Gen

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Diagrama esquemático de un gen corto, dentro de la estructura en doble hélice del ADN que, al comprimirse, va formando un cromosoma (derecha). Se trata de un gen eucariota (el procariota carece de intrones). Las proteínas se codifican solo en los exones.

Un gen es una unidad de información en un locus de Ácido desoxirribonucleico (ADN) que codifica un producto funcional, o Ácido ribonucleico (ARN) o proteínas y es la unidad de herencia molecular.[1] [2] También se conoce como una secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN. o de ARN, en el caso de algunos virus y contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica, habitualmente proteínas pero también ARN mensajero (ARNm), Ácido ribonucleico ribosómico (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt).

Esta función puede estar vinculada con el desarrollo o funcionamiento de una función fisiológica. El gen es considerado la unidad de almacenamiento de información genética y unidad de la herencia, pues transmite esa información a la descendencia. Los genes se disponen, pues, a lo largo de ambas cromátidas de los cromosomas y ocupan, en el cromosoma, una posición determinada llamada locus. El conjunto de genes de una especie se denomina genoma. Los genes están localizados en los cromosomas en el núcleo celular.

Historia[editar]

Gregor Mendel
Wilhelm Johannsen

El concepto de gen ha ido variando a lo largo del tiempo, conforme ha avanzado la ciencia que lo estudia, la genética:

  • Gregorio Mendel en sus experimentos propuso la idea original del gen, aunque él no los denominó genes, sino factores, y vendrían a ser los responsables de la transmisión de los caracteres de una generación a la siguiente (lo que ahora llamamos genotipo). El gen mendeliano es una unidad de función, estructura, transmisión, mutación y evolución que se distribuye ordenada y linealmente en los cromosomas.
  • La palabra gen fue acuñada en 1909 por el botánico danés Wilhelm Johannsen a partir de una palabra griega que significa "generar", refiriéndose a la unidad física y funcional de la herencia biológica.
  • Hacia 1950, se impuso el concepto de gen como la cadena de ADN que dirige la síntesis de una proteína. Éste es un concepto que proporciona una naturaleza molecular o estructural al gen. El gen codifica proteínas y debe tener una estructura definida por el orden lineal de sus tripletes o codones.
  • Más tarde surge el concepto de gen como lo que actualmente se llama un cistrón: la cadena de ADN capaz de dirigir la síntesis de un ARN que codifica para un polipéptido (Dogma central de la biología molecular). Este concepto surge al comprobar que la mayoría de las proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica y que cada una de ellas está codificada por un gen diferente.
  • Actualmente se sabe que algunos genes codifican más de un polipéptido y que una proteína puede ser codificada por el conjunto de diferentes genes. La existencia de genes solapantes y el procesamiento alternativo rebaten la hipótesis de un gen → un polipéptido. Más bien debe proponerse la relación inversa, un polipéptido → un gen. Además existen algunos genes que no codifican proteínas sino ARN con función propia (ARN transferentes y ARN ribosómicos, por ejemplo) y que no se traducen, por lo que no es necesaria la traducción para que un gen tenga una función determinada. El gen es, pues, la unidad mínima de función genética, que puede heredarse.

Concepto moderno del gen[editar]

A partir de la teoría original de Mendel de la determinación de caracteres físicos específicos (por.ej., el color de la flor) mediante partículas hereditarias discretas, el concepto de gen ha evolucionado gradualmente hacia el de unidad funcional. Esto fue anunciado por primera vez en 1945 por el genetista George Beadle (1903-1989), quien propuso que cada gen era específico: la hipótesis «un gen, una proteína». Fue modificada posteriormente cuando se comprendió que los genes podían determinar además proteínas no enzimáticas y también cadenas polipeptídicas individuales (sub-unidades proteicas) y los diversos tipos de ARN involucrados en la síntesis de proteínas. El desarrollo de nuevas técnicas en la década de los sesenta y ochenta, especialmente la secuenciación del ADN y la clonación de los genes, permitió a los genetistas moleculares desentrañar la estructura precisa de los genes hasta el nivel de las bases.

Tales técnicas aportan mucha información sobre cómo se activan y desactivan los genes y sobre otros aspectos de su expresión.

Tipos de genes[editar]

Imagen microscopia fluorescente de un cariotipo de una mujer humana, que muestra 46 pares de cromosomas rayadas con bandas de rojo y amarillo con regiones ricas de genes constitutivos manchadas con verde. Las cromosomas más grandes llevan diez veces más grandes que las más pequeñas.[3]

Un gen es una secuencia o segmento de ADN necesario para la síntesis de ARN funcional, como el ARN de transferencia o el ARN ribosomal. Sin embargo, estos dos tipos de ARN no codifican proteínas, lo cual es hecho por el ARN mensajero. Para ello, la transcripción genera una molécula de ARN que posteriormente sufrirá traducción en los ribosomas, proceso por el cual se genera una proteína. Muchos genes se encuentran constituidos por regiones codificantes (exones) interrumpidas por regiones no codificantes (intrones) que son eliminadas en el procesamiento del ARN (splicing). En células procariotas esto no ocurre pues los genes de procariotas carecen de intrones. La secuencia de bases presente en el ARN determina la secuencia de aminoácidos de la proteína por medio del código genético.

Otros genes no son traducidos a proteína, sino que cumplen su función en forma de ARN. Entre éstos, encontramos genes de ARN transferente, ARN ribosómico, ribozimas y otros ARN pequeños de funciones diversas.

Algunos genes han sufrido procesos de mutación u otros fenómenos de reorganización y han dejado de ser funcionales, pero persisten en los genomas de los seres vivos. Al dejar de tener función, se denominan pseudogenes, que constituyen un recurso evolutivo para la especie, ya que son regiones de ADN quasifuncionales que pueden aceptar mutaciones (y generar nuevas funciones) sin perjuicio de las funciones que ya se desarrollan en el organismo, y pueden ser muy parecidos a otros genes del mismo organismo que sean funcionales. .

Molecular evolution[editar]

Mutación[editar]

Mutación de ADN

La reproducción de ADN se hace con certera extrema, sin embargo errores, llamados mutaciones, sí se ocurran.[2] La tasa de errores en las células eukaryotas puede bajar hasta 10−8 por nucleótido por replicación,[4] [5] mientras por algunos viruses de ARN se pueda hacer tan alto como 10−3.[6] Así cada generación, cada genoma humana acumule 1–2 nuevas mutaciones.[6] Pequeñas mutaciones se puedan causar por replicación de ADN y la secuela del daño de ADN y incluye mutaciones genéticas, en las cuales un base singular se altera, y mutaciones con desplazamiento del marco de lectura en las cuales se inserte o se borre el base. Cualquiera de estas mutaciones se puede cambiar el gen por misense (cambios a un codón por otro aminoácido) o mutación sin sentido (un precipitado codón de terminación).[7] Se pueden causar mutaciones más grandes por errores en la recombinación por causar mutación cromosómica incluyendo la duplicación génica, borrado, reorganización o inversión de largas secciones de una cromosoma. También el mecanismo de la reparación del ADN, lo cual normalmente revierta mutaciones, pueda introducir errores cuando repare el daño físico a la molécula, y se trata como más importante que restaurar una copia exacta, por ejemplo durante la reparación de una quiebra de doble hilo.[2] :5.4

Cuando existen múltiples, diferentes alelos por un gen que se presente en la población de una especie se llama polimorfismo. La mayoría de alelos distintos se funcionen de manera equivalente; sin embargo algunos puedan levantar caracteres biológicos distintos. El alelo más común de un gen se llama wild type, y alelos raros se llaman mutantes. La variación en frecuencias relativas de alelos diferentes en una población se causa la selección natural y la deriva genética.[8] El alelo del tipo wild type no es definitivamente el antepasado de los alelos menos comunes ni es cierto que tenga más aptitud.

La mayoría de las mutaciones que ocurran adentra de genes se llaman neutrales porque no afecten el fenotipo del organismo. Algunas mutaciones no cambien la secuencia de aminoácidos porque codones múltiples codifiquen el mismo aminoácido. Otras mutaciones son neutrales si terminen en cambios a la secuencia del aminoácido, pero la proteína siga funcionando igual con el nuevo aminoácido. Sin embargo muchas mutaciones son nocivas si no letales, y se las borre por la selección natural. Trastornos genéticos resulten de mutaciones nocivas, y a veces debida a una mutación espontanea en el individual afectado, o se hereden. Unas pocas se beneficien al organismo, mejorando la aptitud, y se importan mucho porque dirijan hasta la evolución adaptativo.[2]

Homología de secuencias[editar]

Un alineamiento de secuencias, generada por ClustalW entre dos proteínas dedos de zinc identificadas por el número de acceso GenBank

Genes con un ancestro común más reciente, o sea unos abolengos evolutivos compartidos, se conocen como homologos.[9] Estos genes aparezcan, o por la duplicación de genes adentro del genoma de un organismo, y se llaman genes paralogos, o se resulten de divergencias de los genes después de un evento de especiación, se llaman genes ortologos,[2] :7.6 y muchas veces desempeñen una función que es lo mismo o semejante en organismos relacionados. Se asuma a menudo que las funciones de los genes ortologos se aparezcan más que las de los genes paralogos, aunque las diferencias son muy pequeñas.[10] [11]

Se pueda medir la relación entre genes por comparar su alineamiento de secuencias de ADN.[2] :7.6 El grado de secuencia semejante entre genes homólogos se llamad secuencia conservada. La mayoría de los cambios no afecten la función del gen y por esto los genes se acumulen mutaciones con el paso del tiempo por la evolución molecular neutralista. Además cualquier selección en un gen causará la divergencia de su secuencia a un rato diferente.

Origines de nuevos genes[editar]

Una ilustración de las mutaciones que pueden causar pseudogenes. La secuencia humana es de un pseudogén en la familia génica del olfato. La secuencia del chimpancé es el ortólogo funcional. Se resaltan diferencias claves

El fuente más común de genes en las células eucariotas es la duplicación cromosómica, la cual crea variación en el número de copias de un gen que ya existe en el genoma.[12] [13] Los genes resultantes (paralogos) luego quizás divergieran en su secuencia y también en su función. Grupos de genes formados de esta manera se llaman una familia génica. Las duplicaciones y perdidas genéticas adentro de una familia son comunes y representan un fuente mayor de la biodiversidad evolutiva.[14] A veces, la duplicación de genes resultara en una copia no funcional de un gen, o una copia que se deba funcionar pero por las mutaciones experimenta perdidas de funciones; tales genes se llaman pseudogéns.[2]

Genomas[editar]

Una imagen de las 46 cromosomas que juntas se hacen el genoma diploide de un varón humano

El genoma es el total de la material genética de un organismo y incluye los genes y también las secuencias no codificantes.[15]

Número de genes en algunos organismos[editar]

El tamaño de el genoma y el número de genes codificantes varían enormemente entre organismos. Los genomas más pequeños ocurren en los viruses, los cuales pueden tener solo dos genes codificantes por codigar las proteínas,[16] y viroides, los cuales actúan como un gen singular de ARN no codificante.[17] Por otra parte las plantas pueden tener los genomas muy grandes,[18] con arroz que contiene >46,000 genes codificantes de proteínas.[19] El número total de genes codificantes de proteínas (la proteoma de la Tierra) se estima como 5 millones de secuencias.[20]

Aunque el número de pares de bases de ADN en el genoma humano se conoce desde la década de los 1960, la estimación del número de genes se ha cambiado durante los años por razones como cambios en la definición de que es un gen, y mejoras en los métodos usados por detectar los genes. Predicciones teóricos iniciales del número de los genes humanos se alcanzaran dos millones.[21] Experimentos iniciales indicaron que fueron entre 50,000–100,000 transcripciones de genes (Marcador de secuencia expresadas).[22] Luego, las secuencias hechas en el Proyecto Genoma Humano indicaron que muchos de los transcripciones fueron variantes alternativas del mismo gen, y el número total de genes codificantes proteínas se bajó hasta ~20,000[23] con 13 de los genes codificantes en el genoma de la mitochondria.[24] Del genoma humano solo 1–2% consistan de genes codificantes de proteínas,[25] con los demás siendo ADN no codificante como intrones, retrotransposones, y ARN no codificante.[25] [26]

Mycoplasma genitalium
Organismo N.º de genes pares de bases
Plantas <50000 <1011
Humanos 20.000-25.000[27] 3 × 109
Mosca 12000 1,6 × 108
Hongo 6000 1,3 × 107
Bacteria 500-6000 5 × 105 - 107
Mycoplasma genitalium 500 580.000
Virus ADN 10-300 5000 - 800.000
Virus ARN 1-25 1000 - 23.000
Transposones 1-10 2000 - 10.000
Viroides 0-1 ~500
Priones 0 0

Cambios en los genes[editar]

Los organismos diploides disponen de dos juegos de cromosomas homólogos, cada uno de ellos proveniente de uno de los padres, cuyos gametos (creado por meiosis) se fusionaron hacia una célula conocido como un cigoto, durante la reproducción sexual. Por ejemplo, los gametos (huevo y esperma) del ser humano solo contienen 23 cromosomas, pero ya terminado la división celular del cigoto creado por la fertilización en cuatro células, cada célula del nuevo bebé va a tener 23 pares de cromosomas, uno de los pares procedente de la madre y otra del padre.

Algunas enfermedades como la anemia drepanocítica, se pueden ocasionar por un cambio en un solo gen. Los genes pueden aparecer en versiones diferentes, con pequeñas variaciones en su secuencia: es lo que se denomina alelos. Los alelos pueden ser dominantes o recesivos. Cuando una sola copia del alelo hace que se manifieste el rasgo o el fenotipo, el alelo es dominante. Cuando son precisas dos copias del alelo, para que se manifieste su efecto, el alelo es recesivo.

Regulación[editar]

Un gen es el conjunto de una secuencia determinada de nucleótidos de uno de los lados de la "escalera" del cromosoma referenciado. La secuencia puede llegar a formar proteínas, o serán inhibidas, dependiendo del programa asignado para la célula que aporte los cromosomas.[28]

Ingeniería genética[editar]

Manipulación genética.

En la ingeniería genética se modifica el genoma de un organismo usando métodos de la biotecnología. Desde la década de los 1970, se han desarrolladas técnicas que específicamente agreguen, quiten y editen los genes de un organismo[29] La ingeniería de genomas se ha desarrollado más recientemente algunas técnicas que usan los nucleases de enzimas por crear blanqueadas reparaciones de ADN en una cromosoma, o por interrumpir o editar un gen cuando la quiebra se repare.[30] [31] [32] [33] La expresión semejante es biología sintética que a veces se use por referir a la ingeniería extensiva de un organismo.[34]

La ingeniería genética es ahora una herramienta de investigaciones rutina usando un organismo modelo. Por ejemplo, agregar genes a las bacterias es facíl[35] mientras linajes de ratón knockout con un función de gen interrumpido se usan por investigar la función de ese gen.[36] [37] Se han modificados muchos genes por aplicaciones en la agricultura, la medicina y la biotecnología industrial.

Por organismos multicelulares, típicamente un embrión se ingeniera, lo cual crezca hasta ser un organismo genéticamente modificado adulto.[38] Sin embargo, los genomas en células de un organismo adulto se puede editar por usar técnicas de terapia génica para intentar curar enfermedades con causas genéticas.

Referencias[editar]

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Bibliografía adicional[editar]

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