Mutaciones y la Ingeniería Genética

Las mutaciones son alteraciones al azar del material genético. Normalmente, las mutaciones negativas comprometen la eficiencia y pueden ser letales. Como aspecto positivo, aportan variabilidad a la población, posibilitando la evolución.

Mutaciones Naturales o Inducidas

Clasificación de las Mutaciones

• Según las células afectadas pueden ser:
  • Somáticas: no se transmiten a la descendencia y pueden generar células cancerosas.
  • Germinales: afectan a los gametos y pueden transmitirse a la descendencia.
• Según la cantidad de material genético:
  • Génicas: afectan a la secuencia de nucleótidos.
  • Cromosómicas: afectan a la secuencia de los genes dentro de los cromosomas.
  • Genómicas: afectan al número de cromosomas.

Origen de las Mutaciones

• Pueden ser naturales (espontáneas, en las que suele haber un gen mutado por cada dos gametos).
• O inducidas (por exposición a determinados agentes mutágenos, que pueden ser físicos como la radiación, o químicos que modifican la base nitrogenada).

Las Mutaciones Génicas y la Síntesis de Proteínas

Las mutaciones génicas pueden afectar la síntesis de proteínas.

Tipos de Mutaciones Génicas

• Por sustitución de bases: se cambia una base por otra y se altera un único triplete del gen, sin alterar la función proteica, a menos que sea perjudicial y afecte al centro activo de una enzima o al triplete de finalización.
• Por pérdida o inserción: se corre el orden de lectura de los tripletes y los siguientes saldrán alterados, con consecuencias graves.

Causas de las Mutaciones Génicas

• Errores de lectura: cambios tautómeros o cambios de fase.
• Lesiones fortuitas: despurinización, desaminación, dimerización de la timina.
• Transposiciones: cambios de posición de los segmentos de ADN llamados elementos genéticos transferibles o transposones.

Reparación de las Mutaciones Génicas

La replicación del ADN es muy precisa. La ADN polimerasa realiza una corrección de pruebas. Si detecta un nucleótido erróneo, existen sistemas de reparación:

• Reparación por escisión: una endonucleasa detecta el error y corta a cada lado; una exonucleasa lo elimina; la ADN polimerasa sintetiza correctamente; y una ligasa une los extremos.
• Reparación sin escisión: existen enzimas fotorreactivas que rompen enlaces entre dos pirimidinas contiguas.
• Sistema SOS: las enzimas correctoras del sistema introducen el nucleótido al azar y la replicación continúa con un error.

Mutaciones Cromosómicas

Tipos de Mutaciones Cromosómicas

• Deleción: se pierde un fragmento del cromosoma. Si contiene muchos genes, la deleción puede ser grave e incluso letal.
• Duplicación: se repite un segmento del cromosoma, lo que puede dar lugar a nuevos genes y modificar los antiguos, favoreciendo la evolución.
• Inversión: cambia de sentido un fragmento en el cromosoma. No suelen ser negativas, pero podrían serlo en la descendencia.
• Translocación: un segmento de cromosoma cambia de posición y puede afectar a la descendencia.

Detección de las Mutaciones Cromosómicas

• Bandeado cromosómico: los cromosomas se tiñen y se observan al microscopio por fluorescencia, comparando los patrones de bandas con el patrón conocido de dicho cromosoma.
• Estudio de los emparejamientos de los cromosomas homólogos durante la meiosis: cada mutación genera unas estructuras características.
  • Las deleciones y duplicaciones provocan bucles y terminaciones escalonadas.
  • Las inversiones causan asas de inversión.
  • Las translocaciones dan lugar a formas en cruz cuando afectan dos cromosomas homólogos o anillos si ha habido translocación múltiple.

Mutaciones Genómicas: Alteraciones en el Número de Cromosomas

Las mutaciones genómicas alteran el número de cromosomas de las células.

Aneuploidías

Es una alteración en el número normal de los ejemplares de cada tipo de cromosoma, sin que dicha alteración llegue a afectar a un juego completo de cromosomas. En los seres humanos, un juego completo comprende 23 tipos. Existen varios tipos de aneuploidía:

• Nulisomía: faltan un par de cromosomas homólogos.
• Monosomía: falta un solo cromosoma.
• Disomía: se da en organismos haploides que tienen una pareja de cromosomas homólogos.
• Trisomía, Tetrasomía: existe un cromosoma de más o dos, respectivamente.

Las aneuploidías se pueden producir por:

• Fusión céntrica: se unen dos cromosomas no homólogos y se pierde el centrómero de uno.
• Fisión céntrica: un cromosoma se divide en dos y da lugar a un nuevo centrómero.
• Segregación errónea durante la meiosis: se reparten erróneamente los cromosomas entre las células hijas; es decir, a una van dos cromosomas homólogos y a la otra ninguno.

Euploidías

Son alteraciones en el número de juegos completos de cromosomas de un organismo. Existen dos tipos:

• Monoploidía o Haploidía: solo está presente un juego de cromosomas en las células. Se pueden distinguir la monoploidía regular y la monoploidía accidental.
• Poliploidía: hay más juegos cromosómicos de lo normal en una determinada célula. Esto es común en plantas y se distinguen dos tipos:
  • Autopoliploidía: todos los juegos cromosómicos proceden de una especie.
  • Alopoliploidía: los juegos cromosómicos proceden de dos especies.

Las Mutaciones y el Cáncer

Un tumor es una masa de células originada por procesos de proliferación celular incontrolada. Si las células tumorales son capaces de invadir otros tejidos y de migrar, se habla de tumor maligno o cáncer.

Genes Relacionados con el Cáncer

• Protooncogenes: si experimentan una mutación producida por agentes cancerígenos, se convierten en oncogenes, que son los que provocan la transformación de la célula normal en cancerosa.
• Genes supresores de tumores: inhiben la división celular excesiva, equilibrando la acción de los oncogenes.

Aplicaciones de la Ingeniería Genética

La biotecnología es el conjunto de técnicas mediante las que se obtienen productos útiles para las personas a partir de seres vivos o de sus productos. La ingeniería genética es una rama de la biotecnología que consiste en usar diversas técnicas para manipular el ADN de los organismos mediante la transferencia de ADN de unos organismos a otros. Esto también se conoce como la técnica del ADN recombinante.

Enzimas de Restricción

Son enzimas endonucleasas de diversas especies de bacterias que destruyen los ADN víricos que puedan entrar en los organismos, para lo que realizan cortes en el ADN extraño. Cada una de ellas corta el ADN siempre en el mismo punto de la secuencia de nucleótidos, denominado sitio de restricción.

Vectores de Clonación para Procariotas

Son agentes biológicos empleados para introducir material genético en una célula. Estos pueden ser:

• Plásmidos: pequeños fragmentos de ADN circular bacteriano de doble hélice con su propio origen de replicación.
• Virus bacteriófagos: virus que infectan bacterias y se pueden manipular.
• Cósmidos: plásmidos sintéticos que combinan las características de los plásmidos con las de los fagos.

Tecnología del ADN Complementario

Uno de los objetivos de la ingeniería genética es introducir en las bacterias genes de interés para los seres humanos, con el fin de cultivar dichas bacterias y así conseguir que fabriquen la proteína codificada por dicho gen en cantidades económicamente rentables.

Vectores de Clonación para Eucariotas

Hay varias técnicas, como la microinyección, la electroporación o los plásmidos de levaduras.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

Sirve para replicar el ADN in vitro o en grandes cantidades. Se emplea cuando se dispone de poca cantidad de ADN para la obtención de copias, como alternativa muy ventajosa para su introducción en bacterias.

Producción de Proteínas Terapéuticas

La ingeniería genética, que comenzó como investigación básica, ha sido posteriormente utilizada en terapia génica, en la producción de proteínas con fines terapéuticos, de enzimas industriales, de vacunas, anticuerpos monoclonales, y en la agricultura y la ganadería.

Clonación y Células Madre

La clonación de los seres vivos es la obtención de organismos genéticamente idénticos. Se puede aplicar la ingeniería genética para obtener, a partir de un individuo transgénico, muchos individuos idénticos.

Clonación de Plantas

En las plantas que se reproducen asexualmente, la clonación es un proceso natural que ocurre de forma continua en la naturaleza. Los agricultores realizan la clonación artificial cuando, por ejemplo, se propaga una planta mediante esquejes, estacas o bulbos. Esta capacidad de las plantas se basa en la existencia de diversos tejidos de células totipotentes, las cuales son células con la capacidad de generar todos los tipos celulares del adulto.

Clonación de Animales

A partir de células embrionarias en las primeras fases del desarrollo, se pueden extraer varias células de un embrión joven y hacer que se desarrollen para formar varios animales idénticos a él.

Clonación Terapéutica de Células Madre Embrionarias

Una solución para el problema de encontrar un donante compatible sería tomar células del enfermo y clonarlas en el laboratorio. De este modo, darían origen a los órganos, tejidos o células que se necesitan. Las células que se pueden dividir y dar origen a diversos tipos celulares se denominan células madre pluripotentes. El problema de la compatibilidad entre donante y receptor no se soluciona; sin embargo, se plantea el problema ético de la destrucción de embriones humanos. Otro inconveniente es que pueden favorecer la aparición de tumores, pues tienen una alta capacidad de proliferación.

Clonación Terapéutica de Células Madre Adultas

Existen células madre adultas multipotentes en la médula ósea, es decir, células adultas que en el laboratorio podrían diferenciarse en varios tipos de tejidos y que posteriormente se descubrieron en otros muchos órganos. Son fáciles de conseguir a partir de una simple punción, no presentan problemas de histocompatibilidad o rechazos (ya que se extraen del propio enfermo) y no originan tumores, puesto que se dividen menos que las embrionarias.

Células Madre y Terapia Celular

Hay tres tipos de células madre:

• Células totipotentes: pueden generar por completo un nuevo individuo organizado y estructurado.
• Células pluripotentes: son capaces de diferenciarse en cualquier tejido, pero no pueden formar un individuo completo.
• Células multipotentes: solo son capaces de generar nuevas células del tejido del que proceden.