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Introducción de la Genética
1. ¿Qué es genoma?
El conjunto completo de ADN (material genético) en un organismo. En los seres
humanos, casi cada célula contiene una copia completa del genoma. El genoma
contiene toda la información necesaria para que una persona pueda crecer y
desarrollarse. El estudio del genoma ayuda a los investigadores a entender cómo se
forman y cómo responden estas células ante los diferentes tipos de tratamiento. Esto
puede llevar a nuevas formas de diagnosticar, tratar y prevenir el cáncer.
2. ¿Qué es genómica?
Estudio de un conjunto completo de ADN (con todos sus genes) de una persona u
otro organismo. Casi todas las células del cuerpo de una persona tienen una copia
completa del genoma. El genoma contiene toda la información necesaria para el
desarrollo y el crecimiento de una persona. El estudio del genoma ayuda a los
investigadores a entender la interacción de los genes entre sí y con el entorno, así
como la manera en que surgen ciertas enfermedades, como el cáncer, la diabetes y
las afecciones del corazón. Es posible que esto lleve a nuevas maneras de
diagnosticar, tratar y prevenir enfermedades.
3. ¿Qué es genómica estructural, funcional y comparativa?
● La genómica estructural se ocupa de generar y analizar la secuencia de genes
y proteínas. Su objetivo es catalogar las propiedades conformacionales de
todas las proteínas. Los genes con secuencias similares codifican proteínas
con estructuras parecidas; esto puede utilizarse para agrupar las proteínas en
familias, reduciendo así el tiempo y el esfuerzo para obtener la estructura de
una proteína nueva.
● La genómica funcional trata de asignar función a las secuencias anónimas
generadas por los proyectos genoma. En realidad, lo que hacen estos
proyectos es simplemente transferir la información digital del ADN a
ficheros de ordenador. Pero esto dista mucho de comprender su función.
Costó cientos de años pasar de una descripción detallada de la anatomía
humana a comprender la función de los distintos órganos. Pues bien, el
conocimiento de la secuencia y localización de todos los genes no es más
que una descripción ‘anatómica’ del genoma humano.
● La genómica comparada es un campo de la investigación biológica en el que
los investigadores usan una variedad de herramientas, entre ellas, los análisis
computarizados, para comparar las secuencias del genoma completo de
distintas especies. Al comparar detenidamente las características que definen
a distintos organismos, incluidos los genomas de organismos que varían
desde seres humanos a chimpancés y levaduras, los investigadores pueden
localizar regiones de similitudes y diferencias.
4. ¿Qué es proteoma y la proteómica?
● Proteoma: Es el conjunto de proteínas que un organismo sintetiza a partir
de los genes que contiene para dar a la célula su carácter individual. Este
conjunto de proteínas determina cómo son los organismos, cómo funciona
su cuerpo y cómo se comporta.
El proteoma se modifica de acuerdo con el tiempo de desarrollo, el tipo de
tejido y las condiciones ambientales a las que esté sometido el organismo
como el estrés, por lo que entender de manera molecular cómo opera la
célula bajo diversas circunstancias permite entender el papel que juegan en
el proceso salud-enfermedad.
● Proteómica: Es una rama de la biotecnología en la que se aplican técnicas
de biología molecular, bioquímica y genética para estudiar las proteínas, la
forma en la que se modifican, su estructura, su función y las interacciones
entre sí. El objetivo de la proteómica es obtener una visión más global e
integrada de la biología mediante el estudio de todas las proteínas de una
célula o un tejido en lugar de cada proteína individualmente. Los métodos de
estudio incluyen el análisis de la interacción entre proteínas, las
modificaciones de las proteínas, la función de las proteínas y la localización
de las proteínas.
5. ¿Qué es el melanoma y la metabolómica?
● El melanoma es un tipo de cáncer de piel que aparece cuando las células
llamadas melanocitos se convierten en malignas. Estas células elaboran un
pigmento llamado melanina, responsable del color de la piel, del pelo y del
iris de los ojos. La melanina, por su parte, funciona como un fotoprotector
evitando que la radiación solar dañe las estructuras o los tejidos del cuerpo.
Cuando la piel se expone al sol, los melanocitos producen más melanina
como defensa contra la acción de los rayos ultravioleta (UV).
● La metabolómica es el conjunto de ciencias y técnicas dedicadas al estudio
completo del sistema constituido por el conjunto de moléculas que
constituyen los intermediarios metabólicos, metabolitos, hormonas y otras
moléculas señal, y los metabolitos secundarios, que se pueden encontrar en
un sistema biológico.
6. Técnicas empleadas en el estudio de la proteómica y la genómica
Técnicas de proteómica
● Identificación de proteínas: Identificación de proteínas de una muestra
presentada en una banda de gel.
● Perfil de proteínas de alto: Identificación de proteínas en una muestra
compleja; fraccionamiento opcional dependiendo de la complejidad de la
muestra, objetivo, cantidad de proteína o presupuesto.
● Análisis cuantitativo: etiquetado químico y enzimático de alto rendimiento:
Análisis cuantitativo de dos muestras diferentes, que proporciona un
catálogo de las proteínas presentes y un análisis estadístico que refleja los
cambios en los niveles de proteína observados en todas las condiciones.
● Análisis cuantitativo - Etiquetado metabólico de alto rendimiento: Análisis
cuantitativo de dos muestras diferentes, que proporciona un catálogo de las
proteínas presentes y un análisis estadístico que refleja los cambios en los
niveles de proteína observados en todas las condiciones. Las muestras
etiquetadas son proporcionadas por el usuario.
● Análisis cuantitativo: etiquetado isobárico de alto rendimiento: Análisis
cuantitativo de cuatro muestras diferentes, que proporciona un catálogo de
las proteínas presentes y un análisis estadístico que refleja los cambios en
los niveles de proteína observados en todas las condiciones.
● Análisis cuantitativo: etiquetado isobárico de alto rendimiento: Análisis
cuantitativo de ocho o diez muestras diferentes, que proporciona un catálogo
de las proteínas presentes y un análisis estadístico que refleja los cambios en
los niveles de proteína observados en todas las condiciones.
● Perfilado PTM: Identificación de proteínas y varias PTM estables fácilmente
identificables mediante búsqueda en bases de datos, como acetilación,
metilación, desamidación, etc. Fraccionamiento opcional.
● Perfil de interacción funcional: Identificación de proteínas de experimentos
desplegables, comparando muestras de control y diferentes condiciones.
Técnicas de genómica
● Técnicas de hibridación: Es la unión de la sonda con su secuencia
complementaria. Es una unión muy específica, tanto que la diferencia en un
solo nucleótido hace que no se produzca. Las sondas se marcan (sustancia
radiactiva, fluorescente o un enzima) para detectar la producción de la
hibridación. En la detección también pueden utilizarse anticuerpos marcados
frente a la cadena de ADN bicatenario. La hibridación puede realizarse en
solución, sobre un soporte sólido e “in situ”.
Hibridación en solución: se realiza en un medio líquido. La hibridación se
produce rápidamente (1 hora o menos) por lo que es un método práctico y
sencillo.
Hibridación sobre fase sólida. Tras la extracción de ácidos nucleicos y
desnaturalización del ADN “problema”, se deposita una gota en una
membrana de nylon o nitrocelulosa y se fija. Se sumerge en una solución de
hibridación que contiene, entre otras cosas, a la sonda. Tras eliminar la sonda
no unida se detecta la fijada por dot blot o spot blot según se deposite el
material sobre la membrana como una gota circular o alargada. Se utiliza
fundamentalmente en investigación. En la práctica clínica existen kits
comerciales como (INNO-LIPA).
La hibridación “in situ” se realiza sobre un corte histológico.
● Técnicas de amplificación:La hibridación en ocasiones posee una baja
sensibilidad debido a la presencia de un escaso número de copias en la
muestra original. Por ello en ocasiones como paso previo se realiza una
amplificación que no es más que una clonación in Vitro que permite obtener
múltiples copias de ADN. También puede realizarse sobre ARN tras su
conversión en ADN complementario (ADNc) mediante una transcriptasa
inversa.
Reacción en cadena de la polimerasa (PCR): la secuencia diana del
microorganismo concreto se amplifica utilizando una polimerasa
(habitualmente Taq polimerasa) y cambios de temperatura. Permite
multiplicar" de forma exponencial el número de copias de cualquier
fragmento de un ácido nucleico por medio de una simple reacción
enzimática de polimerización. La PCR es más conocida por las siglas de la
terminología anglosajona (Polimerase Chain Reaction), y en 1989 llegó a ser
considerada el "mayor descubrimiento científico del año".
La PCR no es más que un proceso de clonación in vitro que permite obtener
múltiples copias de un fragmento de un ácido nucleico mediado por un
enzima (ADN polimerasa) y a partir de unas secuencias de iniciación se
síntesis (iniciadores, cebadores o primers), en presencia de deoxinucleótidos
de las 4 bases e iones Mg+, entre otros componentes y sometido a ciclos
repetidos de DESNATURALIZACION que se realiza a temperaturas
superiores a 94ºC con lo que se logra la ruptura de los puentes de hidrógeno
y la separación de las cadenas, APAREAMIENTO DE INICIADORES a las
secuencias complementarias de la hebra simple de ADN diana que se
produce al disminuir la temperatura hasta 55-68ºC y EXTENSION O
SINTESIS a la T´óptima de actividad del enzima, que en el caso de la Taq
polimera son 72ºC. Finalizado este paso de síntesis, el ciclo se repite entre
25-40 veces, actuando los productos sintetizados como moldes para los
siguientes ciclos, dando lugar a un crecimiento exponencial del número de
copias.
7. Avances e innovaciones que se han realizado con respecto a la proteómica y
genómica
La tecnología genómica es la aplicación de la automatización de la tecnología
molecular básica a un sistema paralelo masivo. Metafóricamente, si la biología
molecular provee las operaciones de corte, copiado y pegado para un determinado
texto (gen), la tecnología genómica opera sobre múltiples genes al mismo tiempo.
Por tanto, para entender bien esta nueva tecnología de alto rendimiento, es necesario
conocer sobre las técnicas de la biología molecular básica.
Técnicas de la biología molecular
● Enzimas de restricción (cortar): Son enzimas que cortan el ADN. Son
obtenidas de algunas bacterias que las usan como protección a la invasión de
ADN foráneo. El primero en obtener y purificar estas enzimas fue Hamilton
Smith a principios de los 70. Estas enzimas reconocen secuencias
específicas de 4 a 8 nucleótidos en el lugar donde se produce el corte. Se
conocen actualmente más de 400 tipos diferentes.
● Clonaje del ADN (copiar y pegar): Es un proceso mediante el cual se usan
bacterias como hospederos, para insertar en su material genético o en los
llamados plásmidos un segmento de ADN de interés y hacer que dicha
bacteria se replique ilimitadamente. Fue Stanley Cohen quien logró insertar
plásmidos que transportaban genes de resistencia a antibióticos de una
bacteria a otra y posteriormente incluir material genético de otras especies
en bacterias.
El proceso comienza con el aislamiento de un fragmento de ADN de interés
mediante las enzimas de restricción; al mismo tiempo se aísla y abre el ADN
circular de un plásmido con la misma enzima de restricción usada;
inmediatamente se junta ambos materiales permitiendo que los fragmentos
se peguen usando una ADN ligasa y se tenga un nuevo círculo de material
plasmídico (plásmido quimérico). Las bacterias se dividirán rápidamente
con el consiguiente aumento del gen insertado y la producción de la proteína
de interés dentro de la bacteria, la cual será purificada para su uso posterior.
Todo este proceso tiene el nombre de Tecnología del ADN recombinante o
Ingeniería Genética.
● PCR: Clonación sin bacterias: Mediante esta técnica, múltiples copias de un
segmento de ADN específico pueden producirse por amplificación, usando
un sistema de síntesis consecutiva que no requiere células vivas. Esta
incluye una serie de reacciones a partir de la enzima ADN polimerasa, por lo
cual toma el nombre de Reacción de la polimerasa en cadena o PCR
(iniciales en inglés). Mediante un segmento iniciador o primer de
nucleótidos complementarios a un extremo de la secuencia deseada en una
de las cadenas, y otro iniciador complementario en el otro extremo de la otra
cadena, lograremos insertar los nucleótidos complementarios mediante la
polimerasa y obtener millones de copias del segmento deseado en
aproximadamente 20 ciclos. Mullis logró el premio Nobel por esta técnica
en 1993.
La tecnología moderna de secuenciación del ADN está basada en el método
de interrupción controlada de la replicación del ADN desarrollada por Fred
Sanger en 1977, por el cual obtuvo el Nobel en 1980. Sanger combinó la
maquinaria de replicación natural de las bacterias con algo de tecnología
ADN recombinante y bioquímica inteligente para crear un sistema de
clonación in vitro.
● Método de Sanger: Secuenciación del genoma. Usó nucleótidos especiales
(dideoxinucleótidos) para cortar la replicación una vez que aleatoriamente
una de estas bases se asociaba al proceso. Para visualizar los diferentes
segmentos obtenidos eran radiomarcados y luego separados por
electroforesis obteniéndose una placa radiográfica con la posición de
acuerdo con el tamaño molecular de los distintos segmentos de ADN
generados se podía colegir los nucleótidos en forma secuencial.
Tecnología genómica
● Secuenciación automatizada del ADN: La primera gran innovación del
método de Sanger la hizo Leroy Hood, al desarrollar nucleótidos
fluorescentes que reemplazaron a los radioactivos en 1985. Estos podían ser
medidos directamente en el gel de acrilamida por un detector láser;
adicionalmente, cada nucleótido fue marcado con un color distinto, lo cual
facilitó su identificación. Luego Hood conectó el proceso a una computadora
y fundó Applied Biosystems, Inc. (ABI). En esencia todo el Proyecto
Genoma Humano fue realizado en máquinas de ABI. Sin embargo, una de
las principales limitaciones del método de Sanger/ABI, fue que solo podía
secuenciar fragmentos de 500 a 800 bases.
● Sublocación shotgun: El proceso de secuenciación de fragmentos grandes de
ADN requería cortar con enzimas de restricción, ingresar la información a
plásmidos (sublocación) y luego secuenciar.
Para aumentar la fidelidad, el proceso era duplicado. Sin embargo, aparte del
tiempo consumido en tales tareas, había muchos errores en los extremos de
los fragmentos que deberían empatar con su complemento. Teóricamente, si
un fragmento de ADN es copiado muchas veces, luego fragmentando en
forma aleatoria (sublocación shotgun) y posteriormente secuenciados, si se
tiene una suficiente cantidad de muestras, es posible restablecer nuevamente
el fragmento original a través de los extremos coincidentes de cada mini
fragmento.
A mediados de los 90 el Institute for Genomic Research (TIGR) logró
automatizar todo el proceso de subclonación shotgun y secuenció en un
tiempo realmente corto para la tarea, la secuencia completa del genoma de
Haemophilus influenzae. Celera Genomics Corporation más tarde,
desarrolló un sistema de secuenciación basado en este principio, con lo cual
impulsó la secuenciación del genoma humano y lograr objetivos más
tempranos de los esperados.
8. Artículos relacionados con las aplicaciones de proteómica y genómica en la
medicina
● ¿Cuáles son los avances de la genómica y la proteómica en el tamizaje
y/o predicción de la preeclampsia?
La preeclampsia constituye una causa importante de morbimortalidad
materna y perinatal en el mundo. Su etiopatogenia es aún un enigma; sin
embargo, los avances en genómica y proteómica prometen la identificación
temprana de la enfermedado del riesgo de padecerla. Objetivo: hacer una
reflexión sobre los avances más promisorios de la genómica y proteómica,
en el tamizaje y/o predicción de la preeclampsia. Conclusiones: dos
polimorfismos funcionales, uno en el gen ACE (I/D) y otro en el gen COMT
(Val158Met), poseen los resultados más promisorios para cumplir con el
objetivo de identificar genéticamente a las mujeres con mayor riesgo de
desarrollar preeclampsia durante un embarazo. Por su parte, la proteómica
ha identificado a la SERPINA-1 como un biomarcador útil para detectar en
la orina de las embarazadas que estén desarrollando la preeclampsia, con al
menos 10 semanas de antelación a las manifestaciones clínicas de la misma
y la necesidad de finalizar el embarazo. En conjunto, estos avances llevados
a la práctica clínica podrían reducir el impacto de esta patología en la salud
materna.
● La genómica y la proteómica en la investigación de la insuficiencia
cardíaca.
La insuficiencia cardiaca es ideal para los estudios de genómica, ya que se
trata de un síndrome complejo, con múltiples etiologías y factores
predisponentes, tanto medioambientales como genéticos. Mientras que la
aproximación tradicional, basada en estudiar un pequeño número de genes o
un único factor de riesgo, genera una información parcial sobre la
insuficiencia cardiaca, la aproximación genómica, que permite identificar un
gran número de genes y vías de señalización alteradas en sus distintas fases
evolutivas, ofrece una alternativa más eficiente, lo que acelerará el
conocimiento de los procesos implicados en su desarrollo.