Genes y Cromosomas: La base de la herencia y la estructura genética

Genes y Alelos

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 de denominan exones.

Genes y Alelos

Genoma Bacteriano y Viral

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 que 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 β-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. La naturaleza del material genético de los virus es extraordinariamente flexible. Presentan los cuatro tipos posibles de ácidos nucleicos: Ø ADN monocatenario, Ø ADN bicatenario, Ø ARN monocatenario Ø ARN bicatenario. 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 repetitivo: está compuesto 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 repetitivo: 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. 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: Ø Exones:secuencias de ADN que se presentan en el ARN mensajero definitivo. Ø Intrones: secuencias intermedias que se eliminan en el ARN mensajero. 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 sólo 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.

Cromosomas

Los cromosomas son estructuras filiformes que se encuentran en el interior del núcleo, compuesto 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. 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.

Los cromosomas se clasifican en: • Cromosomas somáticos: 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.

Los cromosomas pueden clasificarse según la posición del centrómero en: • 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.

Regulación de la Expresión Génica en Procariotas y Eucariotas

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 procariotas 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.

En eucariotas, la regulación de la expresión génica es mucho más compleja. Se lleva a cabo a través de diferentes mecanismos, como la accesibilidad de la cromatina, la transcripción, el procesamiento del ARN, la estabilidad del ARN, la traducción y la actividad de la proteína. El principal punto de control para muchos genes es la transcripción, pero también existen regulaciones a nivel de traducción y de actividad de la proteína. Estos mecanismos permiten que las células eucariotas puedan regular la expresión de sus genes de manera precisa y coordinada.

Técnicas para el Estudio de la Expresión Génica

Estudio de la expresión global: Hibridación sustractiva, SAGE, ADNc-AFLP, DDRT-PCR, Arrays de ADN.

Estudio de la expresión de genes específicos: Northern blot, RT-PCR, Hibridación in situ (ISH).