Gen

Un gen es una región de ADN y controla una característica hereditaria, que por lo general corresponde a una molécula de una proteína o un ARN. Los genes están vinculados con el desarrollo y la función de la célula ¹² (Alberts et al., 2014; Lewin, 2004).

El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información genética y de herencia, ya que, transmite esa información de padres a hijos. Cada organismo de reproducción sexual cuenta con dos copias de material genético, una proveniente del padre y otra de la madre; esto permite tener dos versiones distintas de un mismo gen. Los genes pueden tener versiones diferentes, con pequeñas variaciones en su secuencia a esto se le denomina alelos. Los alelos pueden ser dominantes o recesivos. Cuando una sola copia de un alelo hace que se manifieste un rasgo o un fenotipo, el alelo se denomina dominante. Cuando son precisas dos copias del alelo, para que se manifieste su efecto, el alelo se denomina recesivo ¹ (Alberts et al., 2014).

Los genes se disponen a lo largo de los cromosomas y ocupan una posición especifica llamada locus. Los genes que no codifican a proteínas pueden producir un ARN funcional, como el ARN de transferencia (ARNt) o el ARN ribosomal (ARNr). Sin embargo, para generar una proteína se requiere generar una molécula de ARNm que posteriormente se traducirá en un organelo llamado ribosoma el cual generará las proteínas. Muchos genes se encuentran constituidos por regiones codificantes llamadas exones y están cercadas por regiones no codificantes llamadas intrones. Estas secuencias pueden ser eliminadas en un proceso llamado “splicing” del ARN. En células bacterianas este procesamiento no ocurre, pues sus genes carecen de intrones. Los nucleótidos presentes en la secuencia del ARNm provenientes del gen determinara la secuencia de aminoácidos de una proteína por medio del código genético ¹ (Alberts et al., 2014; Lewin, 2004).

Código genético

El código genético es el conjunto de reglas por las cuales la información codificada en el material genético se traduce a proteínas. Este código fue descifrado por Nirenberg y Philip Leder en la década de 1960, donde descifraron los codones del código genético estándar. Este proceso de desciframiento ocurre dentro del ribosoma donde se lleva a cabo la traducción, los aminoácidos llevados por moléculas ARN de transferencia (ARNt) se unen en un orden que es especificado por el ARNm. El ARNt lee los ARNm de tres nucleótidos a la vez y coloca un aminoácido para ir formando una proteína (figura 1). En general el código genético es muy similar entre todos los organismos (tabla 1)³ (Nirenberg, 2004).

El código genético define la secuencia de tres de nucleótidos (codón), que especificará el aminoácido que se irá añadiendo durante la síntesis de proteínas. Cada aminoácido está codificado por uno o varios codones. La gran mayoría de los genes están codificados con exactamente el mismo código genético, referido a menudo como el código genético canónico o estándar, aunque algunos códigos han evolucionado cambiando el código (ver tabla1)¹⁴ (Alberts et al., 2014; Koonin & Novozhilov, 2009).

Un conjunto de excepciones en el código genético estándar se han descubierto en los organismos procariotas y eucariotas ⁵⁶ (Miranda, Silva, & Santos, 2006; Santos, Moura, Massey, & Tuite, 2004). Donde la mayor diversidad de estas alteraciones se ha registrado en los códigos genéticos mitocondriales de eucariotas⁷ (Knight, Landweber, & Yarus, 2001). Estos organelos se originaron evolutivamente a partir de miembros del reino procariota, a través de una relación simbiótica llamada endosimbiosis; el cual un organismo habita en el interior de otro ⁸ (Sagan, 1967). El origen del código genético es parte de las pruebas del origen de la vida.

ARN policistrónico

La mayoría de los transcritos en organismos eucarióticos son monocistrónicos, esto quiere decir, que se produce un solo ARNm a partir de un gen y contienen información para la producción de una proteína. Por otro lado, los ARN policistrónicos codifican varios ARNm y más de una proteína. Estudios recientes han demostrado que ciertos organismos eucarióticos codifican genes que se encuentran organizados en grupos (operón) y se transcriben juntos ARN policistrónicos al igual que en las bacterias ¹⁴ (Blumenthal, 2004).

Anteriormente se pensaba que la transcripción policistrónica era una característica exclusiva de los organismos procariotas (bacterias y arqueas), donde muchos de los genes se agrupan en operones compuestos de dos a más de diez genes. Por el contrario, los genes de eucariotas se consideran generalmente monocistrónicos, cada uno con su mecanismo propio de transcripción. Sin embargo, recientemente se ha puesto de manifiesto que no todos los genes eucariotas se transcriben monocistronicamente. Numerosos casos de transcripción policistrónica en eucariotas se han descrito desde invertebrados microscópicos hasta vertebrados. Al igual que los operones bacterianos, los operones eucariotas a menudo resultan en coexpresión de proteínas funcionalmente relacionadas ¹⁵¹⁴¹⁶ (Agabian, 1990; Blumenthal, 2004; Pi, Lee, & Lo, 2009).

Estructura y función

La estructura de un gen está constituida por una secuencia de nucleótidos que componen varios elementos funcionales de los cuales generalmente solo una parte constituye la región que codificará una proteína.

En bacterias y arqueas, muchos genes funcionalmente relacionados se organizan en operones para ser transcritos y traducidos simultáneamente. Los operones son poco conocidos en organismos eucariotas, pero se sabe que existen en Tripanosomas que son organismos unicelulares y nematodos o gusanos cilíndricos. En el cual se transcribe el gen policistrónicos, pero después se transforman en ARNm maduros individuales. Se ha reportado también genes policistrónicos en algunos insectos. De forma similar a los operones de los procariotas, los péptidos codificados o las proteínas se traducen simultáneamente a partir de un solo ARNm policistrónico, proporcionando nuevos conocimientos sobre la evolución de los genes policistrónicos. Más interesantemente, un tipo de los genes policistrónicos recién identificados codifica péptidos biológicamente importantes compuestos por tan sólo 11 aminoácidos.

Las partes que constituyen un gen son:

Secuencia reguladora

Una secuencia reguladora es un segmento de ácidos nucleicos capaces de aumentar o disminuir la expresión de genes específicos dentro de un organismo.

Potenciador/silenciador

Un potenciador es una región corta de ADN que influenciado por una proteína llamada “factor transcripcional” (Ft activadores) aumentan la probabilidad de que la transcripción de un gen se produzca. Por el contrario, un silenciador es una región de ADN que se unen a un Ft represor. Cuando un Ft represor se une a la región silenciador, el ARN polimerasa interrumpe la transcripción de la secuencia de ADN a ARN. Con la transcripción bloqueada, la traducción del ARN en proteínas es imposible. Por lo tanto, los silenciadores previenen la expresión de genes a proteínas.

Promotor

Los promotores contienen secuencias específicas de ADN, como los elementos de respuesta que son secuencias cortas de ADN donde se une la ARN polimerasa y proteínas llamadas “factores transcripcionales” (Ft) que se encargan de reclutar a la ARN polimerasa y regular la expresión génica.

Región 5’UTR

Esta región es importante para la regulación e iniciación de la transcripción a veces se traducen a un producto de proteína producto. Este producto puede regular la traducción del ARNm.

Marco de lectura abierto (ORF)

El marco de lectura abierto es la parte de un gen que contiene el potencial de ser traducido a una proteína. Un ORF es un tramo continuo de codones que contienen un codón de inicio y de paro (por lo general AUG para el inicio y UAA, UAG o UGA como codones de paro).

Codón de Comienzo

Es el primer codón de un ARN mensajero transcrito (ARNm) traducido por un ribosoma. El codón de inicio siempre codifica para metionina en eucariotas y un Met modificado (fMet) en bacterias.

Codón de paro

Es el codón de paro se encuentra dentro de una secuencia del ORF el cual indica la terminación de la traducción de la proteína.

Región 3’UTR

La región 3’UTR es la sección de un gen que sigue inmediatamente a la traducción codón de terminación. Las regiones reguladoras de la región 3 ‘no traducida pueden influir poliadenilación, la eficiencia de traducción, localización, y la estabilidad del ARNm.

Secuencia Terminador

Una secuencia terminador es una sección del gen que marca el final de un gen u operón durante la transcripción. Esta secuencia regula el término de la transcripción, proporcionando señales en que liberan el ARNm del complejo transcripcional, liberando la ARN polimerasa y la maquinaria transcripcional para comenzar una transcripción de nuevos ARNm.

Exón

Un exón es cualquier parte de un gen que codifica una parte del ARNm. El término exón se refiere tanto a la secuencia de ADN dentro de un gen como a la secuencia correspondiente en las transcripciones de ARN. Durante el splincing del ARN, los intrones son eliminados y los exones se unen entre sí generando un ARN mensajero maduro. Al igual que el conjunto completo de genes para una especie constituye el genoma, todo el conjunto de los exones constituye el exoma.

Intrón

Un intrón es cualquier secuencia de nucleótidos dentro de un gen que se elimina durante el splincing del ARN como parte del proceso de maduración del ARN. Los intrones se encuentran en los genes de la mayoría de organismos y muchos virus, y pueden estar situados en una amplia gama de genes. Los intrones no codifican productos de proteínas, pero son esenciales para la regulación de la expresión génica. Algunos intrones codifican ARN funcionales a través de procesamientos adicionales después de splincing generando moléculas de ARNs no codificantes.

Mutación

La replicación del ADN se hace con extrema precisión, sin embargo, puede haber errores llamados mutaciones. Estos errores son cambios en la secuencia del ADN pero existen mecanismos de reparación celulares que eviten que esto suceda con frecuencia. Las mutaciones en un gen pueden originarse por errores durante la replicación del ADN, durante la división celular o por la exposición de agentes químicos. Las mutaciones pueden resultar en inserciones o eliminación de segmentos de ADN entre otras y pueden o no producir cambios en las características observables (fenotipo) de un organismo. Las mutaciones juegan un papel tanto en los procesos biológicos normales y anormales, incluyendo: la evolución de un organismo, desarrollo de enfermedades ² .

Ingeniería genética

Desde la década de 1970 se han desarrollado técnicas para manipular a los genes. Estas técnicas han sido tan importantes que han permitido el desarrollo de una nueva rama de la biología llamada ingeniería genética, la cual permite la manipulación de los genes. Su objetivo principal es modificar los genes en un laboratorio e introducirlo en células vivas de la misma especie u otra diferente, de manera que pasa a formar parte de su genoma y logra así adquirir una nueva capacidad fenotípica. Su utilidad es la elaboración de productos que generalmente son nuevas proteínas. Estas técnicas tienen tanta importancia en la vida diaria y un ejemplo de esto es la producción de insulina humana en células de bacterias, la degradación de moléculas mediante procesos enzimáticos entre otros ¹⁷ .

La tecnología del ADN recombinante surgió con el descubrimiento de las enzimas de restricción en 1961 por el microbiólogo suizo Werner Arber. Al año siguiente, el microbiólogo Urs Kuhnlein descubrió que mutaciones en sitios específicos hacia resistente a los fagos a la ruptura; Hamilton Smith, que identificó endonucleasa tipo II las cuales resultaron ser esenciales para la ingeniería genética por su capacidad de cortar un sitio específico dentro del ADN y opuestas a las enzimas de restricción de tipo I que cortan el ADN en sitios aleatorios. Daniel Nathans, utilizó esta enzima para romper al virus SV40 en 11 fragmentos, lo que le permitió determinar su método de replicación ¹⁸ (Arber, 2010). Desde el descubrimiento de las endonucleasas de restricción, los investigadores las han utilizado como herramientas para estudiar las funciones de los genes de todo tipo de organismos. Las enzimas de restricción facilitan el estudio de las funciones de los genes y permiten la producción de sustancias de importancia médica y nutricional ¹⁸¹⁷ (Arber, 2010; Encyclopedia Britannica, 2010).

La ingeniería genética basada en la recombinación inició en 1973 por Stanley N. Cohen y Herbert W. Boyer, que fueron los primeros en cortar el ADN en fragmentos y reintroducir diferentes fragmentos en la bacteria E. coli ¹⁸ (Arber, 2010). La mayor parte de la tecnología de ADN recombinante implica introducir genes de otros organismos dentro de plásmidos de cepas de bacterias. Los plásmidos son pequeños anillos de ADN y no forman parte del cromosoma de la bacteria. Sin embargo, son capaces de dirigir la síntesis de proteínas y, al igual que el ADN cromosómico, se transcribe, se traduce y se hereda. Así, mediante la incorporación de ADN ajeno (por ejemplo, un gen de humano) en una bacteria, está producirá la proteína especificado por el ADN insertado, teniendo en cuenta que dentro del gen cuenta con los debidos sitios de inicio y paro para su traducción ¹⁷ (Encyclopedia Britannica, 2010).

Edición de genes

CRISPR-Cas9 es un reciente descubrimiento de un mecanismo de bacterias contra ADN ajeno. El estudio de su mecanismo de acción permitió a los investigadores descubrir una herramienta para la edición del material genético permitiendo realizar cambios específicos dentro del genoma ¹⁹ (Lander, 2016).

Aunque es una herramienta reciente, la edición genética ha adquirido una amplia gama de aplicaciones, como la modificación de genes para plantas de cultivo, ganado y organismos modelo de laboratorio (roedores, pez zebra, etc.). La corrección de los errores genéticos asociados con la enfermedad en animales sugiere que la edición de genes tiene aplicaciones potenciales en la terapia génica para los seres humanos. En 2015 se realizaron los primeros experimentos en células embrionarias humanas tratando de modificar el gen responsable de la β-talasemia, un trastorno sanguíneo potencialmente mortal. Los investigadores reportan en sus resultados que existen serios obstáculos para utilizar el método en aplicaciones médicas. Ya que, solo 4 de los 54 embriones que usaron se logró la edición del gen, pero estos eran mosaicos, esto quiere decir que no todas sus células fueron eficientemente editadas; además de que se provocaron mutaciones en genes relacionados. Los resultados son tan poco alentadores que, se requieren de modificaciones y más estudios para mejorar aún esta tecnología ²⁰ (Liang et al., 2015).

Por otro lado, el comité internacional convocado por la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NAS), han aprobado el estudio en embriones humanos bajo ciertas circunstancias y después de analizar rigurosamente los riesgos/beneficios, limitando el uso solo a parejas donde la edición sea estrictamente necesaria para concebir un hijo biológicamente sano (http://nas.edu/newsroom/index.html). Según el investigador Erick Lander debido a las condiciones éticas y legales impuestas esto es muy alentador para un conjunto muy particular de investigadores, pero desalentador para otros, ya que debido a las limitaciones impuestas solo un grupo muy limitado de investigadores podrán realizar este tipo de investigaciones. Aunque el debate aún continúa, existen opiniones con tendencias marcadas hacia los intereses económicos. Y es obvio ya que, el que domine la edición genética sobre la línea germinal humana adquirirá el control sobre el mercado farmacéutico mundial.

El progreso en el estudio de la edición de genes es evidente que puede aportar resultados capaces de solucionar grandes problemas de salud mundial. Pero a pesar de su utilidad y su capacidad de resolver y mitigar estos problemas existen actualmente argumentos éticos y legales en debate. Hay opiniones muy diversas sobre dónde han de situarse los límites de la manipulación del material genético, que es la base de todos los procesos vitales.