otra y tienden a agruparse en unos pocos sitios del cromosoma.
  • Las secuencias repetidas y dispersas están diseminadas por todo el genoma.
• Secuencias de ADN altamente repetitivas: con frecuencia estas secuencias tienen menos de 10 pb, están repetidas de cientos de miles a millones de veces en tándem y se encuentran agrupadas en regiones específicas del cromosoma, sobre todo en los centrómeros y en los telómeros.

Aunque la mayor parte del ADN en casi todos los eucariotas se encuentra en el núcleo, las mitocondrias de animales, plantas y hongos, y los cloroplastos de las plantas, contienen ADN.

Componentes de los Genes Eucariotas

Los genes son los elementos que contienen la información que determina las características de las especies. También controlan el desarrollo y las funciones de las células. Los genes en las células eucariotas presentan:

• Región promotora: secuencia de ADN que precede la secuencia que codifica para una proteína. Es la región que controla la transcripción del gen.
• Región codificadora: Secuencia de ADN transcripta en ARNm para luego ser traducida en una secuencia de aminoácidos. Dentro de esta estarían:
  • Exones: secuencias de ADN que se presentan en el ARN mensajero definitivo.
  • Intrones: secuencias intermedias que se eliminan en el ARN mensajero.

Tipos de Genes Eucariotas

Los tipos de genes que podemos encontrar son:

• Genes estructurales: como el gen ACTB que codifica la proteína actina, importante en el citoesqueleto de la célula.
• Genes reguladores: codifican para proteínas que regulan la transcripción de otros genes.
• Genes especializados: genes que solo se expresan en determinadas células; por ejemplo, el gen de la globina en los precursores de los glóbulos rojos.
• Genes de mantenimiento o constitutivos (del inglés housekeeping genes): son genes cuya transcripción es constante en la célula y que cumplen las funciones básicas de la misma.
• Pseudogenes: son genes no funcionales, resultado de la acumulación de mutaciones.

Los Cromosomas

Los cromosomas son estructuras filiformes que se encuentran en el interior del núcleo, compuestos de ADN y proteínas. Las células eucariotas de cada especie de un ser vivo poseen un número de cromosomas fijo y constante característico. Los cromosomas pueden identificarse por su número, tamaño, posición del centrómero y patrón de bandas. El cariotipo es el número y apariencia de los cromosomas humanos. En los organismos donde existe la reproducción sexual, las células sexuales o gametos poseen solo un conjunto de los cromosomas de la especie, es decir, son haploides. La principal función de los cromosomas es el empaquetamiento del ADN dentro del núcleo.

Estructura Cromosómica

Los cromosomas son visibles al microscopio y su estructura es:

• Un estrechamiento que se llama centrómero.
• Extremos finales que se conocen como telómeros.
• Dos brazos: uno pequeño o brazo p (por el francés petit) y uno largo o brazo q.

Clasificación de Cromosomas

Los cromosomas se clasifican según su función y la posición del centrómero:

Clasificación Funcional

• Cromosomas somáticos (autosomas): son aquellos cromosomas idénticos entre los individuos de una especie, independientemente de su sexo. En los humanos existen 22 pares de cromosomas somáticos, también llamados cromosomas homólogos.
• Cromosomas sexuales: son un par de cromosomas que determinan el sexo del individuo. En los seres humanos, un par de cromosomas X (XX) determina que el individuo es del sexo femenino, mientras que un cromosoma X y un cromosoma Y (XY) determina que el individuo es del sexo masculino.

Clasificación por Posición del Centrómero

• Cromosomas metacéntricos: el centrómero está en la mitad del cromosoma.
• Cromosomas submetacéntricos: el centrómero está localizado en uno de los extremos.
• Cromosomas acrocéntricos: el centrómero está muy cerca del extremo final, lo que produce un brazo p muy pequeño.
• Cromosomas telocéntricos: el centrómero está exactamente en el extremo.

Tabla Comparativa: Gen vs. Cromosoma

Mecanismos de Control de la Expresión Génica

Regulación de la Expresión Génica en Procariotas

Los genes que responden a mecanismos de regulación son llamados inducibles. Los genes cuya expresión no está regulada se denominan constitutivos. Una gran parte de los genes estudiados en procariontes forman agrupamientos, en donde cada uno de los genes codifica proteínas funcionalmente relacionadas, y en muchos casos, la transcripción de estos genes da como resultado una sola molécula de ARNm. A este grupo de genes con funciones relacionadas y transcritos como una unidad, se denomina operón. Normalmente las proteínas codificadas por los genes de un operón son enzimas que intervienen en la misma vía metabólica. Los ARNm que se sintetizan a partir de un operón se denominan policistrónico o poligénico. Por tanto, el resultado es que una molécula de ARN mensajero es portadora de la información de varios genes. Cada uno de estos genes codifica una proteína, y el conjunto de proteínas resultante tienen una función metabólica común.

Pero no todos los genes que son controlados como una unidad están agrupados en operones; los genes que presentan esta organización dispersa constituyen una unidad funcional que recibe el nombre de regulón. La expresión de los genes en organismos procariontes está regulada a nivel de síntesis o transcripción de ARNm, aunque existen diferentes mecanismos de control. Además, todas las formas de regulación no tienen por qué estar presentes en la totalidad de los genes. Se conocen los siguientes mecanismos de regulación génica a nivel transcripcional: represión, inducción, activación, represión catabólica, terminación, antiterminación y atenuación. También existe regulación de la expresión a nivel de traducción.

Regulación a Nivel Transcripcional

Regulación a nivel transcripcional: El promotor es una secuencia de ADN que precede a los genes, y es el lugar donde se une la enzima ARN polimerasa para iniciar el proceso de transcripción. Además del promotor, existen en su vecindad sitios donde otro tipo de moléculas regulatorias pueden interaccionar con el ADN para modular el inicio de la transcripción. Para modular la actividad de un promotor, la célula suele utilizar dos estrategias generales: la represión y la activación, donde la actividad del promotor (principalmente su unión a la ARN polimerasa), es modulada por la unión de proteínas específicas a regiones cercanas al promotor. Estas proteínas moduladoras están, a su vez, codificadas por genes reguladores y se denominan factores de transcripción.

• La represión: la proteína moduladora, represor, se une a la región regulatoria, llamada operador, que es normalmente una región del ADN que incluye parte del promotor. El efecto producido es el bloqueo de la transcripción del gen, debido a que se impide que la ARN polimerasa se una al promotor.
• La inducción: es el efecto contrario a la represión de la transcripción. Este proceso es mediado por otras moléculas pequeñas, los inductores, que a su vez se unen al represor disminuyendo su afinidad por el operador. De esta forma, la célula puede volver a iniciar la expresión de uno o varios genes.

Regulación a Nivel de Traducción

Regulación a nivel de traducción: La existencia de concentraciones diferentes de proteínas codificadas por un mismo operón explicaría la regulación a nivel de traducción del ARN mensajero. La iniciación de la traducción del ARNm depende de la existencia de un grupo de nucleótidos en el ARNm localizados en la región anterior al codón de iniciación. Esta secuencia se denomina sitio de unión ribosomal. En este punto las bases del ARN ribosomal y del ARNm se asocian, iniciándose así la traducción del mensajero. Existen proteínas que modulan la unión del ARN mensajero al ribosoma y por ello puede darse el efecto de una traducción diferencial.

Regulación de la Expresión Génica en Eucariotas

Entre las células de organismos unicelulares y pluricelulares hay una diferencia importante: la heterogeneidad tanto morfológica como funcional de las células en organismos pluricelulares. En la comprensión de estas redes de control de la expresión génica a nivel celular, podemos resumir los puntos clave:

• Accesibilidad de la cromatina. La estructura de la cromatina (ADN y sus proteínas de organización) puede regularse. La cromatina más abierta o “relajada” hace a un gen más disponible para la transcripción.
• Transcripción. La transcripción es un punto regulador clave para muchos genes. Grupos de proteínas del factor de transcripción se fijan a secuencias específicas del ADN en o cerca de un gen y promueven o reprimen su transcripción en un ARN.
• Procesamiento del ARN. El proceso de corte y empalme, la adición del casquete y la adición de una cola poli-A a una molécula de ARN pueden regularse, así como la salida del núcleo. Se pueden producir diferentes ARNm del mismo pre-ARNm por el proceso de empalme alternativo.
• Estabilidad del ARN. El curso de vida de una molécula de ARNm en el citosol afecta cuántas proteínas pueden hacerse de ella. Pequeños ARN reguladores llamados miARN pueden unirse a ARNm objetivos y hacer que se corten en pedacitos.
• Traducción. La traducción de un ARNm puede aumentarse o inhibirse por los reguladores. Por ejemplo, los miARN a veces bloquean la traducción de sus ARNm objetivos (en lugar de hacer que se corten en pedacitos).
• La actividad de la proteína. Las proteínas pueden someterse a una variedad de modificaciones, tales como ser cortadas o etiquetadas con grupos químicos. Estas modificaciones pueden ser reguladas y pueden afectar la actividad o el comportamiento de la proteína.

Aunque todas las etapas de la expresión génica pueden ser reguladas, el principal punto de control para muchos genes es la transcripción. Fases posteriores de la regulación a menudo refinan los patrones de la expresión del gen que fueron “aproximados” durante la transcripción.

Técnicas para el Estudio de la Expresión Génica

Las técnicas para poder estudiar cuáles son los genes que se expresan en cada momento, en qué lugar se expresan o si hay una deficiente expresión lo que puede estar ligado a un tipo de enfermedad, incluyen métodos de estudio global y específico:

Estudio de la Expresión Global

Técnicas como la Hibridación sustractiva, SAGE, ADNc-AFLP, DDRT-PCR.

Arrays de ADN (Microarreglos)

Arrays de ADN: es un conjunto de sondas moleculares de composición conocida fijadas de manera ordenada sobre un soporte sólido. Estas sondas pueden ser clones de ADN, productos de PCR u oligonucleótidos sintéticos. Es una tecnología basada en la capacidad de hibridación de los ácidos nucleicos y los pasos a seguir para realizarla son los siguientes:

1. Adquirir un soporte.
2. Aislar ARN de células o muestras de tejidos.
3. Convertir el ARN en ADNc.
4. La formación del ADNc será con nucleótidos fluorescentes.
5. Hibridarlo con la matriz (sonda).
6. Detectar y cuantificar la fluorescencia por escáner láser (señal proporcional a la cantidad de transcrito).
7. Analizar los resultados.

Esta técnica permite:

• Analizar gran número de genes al mismo tiempo en un solo experimento.
• Se puede observar el nivel de expresión.
• Permite hacer comparaciones inter e intraespecies.

Desventajas: no es una medida cuantitativa y se debe conocer la secuencia, además del elevado coste. Los resultados que se obtengan deben confirmarse con técnicas complementarias.

Estudio de la Expresión de Genes Específicos

• Northern blot: detección de moléculas de ARN de una secuencia dada dentro de una mezcla compleja. La muestra se somete a electroforesis en gel, se transfiere a una membrana cargada positivamente y se realiza una hibridación con una sonda marcada radioactivamente o químicamente.
• RT-PCR (PCR con transcriptasa inversa): se retrotranscribe una hebra de ARN, este ARNm está formado exclusivamente por exones, en ADNc usando una transcriptasa inversa y el resultado se amplifica con una PCR tradicional.
• Hibridación in situ (ISH): se utiliza para detectar y localizar una secuencia de ADN y ARN específica en células o cromosomas, mediante la formación de una molécula híbrida entre una molécula endógena de ARN o ADN y una sonda complementaria de ARN o ADN monocatenario. Su utilidad radica en el uso de una sonda (ADN previamente conocido) marcada con isótopos radioactivos para demostrar la presencia de una determinada secuencia de ADN o ARN complementaria en la muestra a estudiar. Se visualiza de forma directa la ubicación espacial de la secuencia específica. Si se utilizan fluorescentes se llama FISH.