Genética; Anthony Griffiths

Genoma. ADN. Transmisión Genética. Cartografía de Cromosomas Eucarióticos. Bacterias. Virus. Interacción Génica. RNA. Proteinas. Mutación. Reparación. Recombinación. Manipulación de Genes

  • Enviado por: Rommel
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Resúmenes de Griffiths, Genética, novena edición:

Tema 1: La Aproximación genética a la biología (pg. 27)


La Genética es el estudio de los genes a todos los niveles, desde las moléculas a las poblaciones. Como disciplina moderna, comenzó en la década de 1860 con el trabajo de Gregor Mendel, primero en proponer la idea de que existen los genes. Hoy sabemos que un gen es una región funcional de la larga molécula de DNA que constituye la estructura fundamental de un cromosoma. El DNA está compuesto de cuatro nucleótidos, cada uno de los cuales contiene el azúcar desoxirribosa, fosfato y una de cuatro bases: Adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C). El DNA está formado por dos cadenas de nucleótidos que se mantienen unidas mediante enlaces de A con T y de G con C. Las dos cadenas se separan durante la replicación y sus bases expuestas sirven de molde para la síntesis de dos moléculas hijas de DNA idénticas.
La mayoría de los genes determinan la estructura de una proteína (las proteínas son las principales responsables de las propiedades de un organismo). Para generar la proteína, el DNA es primero transcrito por la enzima RNA polimerasa en una copia de trabajo de una sola cadena llamada RNA mensajero. La secuencia de nucleótidos del mRNA se traduce a secuencia de aminoácidos, que constituye la estructura primaria de una proteína. Las cadenas de aminoácidos se fabrican en los ribosomas.
Cada aminoácido es acarreado al ribosoma por una molécula de RNA de transferencia que se acopla uniendo su triplete (el anticodón) a un codón triplete en el mRNA.
El mismo gen puede tener formas alternativas o variantes. Los individuos se pueden clasificar por genotipo (las variantes génicas presentes) o por fenotipo (las características observables de la apariencia o fisiología). Tanto los genotipos como los fenotipos muestran variación dentro de la población.
El análisis de estas variantes proporciona un método potente a la hora de investigar las propiedades biológicas en general. Cuando las variantes para una propiedad de interés no existen naturalmente, estas pueden ser generadas introduciendo cambios en la información genética, llamados mutaciones. Hay dos aproximaciones al análisis genético: directa e inversa. Un análisis genético directo empieza con una variación observada en una propiedad morfológica o fisiológica. Mediante la realización de cruces y el estudio de los patrones de herencia en la progenie, el investigador puede identificar los genes que contribuyen a la propiedad. La investigación continua con la determinación de cómo la información contenida en el gen se convierte en acontecimientos celulares y fisiológicos. El análisis genético inverso depende de la reciente capacidad para determinar la secuencia del DNA de un genoma completo. El investigador empieza alterando las secuencias de DNA de un modo específico y luego mira los resultados.
Los genetistas estudian en el laboratorio la variación fenotípica bajo condiciones ambientales controladas en las que hay una correspondencia univoca entre las diferencias fenotípicas y las diferencias genéticas. Sin embargo, cuando hay una variación en el ambiente en el que se desarrollan y actúan los organismos, como por ejemplo en la naturaleza, la relación entre el genotipo y el fenotipo es más compleja. Para cada genotipo hay diversidad de fenotipos que pueden aparecer, debido a la variación ambiental y a que el desarrollo está sujeto a variación molecular aleatoria.

Capitulo 2 (pg. 75):

El análisis y el estudio del genoma de un organismo constituyen hoy en día uno de los procesos principales de la genética. El genoma de un organismo eucariota se compone de un conjunto de cromosomas con un número y un tamaño característicos para ese organismo. Cada cromosoma contiene una molécula de DNA eficazmente enrollada en un carrete compuesto de proteínas denominadas histonas. Los genes son unidades que se transcriben a lo largo del cromosoma. El DNA que se localiza entre los genes puede tener una función reguladora o desconocida; una gran parte de este DNA son elementos transponibles. Las células diploides contienen dos juegos de cromosomas virtualmente idénticos; las células haploides contienen un juego.
En la división celular somática, el genoma se transmite mediante la mitosis, una división nuclear. En este proceso, cada cromosoma se duplica en un par de cromátidas hermanas que son separadas para producir dos células hijas idénticas (la mitosis puede tener lugar en células haploides y diploides). Durante la meiosis, que tiene lugar en el ciclo sexual de los meiocitos, cada homologo se duplica para formar una diada de cromátidas; las dos diadas se aparean para formar una tétrada que segrega a cada una de las dos células en división. El resultado son cuatro células haploides o gametos. La meiosis solo tiene lugar en células diploides; así pues, los organismos haploides han de unirse para formar un meiocito diploide.
Un modo muy sencillo de recordar los sucesos principales durante la meiosis es usando los dedos de la mano para representar los cromosomas.
La disección genética de una propiedad biológica comienza con una recopilación de mutantes. Se ha de probar cada uno de los mutantes para examinar si se hereda como un cambio en un único gen. El procedimiento seguido es esencialmente el mismo desde los tiempos de Mendel, que llevo a cabo el prototipo de este tipo de análisis. El análisis se basa en la observacion de las proporciones fenotipcas en la descendencia de cruces controlados. En un caso típico, un cruce del tipo A/A x a/a produce una F1 en la que todos los individuos son A/a. Cuando la F1 se cruza o se autofecunda, se produce una F2 con unas proporciones genotípicas de ¼ A/A : ½ A/a : ¼ a/a (en el nivel fenotípico esta proporción es ¾ A/- : ¼ a/a).
Los tres genotipos de un solo gen son homocigotos dominantes, heterocigotos (monohibridos) y homocigotos recesivos. Si un individuo A/a se cruza con un individuo a/a (un cruzamiento prueba), en la F1 se produce una proporción 1:1 en la descendencia. Las proporciones 1:1, 3:1 y 1:2:1 surgen del principio de la segregación equitativa, según el cual los productos haploides de la meiosis de un individuo A/a serán ½ A y ½ a. La base celular de la segregación equitativa de los alelos es la segregación de cromosomas homólogos durante la meiosis. Los hongos haploides pueden usarse para demostrar la segregación en una única meiosis (una proporción 1:1 en el asca).
La base molecular para la producción de cromátidas durante la meiosis es la replicación del DNA. La segregación en meiosis puede observarse directamente desde el punto de vista molecular (DNA) si se utilizan sondas adecuadas para detectar los morfos de un dimorfismo molecular. La fuerza molecular de la segregación es la despolimerización y el subsiguiente acortamiento de los microtúbulos que se unen a los centrómeros. Las mutaciones recesivas se localizan normalmente en genes haplosuficientes, mientras que las mutaciones dominantes a menudo son debidas a genes haploinsuficientes.
En muchos organismos el sexo esta determinado cromosómicamente y generalmente la hembra es XX mientras que el macho es XY. Los genes localizados en el cromosoma X (genes ligados al cromosoma X) no tienen contrapartida en el cromosoma Y. Estos genes muestran n patrón de herencia de gen único diferente para cada sexo y dan como resultado diferentes proporciones entre los descendientes machos y hembras.
La segregación mendeliana de un único gen resulta muy útil para la identificación de los alelos mutantes que subyacen a muchas enfermedades humanas. Los análisis de genealogías pueden revelar enfermedades autosómicas o ligadas al cromosoma X tanto de tipo dominante como recesivo. La lógica de la genética mendeliana debe ser usada con precaución, teniendo en cuenta el pequeño número de descendientes de la especie humana y que las proporciones fenotípicas no son necesariamente las esperadas para tamaños mayores de muestra. Si una enfermedad causada por un único gen aparece en una genealogía, la lógica mendeliana puede ser usada para predecir la probabilidad de que los hijos hereden la enfermedad.

Capitulo 3: Transmisión independiente de genes (pg. 118)

Tanto la investigación genética como la agricultura y la ganadería necesitan con frecuencia la síntesis de genotipos que son el resultado de combinaciones complejas de alelos de diferentes genes. Estos genes pueden estar bien en el mismo cromosoma o bien en cromosomas diferentes, caso este último objeto de estudio principal de este capítulo.
En el caso más simple -un dihibrido en el cual los dos pares de genes están en distintos cromosomas- cada par de genes independiente muestra segregación equitativa en meiosis, tal y como predice la primera ley de Mendel. Dado que durante la meiosis las fibras del huso acromático se unen al azar a los centrómeros, los dos pares de genes se reparten independientemente entre los productos de la meiosis. Este principio de la transmisión es conocido como segunda Ley de Mendel, ya que fue Mendel el primero en observarlo. A partir de un dihibrido A/a;B/b se producen cuatro genotipos diferentes entre los productos de la meiosis: A;B, A;b, a;B y a;b, cada uno con la misma frecuencia del 25% (una proporción de 1:1:1:1). Si se autofecunda o se cruza con un individuo del mismo genotipo, las clases fenotípicas de la descendencia serán: 9/16 A/- ; B/-, 3/16 A/- ; b/b, 3/16 a/a ; B/- y 1/16 a/a ; b/b. Las proporciones 1:1:1:1 y 9:3:3:1 son pruebas diagnosticas de la transmisión independiente.
Se pueden estudiar, como una extensión de los casos de la segregación de un único gen, genotipos más complejos compuestos de genes que segregan de forma independiente. Mediante el uso de la regla del producto pueden calcularse las proporciones globales genotípicas, fenotípicas o gaméticas; o lo que es lo mismo, multiplicando las proporciones de cada uno de los genes individuales. La probabilidad de que se produzca cualquiera de los diversos tipos de descendientes se calcula mediante la aplicación de la regla de la suma; es decir, sumando sus probabilidades individuales. Una regla mnemotécnica es pensar que la regla del producto trata sobre los sucesos “A y B”, mientras que la regla de la suma se ocupa de los sucesos “A' o A''”.
La prueba del chi cuadrado puede usarse para comprobar si las proporciones observadas de las diferentes clases de un análisis genético cumplen con lo esperado de acuerdo a una determinada hipótesis genética, como puede ser la hipótesis de la herencia de un único gen o de dos genes. La hipótesis puede rechazarse si se obtiene un valor de probabilidad menor del 5%.
La autofecundación repetida a lo largo de varias generaciones produce un incremento en la frecuencia de homocigotos de acuerdo con los principios de la segregación equitativa y la trasmisión independiente (si los genes se encuentran en cromosomas diferentes). Con la utilización de esta técnica se pueden por tanto obtener líneas puras complejas que presenten combinaciones de las mutaciones de interés.
La transmisión independiente de cromosomas durante la meiosis puede observarse mediante el uso de pares de cromosomas heteromórficos (aquellos que presentan una diferencia estructural). Un ejemplo son los cromosomas X e Y, pero existen otros casos poco frecuentes que podrían servir para esta demostración. La transmisión independiente de genes para un único meiocito puede observarse en los hongos ascomicetos, ya que en las ascas se producen con la misma frecuencia los dos tipos alternativos de segregación.
Una de las funciones principales de la meiosis es producir recombinantes, nuevas combinaciones de los alelos que portan los genotipos haploides que se unen para formar el meiocito. La transmisión independiente es la fuente principal de recombinantes. En un cruzamiento prueba en el que se produzca transmisión independiente, la frecuencia de recombinación será del 50%.
Los caracteres métricos, como la intensidad del color, muestran una distribución continua en una población. Las distribuciones continuas pueden tener su origen en la variación ambiental, en variantes alélicas de múltiples genes o en una combinación de ambos. Un modelo genético muy simple propone que los alelos activos de varios genes (denominados poligenes) contribuyen más o menos pero de una manera aditiva, al carácter métrico. En un análisis de la descendencia de la autofecundación de un individuo heterocigoto múltiple, la forma del histograma que representa la frecuencia de cada genotipo se aproxima a una curva gaussiana propia de la variación continua.
Una pequeña parte del genoma se encuentra en mitocondrias y cloroplastos y se hereda independientemente del genoma nuclear. Generalmente, las mutaciones en estos orgánulos presentan herencia de tipo materna, al igual que el citoplasma en el que se localizan estos orgánulos. En los individuos con mezcla de citoplasmas genéticamente diferentes (citohetos), los dos genotipos (de tipo salvaje y mutante) se separan en células hijas diferentes mediante un proceso del que apenas se conoce nada denominado segregación citoplasmática. En los seres humanos, la mutación de los genes mitocondriales provoca enfermedades que muestran segregación citoplasmática en los tejidos corporales y se transmiten como una herencia de tipo materna.

Capitulo 4: Cartografía de cromosomas eucarióticos mediante recombinación (pg. 165)

En un cruzamiento prueba dihibrido en Drosophila, Tomas Hunt Morgan encontró una desviación de la ley de Mendel de la transmisión independiente. Él propuso que los dos genes estaban localizados en el mismo par de cromosomas homólogos. Esta relación se denomina ligamiento.
El ligamiento explica por qué las combinaciones génicas parentales permanecen juntas, pero no explica cómo se producen las combinaciones recombinantes (las no parentales). Morgan postulo que durante la meiosis debía producirse un intercambio físico de partes del cromosoma a través de un proceso al que denominó entrecruzamiento. Como resultado de la rotura física y la unión de partes del cromosoma, se produce un entrecruzamiento durante el estado de cuatro cromatidas en la meiosis. Así, hay dos tipos de recombinación meiotica. La recombinación debida a la transmisión independiente mendeliana, que produce frecuencias de recombinantes del 50%; y el entrecruzamiento, que produce frecuencias de recombinación generalmente inferiores al 50%.
Conforme Morgan estudiaba más genes ligados, descubrió muchos valores diferentes para las frecuencias de recombinación, y encontró que estos valores tenían correspondencia con las distancias reales entre los genes en un cromosoma. Alfred Sturtevant, estudiante de Morgan, desarrollo un método para determinar la distancia entre los genes sobre un mapa de ligamiento, basado en la FR. La forma más fácil de medir la FR es a través de cruzamientos prueba con un dihibrido o un trihibrido. Los valores de la FR expresados como porcentaje pueden ser utilizados como unidades de mapa para construir un mapa cromosómico que muestre los loci génicos analizados. En los hongos ascomicetos, los centrómeros también pueden ser localizados en el mapa midiendo las frecuencias de segregación en la segunda división.
Los marcadores moleculares como los SNP y los SSLP también se utilizan para cartografiar cromosomas. Las “islas” de SNP (haplotipos) son relativamente estables en el tiempo, y se manifiestan como un desequilibrio de ligamiento. Los haplotipos se utilizan para encontrar alelos mutantes, pues los alelos de SNP que permanecen en desequilibrio de ligamiento con un alelo mutante deben estar estrechamente ligados.
Aunque la prueba básica para probar el ligamiento es una desviación de la transmisión independiente, esta desviación puede no ser obvia en un cruzamiento prueba y se necesita un análisis estadístico. La prueba de chi cuadrado es especialmente útil para determinar si los loci están ligados, ya que nos indica en qué medida las observaciones se desvían del resultado esperado solamente por el azar.
Los tamaños de muestra en los análisis de genealogías humanas son demasiado reducidos para permitir la cartografía, pero la acumulación de datos expresada mediante la puntuación Lod (logaritmo de razón de probabilidades), puede respaldar la hipótesis de ligamiento. Las puntuaciones Lod son acumulativas, por lo que todas las medidas realizadas en un intervalo específico del mapa pueden ser sumadas para producir una puntuación Lod acumulativa.
Algunos entrecruzamientos múltiples pueden dar lugar a cromátidas no recombinantes, produciendo una subestimación de la distancia de mapa basada en la FR. La función de mapa, aplicable a todos los organismos, corrige este sesgo o tendencia. La formula de Perkins sirve para el mismo fin en el análisis de tétradas de hongos.
En genética, el mapa de recombinación suele usarse conjuntamente con un mapa físico, como el de la secuencia completa de DNA en la que se indican todas las secuencias de tipo génico. El conocimiento de la posición del gen en ambos tipos de mapas nos permite relacionar la función celular con el efecto del gen en el fenotipo.

Capitulo 5: Genética de las bacterias y los virus (pg. 212)

Los avances en la genética bacteriana y de fagos de los últimos 50 años han proporcionado los fundamentos de la biología molecular y la clonación (discutidos en capítulos posteriores). A principios de este periodo se descubrió que la transferencia génica y la recombinación se producían entre diferentes cepas de bacterias. En las bacterias sin embargo, el material genético solo se pasa en una dirección, por ejemplo, en E.coli, de una célula donante (F+ o Hfr) a una célula receptora (F-). La capacidad donante viene determinada por la presencia en la célula de un factor de fertilidad (F), un tipo de plásmido. En ocasiones, el factor F presente en estado libre en las células F+ se puede integrar en el cromosoma de E.coli y formar una célula de Hfr. Cuando esto ocurre, un fragmento del cromosoma donante se puede transferir a una célula receptora y posteriormente recombinar con el cromosoma receptor. Como el factor F se puede insertar en diferentes lugares del cromosoma hospedador, los primeros investigadores fueron capaces de reunir los fragmentos transferidos para mostrar que el cromosoma de E.coli es un simple círculo, o anillo. La interrupción de la transferencia en diferentes tiempos ha proporcionado a los genetistas un método no convencional (apareamiento interrumpido) para construir mapas de ligamiento del único cromosoma de E.coli y de otras bacterias similares, en los que la unidad de mapa es una unidad de tiempo (minutos). En una extensión de esta técnica, la frecuencia de recombinación entre los marcadores que se sabe que han entrado en la célula receptora puede proporcionar una distancia de mapa a escala más fina.
Se puede encontrar otros tipos de plásmidos, además del F. Los plásmidos R llevan alelos de resistencia a antibióticos, a menudo dentro de un elemento móvil llamado transposón. La extensión rápida del plásmido causa una resistencia amplia en la población a fármacos medicamente importantes. Derivados de estos plásmidos naturales han llegado a ser importantes vectores de clonación, útiles para el aislamiento de genes y el estudio de todo tipo de organismos.
Los rasgos genéticos también se pueden transferir de una célula bacteriana a otra en forma de fragmentos de DNA tomados por la célula del ambiente extracelular. Este proceso de transformación en las células bacterianas fue la primera demostración de que el DNA es el material genético. Para que se produzca la transformación, el DNA debe ser incorporado por una célula receptora y entonces debe producirse la recombinación entre sus cromosomas.
En otro modo de infección, la lisogenia, el fago inyectado permanece latente en la célula bacteriana. En muchos casos este fago latente (el profago) se incorpora en el cromosoma hospedador y se replica con él. Ya sea espontáneamente o con la estimulación apropiada, el profago puede dejar su estado latente y lisar la célula hospedadora bacteriana.
Un fago puede llevar genes bacterianos de una célula donante a una receptora. En la transducción generalizada, un fragmento aleatorio del DNA hospedador se incorpora en solitario a la cabeza del fago durante la lisis. En la transducción especializada, la escisión defectuosa del profago de un único locus cromosómico da lugar a la inclusión de genes hospedadores específicos así como DNA del fago en la cabeza de este.
Hoy en día se dispone, en muchas especies bacterianas, de un mapa físico en forma de secuencia genómica completa. Con el uso de este mapa genómico físico se puede localizar de manera precisa la posición en el mapa de una mutación de interés. Primero se producen mutaciones adecuadas por la inserción de los transposones (mutagénesis insercional). Entonces, se obtiene la secuencia de DNA que rodea el transposón insertado, y se busca su correspondencia con una secuencia en el mapa físico. Esta técnica proporciona el locus, la secuencia y, posiblemente, la función del gen de interés.

Capitulo 6: Interacción génica (pg. 248)

Un gen no actúa solo; más bien actúa conjuntamente con muchos otros genes del genoma. La deducción de las complejas interacciones génicas constituye una fase importante de la investigación en los estudios de genética directa. En primer lugar se comprueban las relaciones de dominancia de las mutaciones individuales, un tipo de interacción génica. Las mutaciones recesivas son con frecuencia el resultado de la haplosuficiencia del alelo salvaje, mientras que las mutaciones dominantes son a menudo el resultado, bien de la haploinsuficiencia del alelo salvaje, o bien de que la mutación actué como un dominante negativo (un polipéptido saboteador). Algunas mutaciones provocan efectos graves o incluso la muerte (mutaciones letales). La letalidad de una mutación recesiva en homocigosis supone una manera de comprobar si el gen es esencial en el genoma.
La interacción de diferentes genes es el resultado de su participación en la misma ruta o en rutas interconectadas de varios tipos: sintéticas, de transducción de señales o del desarrollo. La disección genética de las interacciones génicas comienza cuando el investigador reúne una serie de mutantes que afectan al carácter de interés. La prueba de complementación determina si dos mutaciones recesivas diferentes están o no en el mismo gen. Los genotipos mutantes se reúnen en un individuo de la F1, y si presenta un fenotipo mutante, significa que no se ha producido la complementación y los dos alelos deben pertenecer al mismo gen. Si el fenotipo es de tipo salvaje, significa que se ha producido la complementación, y los alelos deberían estar en genes diferentes.
La interacción de diferentes genes puede detectarse mediante los dobles mutantes, ya que la interacción génica implica la interacción de los productos génicos desde un punto de vista funcional. Algunos de los tipos de interacción génica implica la interacción de los productos génicos desde un punto de vista funcional. Algunos de los tipos claves de interacción génica son: epistasia, supresión y letalidad sintética. La epistasia es la sustitución de un fenotipo mutante producido por una mutación por un fenotipo mutante causado por otra mutación en otro gen. La existencia de la epistasia sugiere una ruta del desarrollo o química común. Un supresor es una mutación en un gen que restaura el fenotipo salvaje de una mutación en otro gen. Los supresores revelan con frecuencia interacciones físicas de proteínas o ácidos nucléicos. Algunas combinaciones de mutantes viables resultan letales, fenómeno conocido como letalidad sintética. Los alelos sintéticos pueden revelar la existencia de una gran variedad de interacciones en función de la naturaleza de las mutaciones.
Los diferentes tipos de interacciones génicas generan proporciones dihibridas en la F2 que son modificaciones de la proporción estándar 9:3:3:1. La epistasia recesiva, por ejemplo, genera una proporción 9:3:4.
Desde un punto de vista más general, la interacción génica y la interacción entre el gen y el ambiente se ponen de manifiesto con la existencia de la penetrancia variable (la capacidad de un genotipo para expresarse a sí mismo) y la expresividad (el grado cuantitativo de la expresión de un gen).

Capitulo 7: DNA: estructura y replicación (pg. 291)

El trabajo experimental sobre la naturaleza molecular del material hereditario demostró sin lugar a dudas que el DNA es el material genético (y no las proteínas, los lípidos o los carbohidratos). Utilizando los datos obtenidos por otros, Watson y Crick dedujeron el modelo de la doble hélice con dos cadenas de DNA enrolladas una alrededor de la otra, en sentido antiparalelo. La unión de las dos cadenas se mantiene mediante el encaje entre adenina (A) y timina (T) y entre guanina (G) y citosina (C). El primer par se mantiene por dos puentes de hidrogeno y el último par se mantiene por tres puentes de hidrogeno.
El modelo de Watson y Crick muestra como el material genético puede replicarse de una forma ordenada, una condición primordial del material genético. La replicación se realiza de forma semiconservativa tanto en procariotas como en eucariotas. Una doble hélice se replica para formar dos hélices hijas idénticas, cada una de las cuales contiene una cadena vieja y una cadena recién polimerizada de DNA.
La doble hélice se desenrolla en la horquilla de replicación, y las dos cadenas simples hacen de molde para la plimerización de nucleótidos libres. La enzima encargada de este proceso es la DNA polimerasa que añade nuevos nucleótidos solo en el extremo 3' libre de la cadena creciente. Debido a que la adición solo se produce en el extremo 3', la polimerización en un molde es continua, constituyendo la cadena adelantada; mientras que en el otro molde se debe realizar en fragmentos cortos y discontinuos (los fragmentos de Okazaki), produciendo la cadena retrasada. La síntesis de la cadena adelantada y de los fragmentos de Okazaki se inicia mediante un cebador corto de RNA (sintetizado por la primasa) que suministra el extremo 3' libre necesario para la adicción de los desoxirribonucleotidos.
Los múltiples sucesos que tienen lugar en una forma rápida y exacta en la horquilla de replicación los realiza el replisoma, una maquina biológica. Este complejo de proteínas incluye dos unidades de DNA polimerasa, una que actúa en la cadena adelantada y la otra que actúa en la cadena retrasada. De esta forma el proceso que más tiempo consume, que es la síntesis y la reunión de los fragmentos de Okazaki en una cadena continua, se coordina en el tiempo con la síntesis menos complicada de la cadena adelantada. El momento y el lugar en el que se produce la replicación están controlados cuidadosamente por el ensamblaje ordenado del replisoma en ciertos lugares del cromosoma llamados orígenes. En los genomas eucarióticos puede haber decenas de miles de orígenes. El montaje del replisoma en los orígenes solo tiene lugar en un momento específico del ciclo celular.
Los extremos de los cromosomas lineales, los telomeros, presentan un problema para el sistema de replicación porque siempre queda un trecho corto en una cadena en el que no puede colocarse un cebador. La enzima telomerasa añade un cierto número de secuencias repetitivas cortas para mantener la longitud. La telomerasa lleva un RNA corto que actúa como molde para la síntesis de las repeticiones telomericas. Estas repeticiones no codificadoras se asocian a proteínas para formar un tampón telomerico. En las células somaticas los telomeros se van acortando progresivamente con la edad debido a que la telomerasa no se produce en estas células. Los individuos que tienen telomeros defectuosos experimentan un envejecimiento prematuro.

Capitulo 8: RNA: transcripción y procesamiento (pg. 315)

Se sabe que la información no se transfiere directamente del DNA a las proteínas, porque en las células eucarióticas el DNA esta en el núcleo, mientras que las proteínas se sintetizan en el citoplasma. La transferencia de la información requiere un intermediario que es el RNA.
Aunque el DNA y el RNA son ácidos nucléicos, el RNA difiere del DNA en que es de cadena simple y no una doble hélice; que sus nucleótidos contienen el azúcar ribosa en vez de desoxirribosa; que tiene la base pirimidinica uracilo en vez de la timina y que puede servir como catalizador biológico.
La similitud del DNA y el RNA sugiere que el flujo de la información del DNA al RNA se apoya en la complementariedad de bases, lo cual es clave para la replicación del DNA. Una cadena molde de DNA se copia, o se transcribe, en un RNA funcional, como el RNA de transferencia y el RNA ribosómico) que nunca se traduce a polipeptidos, o en un RNA mensajero a partir del cual se sintetizan las proteínas.
En los procariotas, todas las clases de RNA se transcriben por una única RNA polimerasa. Esta enzima compuesta por múltiples subunidades inicia la transcripción uniéndose al DNA en los promotores que contienen secuencias específicas localizadas a -35 y -10 bases antes del sitio de iniciación de la transcripción en la base +1. Después de unirse, la RNA polimerasa desenrolla al DNA localmente y comienza a incorporar ribonucleótidos complementarios al molde de DNA. La cadena crece en la dirección 5' a 3' hasta que uno de los dos mecanismos, intrínseco o dependiente de rho, lleva a la disociación de la polimerasa y del RNA del molde de DNA. Como se verá en el capítulo 9, en ausencia del núcleo, el RNA procariótico que codifica proteínas se traduce mientras se está transcribiendo.
En los eucariotas hay tres tipos diferentes de RNA polimerasas; sin embargo solo la RNA polimerasa II transcribe los mRNA. EN general, las fases de iniciación, elongación y terminación de la síntesis de RNA en los eucariotas se parecen a las de los procariotas. Sin embargo, hay diferencias importantes. La RNA polimerasa I no se une directamente al promotor en el DNA, pero si se unen los factores generales de la transcripción, que reconocen la secuencia TaTa presente en la mayoría de los promotores eucarióticos. La RNA polimerasa II es una molécula mucho mayor que su homóloga procariótica. Contiene numerosas subunidades que funcionan en la elongación del transcrito primario, y también coordina los sucesos de procesamiento que son necesarios para producir el mRNA maduro. Los sucesos de procesamiento incluyen la adición de la caperuza 5', la eliminación de los intrones y el empalme de los exones por el empalmosoma, y la rotura del extremo 3' seguida de la poliadenilación. Una parte del núcleo de la RNA polimerasa II, el dominio de la cola carboxilo, se posiciona idóneamente para interactuar con el RNA a medida que emerge de la polimerasa. A través del CTD, la RNA polimerasa II coordina los numerosos sucesos de la síntesis y el procesamiento del RNA.
Los descubrimientos de los últimos veinte años han revelado la importancia de las nuevas clases funcionales del RNA. Anteriormente se pensaba que solo se trataba de un “humilde” mensajero y ahora se reconoce al RNA como una molécula versátil y dinámica que participa en muchos procesos celulares. El descubrimiento del autoempalme de los intrones y los exones demostró que el RNA puede funcionar como una molécula catalítica, y como una proteína. Desde el hallazgo de las ribozimas, la comunidad científica comenzó a prestar mayor atención al RNA. Ahora se reconoce que los RNA nucleares pequeños y los RNA no codificadores en el empalmosoma, poseen actividad catalítica para eliminar los intrones y unir los exones. El siglo XX termino con el descubrimiento de otra clase de RNA funcional, el RNA de interferencia pequeño, que protege la integridad de los genomas de las plantas y los animales activando la ruta del RNA de interferencia.

Capitulo 9: Las proteínas y su síntesis (Pg. 344)

Este capítulo ha tratado de la traducción de la información codificada en la secuencia de nucleótidos de un mRNA a la secuencia de aminoácidos de una proteína. Nuestras proteínas, más que otras macromoléculas, determinan lo que somos o no somos. Son las enzimas responsables del metabolismo celular, incluyendo la síntesis de DNA y RNA, y son los factores de regulación requeridos para la expresión del programa genético. La versatilidad de las proteínas como moléculas biológicas se manifiesta en la diversidad de formas que pueden adoptar. Más aun, incluso después de ser sintetizadas, pueden modificarse en una variedad de formas mediante la adición de moléculas que pueden alterar su función:
Dado el papel central de las proteínas en la vida, no es sorprendente que el código genético y la maquinaria de traducción se encuentren sumamente conservados tanto en las bacterias como en los seres humanos. Los principales componentes de la traducción son tres clases de RNA: tRNA, mRNA y rRNA. La exactitud de la traducción depende del ligamiento enzimático de un aminoácido con su tRNA cognado, generando una molécula de tRNA cargada. Como adaptadores, los tRNA son moléculas clave en la traducción. Por el contrario, el enorme ribosoma es la fábrica en la que se encuentran en el mRNA, los tRNA cargados y los otros factores proteicos encargados de la síntesis de las proteínas.
La decisión clave en la traducción es donde se inicia esta. En los procariotas, el complejo de iniciación se ensambla sobre el mRNA en la secuencia de Shine-Dalgarno, ubicada precisamente aguas arriba del codón de iniciación AUG. El complejo de iniciación en los eucariotas se ensambla a la caperuza del extremo 5' del mRNA y se mueve en dirección 3' hasta que se reconoce el codón de iniciación. La fase más larga de la traducción es el ciclo de elongación; en esta fase, el ribosoma se desplaza a lo largo del mRNA, dejando ver el siguiente codón que interactuará con su tRNA cognado y cargado, de manera que el aminoácido cargado en el tRNA pueda ser añadido a la cadena polipeptídica creciente. Este ciclo continua hasta que se encuentra un codón stop. Los factores de liberación facilitan la terminación de la traducción.
Hace unos pocos años que nuevas técnicas de imagen han revelado las interacciones del ribosoma a nivel atómico. Con estos nuevos “ojos”, se sabe ahora que el ribosoma es una maquina increíblemente dinámica que cambia la forma en respuesta a los contactos realizados con los tRNA y con las proteínas. Más aun, las imágenes de resolución atómica revelaron que el RNA ribosómico, y no las proteínas ribosómicas, están íntimamente relacionado con los centros funcionales del ribosoma.
El proteoma es el conjunto completo de proteínas que puede expresarse a partir del material genético de un organismo. Mientras que un eucariota multicelular típico tiene cerca de 20000 genes, el proteoma típico es probablemente 10 a 50 veces mayor. Esta diferencia es, en parte, el resultado de las modificaciones postraduccionales como la fosforilación y la ubiquitinación, que influyen sobre la actividad y la estabilidad de las proteínas.

Capitulo 10: Regulación de la expresión génica en bacterias y virus bacterianos (pg. 379)

La regulación génica es con frecuencia mediada por proteínas que reaccionan a señales ambientales aumentando o reduciendo las tasas de transcripción de genes específicos. La lógica de esta regulación es sencilla. Para que la regulación funcione de forma correcta, las proteínas reguladoras tienen sensores incorporados que continuamente monitorizan las condiciones celulares. La actividad de estas proteínas dependerá de la presencia de condiciones ambientales adecuadas.
En las bacterias y virus bacterianos, el control de varios genes estructurales puede coordinarse mediante la agrupación de genes en operones que se transcriben en mRNA multigénicos. El control coordinado simplifica la tarea para las bacterias, ya que un pequeño grupo de regiones reguladoras por operón es suficiente para regular la expresión de todos los genes del operón. Alternativamente, el control coordinado se puede conseguir mediante diferentes factores RHO que regulan docenas de promotores independientes de forma simultánea.
En el control regulador negativo, una proteína represora bloquea la transcripción uniéndose al DNA del operador. Un ejemplo de control negativo es el sistema lac. La regulación negativa es una manera muy sencilla de evitar en el operón lac la transcripción de genes en ausencia de los azucares apropiados en el ambiente. En el control regulador positivo son necesarios ciertos factores proteicos para activar la transcripción. Algunos sistemas de control en los procariotas, como la represión catabólica, funcionan a través del control positivo.
Muchas proteínas reguladoras son miembros de familias de proteínas que tienen motivos de unión al DNA muy similares, como el dominio hélice-giro-hélice. Otras partes de las proteínas, como sus dominios de interacción con otras proteínas, tienden a ser menos similares. La especificidad de la regulación génica depende de interacciones químicas entre las cadenas laterales de aminoácidos y los grupos químicos de las bases del DNA.

Capitulo 11: Regulación de la expresión génica en eucariotas (pg.411)

Muchos aspectos de la regulación eucariótica son parecidos a la regulación de los operones bacterianos. Ambos funcionan en gran medida al nivel de la transcripción y ambos dependen de proteínas que actúan en trans uniéndose a secuencias reguladoras diana en la molécula de DNA que actúan en cis. Estas proteínas reguladoras determinan el nivel de transcripción de un gen controlando la unión de la RNA polimerasa al promotor del gen. Hay tres características principales propias del control de la transcripción en los eucariotas. En primer lugar, los genes eucarióticos poseen intensificadores, que son elementos reguladores que actúan en cis localizados en ocasiones a grandes distancias lineales del promotor. Muchos genes tienen múltiples intensificadores. N segundo lugar, a estos intensificadores se unen más factores de transcripción que en los operones bacterianos. Los eucariotas pluricelulares deben generar miles de patrones de expresión génica con un número limitado de proteínas reguladoras (factores de transcripción) y lo consiguen mediante interacciones combinatorias entre factores de transcripción. Los enhanceosomas son complejos de proteínas reguladoras que interaccionan de forma cooperativa y sinérgica para inducir altos niveles de transcripción a través del reclutamiento de la RNA polimerasa II al punto de inicio de la transcripción.
En tercer lugar, los genes eucarióticos están empaquetados en la cromatina. La activación y la represión génicas requieren modificaciones específicas de la cromatina. La inmensa mayoría de las decenas de miles de genes de cualquier genoma eucariótico están normalmente en un estado transcripcional inactivo gracias a la participación de los nucleosomas, que sirven para compactar la cromatina e impedir la unión de la RNA polimerasa II. La posición de los nucleosomas y el grado de condensación de la cromatina vienen determinados por el código de histonas, el patrón de modificaciones postranscripcionales de las colas de histona. El código de histonas es una marca epigenética que, junto con la metilación de las bases de citosina, puede ser alterada por los factores de transcripción. Estos factores se unen a las regiones reguladoras y reclutan complejos proteicos que modifican enzimáticamente los nucleosomas adyacentes. Estos grandes complejos de proteínas de múltiples subunidades utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para mover los nucleosomas y remodelar la cromatina.
La existencia de fenómenos epigenéticos como la impronta genética y la inactivación del cromosoma X demuestra que la expresión génica en los eucariotas puede ser silenciada sin cambiar la secuencia de DNA del gen. Otro fenómeno epigenético, la variegación por efecto de posición, reveló la existencia de vecindades heterocromáticas represivas asociadas con nucleosomas muy condensados y que contienen pocos genes. Los aisladores barrera mantienen la integridad del genoma impidiendo la conversión de la eucromatina en heterocromatina.
La replicación del DNA copia fielmente de las células parentales a las células hijas tanto la secuencia de DNA como la estructura de la cromatina. Las células recién formadas heredan los dos tipos de información genética, la intrínseca a la secuencia nucleotídica del DNA, y la información epigénetica que constituyen el código de histonas y el patrón de metilación del DNA.

Capitulo 12: Control genético del desarrollo (pg.448)

En el capítulo 10 se menciono la ocurrencia de Jacques Monod cuando afirmo que “lo que es cierto para E.coli es también cierto para el elefante”. Ahora que se ha visto los procesos reguladores que permiten construir gusanos, moscas, ratones y elefantes, ¿diríamos que Monod tenía razón? Si Monod se refería al principio de que la transcripción génica está controlada por proteínas reguladoras especificas de secuencia, hemos visto que el represor Lac bacteriano y las proteínas Hox de la mosca actúan efectivamente de un modo similar. Además, sus dominios de unión al DNA tienen el mismo tipo de motivo. Las ideas fundamentales de F. Jacob y Jacques Monod respecto al papel central del control de la transcripción génica en la fisiología bacteriana y que ellos esperaban que se aplicarían a la diferenciación celular y el desarrollo de organismos pluricelulares complejos han sido confirmados en muchos aspectos en lo que se refiere al control genético del desarrollo animal.
Sin embargo, muchas características de los eucariotas unicelulares y pluricelulares no se encuentran en las bacterias y los virus bacterianos. Los genetistas y los biólogos moleculares han descubierto las funciones de los intrones, el corte y empalme de RNA, los múltiples y distantes elementos reguladores que actúan en cis, la cromatina, el corte y empalme alternativo, y más recientemente, los miRNA. Pero es cierto que el control de la expresión génica diferencial es fundamental en el control genético del desarrollo.
Este capítulo ha presentado una visión general de la lógica y los mecanismos de control de la expresión génica en el desarrollo en unas cuantas especies modelo. Nos hemos concentrado en el juego de herramientas genéticas utilizadas por los animales en los procesos de desarrollo y en los mecanismos que controlan la organización de las principales características del plan corporal: el establecimiento de los ejes corporales, la segmentación y la identidad de los segmentos. Aunque solamente se han explorado un número modesto de mecanismos reguladores en profundidad, y solo en unas pocas especies, las similitudes en la lógica y los mecanismos reguladores nos permiten identificar algunas ideas generales respecto al control genético del desarrollo.
1. A pesar de las enormes diferencias en apariencia y anatomía, los animales disponen de un juego común de herramientas genéticas que dirigen el desarrollo. Estas herramientas genéticas constituyen una pequeña proporción de todos los genes del genoma, y muchos de estos genes herramienta son factores de transcripción o componentes de rutas de transducción de señales. Cada uno de los genes herramienta suele tener múltiples funciones y afectar al desarrollo de diferentes estructuras en diversas fases.
2. El desarrollo del embrión en crecimiento y de sus partes del cuerpo tiene lugar en una progresión ordenada espacial y temporalmente. Dentro del embrión se establecen dominios mediante la expresión de genes herramienta que marcan subdivisiones progresivamente más finas a lo largo de ambos ejes del embrión.
3. Los patrones de expresión restringidos espacialmente son el resultado de una regulación combinatoria. Cada patrón de expresión génica tiene una base causal previa. Los nuevos patrones se generan mediante los aportes combinatorios de los patrones precedentes. En los ejemplos presentados en este capítulo, la posición de las bandas de regla par y la restricción de la expresión génica reguladora de los apéndices a segmentos individuales requieren la integración de numerosos aportes de información reguladora positiva y negativa mediante elementos reguladores que actúan en cis.
La regulación postranscripcional a nivel del RNA añade otra capa de especificidad al control de la expresión génica. El corte y empalme alternativo del RNA y el control de la traducción mediante proteínas y miRNA también contribuyen al control espacial y temporal de los genes herramienta.
El control combinatorio es esencial tanto para la especificidad como para la diversidad de la expresión génica y de las funciones de los genes herramienta. Respecto a la especificidad, los mecanismos combinatorios proporcionan los medios para restringir la expresión génica a poblaciones discretas de células mediante el uso de aportaciones reguladoras que no son específicas de un tipo celular o tejido.
De este modo, la acción de las proteínas herramienta puede ser bastante específica en diferentes contextos. Respecto a la diversidad, los mecanismos combinatorios proporcionan una forma de generar una variedad virtualmente ilimitada de patrones de expresión génica.
4. La modularidad de los elementos reguladores que actúan en cis permite que la expresión y la función de los genes herramienta posea un control espacial y temporal independiente. Al igual que los operadores y los elementos UAS de los procariotas actúan como interruptores en el control fisiológico de la expresión génica, los elementos reguladores en cis de los genes herramienta actúan como interruptores en el control de la expresión génica en el desarrollo. La característica que distingue a los genes herramienta es la presencia h habitual de numerosos elementos reguladores en cis independientes que dirigen la expresión génica en diferentes dominios espaciales y en diversas fases del desarrollo. La regulación espacial y temporal independiente de la expresión génica permite que genes herramienta individuales tengan funciones distintas pero especificas en diferentes contextos. Siguiendo esta idea, no es adecuado ni exacto describir la función de un gen herramienta determinado únicamente en relación a la proteína (o miRNA) que codifica, porque la función del producto génico casi siempre depende del contexto en el que se expresa.

Capitulo 13: Genomas y Genómica (pg. 483)

El análisis genómico usa las aproximaciones del análisis genético y las aplica a la obtención de conjuntos de datos globales para cumplir con objetivos tales como la cartografía y la secuenciación de genomas enteros, así como para la caracterización de todos los transcritos y proteínas. Las técnicas genómicas requieren el procesado rápido de grandes conjuntos de material experimental, y por lo tanto son completamente dependientes de la automatización extensiva.
El principal problema en la compilación de la secuencia precisa de un genoma es relacionar lecturas cortas de secuencia entre ellas según la identidad de secuencia para elaborar una secuencia consenso de un genoma completo. Esto se puede llevar a cabo muy fácilmente en los genomas bacterianos o de las arqueobacterias, mediante el alineamiento de secuencias de diferentes lecturas de secuencia que se solapan para, finalmente, compilar el genoma entero, porque en estos organismos hay muy pocos o ningún segmento de DNA que esté presente en más de una copia. Sin embargo, los genomas complejos están repletos de secuencias repetitivas que interfieren con la producción de contigs de secuencia exacta. El problema se resuelve ya sea mediante la secuenciación aleatoria de genomas completos con el uso de lecturas de extremos apareados, o por secuenciación de clones ordenados, que trata a los elementos repetitivos dispersos como únicos en el contexto de un clon. A diferencia de la secuenciación WGS, la secuenciación clon a clon requiere la elaboración de un mapa físico de la distribución de los clones ordenados y orientados.
La elaboración del mapa de la secuencia genómica proporciona el texto bruto y encriptado del genoma. El objetivo de la bioinformática es la interpretación de esta información encriptada. Para el análisis de los productos génicos se usan técnicas computacionales para la identificación de marcos abiertos de lectura y de RNA no codificadores, y luego para la integración de estos resultados con evidencias experimentales disponibles de estructuras de transcritos (secuencias de cDNA), similitudes de proteínas y el conocimiento de motivos de secuencia característicos.
Uno de los métodos más importantes para avanzar en el análisis y la anotación de los genomas es la comparación de los genomas de especies relacionadas. La conservación de secuencias entre especies es una guía fiable para identificar secuencias funcionales en los organismos complejos de muchos animales y plantas. La genómica comparativa puede también desvelar como han cambiado los genomas durante el curso de la evolución y como estos cambios podrían relacionarse con diferencias en la fisiología, la anatomía o el comportamiento entre las especies. En la genómica bacteriana, comparaciones entre cepas patogénicas y no patogénicas han desvelado muchas diferencias en el contenido génico que podrían contribuir a la patogenicidad.
La genómica funcional trata de entender el funcionamiento del genoma como un sistema en su totalidad. Dos elementos clave son el transcriptoma, el conjunto de todos los transcritos producidos; y el interactoma, el conjunto de productos génicos y otras moléculas en interacción que conjuntamente permiten la producción y el funcionamiento de la célula. La función de genes individuales y productos génicos para los que no hay disponibles mutaciones clásicas pueden ser estudiados mediante la genética inversa, por mutación dirigida o fenocopiado.

Capitulo 14: El genoma dinámico: elementos transponibles (pg. 509)

Los elementos transponibles fueron descubiertos en el maíz por barbara McClintock como la causa de diversas mutaciones inestables.
Las secuencias de inserción bacterianas fueron los primeros elementos transponibles aislados a nivel molecular. Hay muchos tipos diferentes de elementos IS en las cepas de E.coli, y normalmente están presentes en un cierto número de copias. Los transposones compuestos contienen elementos IS flanqueando uno o más genes, como los genes que confieren resistencia a los antibióticos. Los transposones con genes de resistencia se pueden insertar dentro de plásmidos y entonces pueden ser transferidos por conjugación a bacterias no resistentes.
Existen dos grupos principales de elementos transponibles en los eucariotas: los elementos de clase I (retrotransposones) y los elementos de clase II (transposones de DNA). El elemento P fue el primer transposon de DNA de la clase II aislado molecularmente. Fue aislado a partir de mutaciones inestables en Drosophila inducidas por disgénesis hibrida. Los elementos P se han utilizado para desarrollar vectores para la introducción de DNA foráneo en las células germinales de Drosophila.
Ac, Ds y P son ejemplos de transposones de DNA, nombrados de este modo porque el intermediario en la transposición es el propio elemento de DNA. Los elementos autónomos como Ac codifican una transposasa que se une a los extremos de los elementos autónomos y no autónomos y cataliza la escisión del elemento del sitio donante, así como su reinserción en n nuevo sitio diana en alguna otra parte del genoma. Un ejemplo de elemento no autónomo es Ds, cuya transposición requiere la presencia en el genoma del elemento autónomo Ac.
Los retrotransposones fueron aislados a nivel molecular por primera vez en mutantes de levaduras, y su parecido con los retrovirus fue advertido inmediatamente, Los retrotransposones son elementos de clase I, como lo son todos los elementos transponibles que utilizan RNA como intermediario en la transposición.
Los elementos transponibles activos aislados en los organismos modelo como las levaduras, Drosophila, E.coli y el maíz constituyen una fracción muy pequeña de todos los elementos transponibles del genoma. La secuenciación de genomas completos, incluyendo el genoma humano, ha llevado al extraordinario hallazgo de que casi la mitad del genoma humano deriva de elementos transponibles.

Capitulo 15: Mutación, reparación y recombinación (pg. 550)

Los cambios en el DNA de un gen (mutaciones puntuales) generalmente suponen uno o unos pocos pares de bases. Las sustituciones de un único par de bases pueden crear codones sin sentido o de cambio de sentido (de terminación de la transcripción). Una purina reemplazada por otra purina (o pirimidina por pirimidina) es una transición. Una purina reemplazada por una pirimidina (o viceversa) es una transversión. Las adiciones o deleciones de un único par de bases producen mutaciones de cambio de fase. Algunos genes humanos que contienen repeticiones, de trinuleótidos (sobre todo los que se expresan en el tejido neural) mutan debido a la expansión de estas repeticiones, y de esta manera pueden causar enfermedades. La formación de monoaminoácidos repetidos en el polipéptido cifrado por estos genes es la responsable de los fenotipos mutantes.
Las mutaciones pueden producirse espontáneamente como subproductos de procesos celulares normales, como la replicación del DNA o el metabolismo, o pueden ser inducidas por radiaciones mutagénicas o sustancias químicas. Debido a su especificidad química, los mutágenos a menudo causan un tipo de cambio específico. Por ejemplo, algunos producen exclusivamente transiciones C·G A·T, otros exclusivamente desplazamientos del marco.
Aunque las mutaciones sean necesarias para generar diversidad, muchas están asociadas a enfermedades geneticas hereditarias, como el xeroderma pigmentosum. Además, las mutaciones que se producen en células somáticas son el origen de muchos canceres humanos. Se han desarrollado muchas rutas biológicas para corregir el amplio espectro de mutaciones espontaneas e inducidas. Algunas rutas como la reparación por escisión de base o nucleótido, o la reparación de emparejamientos erroneos, utilizan la información inherente a la complementariedad de bases para realizar una reparación libre de error. Otras rutas que usan la polimerasa de bypass para corregir las bases dañadas introducen errores en la secuencia de DNA.
La corrección de las roturas de doble cadena es particularmente importante porque estas lesiones pueden llevar a la desestabilización de las reordenaciones cromosómicas. La ruta de unión de extremos no-homólogos vuelve a ligar los extremos rotos de manera que la detención de la horquilla de replicación no provoque la muerte celular. En las células que se están replicando, la reparación libre de error de las roturas de doble cadena puede hacerse mediante la ruta del templado de cadena dependiente de la síntesis, que utiliza la cromátida hermana para reparar la rotura.
Cientos de roturas de doble cadena programadas inician el entrecruzamiento meiótico entre cromátidas no hermanas. Como las otras roturas de doble cadena, las roturas meióticas deben ser procesadas rápida y eficazmente para evitar graves consecuencias como la muerte celular y el cáncer. La forma en la que esta reparación se lleva a cabo es aun objeto de investigación. Un modelo actual, estudiado a partir de la segregación en la formación de esporas fúngicas, propone el uso de las cromátidas no hermanas del cromosoma homologo como molde para reparar las roturas. Según este modelo, muchas de las roturas dan lugar a productos sin entrecruzamiento y son probablemente resueltos mediante un mecanismo parecido al SDSA. Sin embargo, las roturas críticas en la formación de quiasmas dan lugar a entrecruzamientos tras la formación y consiguiente resolución de la doble unión o estructura de Holliday.

Capitulo 16: Cambios cromosómicos a gran escala (pg. 589)

La poliploidía es una condición anormal en la que hay un mayor número de complementos cromosómicos que el número normal. Los poliploides como los triploides (3n) y los tetraploides (4n) son comunes entre las plantas, y también se encuentran representados en los animales. Los organismos con un número impar de complementos cromosómicos son estériles porque no todos los cromosomas tienen su pareja en la meiosis. Los cromosomas desapareados se dirigen al azar a los polos de la célula durante la meiosis, llevando a complementos cromosómicos desequilibrados en los gametos resultantes. Los gametos desequilibrados no producen descendencia viable. En los poliploides con un número par de complementos, cada cromosoma tiene una pareja potencial, y así pueden producir gametos equilibrados y una progenie fértil. La poliploidía puede producir un organismo de mayores dimensiones; este descubrimiento ha permitido importantes avances en la horticultura y en los cultivos de cereales.
En las plantas, los alopoliploides, que son poliploides formados por la combinación de diferentes complementos cromosómicos de distintas especies, pueden obtenerse cruzando dos especies relacionadas y luego duplicando los cromosomas en la progenie a través del uso de la colchicina o mediante el método de la fusión de células somáticas. Estas técnicas tienen potenciales aplicaciones para los agrónomos, ya que los alopoliploides combinan las características de las dos especies parentales:
Cuando algún accidente celular cambia cualquier parte del complemento cromosómico, se generan los aneuploides. La aneuploidía en si misma da lugar a un genotipo desequilibrado con un fenotipo anormal. Los ejemplos de aneuploides incluyen a los monosomicos (2n-1) y los trisómicos (2n+1). El síndrome de Down (trisomía del par 21), el síndrome de Klinefelter (XXY) y el síndrome de Turner (XO) son ejemplos bien documentados de condiciones aneuploides en los humanos. El nivel espontaneo de aneuploidias en humanos es bastante alto y explica una gran proporción de enfermedades genéticas en las poblaciones humanas. El fenotipo de un organismo aneuploide depende mucho del cromosoma particular que se halle afectado. En algunos casos, tales como la trisomía del par 21, hay una constelación de fenotipos asociados muy característicos.
El mayor número de casos de aneuploidias surgen de una segregación anómala accidental de los cromosomas durante la meiosis (no disyunción). El error es espontaneo y puede producirse en cualquier meiocito, tanto de la primera como de la segunda división. En los humanos existe un efecto de la edad materna sobre la no disyunción del cromosoma 21, lo que lleva a una alta incidencia del síndrome de Down en niños de madres de edad avanzada.
La otra categoría general de mutaciones cromosómicas comprende las reordenaciones estructurales, que incluyen deleciones, duplicaciones, inversiones y traslocaciones. Estos cambios resultan tanto de la rotura y la reunión incorrecta como del entrecruzamiento entre elementos repetitivos (recombinación homologa no alélica). Las reordenaciones cromosómicas son una causa importante de enfermedad en las poblaciones humanas, y son una herramienta muy útil para la generación de cepas especiales de organismos para la genética experimental y aplicada. En los organismos que llevan un complemento cromosómico normal y otro reordenado (reordenaciones heterocigóticas), hay unas estructuras inusuales en la meiosis que son consecuencia de la gran afinidad hacia el apareamiento entre las regiones cromosómicas homologas. Por ejemplo, los heterocigotos para una inversión muestran bucles, y los heterocigotos para translocaciones muestran estructuras cruciformes. La segregación de estas estructuras da lugar a productos meióticos anormales debido a las reordenaciones. Una deleción es la perdida de una sección del cromosoma, que puede ser ocasionada tanto por la rotura de un fragmento seguida de su pérdida como por la segregación de una translocación o una inversión heterocigótica. Si la región removida en la deleción es esencial para la vida, la deleción en estado homocigótico es letal. La deleción en estado heterocigótico también puede ser letal debido al desequilibrio génico, o bien causa de la expresión de alelos recesivos por la pérdida de una región cromosómica; este fenómeno se denomina pseudodominancia.
Las duplicaciones generalmente se producen a partir de otras reordenaciones o por un entrecruzamiento aberrante. También se produce un desequilibrio del material genético, lo que conduce a efectos deletéreos en el fenotipo o a la muerte del organismo. Sin embargo, las duplicaciones pueden ser una fuente de nuevo material para la evolución, porque la función puede mantenerse en una copia, y la otra copia puede adquirir nuevas funciones.
Una inversión se debe a que un fragmento cromosómico da un giro de 180º. En estado homocigótico, las inversiones pueden causar pocos problemas para un organismo, a menos que la heterocromatina circundante produzca un efecto de posición o que una de las roturas interrumpa un gen. Por otro lado, los heterocigotos para una inversión muestran bucles en la meiosis, y si ocurre un entrecruzamiento dentro del bucle, se producen gametos inviables. Los productos del entrecruzamiento en una inversión pericéntrica, que abarca el centrómero, difieren de los productos de una inversión paracéntrica, que no involucra el centrómero. Ambos tipos de inversiones reducen la frecuencia de recombinación en la región afectada y a menudo dan lugar a una fertilidad disminuida.
Una translocación mueve un segmento cromosómico a otra posición del genoma. Un ejemplo simple es una translocación reciproca, en la que cromosomas no homólogos intercambian partes. En estado heterocigótico, las translocaciones provocan deleciones y duplicaciones en los productos meióticos, lo que puede dar lugar a cigotos desequilibrados. Las translocaciones pueden dar lugar a cigotos desequilibrados. Las translocaciones pueden originar nuevas relaciones de ligamiento entre los genes. La segregación al azar de los centrómeros en los heterocigotos ara la translocación provoca un 50% de productos meióticos desequilibrados, y de esta forma un 50% de esterilidad (semiesterilidad).

Capitulo 17: Genética de Poblaciones (pg. 633)

El estudio de los cambios dentro de una población, o genética de poblaciones, relaciona los cambios heredables en las poblaciones u organismos al proceso individual subyacente de la herencia y el desarrollo. La genética de poblaciones consiste en el estudio de la variación heredada y su modificación en el tiempo y en el espacio.
La variación genética identificable dentro de una población puede ser estudiada examinando las diferencias en aminoácidos específicos de las secuencias de proteínas o también, mas recientemente, mediante el análisis de las diferencias en las secuencias de nucleótidos en el DNA. Este tipo de observaciones nos ha mostrado que dentro de una población hay un polimorfismo considerable en muchos loci. Una medida de esta variación es la cantidad de heterocigosidad en una población. Típicamente, una población es polimórfica en el 25-33% de sus genes que codifican el 10% de esos loci. Dos seres humanos cualesquiera difieren aproximadamente en 3 millones de nucleótidos. En general, los estudios de poblaciones han demostrado que las diferencias genéticas entre individuos humanos dentro de las razas son mayores que las diferencias entre razas.
La fuente última de toda variación es la mutación. Sin embargo, dentro de una población, la frecuencia cuantitativa de genotipos específicos puede ser cambiada por la recombinación, la inmigración de genes, los sucesos mutacionales repetidos, y el azar.
Una propiedad de la segregación mendeliana es que el apareamiento aleatorio da lugar a una distribución de equilibrio de los genotipos después de una generación. Sin embargo, si hay consanguinidad, la variación genética dentro de una población se convierte en diferencias entre poblaciones al hacer homocigóticas a cada una de las poblaciones por separado para un alelo aleatoriamente seleccionado. Por otro lado, para la mayoría de las poblaciones se alcanza un equilibrio entre la consanguinidad, la mutación de un alelo a otro, y la inmigración.
Un alelo puede incrementar o disminuir su frecuencia en una población debido a la selección natural de genotipos con mayores probabilidades de supervivencia y reproducción. En muchos casos, tales cambios llevan a la homocigosidad en un locus particular. Por otro lado, el heterocigoto puede ser más eficaz que ambos homocigotos, obteniéndose un polimorfismo equilibrado.
En general, la variación genética es el resultado de la interacción de fuerzas. Por ejemplo, un mutante deletéreo puede que nunca sea eliminado totalmente, debido a que la mutación continuara reintroduciéndolo en la población. La migración puede también reintroducir alelos que ya habían sido eliminados por la selección natural.
A menos que los alelos alternativos se encuentren en frecuencias intermedias, la selección (especialmente contra los recesivos) es muy lenta, requiriendo muchas generaciones. En numerosas poblaciones, especialmente en las de tamaño pequeño, mutaciones nuevas pueden establecerse aunque no sean favorecidas por la selección natural o pueden ser eliminadas aunque sean favorables, simplemente debido a un proceso de deriva genética aleatoria.

Capitulo 18: Genética cuantitativa (pg. 674)

Muchos, quizá la mayoría, de los rasgos distinguibles en los organismos varían de forma continua. En muchos casos, la variación del rasgo se debe a la segregación de más de un locus. Cada uno de estos loci puede contribuir por igual a un fenotipo particular, pero es más probable que lo hagan de forma desigual. En estos casos, las medidas de los fenotipos y la determinación de las contribuciones de alelos específicos a la distribución fenotípica deben hacerse mediante métodos estadísticos. Algunas de esas variaciones fenotípicas (como la altura de algunas plantas) pueden exhibir una distribución normal o gaussiana en torno a un valor medio; otras (como el peso de la semilla de ciertas plantas) mostraran una distribución sesgada en torno al valor medio.
Un carácter cuantitativo es aquel para el que las diferencias fenotípicas medias entre genotipos son pequeñas comparadas con la variación entre individuos del mismo genotipo. Esta situación puede darse incluso en caracteres influidos por alelos de un único locus. La distribución ambiental se refleja biológicamente en una distribución de fenotipos. La transformación de la distribución ambiental en la distribución fenotípica viene determinada por la norma de reacción. Las normas de reacción pueden estudiarse en organismos en los que puede obtenerse un gran número de individuos genéticamente idénticos. Los rasgos son familiares si, por cualquier razón, son comunes a los miembros de una misma familia. Los rasgos son hereditarios, en cambio, solo si la semejanza nace de compartir genotipos comunes. En los organismos experimentales, las similitudes ambientales pueden distinguirse fácilmente de las semejanzas genéticas, o heredabilidad. En los seres humanos, sin embargo, es muy difícil determinar si un rasgo particular es heredable. Los estudios sobre normas de reacción solo muestran pequeñas diferencias entre genotipos, y estas diferencias no son consistentes en un amplio abanico de ambientes. Por tanto, puede resultar que los genotipos “superiores” de animales domésticos y plantas cultivadas solo lo sean en ciertos ambientes. Si resultara que los seres humanos presentan cierta variación genética para diversos rasgos mentales y emocionales, es imposible que esta variación favoreciese a un genotipo sobre los demás en toda la diversidad de ambientes.
El intento de cuantificar la influencia de los genes sobre un rasgo particular ha conducido a la determinación de la heredabilidad en sentido amplio (H2). En general, la heredabilidad de un rasgo es diferente en cada población y en cada conjunto de ambientes, y no puede extrapolarse de una población a otra, ni de un conjunto de condiciones ambientales a otro. Como H2 solo caracteriza a las poblaciones actuales en los ambientes actuales, carece por completo de valor como instrumento predictivo. La heredabilidad en sentido estricto (h2) mide la proporción de la variación fenotípica que resulta de sustituir un alelo por otro. Esta magnitud, si es grande, predice que la selección para un rasgo tendrá éxito rápidamente. Si h2 es pequeña, se requieren formas especiales de selección.
Mediante el uso de cromosomas genéticamente marcados, es posible determinar las contribuciones relativas de diferentes cromosomas a la variación de un rasgo cuantitativo, observar fenómenos de dominancia y epistasia en cromosomas enteros y, en algunos casos, cartografiar los genes en segregación que afectan a cierto rasgo.

Capitulo 19: Genética evolutiva (p. 710)

La teoría darwiniana de la evolución explica los cambios que se dan en las poblaciones de organismos como resultado de los cambios que se producen en las frecuencias relativas de las diferentes variantes de la población. Si en alguna característica no hay variación dentro de las especies, no puede haber evolución. Además, la variación debe estar influida por las diferencias genéticas. Si las diferencias no son heredables, no pueden evolucionar, porque la reproducción diferencial de las distintas variantes no se transmitirá entre las líneas generacionales. Por tanto, todas las reconstrucciones evolutivas hipotéticas dependerán necesariamente de si el carácter en cuestión es heredable. Los procesos que generan la variación en la población son independientes de los procesos responsables de la reproducción diferencial de los distintos tipos. Se hace referencia a esta independencia cuando se dice que las mutaciones ocurren al “azar”. El proceso de mutación suministra variación sin ninguna finalidad concreta, mientras que el proceso de la selección filtra esta variación, aumentando la frecuencia de aquellas variantes que por casualidad están más favorecidas para sobrevivir y reproducirse. Muchos son los llamados, pero pocos los elegidos.
La divergencia evolutiva de las poblaciones en el espacio y en el tiempo no es solo una consecuencia de la selección natural. La selección natural no es un proceso optimizador de carácter general que logra el “mejor” organismo para un medio ambiente concreto. Por el contrario, obtiene una solución de entre una serie de “buenas” soluciones alternativas frente a los problemas adaptativos- El resultado concreto de la evolución por selección en un caso particular es fruto de acontecimientos históricos casuales. Los factores aleatorios, como la deriva genética o la aparición o perdida de nuevas mutaciones al azar, pueden producir resultados completamente distintos en un mismo proceso evolutivo, incluso aunque la intensidad de la selección natural sea la misma. La metáfora que se emplea habitualmente es la de un “paisaje adaptativo” de combinaciones genéticas en el que la selección natural dirige a la población hacia un “pico” adaptativo en tal paisaje, pero solo a uno de los diversos picos alternativos que hay en el paisaje.
No toda la evolución está impulsada por las fuerzas selectivas de la naturaleza. SI la diferencia selectiva entre dos variantes genéticas es lo suficientemente pequeña, menor de la inversa del tamaño de la población, se puede producir la sustitución de un alelo por otro nuevo exclusivamente por acción de la deriva genética aleatoria. La sustitución de una secuencia proteica por otra diferente pero de función equivalente parece dar cuenta de una gran parte de la evolución molecular. La prueba de esta evolución neutra es que el numero de aminoácidos diferentes en la misma molécula -por ejemplo. La hemoglobina- en dos especies diferentes es directamente proporcional al número de generaciones que han transcurrido desde que ambas especies se separaron a partir de un antepasado común. UN “reloj molecular” así, con una tasa de cambio constante, no sería posible si la selección de las diferencias dependiera de cambios concretos en el medio ambiente. Además, es de esperar que dicho reloj corra más deprisa para proteínas como los fibrinopéptidos, en las que la composición aminoacídica no es esencial para su función, y de hecho se observan este tipo de diferencias en el ritmo de avance del reloj molecular. Por tanto, no podemos asegurar, si carecemos de pruebas, que los cambios evolutivos sean resultado de una selección natural adaptativa.
Puesto que gran parte de la evolución de secuencias es efectivamente neutra, no existe una relación simple entre la cantidad de cambio en la secuencia de DNA de los genes y la cantidad de cambio, si lo hay, en la función de las proteínas codificadas. Algunas funciones proteicas pueden cambiar a consecuencia de una sustitución en un único aminoácido, mientras que otras requieren una serie de sustituciones. El efecto pleiotrópico de las mutaciones constituye una importante restricción sobre la eolucion de la secuencia codificadora. Si una proteína sirve para funciones múltiples en diferentes tejidos, las mutaciones en la secuencia codificadora pueden afectar a todas las funciones, y por lo tanto tienen consecuencias negativas para la eficacia biológica. El potencial efecto pleiotrópico de las mutaciones en las regiones codificadoras puede ser evitado mediante mutaciones en elementos reguladores no codificadores que pueden cambiar selectivamente la expresión del gen solo en un tejido o una parte del cuerpo y no en otras. La evolución de la secuencia reguladora que actúa en cis es crucial en la evolución de los caracteres morfológicos y la expresión de los genes herramienta que controlan el desarrollo.
A menudo surgen nuevas funciones gracias a la evolución de genes duplicados. Este DNA nuevo puede surgir por duplicación del genoma completo (poliploidía) seguido de una lenta divergencia evolutiva del complemento cromosómico extra. Esto ha ocurrido frecuentemente en el mundo vegetal. Una alternativa es la duplicación de genes individuales seguida de selección y diferenciación. Otra fuente adicional de DNA, descubierta recientemente, es la entrada en el genoma de DNA procedente de organismos filogenéticamente alejados mediante una infección y posterior integración del DNA foráneo en el genoma nuclear, o por la formación de orgánulos extranucleares con sus propios genomas. Los cloroplastos y las mitocondrias de los organismos superiores han surgido de esta forma.
La gran diversidad de formas de vida distintas que han existido es consecuencia de historias evolutivas independientes que han tenido lugar en poblaciones separadas. Para que distintas poblaciones diverjan unas de otras no deben intercambiar genes; por tanto la evolución independiente de un gran número de especies requiere que esas especies estén reproductoramente aisladas. De hecho, definimos una especie como una población de organismos que intercambian genes en su seno, pero que se encuentra reproductoramente aislada con respecto a otras poblaciones. Los mecanismos de aislamiento reproductivo pueden ser precgóticos o postcigóticos. Los mecanismos de aislamiento precigóticos son los que impiden la unión de los gametos de dos especies. Estos mecanismos se pueden basar en incompatibilidades de conducta entre los machos y las hembras de las distintas especies, diferencias en el periodo o el lugar de la actividad sexual, diferencias mecánicas que impiden el apareamiento, o incompatibilidades fisiológicas de los propios gametos. Entre los mecanismos de aislamiento postcigótico se incluyen la incapacidad del hibrido para desarrollarse hasta la etapa adulta, y la depresión de las generaciones posteriores de genotipos recombinantes. Las diferencias genéticas responsables del aislamiento reproductivo entre especies estrechamente relacionadas se encuentran, en su mayoría, distribuidas uniformemente por todo el genoma, aunque en especies con determinación cromosómica del sexo puede haber una mayor concentración de genes de incompatibilidad en el cromosoma sexual.
En resumen, la evolución genética es un proceso histórico sujeto a circunstancias históricas y al azar, pero restringido por la necesidad de los organismos de sobrevivir y reproducirse en un mundo en constante cambio.

Capitulo 20: Aislamiento y manipulación de genes (pg. 753)

El DNA recombinante se construye cortando el DNA donante en fragmentos que se unen a un vector de DNA. Este vector de DNA es frecuentemente un plásmido bacteriano o DNA viral. El DNA donante y el DNA del vector se cortan con la misma endonucleasa de restricción en secuencias especificas y se unen en un tubo para formar enlaces covalentes fosfodiéster, creando un esqueleto azúcar-fosfato intacto para cada cadena de DNA.
La construcción formada por el DNA donante y del vector se amplifica dentro de células hospedadoras engañando a la maquinaria básica de replicación de la célula para que replique las moléculas recombinantes. Así pues, el vector debe contener todas las señales necesarias para su correcta replicación y segregación en la célula hospedadora. En los sistemas basados en plásmidos, el vector debe incluir un origen de replicación y marcadores seleccionables que confieran, por ejemplo, resistencia a fármacos y puedan ser utilizados para asegurar que el plásmido no se pierde en la célula hospedadora. En los bacteriófagos, el vector debe incluir todas las secuencias necesarias para llevar al bacteriófago (y al DNA foráneo asociado) a través del ciclo de crecimiento lítico. El resultado de la amplificación son múltiples copias de cada construcción de DNA recombinante denominadas clones.
A menudo, la búsqueda de un clon específico requiere el rastreo de una genoteca genómica completa. Una genoteca genómica es un conjunto de clones, empaquetados en el mismo vector, que en total representan todas las regiones del genoma del organismo en cuestión. El número de clones que constituyen una genoteca genómica depende de (1) el tamaño del genoma en cuestión y (2) del tamaño del inserto tolerado por el vector de clonación utilizado. Del mismo modo, una genoteca de cDNA es una representación del conjunto total de mRNA producidos por un determinado tejido o etapa del desarrollo en un organismo concreto. La comparación de una región genómica y su cDNA puede servir para conocer las posiciones del inicio y stop de la transcripción y los límites entre intrones y exones.
Las sondas marcadas de DNA o RNA de cadena simple actúan como un “cebo” para pescar secuencias similares o idénticas en mezclas complejas de moléculas, tanto en genotecas genómicas o de cDNA como en transferencias de Southern o Northern. El principio general de la técnica para identificar clones o fragmentos de DNA en un gel es crear una “imagen” de las colonias o calvas de un cultivo en una placa de Petri, o de los ácidos nucléicos que se han separado en la matriz de un gel mediante la aplicación de un campo eléctrico. El DNA o RNA entonces se desnaturaliza y se mezcla con una sonda también desnaturalizada y marcada radiactivamente o con un fluorocromo. Después de lavar la sonda que no se ha unido, se detecta la localización de la sonda mediante observación de la fluorescencia o, si es radiactiva, por la exposición de la muestra a una película de rayos X. Las localizaciones de la sonda corresponden a las posiciones del DNA o RNA pertinente en la placa de Petri o el gel de electroforesis originales.
La reacción en cadena de la polimerasa es un método potente para la amplificación directa de una secuencia relativamente pequeña de DNA a partir de una mezcla compleja de DNA, sin la necesidad de una celula hospedadora ni de demasiado material de partida. La clave es tener cebadores que sean complementarios a las regiones flanqueantes en cada una de las dos cadenas de DNA. Estas regiones actúan como puntos de inicio para la polimerización. Múltiples rondas de desnaturalización, unión de los cebadores y polimerización permiten amplificar la secuencia de interés de forma exponencial.
Los vastos recursos genómicos posibilitan cada vez mas el aislamiento de genes tan solo a partir del conocimiento de su posición en un mapa genético. El proceso global es una estrategia genética directa denominada clonación posicional. Tanto mutantes como variantes naturales se han utilizado como punto de partida en el descubrimiento de genes. Con la secuenciación del genoma humano y la disponibilidad de familias con desordenes heredados, las estrategias de clonación posicional han llevado al aislamiento de genes que cuando están mutados producen enfermedades humanas, como la fibrosis quística. Las estrategias de clonación posicional también se han utilizado para aislar muchos otros genes, por ejemplo, los genes seleccionados durante la domesticación de plantas de cultivo como el maíz.
Los trasgenes son moléculas de DNA manipuladas que son introducidas y expresadas en células eucarióticos. Pueden utilizarse para crear una nueva mutación o para estudiar las secuencias reguladoras que forman parte de un gen. Los transgenes pueden introducirse como moléculas extracromosómicas o pueden integrarse en un cromosoma, tanto en posiciones aleatorias (ectópicas) como en el lugar del gen homologo, según el sistema. Normalmente, los mecanismos utilizados para introducir un transgén dependen del conocimiento y la explotación de la biología reproductora del organismo.
La terapia génica supone la extensión de la tecnología transgénica aplicada al tratamiento de enfermedades humanas. Para corregir la enfermedad, la terapia génica en células somáticas intenta introducir en tejidos somáticos específicos un transgén que o bien sustituye al alelo mutante o suprime el fenotipo mutante. La terapia génica en la línea germinal intenta introducir un transgén en la línea germinal que corrija el defecto mutante o lo evite.