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1 GENÉTICA APLICADA. 1.- Enfermedades hereditarias: concepto. 2.- Mejora genética de animales y plantas Procedimientos clásicos Ingeniería genética. 3.- Repercusiones sociales de la genética Eugenesia Genes y cáncer Proyecto genoma humano Clonación. 1.- Enfermedades hereditarias: concepto, diagnosis y tratamiento. Enfermedad hereditaria es aquella que proviene del espermatozoide o del óvulo, y por tanto, existe desde el principio de la vida intrauterina. Es interesante distinguir entre enfermedad hereditaria y congénita. Enfermedad congénita es la que existe desde el nacimiento, puede ser o no hereditaria. Algunas anormalidades son heredadas, mientras que otras son producidas por accidentes durante el proceso del desarrollo, o por causas tales como la rubéola contraída por la mujer durante los tres primeros meses del embarazo. A su vez, no todas las enfermedades hereditarias son congénitas, o sea, evidentes desde el momento de nacer; algunas aparecen en la vida del individuo. Se deben a la presencia de genes alterados (enfermedades genéticas o genotípicas), o bien a una anomalía de los cromosomas (raramente transmisibles). Según el modo de transmisión, se distinguen las enfermedades hereditarias dominantes autosómicas, recesivas autosómicas y ligadas al sexo. Existen en la actualidad unas 3000 enfermedades genéticas descritas. Las monogénicas son aquellas en las que la patología es producida por la alteración en un solo gen (fenilcetonuria, talasemia, inmunodeficiencia combinada severa, hipercolesterolemia familiar, fibrosis quística, hemofilia A y B, distrofia muscular,...); las multigénicas son causadas por alteraciones en diversos genes (esquizofrenia, algunas formas de diabetes, cáncer,...). El diagnóstico y tratamiento para estas enfermedades es variable. 2.- Mejora genética de animales y plantas Procedimientos clásicos Ingeniería genética. Procedimientos clásicos. De toda la vida, agricultores y ganaderos han seleccionado las variedades más interesantes para las características buscadas (frutos más grandes, de mejor calidad y duración, resistencia a plagas y enfermedades y animales con mejor producción de leche, carne, etc) y realizado cruces entre variedades. En ocasiones, se han logrado variedades o razas tan especiales y diferentes que pueden hacernos pensar que se trata de especies diferentes, aunque no sea así (variedades cultivadas de la misma especie, Brassica oleacea, obtenidas a lo largo del tiempo por selección: coles de Bruselas, brécol, repollo, coliflor, col rizada, colinabo). Esto es, el hombre ha realizado desde siempre ingeniería genética de una forma natural, realizando una selección artificial (hibridación, poliploidía) de las características genéticas más ventajosas para sus intereses. Ingeniería genética. La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de técnicas, nacidas de la biología molecular, que permiten manipular el genoma de un ser vivo. En esencia es un procedimiento artificial de transferencia de genes. Podemos decir que la ingeniería genética comienza en los años 70, con el descubrimiento de las enzimas de restricción; estas enzimas representan un sistema de autoprotección bacteriana a la invasión por fagos. Viene a ser un sistema inmunológico rudimentario. Pero estas enzimas no cortan el ácido nucleico del fago al azar, sino reconocen dianas (secuencias) específicas. En los siguientes dibujos puede verse como actuarían estas enzimas. 1

2 En este esquema se indica el lugar en el que corta la enzima de restricción. Se aprecia la actuación en ambas hebras. En este esquema se ve el resultado de la actuación de la enzima de restricción. Ha quedado rota la molécula de ADN, quedando unos bordes pegajosos por donde puede unirse este ADN, con otro aunque sea de una especie diferente. Estas endonucleasas representan una herramienta de valor incalculable para fragmentar cualquier ADN por sitios fijos. Lo verdaderamente importante de estas enzimas es que permiten unir fragmentos de procedencia muy diversa y, por tanto, diseñar construcciones genéticas capaces de replicarse en células huéspedes conocidas para obtener un número de copias idénticas a la original. Esto es lo que se denomina clonaje del ADN. La clonación de genes es, por tanto, obtener un conjunto de genes idénticos procedentes de un gen concreto; la técnica implica: 1.- Obtención del fragmento de ADN que contiene el gen a clonar (enzimas de restricción). 2.- Inserción de dicho gen en una molécula de ADN apropiada, que sirve como vehículo o vector de clonación, cortado por la misma enzima de restricción (plásmido bacteriano o genoma vírico) Los vectores de clonación son pequeñas moléculas de ADN, que tienen capacidad para autorreplicarse dentro de las células hospedadoras. Se utilizan con frecuencia dos tipos de vectores de clonación: plásmidos y virus. Plásmidos. Son moléculas de ADN circular, con un tamaño menor que el del cromosoma. Se replican con independencia del cromosoma bacteriano ya que tienen su propio origen de replicación. Figura a En esta secuencia de dibujos se puede ver como se realiza la inserción de un gen en un plásmido. En la figura a tenemos un gen(color rojo) que interesa insertar en un plásmido (color turquesa) 2

3 En la figura b, vemos como una enzima de restricción ha cortado el gen y el plásmido, quedando unos bordes cohesivos o pegajosos. Figura b Figura c La unión del ADN que contiene el gen que se desea clonar con el vector de clonación, se realiza por medio de otras enzimas, denominadas ADNligasas, que unen ambos trozos de ADN. El resultado es una molécula de ADN recombinante, ya que contiene fragmentos de ADN de distinta procedencia. Bacteriófagos. El proceso es similar, se trata de insertar el gen deseado en un fragmento de ADN vírico (figura d) Posteriormente se ensamblarán las distintas partes del virus (figura e). Así quedará el virus completo (figura f). En el siguiente paso se insertará este ADN por el proceso de la TRANSDUCCIÓN. figura d figura e figura f 3. Introducción del gen más el vector en una célula hospedadora (la transformación se realiza en células procariotas, captando moléculas de ADN que se encuentran en el medio; la transducción es la introducción del ADN en la célula hospedadora (procariota o eucariota) utilizando como vector de clonación el genoma de un virus. En bacterias (células procariotas), mediante estos procesos: Transformación. Ocurre espontáneamente en ciertos tipos de bacterias y se consigue artificialmente sometiendo la célula bacteriana a tratamientos físicos y químicos. La célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el medio externo, las introduce en su interior y las incorpora a su genoma. 3

4 Transducción. Este método consiste en introducir el ADN en la célula hospedadora mediante un virus, utilizando como vector de clonación el genoma del virus. En la siguiente figura puede verse el proceso en tres etapas. El número 1 corresponde al virus aproximándose a una bacteria. Se puede observar como lleva un genoma ya con el gen que interesa clonar. El siguiente momento 2, corresponde al contacto entre el virus y la pared bacteriana, en cuya zona de contacto se produce un poro por donde como vemos en la etapa 3, el virus inyecta su ADN al interior de la célula bacteriana. 4.- Seleccionar las células que han recibido el gen (resistencia a antibióticos) Además del origen de replicación, los vectores de clonación deben llevar otros genes denominados marcadores, que sirven para identificar las células que contienen el vector de clonación. Se suelen utilizar como marcadores, genes de resistencia a antibióticos y genes de bioluminiscencia. Genes de resistencia a antibióticos. Sirven para identificar bacterias que contienen el vector de clonación, porque estas bacterias serán resistentes al antibiótico del gen marcador. Genes de luminiscencia.. En este caso, la célula que contenga el gen que se quiere clonar, tendrá la propiedad de emitir luz, ya que el marcador que se le incorpora determina que se exprese esa característica. Este sistema se emplea cuando la célula hospedadora es una célula eucariota. 4

5 5. Cultivar las células seleccionadas para obtener copias del gen Desde 1985 (Kary Mullis) existe una técnica que permite la amplificación del ADN, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que a partir de la capacidad de la ADN polimerasa para replicar el ADN, permite obtener en el laboratorio múltiples copias de un fragmento determinado de ADN. Su uso ha facilitado el proceso de clonación, ya que antes de su aparición, para obtener un gran número de copias de un gen, el plásmido tenía que multiplicarse en una población bacteriana en crecimiento; en la actualidad, este paso puede ser sustituido por la amplificación mediante la PCR. Además de clonar genes, la PCR permite realizar estudios evolutivos, estudios históricos y arqueológicos, determinar huellas dactilares de ADN (prácticas en medicina forense, pruebas de paternidad). 5

6 Aplicaciones de la ingeniería genética: 1. Obtención de antibióticos en bacterias de fácil y rápido crecimiento 2. Obtención de proteínas de mamíferos (insulina) en bacterias 3. Obtención de vacunas (proteínas de la superficie del virus que causa la hepatitis B en levaduras) 4. Obtención de animales y plantas transgénicas (plantas resistentes a herbicidas y pesticidas, plantas de tomate que tardan más en madurar, animales con mayor producción de leche o con carnes más nutritivas, órganos de cerdo para transplantes) 5. En medio ambiente, introducir los genes bacterianos que codifican enzimas capaces de degradar sustancias tóxicas para el medio ambiente en otros organismos 6. Terapia génica, esto es, curar enfermedades causadas por genes defectuosos introduciendo a través de vectores adecuados el gen normal; no debemos considerar la terapia génica como algo contra natura y de consecuencias imprevisibles, puesto que los virus infectan continuamente células humanas pudiendo llevar material genético de una célula a otra.; hoy por hoy, es sólo somática, no intenta corregir la mutación en la línea germinal para suprimir la enfermedad en la descendencia del individuo afectado. Existen dos modalidades para aplicar terapias génicas: ex vivo e in vivo. En la primera las 6

7 células del paciente son manipuladas in vitro y devueltas al organismo de partida. Con la terapia in vivo se introduce directamente en el paciente el gen terapeútico desnudo o en el interior de un vector viral. En el siguiente cuadro se recogen algunos de los tratamientos que se utilizan actualmente. 3.- Repercusiones sociales de la genética Eugenesia Genes y cáncer Proyecto genoma humano Clonación. REPERCUSIONES SOCIALES Y VALORACIONES ÉTICAS DE LA MANIPULACIÓN GENÉTICA. Con la publicación de los primeros experimentos en ingeniería genética, en la década de los setenta, una enorme controversia se abrió en el mundo científico y social de aquella época. Las perspectivas que ofrecían los nuevos descubrimientos variaban desde un mundo maravilloso sin enfermedades, con un increíble rendimiento agrícola y ganadero, todo tipo de nuevos fármacos y la curación de 7

8 enfermedades como el cáncer, hasta un mundo catastrofista dominado por una minoría desaprensiva. Las primeras discusiones sobre las consecuencias de la manipulación genética se plantearon en 1975, suscitada por los experimentos de DNA recombinante que se estaban llevando a cabo con bacterias. Se establecieron determinadas directrices para trabajar con ese DNA recombinante, de manera que los experimentos se llevaran a cabo de la forma más controlada posible para evitar los posibles peligros que se vislumbraban en aquel entonces. El inicio de la investigación genética en la especie humana, con la clonación de embriones y con el Proyecto Genoma Humano, ha llevado a nuevas reflexiones y a la creación de un Comité Internacional de Bioética, dependiente de la UNESCO, en En él se acuñaron los términos de BIOSEGURIDAD y el más conocido de BIOÉTICA, encaminado a llegar a acuerdos internacionales en el terreno de la investigación y en la aplicación de los descubrimientos científicos obtenidos. En España existen diversos comités, entre ellos el Comité Asesor de Ética para la Investigación Científica y Tecnológica, que asesora al gobierno en cuestiones relacionadas con la manipulación genética. De estos comités forman parte biólogos, médicos, químicos, filósofos, abogados, etc. Hoy en día la discusión enfrenta a los beneficios y a los problemas derivados de la manipulación genética Beneficios: BENEFICIOS MÉDICOS: Derivados de la obtención de nuevos fármacos, más eficaces y económicos, y, sobre todo, de la posibilidad de prevenir y curar enfermedades que hoy no tienen curación, como los cánceres, transplantar órganos humanos creados en otros animales, etc. BENEFICIOS ALIMENTARIOS: La posibilidad de ampliar enormemente la productividad de las explotaciones agrarias y ganaderas podría permitir erradicar el hambre en el mundo y asegurar alimentos para una mayor población humana. Problemas: PROBLEMAS SANITARIOS: Debidos a la aparición de nuevos microorganismos patógenos que provoquen enfermedades desconocidas o que puedan pasar de una especie a otra diferente produciendo la enfermedad. Debemos añadir que el uso de fármacos de diseño podría provocar efectos secundarios no deseados. PROBLEMAS ECOLÓGICOS: La liberación de nuevos organismos en el ambiente puede provocar la desaparición de especies contra las cuales se lucha, con consecuencias aún desconocidas, ya que cumplen una función en la cadena trófica de la naturaleza. Se puede pensar en posibles nuevas contaminaciones debidas a un metabolismo incontrolado. PROBLEMAS SOCIALES Y POLÍTICOS: Las aplicaciones de la Biotecnología en el campo de la producción industrial, agrícola y ganadera, pueden crear diferencias aún más grandes entre países 8

9 ricos y pobres. El conocimiento previo de las enfermedades que puede desarrollar una persona llevaría a consecuencias nefastas en la contratación laboral, además de atentar contra la intimidad a que tiene derecho toda persona. PROBLEMAS ÉTICOS Y MORALES: Poder conocer y modificar el patrimonio genético humano es una puerta abierta a la EUGENESIA, aunque también a la curación de enfermedades hoy por hoy incurables, como el cáncer o el Alzheimer. En el campo de la Terapia Génica es donde hoy día se producen los mayores choques entre ciencia y ética, por la manipulación de genes en personas, los trabajos con embriones humanos con fines puramente experimentales, etc. La PRIVATIZACIÓN DE LOS GENES: También plantea grandes dudas la posibilidad de que existan empresas privadas que puedan PATENTAR genes y seres vivos para su uso exclusivo. Los seres vivos pueden tener dueño?. Por todo esto, es preciso que los conocimientos y avances en Ingeniería Genética se consideren patrimonio de la Humanidad, y que los Organismos Internacionales creados para ello sean capaces de vencer las reticencias que crean los intereses políticos y económicos. Sólo avanzando en esta dirección se logrará una legislación adecuada y justa, capaz de recoger las voces razonables de todos los sectores sociales. Otro ámbito de gran controversia social es el de los productos transgénicos, donde hay una gran polarización en cuanto a la visión que se tiene de ellos, entre países ricos y pobres, y entre gobiernos y ciudadanos. Ventajas de los productos transgénicos: Obtención de fármacos a bajo coste (como las bananas productoras de vacunas). Mejores productos (como el tomate McGregor capaz de aguantar más tiempo sin pudrirse). Mejor productividad (por la resistencia a insectos, sequía, frío,..) 9

10 Productos con nuevas propiedades (como el arroz dorado que contiene provitamina A). Producción más ecológica (como la soja RR). Los alimentos Modificados Genéticamente pasan controles muy estrictos. Inconvenientes de los transgénicos: Modificación del valor nutricional (Soja con proteína de la nuez del Brasil). Efecto de los genes marcadores (como el de la resistencia a la kanamicina). Cuestiones éticas (transgenes de cerdo, humanos, etc). Aparición de resistencias en insectos, hongos, etc. Traspaso de la resistencia a plantas silvestres emparentadas. Contaminación de los cultivos no transgénicos. Desplazamiento de la flora local y fauna locales (Mariposa monarca) Control por las grandes empresas y los países desarrollados (como el gen killer que impide que una planta pueda producir semillas viables, por lo que los agricultores tienen que comprarlas siempre a las multinacionales productoras). Irreversibilidad de su liberación. Riesgos imprevisibles a largo plazo Eugenesia La eugenesia es el programa de mejora de la especie humana mediante la eliminación de genes responsables de características genéticas perjudiciales (eugenesia negativa) o mediante el enriquecimiento de la especie en aquellas consideradas beneficiosas (eugenesia positiva). La palabra eugenesia fue acuñada en el siglo pasado por Francis Galton y se define concretamente como la extensión/aplicación al hombre de las prácticas utilizadas por los agricultores y ganaderos en los últimos dos mil años. Es decir, desde que se cultivaban plantas y animales se ha extendido su selección artificial a un gran número de organismos explotados en la producción de comida para el uso del hombre Genes y cáncer. Cualquier gen que contribuya al desarrollo de un cáncer es un oncogén o un oncosupresor según que ejerza su acción por ganancia o por defecto de función. Los oncogenes son como el acelerador de un coche y los oncosupresores como el freno. Los oncogenes aceleran la división celular y los oncosupresores la frenan. Hoy se sabe que el cáncer se produce por la fatal combinación de alteraciones en oncogenes y oncosupresores; es pues, una enfermedad genética que puede ser abordada desde varias estrategias de terapia génica - aporte de oncosupresores - inhibición de oncogenes - inhición de la angiogénesis (formación de vasos sanguíneos) - inmunotoxinas - vacunas - sistemas asesino-suicidas condicionales 10

11 Ninguna enfermedad genética se cura eficazmente por terapia génica, pero todas ellas son potencialmente curables con esta tecnología. La idea sigue siendo válida y el mayor problema que parece existir en la actualidad es el paso de los sistemas experimentales al hombre. Muchas enfermedades se curan en los sistemas modelo, pero no lo hacen en pacientes. Los años venideros serán testigo de cómo se superará este nuevo obstáculo Proyecto genoma humano. El Proyecto Genoma humano es, el programa de investigación biológica mas ambicioso hasta la fecha. El objetivo del proyecto es conocer la localización precisa de cada gen en los 23 pares de cromosomas que componen el material hereditario humano y conocer su secuencia exacta de nucleótidos. La secuenciación se realiza automáticamente en secuenciadores. Esta información permite identificar qué padres pueden tener hijos con una determinada enfermedad hereditaria, proporcionar un mayor conocimiento del cáncer y de la evolución de nuestra especie, así como avanzar en las técnicas de terapias génicas. En el Proyecto han colaborado centros de investigación de todo el mundo y tiene un coste de tres mil millones de dólares. Los objetivos del Proyecto son: Identificar los aproximadamente genes humanos del DNA. Determinar la secuencia de los millones de bases nitrogenadas que conforman los nucleótidos del DNA. Acumular la información en bases de datos. Desarrollar de modo rápido y eficiente tecnologías de secuenciación. Desarrollar herramientas para análisis de datos. Dirigir las cuestiones éticas, legales y sociales que se derivan del proyecto. De esos aproximadamente genes, sólo el 10% posee información para la fabricación de proteínas. Quedan pues muchos genes y muchas secuencias intergénicas de función desconocida hasta el momento. En principio, el fin del Proyecto se dirige hacia dos fines: Cartografiar los genes. Secuenciar los genes. Las aplicaciones prácticas del Proyecto son enormes, pensando en la posibilidad de detectar y curar enfermedades genéticas antes de que se produzcan, cambiar genes defectuosos, etc. Estas posibilidades también han levantado enormes recelos en amplios sectores de la sociedad, puesto que existen otras posibilidades menos aceptables, tales como la posibilidad de que se conozca con antelación qué enfermedades puede desarrollar una persona, o discriminar a alguien por sus genes. Esto hace que las cuestiones bioéticas que rodean al Proyecto constituyan una de las partes fundamentales del mismo, razón por la que existen ciertas reticencias ante la intervención de empresas privadas. 11

12 3.4. Clonación. 12

13 13

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