Genética molecular

La genética molecular es una rama de la biología que estudia cómo las diferencias en la estructura o expresión de las moléculas de ADN se manifiestan como variación entre los organismos. La genética molecular suele aplicar un enfoque de investigación para determinar la estructura y/o función de los genes en el genoma de un organismo mediante análisis genéticos . ^{[ 1 ] [ 2 ]} 

Este campo de estudio se basa en la fusión de varias subdisciplinas de la biología: la herencia mendeliana clásica , la biología celular , la biología molecular , la bioquímica y la biotecnología . Integra estas disciplinas para explorar aspectos como la herencia genética, la regulación y expresión génica, y el mecanismo molecular subyacente a diversos procesos vitales. ^{[ 1 ]}

Un objetivo clave de la genética molecular es identificar y estudiar las mutaciones genéticas. Los investigadores buscan mutaciones en un gen o inducen mutaciones en un gen para vincular una secuencia genética con un fenotipo específico. ^{[ 3 ]} Por lo tanto, la genética molecular es una metodología poderosa para vincular mutaciones con afecciones genéticas que pueden ayudar en la búsqueda de tratamientos para diversas enfermedades genéticas.

El descubrimiento del ADN como plano de la vida y los avances en la investigación de la genética molecular surgieron del trabajo conjunto de muchos científicos. En 1869, el químico Johann Friedrich Miescher , quien investigaba la composición de los glóbulos blancos, descubrió y aisló una nueva molécula, a la que denominó nucleína, del núcleo celular. Este descubrimiento constituiría el primer hallazgo de la molécula de ADN, posteriormente identificada como la base molecular de la vida. Miescher determinó que estaba compuesta de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. ^{[ 4 ]} El bioquímico Albrecht Kossel identificó la nucleína como un ácido nucleico y le dio el nombre de ácido desoxirribonucleico (ADN). Continuó desarrollando este conocimiento aislando los componentes básicos del ADN y el ARN , formados por los nucleótidos : adenina, guanina, timina, citosina y uracilo. Su trabajo sobre los nucleótidos le valió el Premio Nobel de Fisiología. ^{[ 5 ]}

A principios del siglo XIX, Gregor Mendel , conocido como uno de los padres de la genética , realizó importantes contribuciones a este campo mediante diversos experimentos con plantas de guisantes, donde descubrió los principios de la herencia, como los rasgos recesivos y dominantes, sin conocer la composición genética. ^{[ 6 ]} A mediados del siglo XIX, el anatomista Walther Flemming descubrió lo que hoy conocemos como cromosomas y el proceso de separación que experimentan mediante la mitosis. Su trabajo, junto con el de Theodor Boveri, fue el primero en formular la teoría cromosómica de la herencia, que ayudó a explicar algunos de los patrones que Mendel había observado mucho antes. ^{[ 7 ]}

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 esencial para identificar la molécula responsable de la herencia . La genética molecular surgió inicialmente de estudios que involucraban la transformación genética en bacterias . En 1944, Avery, McLeod y McCarthy ^{[ 8 ]} aislaron ADN de una cepa virulenta de S. pneumoniae y, utilizando solo este ADN, lograron convertir una cepa inofensiva en virulenta. Denominaron "transformación" a la captación, incorporación y expresión del ADN por las bacterias. Este hallazgo sugirió que el ADN es el material genético de las bacterias. ^{[ 9 ]} La transformación bacteriana suele ser inducida por condiciones de estrés, y su función parece ser la reparación del daño genómico . ^{[ 9 ]}

En 1950, Erwin Chargaff formuló reglas que ofrecían evidencia de que el ADN era el material genético de la vida. Estas eran: "1) que la composición de bases del ADN varía entre especies y 2) en las moléculas de ADN naturales, la cantidad de adenina (A) es igual a la cantidad de timina (T), y la cantidad de guanina (G) es igual a la cantidad de citosina (C)". ^{[ 10 ]} Estas reglas, conocidas como las reglas de Chargaff, ayudaron a comprender la genética molecular. ^{[ 10 ]} En 1953, Francis Crick y James Watson, basándose en el trabajo de cristalografía de rayos X realizado por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, lograron derivar la estructura de doble hélice tridimensional del ADN. ^{[ 11 ]}

El grupo de fagos fue una red informal de biólogos centrada en Max Delbrück que contribuyó sustancialmente a la genética molecular y a los orígenes de la biología molecular durante el período comprendido entre aproximadamente 1945 y 1970. ^{[ 12 ]} El grupo de fagos tomó su nombre de los bacteriófagos , los virus que infectan bacterias que el grupo utilizó como organismos modelo experimentales. Los estudios de los genetistas moleculares afiliados a este grupo contribuyeron a comprender cómo funcionan las proteínas codificadas por genes en la replicación , reparación y recombinación del ADN , y cómo se ensamblan los virus a partir de componentes de proteínas y ácidos nucleicos (morfogénesis molecular). Además, se dilucidó el papel de los codones de terminación de cadena. Un estudio notable fue realizado por Sydney Brenner y colaboradores utilizando mutantes "ámbar" defectuosos en el gen que codifica la proteína principal de la cabeza del bacteriófago T4. ^{[ 13 ]} Este estudio demostró la colinealidad del gen con su polipéptido codificado, proporcionando así una fuerte evidencia para la "hipótesis de secuencia" de que la secuencia de aminoácidos de una proteína está especificada por la secuencia de nucleótidos del gen que determina la proteína. 

El aislamiento de una endonucleasa de restricción en E. coli por Arber y Linn en 1969 abrió el campo de la ingeniería genética . ^{[ 14 ]}  Las enzimas de restricción se utilizaron para linealizar el ADN para su separación por electroforesis y la transferencia Southern permitió la identificación de segmentos de ADN específicos mediante sondas de hibridación . ^{[ 15 ] [ 16 ]} En 1971, Berg utilizó enzimas de restricción para crear la primera molécula de ADN recombinante y el primer plásmido de ADN recombinante . ^{[ 17 ]}   En 1972, Cohen y Boyer crearon el primer organismo de ADN recombinante insertando plásmidos de ADN recombinante en E. coli , ahora conocido como transformación bacteriana , y allanó el camino para la clonación molecular. ^{[ 18 ]}   El desarrollo de técnicas de secuenciación de ADN a finales 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 cribados genéticos para relacionar secuencias genotípicas con fenotipos. ^{[ 19 ]} 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 podía usarse para la transformación o manipularse mediante la separación en gel de agarosa . ^{[ 20 ]} Una década después, se secuenció el primer genoma completo ( Haemophilus influenzae ), seguido de la secuenciación del genoma humano a través del Proyecto Genoma Humano en 2001. ^{[ 21 ]} La culminación de todos esos descubrimientos fue un nuevo campo llamado genómica que vincula la estructura molecular de un gen con la proteína o el ARN codificado por ese segmento de ADN y la expresión funcional de esa proteína dentro de un organismo. ^{[ 22 ]} Hoy en día, mediante la aplicación de técnicas de genética molecular, la genómica se estudia en muchos organismos modelo y se recopilan datos 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. ^{[ 23 ]}

El dogma central desempeña un papel fundamental en el estudio de la genética molecular. El dogma central establece que el ADN se replica, se transcribe en ARN y el ARN se traduce en proteínas. ^{[ 24 ]} 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 del ADN al ARNm ocurren en el núcleo , mientras que la traducción del ARN a proteínas ocurre en el ribosoma . ^{[ 25 ]} El código genético está compuesto por cuatro partes intercambiables de las moléculas de ADN, llamadas "bases": adenina, citosina, timina (uracilo en el ARN) 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. ^{[ 26 ]} La proteómica y la genómica son campos de la biología que surgen del estudio de la genética molecular y el dogma central. ^{[ 27 ]}

El genoma de un organismo está formado por todo su conjunto de ADN y es responsable de sus rasgos genéticos, su función y su desarrollo. La composición del ADN en sí misma es un componente esencial en el campo de la genética molecular; es la base de cómo el ADN puede almacenar información genética, transmitirla y estar en un formato que pueda ser leído y traducido. ^{[ 28 ]}

El ADN es una molécula de doble cadena, con cada cadena orientada de forma antiparalela. Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN, cada uno compuesto por una molécula de azúcar, un grupo fosfato y una de las cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina. Una sola cadena de ADN se mantiene unida por enlaces covalentes, mientras que las dos cadenas antiparalelas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases nucleotídicas. La adenina se une a la timina y la citosina a la guanina. Son estas cuatro secuencias de bases las que forman el código genético de toda la vida biológica y contienen la información para todas las proteínas que el organismo podrá sintetizar. ^{[ 29 ]}

Su estructura única permite que el ADN almacene y transmita información biológica a través de las generaciones durante la división celular . En la división celular, las células deben poder copiar su genoma y transmitirlo a las células hijas. Esto es posible gracias a la estructura de doble cadena del ADN, ya que una cadena es complementaria a su cadena compañera y, por lo tanto, cada una de estas cadenas puede actuar como plantilla para la formación de una nueva cadena complementaria. Por esta razón, el proceso de replicación del ADN se conoce como un proceso semiconservativo. ^{[ 30 ]}

La genética directa es una técnica de genética molecular que se utiliza para identificar genes o mutaciones genéticas que producen un fenotipo determinado . En un cribado genético , se generan mutaciones aleatorias con mutágenos (sustancias químicas o radiación) o transposones , y se seleccionan individuos para el fenotipo específico. A menudo, tras la mutagénesis , se realiza un ensayo secundario en forma de selección cuando el fenotipo deseado es difícil de observar, por ejemplo, en bacterias o cultivos celulares. Las células pueden transformarse utilizando un gen de resistencia a antibióticos o un marcador fluorescente , de modo que los mutantes con el fenotipo deseado se seleccionan de entre los no mutantes. ^{[ 31 ]}

Se aíslan los mutantes que exhiben el fenotipo de interés y se puede realizar una prueba de complementación para determinar si el fenotipo resulta de más de un gen. Los genes mutantes se caracterizan como dominantes (resultando en una ganancia de función), recesivos (mostrando 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 . ^{[ 32 ]} La genética directa es un enfoque imparcial y a menudo conduce a muchos descubrimientos inesperados, pero puede ser costosa y requerir mucho tiempo. Organismos modelo como el nematodo Caenorhabditis elegans , la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y el pez cebra Danio rerio se han utilizado con éxito para estudiar fenotipos resultantes de mutaciones genéticas. ^{[ 33 ]}

La genética inversa es el término que se utiliza para las técnicas de genética molecular empleadas 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. Pueden ser mutaciones de sentido erróneo causadas por la sustitución de nucleótidos, la adición o eliminación de un nucleótido para inducir una mutación de cambio de marco de lectura , o la adición/eliminación completa de un gen o segmento génico. La eliminación de un gen en particular crea un gen knockout, donde el gen no se expresa y se produce una pérdida de función (por ejemplo, ratones knockout ). Las mutaciones de sentido erróneo pueden causar una pérdida total de función o una pérdida parcial, conocida como knockdown. El knockdown también puede lograrse mediante interferencia de ARN (ARNi). ^{[ 35 ]} Alternativamente, se pueden sustituir genes en el genoma de un organismo (también conocido como transgén ) para crear un gen knock-in y producir una ganancia de función en el huésped. ^{[ 36 ]} Aunque estas técnicas tienen cierto sesgo inherente con respecto a la decisión de vincular un fenotipo a una función particular, son mucho más rápidas en términos de producción que la genética directa porque el gen de interés ya se conoce.

La genética molecular es un enfoque científico que utiliza los fundamentos de la genética como herramienta para comprender mejor las bases moleculares de las enfermedades y los procesos biológicos en los organismos. A continuación, se presentan algunas herramientas que los investigadores emplean habitualmente en este campo.

Los microsatélites o repeticiones de secuencia única (SSRS) son segmentos cortos y repetitivos de ADN compuestos por 6 nucleótidos en una ubicación específica del genoma que se utilizan como marcadores genéticos. Los investigadores pueden analizar estos microsatélites mediante técnicas como la huella genética y las pruebas de paternidad, ya que estas repeticiones son altamente únicas para cada individuo o familia. También se pueden utilizar para construir mapas genéticos y estudiar el ligamiento genético, con el fin de localizar el gen o la mutación responsable de un rasgo o enfermedad específicos. Los microsatélites también se pueden aplicar a la genética de poblaciones para estudiar comparaciones entre grupos. ^{[ 37 ]}

Los estudios de asociación de genoma completo (GWAS) son una técnica que se basa en polimorfismos de un solo nucleótido ( SNP ) para estudiar variaciones genéticas en poblaciones que pueden estar asociadas con una enfermedad en particular. El Proyecto Genoma Humano mapeó todo el genoma humano y ha hecho que este enfoque sea más accesible y rentable para los investigadores. Para realizar un GWAS, los investigadores utilizan dos grupos: uno que padece la enfermedad que se está estudiando y otro que actúa como control, sin dicha enfermedad. Se obtienen muestras de ADN de los participantes y su genoma se puede derivar mediante maquinaria de laboratorio y analizar rápidamente para comparar a los participantes y buscar SNP que potencialmente puedan estar asociados con la enfermedad. Esta técnica permite a los investigadores identificar genes y ubicaciones de interés en el genoma humano que luego pueden estudiar para identificar la causa de la enfermedad. ^{[ 38 ]}

El cariotipado permite a los investigadores analizar los cromosomas durante la metafase de la mitosis, cuando se encuentran en estado condensado. Los cromosomas se tiñen y se visualizan mediante un microscopio para detectar cualquier anomalía cromosómica. Esta técnica puede utilizarse para detectar trastornos genéticos congénitos como el síndrome de Down , identificar el sexo en embriones y diagnosticar algunos tipos de cáncer causados ​​por mutaciones cromosómicas, como las translocaciones. ^{[ 39 ]}

La ingeniería genética es un campo científico emergente, y los investigadores pueden aprovechar la tecnología genética molecular para modificar el ADN de los organismos y crear organismos genéticamente modificados y mejorados con fines industriales, agrícolas y médicos. Esto se puede lograr mediante técnicas de edición del genoma, que pueden implicar la modificación de los pares de bases en una secuencia de ADN, o la adición y eliminación de ciertas regiones del ADN. ^{[ 40 ]}

La edición genética permite a los científicos alterar el ADN de un organismo. Una forma de hacerlo es mediante la técnica CRISPR/Cas9 , adaptada del sistema de defensa inmunitaria del genoma presente de forma natural en las bacterias. Esta técnica se basa en la proteína Cas9, que permite a los científicos realizar un corte en las cadenas de ADN en una ubicación específica, utilizando una secuencia guía de ARN especializada para asegurar que el corte se realice en el lugar correcto del genoma. Posteriormente, los científicos utilizan las vías de reparación del ADN para inducir cambios en el genoma; esta técnica tiene amplias implicaciones para el tratamiento de enfermedades. ^{[ 41 ]}

La genética molecular tiene amplias implicaciones en el avance médico, y comprender la base molecular de una enfermedad permite desarrollar diagnósticos y terapias más eficaces. Uno de los objetivos de este campo es la medicina personalizada , donde la genética de un individuo puede ayudar a determinar la causa y adaptar el tratamiento de una enfermedad, lo que potencialmente permite enfoques terapéuticos más individualizados y efectivos. Por ejemplo, ciertas variaciones genéticas en los individuos podrían hacerlos más receptivos a un fármaco en particular, mientras que otros podrían tener un mayor riesgo de sufrir reacciones adversas a los tratamientos. Por lo tanto, esta información permitiría a investigadores y clínicos tomar decisiones más fundamentadas sobre la eficacia del tratamiento para los pacientes, en lugar del método estándar de ensayo y error. ^{[ 42 ]}

La genética forense desempeña un papel esencial en las investigaciones criminales mediante el uso de diversas técnicas de genética molecular. Una técnica común es la huella genética, que se realiza mediante una combinación de técnicas de genética molecular como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y la electroforesis en gel . La PCR es una técnica que permite amplificar una secuencia de ADN objetivo, lo que significa que incluso una pequeña cantidad de ADN de la escena del crimen puede extraerse y replicarse muchas veces para proporcionar una cantidad suficiente de material para el análisis. La electroforesis en gel permite separar la secuencia de ADN según su tamaño, y el patrón resultante se conoce como huella genética y es único para cada individuo. Esta combinación de técnicas de genética molecular permite extraer, amplificar, analizar y comparar una secuencia de ADN simple con otras, y es una técnica estándar utilizada en la ciencia forense. ^{[ 43 ]}

• Sitios y bases de datos relacionados con la genética, la citogenética y la oncología , en el Atlas de Genética y Citogenética en Oncología y Hematología.
• Jeremy W. Dale y Simon F. Park. 2010. Genética molecular de bacterias, 5.ª edición . ISBN 978-0-470-74184-9

• Contenido multimedia relacionado con la genética molecular en Wikimedia Commons.