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Capítulo 1
La Historia y
Impacto de la genética
En medicina
Presentar la verdad histórica es al menos tan desafiante como la búsqueda de la verdad científica y nuestra visión de los esfuerzos humanos a lo largo de las edades está fuertemente sesgada a favor de los ganadores, aquellos que han conquistado en campos de batalla militares, políticos o, de hecho, científicos. La historia de la genética en relación con la medicina es una de descubrimientos asombrosos del que los pacientes y las familias se han beneficiado enormemente, pero el éxito se medirá por el progreso continuo en traducir los descubrimientos tanto en el tratamiento como en la prevención de enfermedades, y tenemos el privilegio de presenciar tales desarrollos. al comienzo de lo que promete ser una era dramática y emocionante. Pero siempre es inspirador mirar atrás con asombro a lo que nuestros antepasados lograron con recursos escasos y pura determinación, a veces ayudados por la casualidad para sentar las bases de esta ciencia dinámica. Un enfoque holístico de la ciencia se puede comparar con conducir un automóvil: sin sus ojos en la carretera, chocará y no avanzará; sin embargo, también es esencial revisar los espejos retrovisores y laterales con regularidad.
Es solo un pequeño truco, pero hay una larga historia
relacionada con él que necesitaría
demasiado tiempo para contarlo. GREGOR MENDEL, EN CONVERSACIÓN CON CW EICHLING
No ha pasado inadvertido que el El emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia para el
material genético.
WATSON & CRICK (ABRIL DE 1953)
Huesos humanos fosilizados en Etiopía, sugieren que el hombre deambulaba por África oriental hace aproximadamente 200.000 años. Es razonable suponer que nuestros primeros antepasados sentían tanta curiosidad como nosotros por los asuntos de la herencia y, al igual que hoy, habrían experimentado el nacimiento de bebés con todo tipo de defectos físicos. Los grabados de Caldea en Babilonia (actual Irak) que datan de al menos 6000 años muestran genealogías que documentan la transmisión de ciertas características de la crin del caballo. Sin embargo, cualquier intento inicial de desentrañar los misterios de la genética se habría visto gravemente obstaculizado por una falta total de conocimiento y comprensión de procesos básicos como la concepción y la reproducción.
Los primeros filósofos y médicos griegos como Aristóteles e Hipócrates
concluyeron, no sin algunos prejuicios, que las características humanas
importantes estaban determinadas por el semen, utilizando la sangre menstrual
como medio de cultivo y el útero como incubadora. Se pensaba que el semen era
producido por todo el cuerpo; por tanto, los padres calvos engendrarían hijos
calvos. Estas ideas prevalecieron hasta el siglo XVII, cuando científicos
holandeses como Leeuwenhoek y de Graaf reconocieron la existencia de
espermatozoides y óvulos, lo que explica cómo la hembra también podía transmitir
características a su descendencia.
La floreciente revolución científica de los siglos XVIII y XIX vio un
resurgimiento del interés por la herencia por parte de científicos y médicos, entre
los que destacan dos nombres. Pierre de Maupertuis, un naturalista francés,
estudió rasgos hereditarios como los dígitos adicionales (polidactilia) y la falta de
pigmentación (albi nismo), y demostró a partir de estudios genealógicos que estas
dos condiciones se heredaban de diferentes formas. Joseph Adams (1756-1818),
un médico británico, también reconoció que existían diferentes mecanismos de
herencia y publicóTratado sobre las supuestas propiedades hereditarias de las
enfermedades, que estaba destinado a servir de base para el asesoramiento
genético. También es digno de mención el médico inglés Edward Meryon
(1809-1880), quien en 1851 fue el primero en proporcionar un estudio clínico
patológico sistemático de tres niños con el trastorno muscular.
Gregor Mendel y las leyes de la
herencia
Comienzos tempranos
Los avances en genética durante el siglo XX han sido realmente espectaculares. En 1900, los principios de Mendel esperaban redescubrirse, los cromosomas apenas eran visibles y la ciencia de la genética molecular no existía. Mientras escribimos esto en 2016, la secuencia publicada de todo el genoma humano (2004) ya se siente como un pedazo de historia, los cromosomas pueden analizarse rápidamente a un nivel extraordinario de sofisticación mediante técnicas de microarreglos, y la secuenciación de próxima generación está transformando genes descubrimiento y pruebas genéticas en un entorno clínico. El número de fenotipos con una base molecular conocida es casi de 5500 y el número de genes con un fenotipo que causa una mutación es de casi 3400.
La genética es relevante e importante para casi todas las disciplinas médicas. Los descubrimientos recientes inciden no solo en enfermedades y síndromes genéticos raros, sino también en muchos de los trastornos comunes de la vida adulta que pueden estar predispuestos por la variación genética, como las enfermedades cardiovasculares, las enfermedades psiquiátricas y el cáncer, sin mencionar las influencias sobre la obesidad, el atletismo. interpretación, habilidad musical, longevidad y una serie de variaciones y tolerancias fisiológicas. Claramente, una base fundamental en genética debería ser parte de cualquier plan de estudios de medicina de pregrado.
Comenzamos con una descripción general de algunos de los hitos más notables en la historia de la genética y la genética médica, seguido de una revisión del impacto general de los factores genéticos en la causa de la enfermedad. Finalmente, mencionamos algunas novedades de gran importancia.
No se sabe con precisión cuandoHomo sapiens apareció por primera vez en este planeta, pero las estimaciones actuales, basadas en el hallazgo de 1
2 La historia y el impacto de la genética en la medicina
Primera cruz filial Pura raza Alto
Pura raza Corto
TT tt
F1 T t T t T t T t
Alto
Segunda cruz filial Híbrido Alto
Híbrido Alto
T t T t
F2 TT T t t T tt
Alto Corto FIGURA 1.2 Una ilustración de uno de los experimentos de reproducción de Mendel y cómo interpretó correctamente los resultados. FIGURA 1.1 Gregor Mendel. (Reproducido con permiso de BMJ Books.)
más tarde atribuido epónimamente al francés Guillaume Duchenne (1806–1875),
quien describió una serie más grande en 1868.
La era científica moderna realmente comienza con el trabajo del monje austríaco Gregor Mendel (1822–1884; Figura 1.1 ) quien, en 1865, presentó los resultados de sus experimentos de mejoramiento en guisantes de jardín a la Sociedad de Historia Natural de Brünn en Bohemia (ahora Brno en la República Checa). Poco después, esa asociación publicó las observaciones de Mendel en las Transacciones de la Sociedad, donde permanecieron en gran parte desapercibidas hasta 1900, unos dieciséis años después de su muerte, cuando se reconoció por primera vez su importancia. En esencia, el trabajo de Mendel puede considerarse como el descubrimiento de genes y cómo se heredan. El termino gene fue acuñado por primera vez en 1909 por un bota nista danés, Johannsen, y se derivó del término 'pangen', introducido por De Vries. Este término era en sí mismo un derivado de la palabra 'pangénesis', acuñada por Darwin en 1868. En reconocimiento al trabajo fundacional de Mendel, el término mendeliano es ahora parte del vocabulario científico, aplicado tanto a los diferentes patrones de herencia como a los trastornos que se encuentran como resultado de defectos en un solo gen.
En sus experimentos de reproducción, Mendel estudió caracteres contrastantes en el guisante de jardín, utilizando para cada experimento variedades que diferían en una sola característica. Por ejemplo, señaló que cuando las cepas criadas para una característica como la altura se cruzaban con plantas criadas para ser bajas, todas las crías de la primera generación filial o F1 eran altas. Si las plantas de esta generación F1 se cruzaran, esto condujo a plantas altas y bajas en una proporción de 3: 1 ( Figura 1.2 ). Las características que se manifestaron en los híbridos F1 se denominaron dominante, mientras que los que reaparecieron en la generación F2 se describieron como
recesivo. En el nuevo análisis se ha sugerido que los resultados de Mendel eran "demasiado buenos para ser verdad" en el sentido de que las proporciones de segregación que derivó estaban sospechosamente más cerca del valor de 3: 1 de lo que predecirían las leyes de la estadística. Una posible explicación es que puede haber publicado solo los resultados que mejor coincidían con su hipótesis preconcebida de un solo gen. Cualquiera que sea el caso, los acontecimientos han demostrado que la interpretación de Mendel de sus resultados era totalmente correcta.
La propuesta de Mendel era que las características de la planta que se
estaban estudiando estuvieran controladas por un par de factores, uno de los
cuales se heredaba de cada padre. Las plantas de raza pura, con dos genes
idénticos, utilizadas en el cruce inicial ahora se denominarían homocigoto. Las
plantas híbridas F1, cada una de las cuales tiene un gen para la altura y otro para
la baja, se denominarían heterocigoto. Los genes responsables de estas
características contrastantes se denominan alelomorfos, o
alelos para abreviar. Un método alternativo para determinar genotipos en primavera implica la construcción de lo que se conoce como un cuadrado de Punnett ( Figura 1.3 ). Esto se usa más en Capítulo 7 al considerar cómo los genes se segregan en grandes poblaciones. Sobre la base de los experimentos con plantas de Mendel, se establecieron tres principios fundamentales. Estos se conocen como las leyes de uniformidad, segregación y surtido independiente.
Alto híbrido
Gametos
T t
T TT Tt
t tT tt
FIGURA 1.3 Un cuadro de Punnett que muestra las diferentes formas en que los genes pueden segregarse y combinarse en el segundo cruce filial de Figura 1.2. La construcción de un cuadrado de Punnett proporciona un método simple para mostrar las posibles combinaciones de gametos en diferentes apareamientos.
Alto híbrido^ Gametos
4 La historia y el impacto de la genética en la medicina
Estreptococo, Se dio cuenta de que las características de una cepa podían
conferirse a la otra por algo que llamó el
principio transformador. En 1944, en el Instituto Rockefeller de NuevaYork,
Oswald Avery, MaclynMcCarty y ColinMacLeod identificaron el ADN como
material genético mientras trabajaban en
Steotococos neumonia. Incluso entonces, muchos en la comunidad científica se
mostraron escépticos; El ADN era solo una molécula simple con muchas repeticiones de cuatro ácidos nucleicos, ¡muy aburrido! El genio de Watson y Crick, en Cambridge, fue dar con una estructura para el ADN, la elegante doble hélice, que explicaría la esencia misma de la reproducción biológica. Cruciales para su descubrimiento fueron las imágenes de cristalografía de rayos X capturadas por el técnico graduado Raymond Gosling, frecuentemente ignorado, que trabajaba bajo la supervisión de Maurice Wilkins y Rosalind Franklin en el laboratorio de John Randall en el King's College de Londres.
Esto fue simplemente el comienzo, porque fue necesario descubrir el proceso por el cual el ADN, en unidades discretas llamadas genes, emite instrucciones para el ensamblaje preciso de proteínas, los componentes básicos de los tejidos. La secuencia de bases en el ADN y la secuencia de aminoácidos en la proteína, la codigo genetico, se desentrañó en algunos experimentos bioquímicos elegantes en la década de 1960 y fue posible predecir el cambio de base en el ADN que condujo al cambio de aminoácidos en la proteína. Otros experimentos, en los que participaron Francis Crick, Paul Zamecnik y Mahlon Hoagland, identificaron el ARN de transferencia de moléculas (ARNt) ( pags. 15 ), que dirige las instrucciones genéticas a través de aminoácidos a los ribosomas intracelulares, donde se producen las cadenas de proteínas. La confirmación de estos descubrimientos llegó con los métodos de secuenciación de ADN y el advenimiento de las técnicas de ADN recombinante. Curiosamente, sin embargo, el primer rasgo genético que se caracterizó a nivel molecular ya había sido identificado en 1957 mediante la laboriosa secuenciación de las proteínas purificadas. Esta fue la anemia de células falciformes, en la que la mutación afecta la secuencia de aminoácidos de la proteína hemoglobina de la sangre.
Los orígenes de la genética médica
Además de los ya mencionados Pierre de Maupertuis y Joseph Adams, cuya
curiosidad despertó la polidactilia y el albinismo, hubo otros pioneros. John
Dalton, famoso por la teoría atómica, observó que algunas afecciones, en
particular el daltonismo y la hemofilia, muestran lo que ahora se conoce como
herencia sexual o ligada al X; El daltonismo todavía se conoce
ocasionalmente como daltonismo.
En 1900 resurgió la obra de Mendel. Sus artículos fueron citados casi simultáneamente por tres botánicos europeos, De Vries (Holanda), Correns (Alemania) y Von Tschermak (Austria), y esto marcó el verdadero comienzo de la genética médica, proporcionando un enorme ímpetu para el estudio de las enfermedades hereditarias. El crédito por el primer reconocimiento de un rasgo genético único es compartido por William Bateson y Archibald Garrod, quienes juntos propusieron que la alcaptonuria era un trastorno recesivo poco común. En esta condición relativamente benigna, la orina se oscurece al reposar o al exponerse a álcalis debido a la incapacidad del paciente para metabolizar el ácido homogentísico ( pags. 258 ). Los niños pequeños muestran decoloración de la piel en el área de la servilleta (pañal) y los adultos afectados pueden desarrollar artritis en las articulaciones grandes. Al darse cuenta de que se trataba de un trastorno hereditario que implicaba un proceso químico, Garrod acuñó el término error innato del metabolismo en 1908, aunque su trabajo fue ignorado en gran medida hasta mediados del siglo XX, cuando la electroforesis y la cromatografía revolucionaron la bioquímica. Actualmente se han identificado varios cientos de estos trastornos, dando lugar al campo de la genética bioquímica ver
Capítulo 18 ).
Durante el transcurso del siglo XX, gradualmente se hizo evidente que los factores hereditarios estaban implicados en muchas condiciones y que estaban implicados diferentes mecanismos genéticos. Tradicionalmente, las condiciones hereditarias se han considerado bajo los epígrafes de gen único, cromosómico, y multifactorial.
Cada vez es más evidente que la interacción de diferentes genes ( herencia
poligénica) es importante en la enfermedad, y que otra categoría: enfermedad
La mosca de la fruta genética somática adquirida^ —También debe incluirse.
Antes de volver a los desarrollos históricos de la genética humana, vale la pena hacer un breve desvío para considerar los méritos de una criatura poco probable que ha demostrado ser de gran valor en la investigación genética. La mosca de la frutaDrosophila, posee varias ventajas distintas para el estudio de la genética:
- Se puede criar fácilmente en un laboratorio.
2. Se reproduce rápida y prolíficamente a un ritmo de 20 a 25 generaciones
por año.
- Tiene una serie de características fácilmente reconocibles, como
alas rizadas y uncuerpo amarillo, que siguen la herencia mendeliana.
Drosophila melanogaster, la especie estudiada con más frecuencia, tiene solo cuatro pares de cromosomas, cada uno de los cuales tiene una apariencia distinta para que se puedan identificar fácilmente.
Los cromosomas de las glándulas salivales deDrosophila
las larvas se encuentran entre las más grandes conocidas en la naturaleza, siendo al menos 100 veces más grandes que las de otras células del cuerpo. En vista de estas propiedades únicas, las moscas de la fruta se utilizaron ampliamente en los primeros experimentos de reproducción, lo que contribuyó enormemente a la biología del desarrollo, donde el conocimiento de la homología genética en todo el reino animal ha permitido a los científicos identificar familias de genes que son importantes en la génesis del embrión humano (ver Capítulo 9 ). La secuenciación de los 180 millones de pares de bases delDrosophila melanogaster El genoma se completó a finales de 1999.
Trastornos de un solo gen
Además de la alcaptonuria, Garrod sugirió que el albinismo y la cistinuria también
podrían ser recesivos. Pronto siguieron otros ejemplos, lo que llevó a una
explosión en el conocimiento y la delineación de enfermedades. En 1966 se
habían identificado casi 1500 trastornos o rasgos de un solo gen, lo que provocó
la publicación de un médico estadounidense, Victor McKusick ( Figura 1.5 ), de un
catálogo de todas las enfermedades de un solo gen conocidas. En 1998, cuando
se publicó la 12ª edición del catálogo, contenía más de 8500 entradas. El
crecimiento del 'Catálogo de McKusick' fue exponencial y se convirtió en elHerencia
mendeliana en línea en el hombre ( OMIM) (ver Apéndice ) en 1987. En agosto de
2016, OMIM contenía más de 23,600 entradas.
Anormalidades cromosómicas Las técnicas mejoradas para estudiar los cromosomas llevaron a la demostración en 1959 de que la presencia de un cromosoma número 21 adicional (trisomía 21) da como resultado un síndrome de Down. Otros descubrimientos similares siguieron rápidamente —los síndromes de Klinefelter y Turner— también en 1959. La identificación de anomalías cromosómicas se vio favorecida por el desarrollo de técnicas de anillado en 1970 ( pags. 26 ). Estos permitieron la identificación confiable de los cromosomas individuales y ayudaron a confirmar que la pérdida o ganancia de incluso un segmento muy pequeño de un
La historia y el impacto de la genética en la medicina 5
La opinión predominante es que los genes en varios loci interactúan para generar susceptibilidad a los efectos de factores desencadenantes ambientales adversos. Investigaciones recientes han confirmado que muchos genes están involucrados en la mayoría de estos trastornos de aparición en adultos, aunque el progreso en la identificación de loci de susceptibilidad específicos ha sido decepcionantemente lento. También ha surgido que en algunas afecciones, como la diabetes mellitus tipo I, diferentes genes pueden ejercer efectos mayores o menores en la determinación de la susceptibilidad ( pags. 130 ). En general, multifactorial o poligénico Actualmente se sabe que las afecciones contribuyen de manera importante a las enfermedades crónicas en la vida adulta (ver
Capítulo 10 ).
Enfermedad genética somática adquirida
No todos los errores genéticos están presentes desde la concepción. Muchos miles de millones de leones de divisiones celulares ( mitosis) ocurren en el curso de una vida humana promedio. Durante cada mitosis, existe la oportunidad de que ocurran ambas mutaciones de un solo gen, debido a errores de copia del ADN, y de que surjan anomalías cromosómicas numéricas como resultado de errores en la separación cromosómica. Ahora se sabe que la acumulación de mutaciones somáticas y anomalías cromosómicas desempeña un papel importante en la causa del cáncer (véase Capítulo 14 ), y probablemente también expliquen la creciente incidencia con la edad de muchas otras enfermedades graves, así como el proceso de envejecimiento en sí. Por tanto, es necesario tener en cuenta que no todas las enfermedades de base genética son hereditarias.
Antes de considerar el impacto de las enfermedades hereditarias, es útil
introducir algunas definiciones.
FIGURA 1.5 Victor McKusick en 1994, cuyos estudios y catálogos han sido tan importantes para la genética médica.
cromosoma puede tener efectos devastadores en el desarrollo humano (ver Capítulo
Más tarde se demostró que varias condiciones raras que presentan dificultades de aprendizaje y características físicas anormales se deben a la pérdida de una cantidad tan pequeña de material cromosómico que no se puede detectar ninguna anormalidad ni siquiera con el microscopio óptico de mayor potencia. Estas condiciones se conocen como síndromes de microde leción ( pags. 245 ) y puede diagnosticarse mediante una técnica conocida como PESCADO (fluorescenteen el lugar hibridación),
que combina el análisis cromosómico convencional ( citogenética) con tecnología
de diagnóstico de ADN más nueva ( genética molecular) ( ver Capítulo 5 ). Hoy en
día, la técnica de microarrays
CGH (hibridación genómica comparativa) ha revolucionado la investigación clínica mediante la detección de sutiles desequilibrios genómicos ( pags. 54 ) y, cuando esté disponible, se convierta en la prueba de primera línea de elección.
Incidencia
La incidencia se refiere a la velocidad a la que ocurren nuevos casos. Por lo tanto, si la incidencia al nacer de una afección en particular es igual a 1 en 1000, entonces, en promedio, 1 de cada 1000 recién nacidos se ve afectado.
Predominio
Esto se refiere a la proporción de una población afectada en un momento dado. La prevalencia de una enfermedad genética suele ser menor que su incidencia al nacer, ya sea porque se reduce la esperanza de vida o porque la afección muestra una edad de aparición tardía.
Frecuencia
La frecuencia es un término general que carece de especificidad científica, aunque la palabra a menudo se toma como sinónimo de incidencia cuando se calculan las Trastornos multifactoriales 'frecuencias' de genes (ver Capítulo 7 ).
Francis Galton, primo de Charles Darwin, tenía un interés de larga data por las características humanas como la estatura, el físico y la inteligencia. Gran parte de su investigación se basó en el estudio de gemelos idénticos, en quienes se dio cuenta de que las diferencias en estos parámetros deben ser en gran parte el resultado de influencias ambientales. Galton introdujo a la genética el concepto de
coeficiente de regresion como medio para estimar el grado de semejanza entre varios parientes. Este concepto se amplió más tarde para incorporar el descubrimiento de genes de Mendel, para tratar de explicar cómo se podían determinar parámetros como la altura y el color de la piel mediante la interacción de muchos genes, cada uno ejerciendo un pequeño efecto aditivo. Esto contrasta con las características de un solo gen en las que la acción de un gen se ejerce de forma independiente, de forma no aditiva.
Este modelo de herencia cuantitativa ahora es ampliamente aceptado y se
ha adaptado para explicar el patrón de herencia observado para muchas
condiciones relativamente comunes (ver Capítulo 10 ). Estos incluyen
malformaciones congénitas, como labio leporino y paladar hendido, y afecciones
de aparición tardía, como hipertensión, diabetes mellitus y enfermedad de
Alzheimer. los
Congénito Congénito significa que una condición está presente al nacer. Por lo tanto, el paladar hendido representa un ejemplo de una afección congénita. malformación. No todos los trastornos genéticos son congénitos en términos de edad de aparición (p. Ej., Enfermedad de Huntington), ni todas las anomalías congénitas son de origen genético (p. Ej., Alteraciones fetales, como se analiza en
Capítulo 16 ).
Secuencia ADN La capacidad de buscar mutaciones en el ADN humano para identificar las causas de la enfermedad genética dependía claramente de poder secuenciar el ADN, lo que inicialmente fue muy laborioso. El primer método realmente práctico fue desarrollado por Walter Gilbert, con secuenciación basada en una escisión en bases específicas después de la modificación química del ADN. Pero fue Frederick Sanger's ( Figura
1,6 ) ingeniosa técnica (1975), basada en la terminación de la cadena de didesoxinucleótidos, que demostró ser eficiente, confiable y popular, entre otras cosas debido a su baja radiactividad. Estas técnicas formaron la base para embarcarse en el Proyecto Genoma Humano, aunque
La historia y el impacto de la genética en la medicina 7
Cuadro 1.1 Descubrimientos genéticos que han llevado a la concesión del Premio Nobel de Medicina o Fisiología o Química, 1962-
Año 1962
Ganadores del premio Francis Crick James Watson Maurice Wilkins François Jacob Jacques Monod André Lwoff Peyton Rous Robert Holley Gobind Khorana Marshall Nireberg Christian B. Anfisen Stanford Moore William H. Stein David Baltimore Renato Dulbecco Howard Temin Werner Arber Daniel Nathans Hamilton Smith Baruj Benacerraf Jean Dausset George Snell Paul Berg Walter Gilbert Frederick Sanger Barbara McClintock
Michael Brown Joseph Goldstein Susumu Tonegawa
Michael Bishop Harold Varmus Sidney Altman Thomas R. Cech Richard Roberts Phillip Sharp Kary B. Mullis Michael Smith
Descubrimiento La estructura molecular de ADN
Regulación genética
Año 1995
Ganadores del premio Edward Lewis Christiane Nüsslein-Volhard Eric Wieschaus Stanley Prusiner Günter Blobel
Arvid Carlsson Paul Greengard Eric Kandel Leland Hartwell Timothy Hunt Paul Nurse Sydney Brenner Robert Horritz John Sulston
Andrew fuego Craig Mello Roger D. Kornberg
Mario Capecchi Martin Evans Oliver Smithies Elizabeth Blackburn Carol Greider Jack Szostak
Venkatraman Ramakrishnan Thomas A. Steitz Ada E. Yonath Robert G. Edwards John B. Gurdon Shinya Yamanaka
Descubrimiento Homeotic y otros genes de desarrollo
Priones
Transducción de señales en el sistema nervioso
Reguladores del ciclo celular
Regulación genética en desarrollo y muerte celular programada (apoptosis) Interferencia de ARN (Medicamento) Transcripción eucariota (Química) Modificación genética mediante el uso de células madre embrionarias.
El papel de la telomerasa en la protección telómeros cromosómicos (Medicamento) Estructura y función del ribosoma. (Química) Fertilización in vitro Células maduras reprogramado para volverse pluripotente células (Medicina) Proteína G acoplada receptores (química)
Virus oncogénicos Descifrando el codigo genetico
Ribonucleasa
1975 Interacción entre virus tumorales y ADN nuclear 1978 Endonucleasas de restricción 2006
1980 Control genético de respuestas inmunológicas (Medicamento) Bioquímica de nucleicos ácidos (química)
Genes móviles (transposones) Receptores celulares en hipercolesterolemia familiar Aspectos genéticos de anticuerpos Estudio de oncogenes (Medicamento) Propiedades catalíticas de ARN (química) 'Genes divididos' (Medicina)
Química basada en ADN, incluyendo la invención de PCR (Química)
1993 Robert J. Lefkowitz Brian K. Kobilka
conocimiento en reconocimiento del enorme potencial para influir en las políticas de salud pública, los programas de detección y la elección personal. El proyecto se comparó con la misión a la luna Apolo en términos de su complejidad, aunque en términos prácticos es probable que los beneficios a largo plazo sean mucho más tangibles. El borrador de la secuencia de ADN de 3 mil millones de pares de bases se completó con éxito en 2000 y la secuencia completa se publicó antes de lo previsto en octubre de 2004. Antes de las etapas finales del proyecto, se pensó que podría haber aproximadamente
100.000 genes codificadores que proporcionan el modelo para la vida humana. Para muchos ha sido una sorpresa que el número sea mucho menor y se haya revisado continuamente a la baja con estimaciones actuales de alrededor de 20.000. Sin embargo, hemos aprendido que muchos genes tienen la capacidad de realizar múltiples funciones, desafiando así los conceptos tradicionales de clasificación de enfermedades. El HGP ahora ha sido reemplazado por el Proyecto Human Variome, con el objetivo de recopilar y compartir la enorme variación en la secuencia del ADN humano en todo el mundo, todo lo cual es potencialmente posible desde secuenciación completa del exoma WES) y
secuenciación del genoma completo WGS) están teniendo lugar en un
escala industrial en numerosos estudios de población y, para el beneficio directo de los pacientes, proyectos como Descifrar los trastornos del desarrollo (DDD) con sede en el Centro Sanger, Cambridge, y 100000 Genomes en el Reino Unido, y su equivalente en otros lugares. De hecho, WES en particular ha facilitado un gran aumento en el descubrimiento de genes de enfermedades desde la última edición publicada de este libro. Esto ha llevado a la apasionante área de crecimiento de Bioinformática, la ciencia en la que la biología, la informática y la tecnología de la información se fusionan en una sola disciplina que abarca mapas de genes, secuencias de ADN, genómica comparativa y funcional, y mucho más. La familiaridad con las bases de datos interconectadas es esencial para el genetista molecular, y cada vez más para los médicos entusiastas con interés en la genética, que encontrarán en OMIM un buen lugar para comenzar.
Las perspectivas de tratamiento La mayoría de las enfermedades genéticas son resistentes al tratamiento convencional, por lo que la perspectiva de modificar con éxito el código genético en las células de un paciente es extremadamente atractiva. A pesar de la gran inversión y la extensa investigación, el éxito en humanos hasta ahora ha sido
8 La historia y el impacto de la genética en la medicina
limitado a unos pocos trastornos inmunológicos muy raros. Para afecciones más comunes, como la fibrosis quística, se han encontrado problemas importantes, como dirigirse a las poblaciones celulares correctas, superar las barreras de defensa naturales del cuerpo e identificar vectores no inmunogénicos adecuados. Sin embargo, la disponibilidad de modelos de ratón para trastornos genéticos, como la fibrosis quística ( pags. 286 ), Enfermedad de Huntington ( pags. 273 ) y distrofia muscular de Duchenne ( pags. 281 ), ha mejorado enormemente las oportunidades de investigación, en particular para desentrañar la biología celular de estas condiciones. En los últimos años ha aumentado el optimismo por las nuevas terapias farmacológicas y el tratamiento con células madre ( pags. 210 ), además de las perspectivas de la propia terapia génica ( pags. 207 ).
Garrod, AE, 1902. La incidencia de la alcaptonuria: un estudio en la individualidad química. Lancet II, 1916-1920. Un artículo histórico en el que Garrod propuso que la alcaptonuria podría mostrar la herencia mendeliana y también señaló que "el apareamiento de primos hermanos da exactamente las condiciones más probables para permitir que se muestre un carácter raro, y generalmente recesivo". Orel, V., 1995. Gregor Mendel: el primer genetista. Prensa de la Universidad de Oxford, Oxford.
Una biografía detallada de la vida y obra del monje moravo que fue descrito por su abad como "muy diligente en el estudio de las ciencias, pero mucho menos apto para trabajar como párroco". Sanger, F., Coulson, AR, 1975. Un método rápido para determinar secuencias en el ADN mediante síntesis cebada con ADN polimerasa. J. Mol. Biol. 94, 441–448. Watson, J., 1968. La doble hélice. Atheneum, Nueva York. La historia del descubrimiento de la estructura del ADN, a través de los ojos del propio Watson. Bases de datos Herencia mendeliana en línea en el hombre: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim Para literatura: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed/ http://scholar.google.com/ Genoma: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/GenBank http://www.hgmd.cf.ac.uk (humano, Cardiff) http://www.ensembl.org (humano, comparativo, europeo, Cambridge) http://genome.ucsc.edu (Navegador americano) http://www.humanvariomeproject.org/
El impacto social de los avances en
genética
Cada nuevo avance en la tecnología genética ha generado nuevas preocupaciones
éticas sobre cómo se aplicará y utilizará la ciencia en la medicina, en cuyo centro
está el reconocimiento de que la composición genética de una persona es
fundamental tanto para su identidad como para la posible susceptibilidad a
enfermedades. Estos problemas se exploran en detalle en Capítulo 22. El campo
más polémico es la genética prenatal y la elección reproductiva, aunque los marcos
legales nacionales y las prácticas culturales varían ampliamente en todo el mundo.
La controversia en torno a la capacidad temprana de realizar el cariotipo prenatal
para el síndrome de Down a mediados de la década de 1960 se refleja hoy en la
tecnología que permitirá realizar un cribado genético detallado del feto en ADN fetal
libre de células en la circulación materna o en embriones creadosin vitro fertilización.
Se ha producido un gran debate, y continuará, con respecto a la divulgación de ``
hallazgos incidentales '' inesperados pero significativos de WES o WGS realizados
para fines clínicos específicos, y la posibilidad de que todos los recién nacidos
tengan su genoma secuenciado y examinado es técnicamente factible y ha sido
seriamente discutido a nivel gubernamental. Muchas de las preguntas planteadas
no tienen respuestas sencillas o directas, lo que significa que habrá una gran
necesidad de médicos y consejeros debidamente capacitados para satisfacer las
demandas del público en el futuro previsible.
ELEMENTOS
1 Una característica manifiesta en un híbrido (heterocigoto) es dominante. Una característica recesiva se expresa solo en un individuo con dos copias del gen mutado (es decir, un homocigoto).
Mendel propuso que cada individuo tiene dos genes para cada característica: uno se hereda de cada padre y el otro se transmite a cada hijo. Los genes de diferentes loci actúan y se segregan de forma independiente.
La separación de cromosomas en la división celular facilita la segregación de genes.
Los trastornos genéticos están presentes en al menos el 2% de todos los recién nacidos y representan al menos el 50% de la ceguera, la sordera, las dificultades de aprendizaje y las muertes infantiles. Desde el redescubrimiento de la investigación genética de Mendel sobre los guisantes, hasta la secuenciación completa del genoma humano, pasaron casi exactamente 100 años.
La genética molecular y la biología celular están a la vanguardia de la investigación médica, combinadas con la disciplina de la bioinformática, y encierran la promesa de nuevas formas de tratamiento para enfermedades genéticas.
OTRAS LECTURAS
Baird, PA, Anderson, TW, Newcombe, HB, Lowry, RB, 1988. Trastornos genéticos en niños y adultos jóvenes: un estudio de población. A.m. J. Hum. Gineta. 42, 677–693. Un estudio completo de la incidencia de enfermedades genéticas en una gran población urbana occidental. El primer informe de la secuenciación completa de un cromosoma humano.
Emery, AEH, 1989. Retratos en genética médica — Joseph Adams 1756–1818. J. Med. Gineta. 26, 116-118. Un relato de la vida de un médico de Londres que hizo notables observaciones sobre las enfermedades hereditarias en sus pacientes. Emery, AEH, Emery, MLH, 2011. La historia de una enfermedad genética: distrofia muscular de Duchenne o enfermedad de Meryon, segunda ed. Oxford University Press, Oxford, Reino Unido. Describe la vida y obra de Edward Meryon, el primer médico que describió en detalle la distrofia muscular de Duchenne.
10 La base celular y molecular de la herencia
capaz de reproducirse de tal manera que se forme una réplica idéntica en cada división celular. En 1953, Watson y Crick, basándose en estudios de difracción de rayos X por ellos mismos y otros, propusieron una estructura para la molécula de ADN que cumplía con todos los requisitos esenciales. Sugirieron que la molécula de ADN está compuesta por dos cadenas de nucleótidos dispuestos en una doble hélice. La columna vertebral de cada cadena está formada por enlaces fosfodiéster entre los 3 ′ y 5 ′ carbonos de azúcares adyacentes, las dos cadenas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, que apuntan hacia el centro de la hélice. Cada cadena de ADN tiene una polaridad determinada por la orientación del esqueleto de azúcar-fosfato. Los extremos asimétricos de las cadenas de ADN se denominan 5 ′ y 3 ′ termina,
con el 5 ′ terminan teniendo un grupo fosfato terminal y los 3 ′
terminar un grupo hidroxilo terminal. En el dúplex de ADN, el 5 ′ el extremo de una hebra está opuesto al 3 ′ extremo del otro, es decir, tienen orientaciones opuestas y se dice que son antiparalelo. La disposición de las bases en la molécula de ADN no es aleatoria. Una purina en una cadena siempre se empareja con una pirimidina en la otra cadena, con un emparejamiento específico de los pares de bases: la guanina en una cadena siempre se empareja con la citosina en la otra cadena, y la adenina siempre se empareja con la timina, de modo que este emparejamiento de bases forma complementaria. hebras Figura 2.2 ). Por su trabajo, Watson y Crick, junto con Maurice Wilkins, recibieron el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1962 ( pags. 7 ).
ADN helicasa, cada hebra de ADN que dirige la síntesis de una hebra de ADN complementaria a través del apareamiento de bases específicas, lo que da como resultado dos dúplex de ADN hijas que son idénticos a la molécula parental original. De esta forma, cuando las células se dividen, la información genética se conserva y se transmite sin cambios a cada célula hija. El proceso de replicación del ADN se denomina
semiconservador, porque solo una hebra de cada molécula hija resultante
se sintetiza nuevamente.
La replicación del ADN, a través de la acción de la enzima ADN polimerasa, tiene lugar en múltiples puntos conocidos como orígenes de la replicación, formando estructuras bifurcadas en forma de Y conocidas como horquillas de replicación. La síntesis de ambas hebras de ADN antiparalelas complementarias se produce en los 5 ′ a 3 ′ dirección. Una hebra, conocida como filamento principal, se sintetiza como un proceso continuo. La otra hebra, conocida como hebra rezagada,
se sintetiza en piezas llamadas fragmentos de Okazaki, que luego se unen
como una hebra continua por la enzima ADN ligasa ( Figura 2.3UN ).
La replicación del ADN progresa en ambas direcciones desde estos puntos de origen, formando estructuras en forma de burbuja, o burbujas de replicación ver Figura 2.3segundo ). Los orígenes de replicación vecinos están separados aproximadamente entre 50 y 300 kilobases (kb) y se producen en grupos o unidades de replicación de 20 a 80 orígenes de replicación. La replicación del ADN en unidades de replicación individuales tiene lugar en diferentes momentos de la fase S del ciclo celular ( pags. 30 ), las unidades de replicación adyacentes se fusionan hasta que se copia todo el ADN, formando dos moléculas hijas idénticas completas.
Replicación
El proceso de Replicación de ADN proporciona una respuesta a la pregunta de cómo se transmite la información genética de una generación a la siguiente. Durante la división nuclear, las dos hebras de la doble hélice de ADN se separan mediante la acción de la enzima.
Estructura cromosómica La idea de que cada cromosoma está compuesto por una única doble hélice de ADN es una simplificación excesiva. Un cromosoma es muy
3'-hidroxilo
5'-fosfato Desoxirribosa OH^ 5 '^ 3 '
PAGS CH 2 O UN T O^ CH 2 PAGS
PAGS CH 2 O GRAMO C O^ CH 2 PAGS Hidrógeno PAGS^ cautiverio CH 2 O T UN O^ CH 2 PAGS
PAGS CH 2 O C GRAMO O^ CH 2 PAGS
OH 5'-fosfato 5 ' 3 ' UN 3'-hidroxilo segundo
FIGURA 2.2 Doble hélice de ADN. UN, El esqueleto de azúcar-fosfato y el apareamiento de nucleótidos de la doble hélice del ADN (PAGS, fosfato;UN, adenina;T, timina;GRAMO, guanina;C, citosina). SEGUNDO, Representación de la doble hélice del ADN.
La base celular y molecular de la herencia 11
5 ' 3 ' (^) Rezagado hebra
Líder 5 ' hebra 3 ' 5 ' 3 '
3 '
5
5 ' ' 3 '
3 '
5 '
5 ' 3 ' 5 ' 3 ' 5 ' 3 ' 3 '
5 '
3 '5 '^ 3 '5'
5 ' 3 '
5 ' 3 ' hebrasNuevo hebras^ Antiguo UN segundo
FIGURA 2.3 Replicación del ADN. UN, Diagrama detallado de la replicación del ADN en el sitio de origen en la horquilla de replicación que muestra la síntesis asimétrica de la hebra con la síntesis continua de la hebra principal y la síntesis discontinua de la hebra rezagada con ligación de los fragmentos de Okazaki. SEGUNDO, Múltiples puntos de origen y modo semiconservador de replicación del ADN.
mucho más ancho que el diámetro de una doble hélice de ADN. Además, la cantidad de ADN en el núcleo de cada célula en los seres humanos significa que la longitud total del ADN contenido en los cromosomas, si estuviera completamente extendido, sería de varios metros. De hecho, la longitud total del complemento cromosómico humano es menos de medio milímetro.
El empaquetado del ADN en cromosomas implica varios órdenes de enrollamiento y plegado del ADN. Además del enrollamiento primario de la doble hélice de ADN, hay enrollamiento secundario alrededor de esferas esféricas histona 'perlas', formando lo que se llama nucleosomas. Hay un enrollamiento terciario de los nucleosomas para formar el fibras de cromatina que forman bucles largos en un andamio de proteínas ácidas no histonas, que se enrollan más en un
bobina apretada para formar el cromosoma como se visualiza bajo el microscopio óptico ( Figura 2.4 ), toda la estructura que compone el llamado modelo de solenoide de la estructura cromosómica.
Tipos de secuencia de ADN
El ADN, si se desnaturaliza, se reasociará como un dúplex a una velocidad que
depende de la proporción de secuencias únicas y repetidas presentes, la última
ocurriendo más rápidamente. El análisis de los resultados de la cinética de la
reasociación del ADN humano ha demostrado que aproximadamente del 60% al
70% del genoma humano consta de secuencias de ADN de un número de copias
único o bajo. El resto del genoma, del 30% al 40%, consta de
Nucleosomas dobles de ADN hélice
Cromatina fibra
Sección extendida de cromosoma
Bucles de fibra de cromatina
Metafase cromosoma FIGURA 2.4 Diagrama simplificado del modelo de solenoide propuesto de enrollamiento de ADN que conduce a la estructura visible del cromosoma.
La base celular y molecular de la herencia 13
Transcripción iniciación CAAT TATA caja caja
Transcripción terminación
Exón 1 Exón 2 Exón 3 5 ' 3 ' Promotor región
Intrón 1 Intrón 2
Traducción iniciación codón (ATG)
Traducción Poliadenilación señal de terminación codón (TAA) FIGURA 2.6 Representación de un gen estructural humano típico.
Secuencias de ADN repetidas en tándem hebra deslizada mal emparejamiento. Se cree que las duplicaciones o deleciones de
secuencias más largas de ADN repetido en tándem surgen a través del cruzamiento desigual de secuencias de ADN no alélicas en cromátidas de cromosomas homólogos o cromátidas hermanas ( pags. 25 ).
Hoy en día, los microsatélites de ADN se utilizan para pruebas forenses y de paternidad ( pags. 52 ). También pueden ser útiles para el seguimiento de genes en familias con un trastorno genético pero sin mutación identificada ( pags. 52 ).
Las secuencias de ADN repetidas en tándem consisten en bloques de repeticiones en tándem de ADN no codificante que pueden estar muy dispersos o restringidos en su ubicación en el genoma. Las secuencias de ADN repetidas en tándem se pueden dividir en tres subgrupos: ADN satélite, minisatélite y microsatélite.
ADN satélite
ADN satélite representa aproximadamente del 10% al 15% de las secuencias repetitivas de ADN del genoma humano y consta de series muy grandes de secuencias de ADN simples o moderadamente complejas, cortas y repetidas en tándem que son transcripcionalmente inactivas y se agrupan alrededor de los centrómeros de ciertos cromosomas. Esta clase de secuencias de ADN puede separarse mediante centrifugación en gradiente de densidad como un hombro, o "satélite", hasta el pico principal del ADN genómico y, por lo tanto, se ha denominado ADN satélite.
Secuencias de ADN repetitivas intercaladas muy repetidas
Aproximadamente un tercio del genoma humano está formado por dos clases
principales de secuencias de ADN repetitivas cortas y largas que se intercalan
por todo el genoma.
Elementos nucleares cortos intercalados
Aproximadamente el 5% del genoma humano consta de algunos
750.000 copias de elementos nucleares cortos intercalados, o SINEs. Las más comunes son secuencias de ADN de aproximadamente 300 pb que tienen similitud de secuencia con una partícula de reconocimiento de señal involucrada en la síntesis de proteínas. Se les llama Alu repite porque contienen unAluI sitio de reconocimiento de enzimas de restricción.
ADN minisatélite
ADN minisatélite consta de dos familias de secuencias de ADN cortas
repetidas en tándem: secuencias de ADN minisatélite hipervariables y
teloméricas que son transcripcionalmente inactivas.
ADN telomérico. La porción terminal de los telómeros de los cromosomas ( pags. 25 ) contiene de 10 a 15 kb de repeticiones en tándem de una secuencia de ADN de 6 pares de bases (pb) conocida como ADN telomérico. Las secuencias de repetición teloméricas son necesarias para la integridad cromosómica en la replicación y se agregan al cromosoma mediante una enzima conocida como telomerasa ( pags. 25 ).
ADN minisatélite hipervariable. El ADN minisatélite hipervariable está formado por secuencias de ADN altamente polimórficas que consisten en repeticiones cortas en tándem de una secuencia central común. El número altamente variable de unidades repetidas en diferentes minisatélites hipervariables forma la base de la técnica de huellas dactilares de ADN desarrollada por el profesor Sir Alec Jeffreys en 1984 ( pags. 52 ).
Elementos nucleares intercalados largos Aproximadamente el 5% del ADN del genoma humano está formado por largos elementos nucleares intercalados, o Líneas. El LINE que ocurre con más frecuencia, conocido como LINE-1 o un elemento L1, consta de más de 100. copias de una secuencia de ADN de hasta 6000 pb que codifica una transcriptasa inversa. La función de estas secuencias repetidas intercaladas no está clara. Los miembros de laAlu La familia de repeticiones está flanqueada por secuencias de repetición directas cortas y, por lo tanto, se asemejan a secuencias de ADN inestables llamadas elementos transponibles o transposones. Transposones, originalmente identificados en el maíz por Barbara McClintock ( pags. 7 ), se mueven espontáneamente por todo el genoma de una ubicación cromosómica a otra y parecen ser ubicuos en los reinos vegetal y animal. Se postula queAlu
las repeticiones podrían promover una recombinación desigual, lo que podría conducir a mutaciones patógenas ( pags. 17 ) o proporcionan una ventaja selectiva en la evolución mediante la duplicación de genes. AmbosAlu y los elementos repetidos LINE-1 han sido implicados como causa de mutación en enfermedades humanas hereditarias.
ADN microsatélite
ADN microsatélite consta de secuencias de pares de bases repetidas en tándem, di-, tri y tetra-nucleótidos, ubicadas en todo el genoma. Las repeticiones de microsatélites rara vez ocurren dentro de las secuencias codificantes, pero las repeticiones de trinucleótidos en o cerca de los genes se asocian con ciertos trastornos hereditarios ( pags. 54 ).
Se cree que esta variación en el número de repeticiones surge por un emparejamiento incorrecto de las repeticiones en tándem de las dos cadenas de ADN complementarias durante la replicación del ADN, o lo que se conoce como
ADN mitocondrial
Además del ADN nuclear, los varios miles de mitocondrias de cada célula
poseen su propia doble cadena circular de 16.6 kb.
14 La base celular y molecular de la herencia
Bucle D patrón de herencia que caracteriza a muchos trastornos mitocondriales ( pags.
OH 269 ).
ARNr 12S (^) Cyt b Transcripción
El proceso por el cual la información genética se transmite de ADN a ARN se
llama transcripción. La información almacenada en el código genético se
transmite desde el ADN de un gen a
ARN mensajero, o ARNm. Cada base en la molécula de ARNm es
complementaria a una base correspondiente en el ADN del gen, pero con
uracilo reemplazando a la timina en el ARNm. El ARNm es monocatenario,
siendo sintetizado por la enzima ARN polimerasa II, que agrega el
ribonucleótido complementario apropiado al 3 ′ final de la cadena de ARN.
En cualquier gen en particular, solo una hebra de ADN de la doble hélice
actúa como el llamado hebra de plantilla. La molécula de ARNm transcrita es
una copia de la hebra complementaria, o lo que se llama hebra de sentido de
la doble hélice del ADN. La hebra de plantilla a veces se llama hebra
antisentido. La hebra particular de la doble hélice de ADN utilizada para la
síntesis de ARN parece diferir en las diferentes regiones del genoma.
ARNr 16S ND Dirección de Replicación de cadena H ND ND
ND
ND2 (^) Dirección de Replicación de hebra L ND4L ND
OL (^) COIII COI COII (^) ATP8ATP
FIGURA 2.7 El genoma mitocondrial humano.H es la hebra pesada yL la hebra ligera. Procesamiento de ARN
Antes de que la molécula de ARNm primaria abandone el núcleo, sufre una
serie de modificaciones, o lo que se conoce como procesamiento de ARN.
ADN ADN mitocondrial ( o ADNmt) ( Figura 2.7 ). El genoma del mtDNA es Esto implica empalme, taponado y poliadenilación.
muy compacto, contiene poco DNA repetitivo y codifica 37 genes, que
incluyen dos tipos de RNA ribosómico, 22 RNA de transferencia ( pags.
dieciséis ) y 13 subunidades de proteínas para enzimas, como el citocromosegundo
y citocromo oxidasa, que participan en las vías de fosforilación oxidativa que
producen energía. El código genético del mtDNA difiere ligeramente del del
ADN nuclear.
Las mitocondrias del cigoto fertilizado se heredan casi exclusivamente
del ovocito, lo que lleva a la madre
Empalme de ARNm
Durante y después de la transcripción, se escinden los intrones no codificantes
del (pre) ARNm precursor y los exones codificantes no contiguos se empalman
para formar un ARNm maduro más corto antes de su transporte a los ribosomas
en el citoplasma para su traducción. El proceso se conoce como empalme de
ARNm
( Figura 2.8 ). El límite entre intrones y exones.
Transcripción iniciación
Transcripción terminación
Exón 1 Intrón 1 Exón 2 Intrón 2 Exón 3 Cadena de sentido 5 ' 3 '
Caja TATA (^) 3 '
5 '
Traducción comienzo
Señal de traducción Poly (A) detener Transcripción Poliadenilación Taponamiento ARN primario Cola de poli (A) 5 'Gorra Empalme
ARNm
Traducción Postraduccional Procesando Proteína FIGURA 2.8 Transcripción, procesamiento postranscripcional, traducción y procesamiento postraduccional.
dieciséis La base celular y molecular de la herencia
Cuadro 2.1 Código genético de los genomas nucleares y mitocondriales
Segunda base UN Tirosina Tirosina Detener Detener Histidina Histidina Glutamina Glutamina Asparagina Asparagina Lisina Lisina Ácido aspártico Ácido aspártico Ácido glutamico Ácido glutamico
Primera base U
U
Fenilalanina Fenilalanina Leucina Leucina Leucina Leucina Leucina Leucina Isoleucina Isoleucina Isoleucina (Metionina) Metionina Valina Valina Valina Valina
C
Serina Serina Serina Serina Prolina Prolina Prolina Prolina Treonina Treonina Treonina Treonina Alanina Alanina Alanina Alanina
GRAMO Cisteína Cisteína Detener (Triptófano) Triptófano Arginina Arginina Arginina Arginina Serina Serina Arginina Arginina (Detener) Glicina Glicina Glicina Glicina
Tercera base U C UN GRAMO U C UN GRAMO U C UN GRAMO U C UN GRAMO
C
UN
GRAMO
Las diferencias en el código genético mitocondrial están encursiva.
El código genético llamó al^ genes de limpieza.^ Algunas células expresan grandes cantidades de una proteína específica en ciertos tejidos o en momentos específicos del desarrollo, como la hemoglobina en los glóbulos rojos ( pags. 154 ). Este control diferencial de la expresión génica puede ocurrir en una variedad de etapas.
En las proteínas se encuentran veinte aminoácidos diferentes; como el ADN se
compone de cuatro bases nitrogenadas diferentes, obviamente una sola base no
puede especificar un aminoácido. Si dos bases especificaran un aminoácido,
solo habría 42 o 16 combinaciones posibles. Sin embargo, si tres bases
especificaran un aminoácido, entonces el número posible de combinaciones de
las cuatro bases sería 43 o 64. Esto es más que suficiente para explicar los 20
aminoácidos conocidos y se conoce como código genético.
Control de la transcripción El control de la transcripción puede verse afectado de forma permanente o reversible por una variedad de factores, tanto ambientales (p. Ej., Hormonas) como genéticos (señalización celular). Esto ocurre a través de varios mecanismos diferentes que incluyen moléculas de señalización que se unen a secuencias reguladoras en el ADN conocidas como elementos de respuesta, receptores intracelulares conocidos como receptores nucleares de hormonas, y receptores para ligandos específicos en la superficie celular involucrados en el proceso de transducción de señales. Todos estos mecanismos finalmente afectan la transcripción a través de la unión de los factores de transcripción generales a elementos promotores de ADN específicos cortos ubicados dentro de los 200 pb 5 ′ o río arriba de la mayoría de los genes eucariotas en el llamado núcleo región promotora que conduce a la activación de la ARN polimerasa ( Figura 2.10 ). Los promotores se pueden clasificar ampliamente en dos tipos, que contienen cajas TATA y ricos en GC. La caja TATA, que se encuentra aproximadamente 25 pb corriente arriba del sitio de inicio de la transcripción, está involucrada en el inicio de la transcripción a un nivel constitutivo basal y las mutaciones en ella pueden conducir a la alteración del sitio de inicio de la transcripción. La caja de GC, que se encuentra aproximadamente a 80 pb corriente arriba, aumenta el nivel basal de actividad transcripcional de la caja TATA.
Se dice que los elementos reguladores en la región promotora son cis-actuando, es decir, solo afectan la expresión del gen adyacente en el mismo dúplex de ADN, mientras que se dice que los factores de transcripción son trans-actuando, actuando sobre ambas copias de un gen en cada cromosoma que se sintetiza a partir de genes que se encuentran a distancia. Las secuencias de ADN que aumentan la actividad transcripcional, como las cajas GC y CAAT, se conocen como potenciadores. También hay elementos regulatorios negativos o silenciadores que inhiben la transcripción. Además, hay secuencias cortas de ADN, generalmente de 500 pb a 3 kb de tamaño y conocidas como elementos de contorno, que bloquean o inhiben la influencia de elementos reguladores de genes adyacentes.
Codones triplete
El triplete de bases de nucleótidos en el ARNm que codifica un aminoácido en particular se llama codón. Cada codón de triplete en secuencia codifica un aminoácido específico en secuencia y, por lo tanto, el código genético no se superpone. El orden de los codones triplete en un gen se conoce como traducción marco de lectura.
Sin embargo, algunos aminoácidos están codificados por más de un triplete,
por lo que se dice que el código es degenerado Cuadro 2.1 ). Cada especie de
ARNt para un aminoácido particular tiene una secuencia de trinucleótidos
específica llamada anticodón, que es complementario al codón del ARNm.
Aunque hay 64 codones, solo hay 30 tRNA citoplásmicos, los anticodones de
varios tRNA que reconocen codones que difieren en la posición de la tercera
base, pudiendo la guanina emparejarse con uracilo y con citosina. La
terminación de la traducción del ARNm se indica por la presencia de uno de
los tres detener o
codones de terminación. El código genético del mtDNA difiere del del genoma nuclear. Ocho de los 22 ARNt son capaces de reconocer codones que difieren solo en la tercera base del codón, 14 pueden reconocer pares de codones que son idénticos en las dos primeras bases, con una purina o pirimidina para la tercera base, las otras cuatro codones que actúan como codones de parada (ver Cuadro 2.1 ).
Regulación de la expresión genética
Muchos procesos celulares, y por tanto los genes que se expresan, son comunes a todas las células, por ejemplo las proteínas ribosómicas, cromosómicas y del citoesqueleto, que constituyen lo que son
La base celular y molecular de la herencia 17
80 pb Trans-actuando elementos
GC
caja
CAAT
caja
TATA
caja
Transcripción sitio de inicio 25 pb
Transcripción factores
potenciadores de acción cis
FIGURA 2.10 Representación esquemática de los factores que regulan la expresión génica.
Factores de transcripción Síntesis de ADN dirigida por ARN
Varios genes codifican proteínas implicadas en la regulación de la expresión génica. Tienen actividad de unión de ADN a secuencias cortas de nucleótidos, generalmente mediadas por motivos de proteínas helicoidales, y se conocen como factores de transcripción. Estas proteínas reguladoras de genes tienen un dominio de activación transcripcional y un dominio de unión al ADN. Hay cuatro tipos de dominios de unión al ADN, el más común es el hélice-giro-hélice, compuesto por dos α hélices conectadas por una cadena corta de aminoácidos que forman el 'giro'. Los otros tres tipos son los dedo de zinc, cremallera de leucina, o hélice-bucle-hélice motivos, llamados así como resultado de características estructurales específicas.
El proceso de transferencia de la información genética del ADN al ARN y a la
proteína se ha denominado dogma central. Inicialmente se creyó que la
información genética se transfería solo del ADN al ARN y de allí se traducía en
proteínas. Sin embargo, hay evidencia del estudio de ciertos tipos de virus,
retrovirus, que la información genética ocasionalmente puede fluir en la
dirección inversa, desde el ARN al ADN ( pags. 178 ). Esto se conoce como Síntesis
de ADN dirigida por ARN. Se ha sugerido que las regiones de ADN en las
células normales sirven como plantillas para la síntesis de ARN, que a su vez
actúa como una plantilla para la síntesis de ADN que luego se integra en el
ADN nuclear de otras células. La homología entre secuencias oncogénicas
humanas y retrovirales podría reflejar este proceso ( pags. 179 ), que podría ser
un enfoque terapéutico importante para el tratamiento de enfermedades
Control postranscripcional de hereditarias en humanos.
La expresion genica
La regulación de la expresión de la mayoría de los genes ocurre a nivel de transcripción, pero también puede ocurrir a niveles de procesamiento de ARN, transporte de ARN, degradación y traducción de ARNm. Por ejemplo, la variante G a A en la posición 20,210 en el 3 ′ La región no traducida del gen de la protrombina aumenta la estabilidad de la transcripción del ARNm, lo que da como resultado niveles más altos de protrombina en plasma.
Mutaciones UN mutación se define como una alteración o cambio hereditario en el material genético. Las mutaciones impulsan la evolución, pero también pueden ser patógenas. Las mutaciones pueden surgir por exposición a agentes mutagénicos ( pags. 21 ), pero la gran mayoría se produce de forma espontánea a través de errores en la replicación y reparación del ADN. Las variantes de secuencia sin efecto evidente sobre el fenotipo pueden denominarse polimorfismos.
Mutaciones somáticas puede causar una enfermedad de inicio en la edad adulta, como el cáncer, pero no puede transmitirse a la descendencia. Una mutación en tejido gonadal o un gameto puede transmitirse a las generaciones futuras a menos que afecte la fertilidad o la supervivencia hasta la edad adulta. Los alelos nocivos de todo tipo constituyen la denominada carga genética de la población. También hay ejemplos raros de "mutación inversa" en pacientes con trastornos recesivos. Por ejemplo, se ha demostrado la reversión de mutaciones deletéreas heredadas en células fenotípicamente normales presentes en un pequeño número de pacientes con anemia de Fanconi.
Control de la expresión génica mediado por ARN
El silenciamiento mediado por ARN se describió por primera vez a principios de la década de 1990, pero solo recientemente se ha reconocido y explotado su papel clave en el control de la expresión génica postranscripcional (ver Capítulo 15 ). Los pequeños ARN de interferencia (ARNip) se descubrieron en 1998 y son las moléculas efectoras de la vía de interferencia del ARN (ARNi). Estos ARN bicatenarios cortos (21 a 23 nucleótidos) se unen a los ARNm de una manera específica de secuencia y dan como resultado su degradación a través de un complejo de silenciamiento inducido por ARN que contiene ribonucleasa (RISC). Los microARN (miARN) también se unen a los ARNm de una manera específica de secuencia. Pueden causar la escisión endonucleolítica del ARNm o actuar bloqueando la traducción.
Tipos de mutación Las mutaciones pueden variar desde sustituciones de una sola base, a través de inserciones y deleciones de bases únicas o múltiples hasta la pérdida o ganancia de cromosomas completos ( Cuadro 2.2 ). Las sustituciones de bases son las más frecuentes ( Cuadro 2.3 ) y las mutaciones sin sentido representan casi la mitad de todas las mutaciones. Una nomenclatura estándar para describir mutaciones ( Cuadro 2.4 ) ha sido acordado (ver http: // varnomen.hgvs.org/ ). Los ejemplos de anomalías cromosómicas se analizan en Capítulo
Isoformas alternativas
La mayoría (~ 95%) de los genes humanos se someten a splicing alternativo y por tanto codifican más de una proteína. Poliadenilación alternativa genera mayor diversidad. Algunos genes tienen más de un promotor y estos alternativa los promotores pueden dar lugar a isoformas específicas de tejido. También se observa un empalme alternativo de exones con exones individuales presentes solo en algunas isoformas. El alcance del empalme alternativo en humanos puede inferirse del hallazgo de que el genoma humano incluye solo aproximadamente
20.000 genes, mucho menos que la predicción original de más de 100.000.
Sustituciones
UN sustitución es el reemplazo de un solo nucleótido por otro. Estos son
el tipo de mutación más común. Si el
La base celular y molecular de la herencia 19
Posteriormente, se ha demostrado que los trastornos están asociados con expansiones de repetición de triplete ( Cuadro 2.5 ). Estos se describen como mutaciones dinámicas porque la secuencia de repetición se vuelve más inestable a medida que aumenta de tamaño. El mecanismo por el cual se produce la amplificación o expansión de la secuencia repetida del triplete no está claro en la actualidad. Las repeticiones de tripletes por debajo de una cierta longitud para cada trastorno se transmiten de manera fiel y estable en la mitosis y la meiosis. Por encima de un cierto número de repeticiones para cada trastorno, es más probable que se transmitan de manera inestable, generalmente con un aumento o disminución del número de repeticiones. Se ha ofrecido una variedad de posibles explicaciones sobre cómo se produce el aumento en el número de repeticiones de tripletes. Estos incluyen cruces desiguales o intercambio desigual de cromátidas hermanas (ver Capítulo 17 ) en el ADN que no se replica, y el emparejamiento incorrecto de hebras deslizadas y el deslizamiento de la polimerasa en el ADN que se replica.
Las expansiones repetidas de tripletes suelen tener lugar a lo largo de varias generaciones dentro de una familia, lo que proporciona una explicación de algunos aspectos inusuales de los patrones de herencia y posiblemente sea la base del fenómeno de anticipación previamente inexplicado ( pags. 75 ).
Los mecanismos exactos por los cuales las expansiones repetidas causan enfermedades no se comprenden completamente. Las repeticiones de trinucleótidos inestables pueden estar dentro de regiones codificantes o no codificantes de genes y, por lo tanto, varían en sus mecanismos patogénicos. Expansión de la repetición CAG en la región de codificación delHTT gen y algunosSCA genes da como resultado una proteína con un tracto de poliglutamina alargado que forma agregados tóxicos dentro de ciertas células, causando la enfermedad de Huntington o ataxia espinocerebelosa. En X frágil, la expansión CGG repite en el ′ La región no traducida (UTR) da como resultado la metilación de las secuencias promotoras y la falta de expresión de laFMR1 proteína. En la distrofia miotónica (DM) se cree que un mecanismo de ARN de ganancia de función resulta tanto de la expansión de CTG en el 3 ′ UTR del
DMPK ( MD tipo 1) y la expansión CCTG dentro del intrón 1 delCNBP gene
(anteriormenteZNF9; MD tipo 2). Los transcritos expandidos se unen a proteínas
reguladoras de empalme para formar complejos ARN-proteína que se acumulan en los núcleos de las células. La interrupción de estos reguladores de empalme causa un procesamiento anormal del desarrollo donde las isoformas embrionarias del
las proteínas resultantes se expresan en tejidos de distrofia miotónica de adultos. Entonces, las proteínas inmaduras parecen causar las características clínicas comunes a ambas enfermedades ( pags. 285 ). El espectro de mutaciones de expansión repetida también incluye una expansión repetida del dodecámero aguas arriba del gen de la cistatina B que causa epilepsia mioclónica progresiva (EPM1) y una expansión repetida de pentanucleótidos en el
intrón 9 de laATXN
gen mostrado en familias con ataxia espinocerebelosa tipo 10. La ataxia espinocerebelosa es un trastorno extremadamente heterogéneo y, además de las mutaciones dinámicas que se muestran en Cuadro 2.5 , se han informado mutaciones de expansión sin repetición en cuatro genes adicionales.
Efectos estructurales de las mutaciones en la
proteína
Las mutaciones también se pueden subdividir en dos grupos principales según
el efecto sobre la secuencia polipeptídica de la proteína codificada, ya seasinónimo
ono sinónimo.
Mutaciones sinónimas o silenciosas
Si la mutación no altera el producto polipeptídico del gen, se denomina sinónimo o
mutación silenciosa. Una sustitución de un solo par de bases, particularmente si
ocurre en la tercera posición de un codón debido a la degeneración del código
genético, a menudo dará como resultado otro triplete que codifica el mismo
aminoácido sin alterar las propiedades de la proteína resultante..
Mutaciones no sinónimas Si una mutación conduce a una alteración en el polipéptido codificado, se conoce como mutación no sinónima. Se observa que las mutaciones no sinónimas ocurren con menos frecuencia que las mutaciones sinónimas. Las mutaciones sinónimas son selectivamente neutrales, mientras que la alteración de la secuencia de aminoácidos del producto proteico de un gen probablemente resulte en una función anormal, que generalmente se asocia con enfermedad, o letalidad, que tiene una desventaja selectiva obvia.
Las mutaciones no sinónimas pueden ocurrir de tres formas principales.
Cuadro 2.5 Ejemplos de enfermedades derivadas de expansiones repetidas Rango normal (Repite) 9– 5- 11- 10– 13- 6– 13– 14– 4- 7- 15– 10- 7- 25– 7- 5- 6– 6
Patógeno Rango (se repite) 36– 50– 75–> 11000 200- 40– 39– 32– 52– 19– 38– 71- 400– 51– 47– 53– 70–> 1000
200 8-
Repetir Ubicación Codificación 3 ′ UTR Intrón 1 5 ′ UTR Codificación Codificación Codificación Codificación Codificación Codificación 3 ′ UTR Intrón 9 5 ′ UTR Codificación Codificación Intrón 1 Promotor Codificación
Enfermedad (gen) Enfermedad de Huntington (HTT) Distrofia miotónica tipo 1 (DMPK) Distrofia miotónica tipo 2 (CNBP) X frágil sitio A (FMR1) Enfermedad de KennedyARKANSAS) Ataxia espinocerebelosa 1 (ATXN1) Ataxia espinocerebelosa 2 (ATXN2) Enfermedad de Machado-Joseph / Ataxia espinocerebelosa 3 (ATXN3) Ataxia espinocerebelosa 6 (CACNA1A) Ataxia espinocerebelosa 7 (ATXN7) Ataxia espinocerebelosa 8 (ATXN8) Ataxia espinocerebelosa 10 (ATXN10) Ataxia espinocerebelosa 12 (PPP2R2B) Ataxia espinocerebelosa 17 (TBP) Atrofia dentatorubral-pallidoluysiana (ATN1) Ataxia de Friedreich (FXN1)
Sitio X frágil E (AFF2)
Distrofia muscular oculofaríngea (PABPN1)
Repetir secuencia CAG CTG CCTG CGG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CTG ATTCT CAG CAG CAG GAA CCG GCG
UTR, Región sin traducir.
20 La base celular y molecular de la herencia
para el corte y empalme correcto de exones con secuencias de consenso del sitio de corte y
Una sustitución de un solo par de bases puede dar como resultado la codificación de un empalme débiles. aminoácido diferente y la síntesis de una proteína alterada, la llamada Si la mutación codifica un aminoácido que es químicamente diferente, por ejemplo, tiene una carga diferente, la estructura de la proteína se verá alterada. Esto se denomina un sustitución no conservadora y puede conducir a una gran reducción, o incluso a una pérdida completa, de la actividad biológica. Las mutaciones de un solo par de bases pueden conducir a cambios cualitativos en lugar de cuantitativos en la función de una proteína, de modo que conserva su actividad biológica normal (p. Ej., Actividad enzimática) pero difiere en características como su movilidad en la electroforesis, su pH óptimo o su estabilidad para que se descomponga más rápidamenteen vivo. Muchas de las hemoglobinas anormales ( pags. 156 ) son el resultado de mutaciones sin sentido.
Algunas sustituciones de un solo par de bases dan como resultado la sustitución de un aminoácido diferente que es químicamente similar y puede que no tenga ningún efecto funcional. Estos se denominan
Efectos funcionales de las mutaciones en la proteína Las mutaciones ejercen su efecto fenotípico en una de dos formas, a través de la pérdida o ganancia de función.
Mutaciones por pérdida de función Pérdida de función las mutaciones pueden dar como resultado una actividad reducida o una pérdida completa del producto génico. El primero puede ser el resultado de una actividad reducida o de una estabilidad disminuida del producto génico y se conoce como hipomorfo, este último es conocido como alelo nulo o amorfo. Las mutaciones con pérdida de función que involucran enzimas generalmente se heredan de manera autosómica o recesiva ligada al cromosoma X, porque la actividad catalítica del producto del alelo normal es más que adecuada para llevar a cabo las reacciones de la mayoría de las vías metabólicas.
Haplo-insuficiencia Las mutaciones con pérdida de función en el estado heterocigoto en el que la mitad de los niveles normales del producto génico dan como resultado efectos fenotípicos se denominan mutaciones de haplo-insuficiencia. Las manifestaciones fenotípicas sensibles a la dosificación génica son el resultado de mutaciones que ocurren en genes que codifican receptores o, más raramente, enzimas, cuyas funciones limitan la velocidad; por ejemplo, hipercolesterolemia familiar ( pags. 262 ) y porfiria aguda intermitente ( pags. 266 ).
En una serie de trastornos autosómicos dominantes, la base mutacional de la anomalía funcional es el resultado de la haploinsuficiencia en la que, como era de esperar, las mutaciones homocigóticas dan como resultado efectos fenotípicos más graves; ejemplos son el edema angioneurótico y la hipercolesterolemia familiar ( pags. 262 ).
Una sustitución que conduce a la generación de uno de los codones de terminación (ver Cuadro 2.1 ) dará lugar a la terminación prematura de la traducción de una cadena peptídica, o lo que se denomina En la mayoría de los casos, es poco probable que la cadena acortada retenga la actividad biológica normal, particularmente si el codón de terminación da como resultado la pérdida de un dominio o dominios funcionales importantes de la proteína. Las transcripciones de ARNm que contienen codones de terminación prematura se degradan con frecuencia mediante un proceso conocido como descomposición mediada por tonterías. Esta es una forma de vigilancia del ARN que se cree que ha evolucionado para proteger al cuerpo de las posibles consecuencias de las proteínas truncadas que interfieren con la función normal.
Cambio de cuadro Mutaciones de ganancia de función
Si una mutación implica la inserción o eliminación de nucleótidos que no son múltiplos de tres, interrumpirá el marco de lectura y constituirá lo que se conoce como cambio de fotograma mutación. La secuencia de aminoácidos de la proteína posterior a la mutación no se parece a la secuencia normal y puede tener un efecto adverso en su función. La mayoría de las mutaciones con desplazamiento de marco dan como resultado un codón de parada prematuro aguas abajo de la mutación. Esto puede conducir a la expresión de una proteína truncada, a menos que el ARNm sea degradado por desintegración mediada sin sentido.
Ganancia de función las mutaciones, como su nombre indica, dan como resultado un aumento de los niveles de expresión génica o el desarrollo de una nueva función o funciones del producto génico. El aumento de los niveles de expresión por la activación de mutaciones puntuales o el aumento de la dosis de genes son responsables de un tipo de enfermedad de Charcot-Marie-Tooth, neuropatía motora hereditaria y sensorial tipo I ( pags. 275 ). Las mutaciones de repetición del triplete expandido en el gen Huntington (HTT) Causar cambios cualitativos en el producto génico que dan como resultado su agregación en el sistema nervioso central que conduce a las características clínicas clásicas del trastorno ( pags. 273 ).
Las mutaciones que alteran el tiempo o la especificidad tisular de la expresión de un gen también pueden considerarse mutaciones de función de ganancia. Los ejemplos incluyen los reordenamientos cromosómicos que resultan en la combinación de secuencias de dos genes diferentes observados con tumores específicos ( pags. 180 ). La nueva función del gen quimérico resultante provoca el proceso neoplásico.
Las mutaciones de ganancia de función se heredan predominantemente y los raros casos de mutaciones de ganancia de función que ocurren en el estado homocigoto a menudo se asocian con un fenotipo mucho más grave, que a menudo es un trastorno letal prenatal, por ejemplo, la acondroplasia homocigótica ( págs. 113-114 ).
Mutaciones en el ADN no codificante
Las mutaciones en secuencias promotoras, potenciadores u otras regiones reguladoras pueden afectar el nivel de expresión génica. Con nuestro nuevo conocimiento del papel de la interferencia del ARN en la expresión génica, se ha hecho evidente que las mutaciones en los sitios de unión de miARN o ARNip dentro de las UTR también pueden provocar enfermedades.
Empalme de mutaciones
Mutaciones de los sitios donantes de empalme (GT) y aceptores de empalme (AG) altamente conservados ( pags. 15 ) generalmente dan como resultado un empalme aberrante. Esto puede dar como resultado la pérdida de la secuencia codificante (omisión de exón) o la retención de la secuencia intrónica, y puede conducir a mutaciones de cambio de marco. Empalme críptico los sitios, que se asemejan a la secuencia de un sitio de corte y empalme auténtico, se pueden activar cuando se mutan los sitios de corte y empalme conservados. Además, las sustituciones de bases que dan como resultado mutaciones aparentemente silenciosas, sin sentido y sin sentido pueden causar un empalme aberrante a través de la mutación de potenciador de empalme de exón secuencias. Estas secuencias ricas en purinas son necesarias
Mutaciones dominantes-negativas
UN dominante-negativo mutación es aquella en la que un gen mutante en el estado heterocigoto da como resultado la pérdida de la actividad o función de la proteína, como consecuencia de que el producto del gen mutante interfiere con la función del producto del gen normal del
