Xenética, Diagnóstico e Biotecnoloxía: Guía Completa de Conceptos e Aplicacións

Prevención e diagnóstico de trastornos xenéticos

Actualmente, coñécense máis de 7000 trastornos xenéticos, que no seu conxunto afectan un 10% de nenos. A prevención destes trastornos pode ser primaria ou secundaria.

Prevención primaria

Lévase a cabo antes da concepción, da unión do óvulo e do espermatozoide. A través do consello xenético, proporciónase información sobre o risco de que un individuo determinado ou os seus descendentes se vexan afectados por unha enfermidade xenética e se analiza se existe algunha forma de previla. Realízase mediante a elaboración dunha coidadosa historia clínica e dunha árbore xenealóxica. Está indicado naquelas parellas nas que algún dos pais posúe antecedentes de enfermidades hereditarias familiares. Nas decisións que tomen os interesados non só interveñen os aspectos médicos, senón que inflúen de maneira importante os aspectos culturais, emocionais, familiares, económicos, legais, sociais e relixiosos.

Prevención secundaria

Realízase despois da fecundación. Pode ser de dous tipos:

• Diagnóstico prenatal: Realízase ao feto, dentro do útero e antes do nacemento. É unha serie de técnicas especiais que permiten determinar a existencia de certas anomalías no feto. Se se empregan técnicas de fertilización in vitro pódese realizar un diagnóstico xenético preimplantacional, consistente en analizar as células do embrión en desenvolvemento antes de implantalas no útero materno para comprobar a existencia ou non dun xene alterado ou anomalías estruturais cromosómicas. Se non se detectan alteracións xenéticas, o embrión implántase; no caso contrario, pode rexeitarse.
• Diagnóstico posnatal: Realízase despois do nacemento, normalmente nos primeiros días de vida, mediante análises de urina e de sangue. Destaca a proba do talón, na que se extrae sangue do acabado de nacer para detectar posibles trastornos metabólicos relacionados coa deficiencia ou falta dun encima.

Unha vez realizado o diagnóstico pre ou posnatal, existen medidas que melloran a calidade de vida dos pacientes afectados dun trastorno xenético. Moitos son tratables con medidas paliativas, e é posible realizar terapia xénica para intentar curar algunhas afeccións xenéticas, substituíndo xenes defectuosos por xenes normais de forma permanente.

Técnicas de diagnóstico prenatal

Serven para comprobar que o feto se está desenvolvendo e formando adecuadamente, sen ningún defecto conxénito, ningunha anomalía morfolóxica, estrutural, funcional ou molecular que se presente ao nacer. Permiten diagnosticar factores de risco para a nai que impliquen un maior control ao longo do embarazo. Divídense en dous grupos:

• Non invasivas: Inclúen analíticas, historia clínica dos pais e as ecografías. A ecografía fetal é un método inocuo para o bebé; créase unha imaxe do feto no útero materno. Identifícanse e míndense varias partes do feto. Emprégase para o diagnóstico de síndromes conxénitas que manifesten alteracións estruturais.
• Invasivas: Empréganse para confirmar e completar o diagnóstico de bastantes anomalías fetais relacionadas con alteracións cromosómicas. Só se realizan nos casos estritamente necesarios, xa que implican certo risco de perda do embarazo.
  • Punción do cordón umbilical ou cordocentese: Analízase o sangue obtido do cordón umbilical que une a nai co feto a partir dunha extracción cunha agulla oca. A análise do material proporciona información acerca dos cromosomas do feto, das enfermidades asociadas e das anomalías cromosómicas. Realízase a partir da semana 19 de xestación, cando se sospeita que o feto presenta algún tipo de malformación.
  • Biopsia de pilosidades coriais: Recóllense células fetais das pilosidades coriais, estruturas uterinas que forman parte da placenta. Emprégase ecografía para axudar a guiar a agulla cara ao lugar de onde se quere extraer a mostra. Realízase entre as semanas 8 e 12 de xestación por vía vaxinal ou a través da parede abdominal.
  • Amniocentese: Técnica na que se introduce, baixo control ecográfico, unha agulla aspiradora a través da cavidade abdominal da nai ata o útero, para recoller líquido amniótico que contén células do feto. As células cultívanse e posteriormente realízanse cariotipos fetais, para detectar trastornos. Realízase entre as semanas 14 e 18 de xestación.

O ADN e os ácidos nucleicos

O ADN ou ácido desoxirribonucleico é a molécula que almacena a información xenética da célula e do individuo. Pode duplicarse, transmitindo a información de xeración en xeración, e determina as proteínas que se sintetizan en cada momento. Segundo o tipo de organización celular, o ADN pode atoparse en distintos lugares e presentar distintas características:

• Nas eucariotas, no núcleo, dúas cadeas lineais asociadas a proteínas, formando a cromatina que, ao condensarse, orixina os cromosomas. Hai ADN de dobre cadea, pero circular, nas mitocondrias e nos cloroplastos.
• Nas procariotas, o cromosoma bacteriano é xeralmente unha dobre cadea circular que non está delimitada por ningunha membrana. Moitas bacterias teñen cromosomas adicionais chamados plásmidos.
• Nos virus, o ADN é unha molécula simple ou dobre, lineal ou circular, que adoita atoparse encerrada nunha cuberta proteica.

Composición química do ADN

O ADN é un tipo de ácido nucleico. Desde o punto de vista químico, os ácidos nucleicos son grandes moléculas constituídas por longas cadeas de nucleótidos enlazados entre si.

• Ácido fosfórico: Composto por fósforo e osíxeno.
• Pentosa: Glícido monosacárido de cinco átomos de carbono chamado desoxirribosa.
• Base nitroxenada: Composto cíclico de carácter básico que contén na súa composición átomos de nitróxeno.
• Bases: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C).

Os nucleótidos únense entre si mediante un enlace covalente denominado enlace fosfodiéster. Prodúcese entre o grupo fosfato dun nucleótido e a pentosa do seguinte. En cada polinucleótido o grupo fosfato e a pentosa son sempre os mesmos e diferéncianse na secuencia de bases nitroxenadas. Na orde de colocación destes nucleótidos, denominada secuencia, reside a información para o mantemento e o desenvolvemento da vida.

Estrutura do ADN

O ADN presenta unha estrutura común en todas as células, aínda que é distinta nalgúns virus. Foi establecida en 1953 por Francis Crick e James Watson, baseándose nas achegas de Maurice Wilkins e Rosalind Franklin.

• As bases nitroxenadas atópanse no interior, e as pentosas e o ácido fosfórico forman o esqueleto externo.
• Cada molécula de ADN está formada por dúas cadeas de polinucleótidos enroladas ao longo dun eixe imaxinario, formando unha dobre hélice. Son antiparalelas, é dicir, dispóñense de forma paralela e en sentidos opostos.
• As bases son complementarias; a adenina sempre se emparella coa timina, e a guanina coa citosina.
• As cadeas mantéñense unidas mediante pontes de hidróxeno que se establecen entre as bases nitroxenadas enfrontadas de ambas as cadeas.

O ARN

O ARN ou ácido ribonucleico é outro tipo de ácido nucleico que se atopa en todos os seres vivos. Ten como pentosa sempre a ribosa, e como bases nitroxenadas, adenina, guanina, citosina e uracilo. Está formado por unha soa cadea de polinucleótidos. Non presenta unha estrutura definida como o ADN. Nas eucariotas atópase no núcleo e no citoplasma. Hai diversos tipos de ARN, que se diferencian polo seu tamaño e función:

• ARN ribosómico ou ARNr: Forma parte dos ribosomas. É o máis abundante.
• ARN mensaxeiro ou ARNm: Transporta a información do ADN nuclear aos ribosomas, para que se fabriquen as proteínas.
• ARN transferente ou ARNt: Únese a aminoácidos específicos que transporta ata os ribosomas, onde se fabrican as proteínas. É o máis pequeno de todos.

Como se expresa a información xenética

A información xenética é unha mensaxe cifrada. Un xene non sintetiza directamente unha cadea de proteínas; a información que contén o ADN ten que ser descodificada. A molécula intermediaria é o ARN mensaxeiro. Esta descodificación realízase en dúas partes: a transcrición e a tradución.

• Transcrición: Formación dunha molécula de ARN mensaxeiro cuxa secuencia de bases nitroxenadas é complementaria a unha das febras da dobre hélice de ADN. A cadea de ARN mensaxeiro sintetízase seguindo as regras de complementariedade de bases. A base complementaria da adenina (A) é o uracilo (U), en lugar da timina (T).
• Tradución: Formación dunha proteína cunha secuencia de aminoácidos determinada pola secuencia de bases nitroxenadas do ARNm. Nas células eucariotas, o ARNm fabricado sae do núcleo a través dos poros da envoltura nuclear e chega ao citoplasma, onde se une aos ribosomas. Os ribosomas «len» a mensaxe xenética en grupos de tres nucleótidos, denominados codóns. Ao ir avanzando o ribosoma sobre o ARNm, irá traducindo cada codón á linguaxe das proteínas. Para isto cómpre a participación do ARNt, que selecciona un aminoácido específico para cada codón. A secuencia de bases do ARNm establece a orde en que se van engadindo os aminoácidos na cadea que formará a proteína. Os aminoácidos que transportan os ARNt irán uníndose mediante enlaces peptídicos, e orixinarase unha molécula de proteína que desenvolverá a súa función específica.

O código xenético

O código xenético é a relación entre a secuencia de nucleótidos no ARN mensaxeiro e a secuencia de aminoácidos da proteína. Determina o aminoácido que lle corresponde a cada tres nucleótidos do ARN mensaxeiro ou codón. As principais características do código xenético son:

• Existen 64 codóns posibles, máis ca aminoácidos. Un mesmo aminoácido pode estar codificado por máis dun codón.
• Algúns codóns non codifican para ningún aminoácido.
• O codón AUG actúa como un sinal de inicio para que comece a tradución, e codifica para o aminoácido metionina.
• É universal: o mesmo triplete de bases nitroxenadas codifica para o mesmo aminoácido en case todos os seres vivos coñecidos.

Técnicas de enxeñaría xenética

Para manipular o ADN nun laboratorio necesítanse diversas ferramentas. Entre elas destacan:

• Encimas de restrición: Proteínas capaces de cortar o ADN en puntos específicos. Permiten illar un xene determinado. A maioría das utilizadas proveñen de bacterias e diferéncianse en que efectúan o corte en distintos lugares.
• ADN ligases: Encimas que permiten unir fragmentos de ADN de diferente procedencia, orixinando así un ADN híbrido.
• Vectores de transferencia: Moléculas de ADN que poden reproducirse autonomamente e que serven para transportar xenes. Exemplos son os plásmidos bacterianos e o material xenético de certos virus.

Entre as técnicas utilizadas, destacan a obtención de ADN recombinante e a reacción en cadea da polimerase.

Tecnoloxía do ADN recombinante

Consta de varias etapas:

1. Identifícase e localízase o xene desexado. O ADN doador é sometido a encimas de restrición, que cortan os extremos do fragmento de ADN que nos interesa.
2. Cos mesmos encimas córtase o plásmido utilizado como vector.
3. O fragmento de ADN obtido cos encimas de restrición únese ao vector coa axuda dos encimas ADN ligases. Obtense así un fragmento de ADN híbrido ou recombinante.
4. A molécula de ADN recombinante transfírese a unha célula hóspede.
5. A molécula de ADN recombinada duplícase na célula hóspede. Cando esta se divide, as células fillas portan o ADN recombinado. Créase así un clon de células que contén o xene procedente doutra célula.

Reacción en cadea da polimerase (PCR)

Esta técnica permite xerar moitas copias de ADN idénticas a partir dun fragmento de ADN. Foi desenvolvida en 1986 por Kary Mullis e permite clonar fragmentos de ADN sen necesidade de células, directamente nun tubo de ensaio. Actualmente a PCR é un proceso totalmente automatizado. Para esta reacción precísanse:

• o encima ADN polimerase, resistente á calor;
• un pequeno fragmento de ARN duns 20 nucleótidos denominado cebador, necesario para que poida actuar o encima;
• unha fonte de calor;
• e nucleótidos para formar as novas febras de ADN.

1. A molécula de ADN que se vai copiar quéntase por riba dos 90 °C para que se desnaturalice, é dicir, para que se separen as dúas cadeas da dobre hélice, co que rompen as pontes de hidróxeno que mantiñan unidas as bases nitroxenadas. Cada cadea servirá de molde para sintetizar unha nova cadea complementaria.
2. Grazas ao cebador, cada unha das dúas cadeas é copiada polo encima ADN polimerase, co que se sintetiza ADN. Diminúese a temperatura para permitir que hibriden as dúas cadeas.
3. As cadeas acabadas de formar son novamente separadas pola calor, co que comeza un novo ciclo. Cada ciclo dura uns cinco minutos. Tras uns 20 ciclos, e en poucas horas, pódese obter un millón de copias do fragmento inicial.

Unha vez obtidas as copias de ADN mediante esta técnica, o fragmento de ADN pode unirse a calquera vector e introducilo nunha célula para que se exprese. Debido á súa capacidade de copiar cantidades pequenas de ADN, aínda que estea deteriorado, a técnica ten moitas outras utilidades, entre as que destacan:

• Aplicacións en estudos evolutivos: Analizar ADN que ten moitos anos de antigüidade.
• Identificación de microorganismos: A PCR pode detectar material xenético do microorganismo causante dunha enfermidade.
• Determinación de pegadas xenéticas: Técnica forense que permite identificar unha persoa comparando o seu ADN co dunha mostra obtida.
• Diagnóstico de enfermidades xenéticas: Cada xene en estudo pode ser amplificado para así determinar se un individuo porta algunha mutación que explique a presenza dunha enfermidade ou a súa aparición no futuro, e que poden herdar os seus descendentes.

Aplicacións biotecnolóxicas

A enxeñaría xenética permite orixinar un ADN recombinante que, transferido a unha célula en cultivo, expresará un determinado xene que orixinará unha proteína. Produciu unha explosión da biotecnoloxía, con multitude de aplicacións para os seres humanos e con moitas posibilidades para o futuro.

Aplicacións en medicina

Son as seguintes:

• Obtención de substancias: Moitas enfermidades están causadas pola carencia dunha proteína. Grazas á enxeñaría xenética é posible obter produtos. Tamén é posible producir vacinas.
• Diagnóstico de enfermidades: A tecnoloxía do ADN recombinante fixo posible a localización dos xenes responsables dalgunhas enfermidades. A identificación dos xenes responsables que a provocan permite realizar un diagnóstico precoz, fundamental para evitar a enfermidade.
• Terapia xénica: Esta técnica permite substituír en humanos un xene defectuoso non funcional, causante dunha enfermidade, por un san. Pódense corrixir enfermidades de orixe xenética.

A transferencia de xenes a células pode facerse no laboratorio e despois integralos ao corpo ou directamente ás células do paciente.

Aplicacións no medio ambiente

Son as técnicas destinadas a reducir a contaminación ambiental provocada por diferentes actividades humanas. Destaca a biorremediación, que consiste na utilización de microorganismos recombinantes capaces de degradar compostos contaminantes do solo ou da auga. Tamén destaca a utilización de microorganismos para a produción de enerxía, plásticos biodegradables ou biocombustibles.

Aplicacións na agricultura e na gandaría

Permitiu desde hai algúns anos a manipulación de xenes de especies de interese agrícola e gandeiro e conseguíronse organismos transxénicos ou xeneticamente modificados (OXM). Un transxénico é aquel organismo no que se introduciu un transxene, un xene que nos interesa porque ten unha característica especialmente útil, no ADN doutro organismo, xa sexa da mesma ou de diferente especie. Permite que o transxénico produza algunha proteína útil ou exprese algunha característica de interese. Conseguiuse unha gran variedade de produtos. A pesar das vantaxes que pode achegar un alimento transxénico, expertos e organizacións opóñense á súa comercialización. A principal obxección que se formula é que aínda non se coñecen claramente os efectos da liberación ao medio destes alimentos e sobre a saúde humana. A produción de alimentos transxénicos está sometida a estritos controis, seguindo as recomendacións da Organización Mundial da Saúde, para evitar riscos sanitarios ou ambientais.

A clonación e as células nai

A clonación é unha técnica mediante a cal se producen organismos, células ou moléculas idénticas entre si e idénticas ao orixinal de que proceden. Nos organismos con reprodución asexual, a clonación é un proceso natural e frecuente, e xéranse individuos idénticos. A reprodución sexual xera individuos diferentes e non permite obter individuos idénticos, excepto os xemelgos monocigóticos que, ao provir do mesmo óvulo e do mesmo espermatozoide, son xeneticamente iguais. Existen dous tipos de clonación en animais: a clonación reprodutiva e a terapéutica.

Clonación reprodutiva

A clonación reprodutiva ten como obxectivo conseguir individuos novos idénticos entre si e ao orixinal. A transferencia nuclear somática é un dos métodos máis empregados neste tipo de clonación. Está baseada na utilización de núcleos de células diferenciadas ou embrionarias nun estado temperán do desenvolvemento. O principal interese da clonación reprodutiva céntrase na produción gandeira, xa que permite obter especies cunhas características determinadas. Aplícase tamén na conservación e reprodución de especies que se atopan en perigo de extinción.

O proceso xeral inclúe as seguintes etapas:

1. Obtención de células mamarias da ovella I.
2. Extracción do óvulo da ovella II.
3. Eliminación do núcleo dese óvulo.
4. Inserción do núcleo da célula mamaria no óvulo.
5. Desenvolvemento do embrión.
6. Implantación do embrión no útero da ovella III.
7. Nacemento do clon.

A primeira vez que se obtivo un clon de mamífero a partir de células dun animal utilizando a técnica de transferencia nuclear foi en 1997. Como resultado naceu a ovella Dolly. Desde entón, conseguíronse clonar diferentes animais.

Clonación terapéutica e células nai

Esta técnica consiste en clonar tecidos ou órganos e utilizalos na cura de certas enfermidades ou en transplantes de órganos. Este tipo de clonación necesita obter células nai. As células nai son células non diferenciadas, non teñen unha función específica e que posúen a capacidade de converterse nun ou máis tipos de células diferentes do corpo dun ser vivo. Cando unha célula nai se divide, cada célula nova pode seguir sendo unha célula nai ou converterse noutro tipo de célula cunha función máis especializada. As posibles aplicacións das células nai son numerosas. As células nai poden ser de tres tipos: embrionarias, adultas e pluripotentes inducidas.

• Células embrionarias: Son células pluripotentes, poden xerar todos os tipos celulares do corpo. Obtéñense dun embrión nas primeiras fases do seu desenvolvemento. Proveñen de embrións excedentes de fertilización in vitro. O seu uso nos humanos presenta problemas éticos.
• Células nai adultas: Son células que só poden xerar determinados tipos de células. Atópanse na maioría dos tecidos do corpo. O seu uso non presenta problemas éticos na actualidade.
• Células nai inducidas: Son células que non son células nai, pero pódense reprogramar no laboratorio a células nai embrionarias pluripotentes, podendo formar múltiples tipos celulares. O uso destas células evita a utilización de embrións e os problemas éticos que presenta. Obtéñense de células da pel humana.

Consideracións éticas da clonación

Ademais das dificultades técnicas, a clonación presenta unha serie de inconvenientes ou dilemas éticos. Desde que os científicos obtiveron o primeiro ser clonado, presentouse a posibilidade de crear artificialmente un ser vivo da nosa propia especie. A lei prohibe a clonación reprodutiva en seres humanos. A clonación terapéutica, se ben ten numerosas aplicacións médicas, non está exenta de polémica, xa que para obter células nai se necesita crear embrións que despois serán destruídos. Moitos destes embrións obtéñense de doadores en tratamento de fertilidade. A alternativa é empregar células nai adultas que pódense transformar nunha gran variedade de tecidos do corpo humano e comezaron a ofrecer resultados terapéuticos positivos.