Gene

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Gen ( otro griego γένος  - género ) - en la genética clásica  - un factor hereditario que lleva información sobre un determinado rasgo o función del cuerpo, y que es una unidad estructural y funcional de la herencia . Como tal, el término "gen" fue introducido en 1909 por el botánico , fisiólogo de plantas y genetista danés Wilhelm Johannsen [1] .

Después del descubrimiento de los ácidos nucleicos como portadores de información hereditaria, la definición de gen cambió y el gen comenzó a definirse como una sección de ADN (en algunos virus  , una sección de ARN ) que especifica la secuencia de monómeros en un polipéptido o en ARN funcional [2] .

Con la acumulación de información sobre la estructura y el trabajo de los genes, la definición del concepto de "gen" continuó cambiando, pero en la actualidad no existe una definición universal de un gen que satisfaga a todos los investigadores [3] [4] [4 ] [5] . Una de las definiciones modernas de un gen es la siguiente: un gen es una secuencia de ADN, cuyos segmentos constituyentes no tienen que ser físicamente contiguos. Esta secuencia de ADN contiene información sobre uno o más alimentos en forma de proteína o ARN. Los productos génicos funcionan como parte de las redes reguladoras genéticas, cuyo resultado se realiza a nivel del fenotipo [6] .

La totalidad de los genes de un organismo constituyen el genotipo . El genotipo junto con los factores ambientales y de desarrollo determinan cuál será el fenotipo . La transmisión de genes a la descendencia es la base de la herencia de los rasgos fenotípicos. La mayoría de los rasgos biológicos son poligénicos, es decir, están influenciados por muchos genes. Los genes pueden cambiar como resultado de mutaciones que modifican la secuencia del ADN. Debido a las mutaciones en una población , los genes existen en diferentes variantes, llamadas alelos . Diferentes alelos de un gen pueden codificar diferentes versiones de una proteína, que puede manifestarse fenotípicamente . Los genes, junto con las secciones de ADN que no contienen genes, forman parte del genoma , que es todo el material hereditario de un organismo.

Historia

Descubrimiento de genes como portadores discretos de herencia

La evidencia experimental de la presencia de factores discretos de herencia fue presentada por primera vez en 1865 por Gregor Mendel en un informe en una reunión de la Sociedad de Naturalistas en Brno . En 1866, el informe se publicó en forma impresa [7] . Gregor Mendel estudió la herencia de los rasgos en los guisantes rastreando cuantitativamente la frecuencia de los rasgos en las plantas madre y la descendencia. En cruces de plantas con diferentes rasgos, analizó más de 8.000 plantas. En estos experimentos, Mendel demostró la herencia independiente de los rasgos , la distinción entre rasgos dominantes y recesivos , la distinción entre heterocigotos y homocigotos , y el fenómeno de la herencia discontinua . Los resultados de sus experimentos, los describió matemáticamente y los interpretó, asumiendo que hay factores de herencia discretos, inmiscibles en la descendencia.

Antes del trabajo de Mendel, el concepto dominante para explicar los patrones de herencia era el de la mezcla de rasgos parentales en la descendencia de manera análoga a la mezcla de fluidos. Este concepto es seguido por la teoría de la pangénesis desarrollada por Charles Darwin en 1868, dos años después de la publicación de los resultados de Mendel [8] . En esta teoría, Darwin sugirió la existencia de partículas muy pequeñas, a las que llamó "gemmules", que se mezclan durante la concepción.

El artículo de Mendel pasó casi desapercibido después de su publicación en 1866, pero recibió un segundo "nacimiento" a fines del siglo XIX, gracias a Hugo de Vries , Carl Correns y Erich von Tschermak , quienes llegaron a conclusiones similares en sus propios estudios . 9] . En particular, en 1889 Hugo de Vries publicó su libro "Pangénesis intracelular" [10] , en el que postuló que diferentes rasgos tienen sus propios portadores hereditarios, y que la herencia de rasgos específicos en los organismos ocurre con la ayuda de partículas. De Vries llamó a estas unidades "pangens" (Pangens en alemán), utilizando parte del nombre de la teoría de la pangénesis de Darwin.

En 1909, Wilhelm Johannsen acuñó el término "gen" [1] y William Bateson acuñó el término  " genética " [11] , mientras que Eduard Strasburger todavía usaba el término "pangen" para referirse a la unidad física y funcional básica de la herencia [12 ] .

Descubrimiento del ADN como portador de información genética

Experimentos realizados en los años 40 por bacteriólogos estadounidenses del Instituto Rockefeller bajo la dirección de O. Avery demostraron que el ADN es el depósito molecular de la información genética. En los trabajos sobre la transformación genética de los neumococos , se demostró que la transferencia de rasgos de una bacteria a otra ocurre con la ayuda de una sola sustancia: el ADN. Ni la proteína ni otros componentes químicos de la célula poseían esta propiedad [13] [14] [15] . En 1953, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins obtuvieron imágenes de alta calidad de la estructura del ADN utilizando cristalografía de rayos X. Estas imágenes ayudaron a James D. Watson y Francis Crick a crear un modelo de la molécula de hélice de doble cadena de ADN y formular la hipótesis del mecanismo de replicación genética [16] [17] .

A principios de la década de 1950, la opinión predominante era que los genes de un cromosoma actuaban como entidades separadas, inseparables mediante la recombinación y dispuestos como cuentas en un hilo. Los experimentos de Seymour Benzer usando mutantes , bacteriófagos defectuosos en la región rII T4 (1955-1959), mostraron que los genes individuales tienen una estructura lineal simple y probablemente son equivalentes a la sección transversal lineal del ADN [18] [19] .

En conjunto, este cuerpo de investigación ha establecido el dogma central de la biología molecular , que sostiene que las proteínas se traducen a partir del ARN , que se transcribe a partir del ADN . Desde entonces, se ha demostrado que este dogma tiene excepciones, como la transcripción inversa en los retrovirus . El estudio moderno de la genética a nivel del ADN se conoce como genética molecular .

En 1972, Walter Fyers y su equipo fueron los primeros en determinar la secuencia de un gen: la secuencia de la proteína de cubierta del bacteriófago MS2[20] . El desarrollo posterior de la secuenciación del ADN con el método Sanger en 1977 por Frederick Sanger mejoró la eficiencia de la secuenciación y la convirtió en una herramienta de laboratorio de rutina [21] . Se utilizó una versión automatizada del método Sanger en las primeras etapas del Proyecto Genoma Humano [22] .

La síntesis moderna y sus sucesores

Las teorías desarrolladas a principios del siglo XX para integrar la genética mendeliana con la evolución darwiniana se denominan síntesis moderna , término acuñado por Julian Huxley [23] .

Los biólogos evolutivos han modificado posteriormente este concepto, como la visión de la evolución centrada en los de George Williams . Propuso el concepto evolutivo del gen como unidad de selección natural, con la definición: "aquello que se separa y se recombina con notable frecuencia" [24] :24 . Desde este punto de vista, el gen molecular se transcribe como un todo y el gen evolutivo se hereda como un todo. Richard Dawkins [25] [26] popularizó ideas relacionadas que enfatizan el papel central de los genes en la evolución .

Base molecular

ADN

La información genética en la gran mayoría de los organismos está codificada en largas moléculas de ADN . El ADN consta de dos cadenas poliméricas retorcidas helicoidalmente , cuyos monómeros son cuatro nucleótidos : dAMP, dGMP, dCMP y dTMP. Los nucleótidos en el ADN consisten en un azúcar de cinco carbonos ( 2-desoxirribosa ), un grupo fosfato y una de las cuatro bases nitrogenadas : adenina , citosina , guanina y timina [27] : 2,1 . La base nitrogenada está unida por un enlace glucosídico a un azúcar de cinco carbonos (pentosa) en la posición 1'. La columna vertebral de las cadenas de ADN es una secuencia alterna de azúcares de pentosa y fosfatos, los grupos fosfato están unidos al azúcar en las posiciones 5' y 3'. Los números de posición del anillo de pentosa están marcados con un primo para distinguir entre la numeración de los anillos en el azúcar y la base nitrogenada [28] .

Debido a la composición química de los residuos de pentosa , las cadenas de ADN son direccionales. Un extremo del polímero de ADN contiene un grupo hidroxilo abierto en la desoxirribosa en la posición 3'; este extremo se llama extremo 3'. El otro extremo contiene un grupo fosfato abierto , este es el extremo 5'. Las dos hebras de la doble hélice del ADN están orientadas en direcciones opuestas. La síntesis de ADN, incluida la replicación del ADN , se produce en la dirección 5' → 3' porque se añaden nuevos nucleótidos a través de una reacción de deshidratación que utiliza el 3'-hidroxilo expuesto como nucleófilo [29] :27.2 .

La expresión de los genes codificados en el ADN comienza con la transcripción de una secuencia de nucleótidos de ADN en una secuencia de nucleótidos de otro tipo de ácido nucleico- ARN . El ARN es muy similar al ADN, pero sus monómeros contienen ribosa , no desoxirribosa . Además, se usa uracilo en lugar de timina en el ARN . Las moléculas de ARN son monocatenarias y menos estables que el ADN. Los genes en el ADN, y después de la transcripción en el ARNt, son un cifrado (código) natural para la síntesis de proteínas. Cada tres nucleótidos (triplete) codifican un aminoácido. Por ejemplo, si un gen tiene 300 nucleótidos, entonces una proteína debería tener 100 aminoácidos. Por lo tanto, el código se llama triplete. La regla por la que se determina qué triplete corresponde a qué aminoácido se denomina código genético . La lectura del código genético ocurre en el ribosoma durante la traducción del ARN en proteína . El código genético es casi el mismo para todos los organismos conocidos [27] :4.1 .

Cromosoma

El material hereditario de un organismo, o genoma , se almacena en uno o más cromosomas , cuyo número es específico de la especie . El cromosoma consta de una molécula de ADN muy larga, que puede contener miles de genes [27] :4.2 . La región del cromosoma donde se encuentra el gen se llama locus . Cada locus contiene un alelo específico de un gen. Los representantes de una población pueden diferir en los alelos de un gen ubicado en los mismos loci de los cromosomas.

La mayoría de los genes eucariotas se almacenan en varios cromosomas lineales. Los cromosomas se empaquetan en el núcleo en complejos con las proteínas de la cromatina . Las proteínas de cromatina más numerosas son las histonas , que forman un glóbulo de proteína llamado nucleosoma . El ADN envuelve los nucleosomas, que es el primer nivel de empaquetamiento del ADN en un cromosoma [27] :4.2 . La distribución de los nucleosomas a lo largo del ADN, así como las modificaciones químicas de las propias histonas, regulan la disponibilidad del ADN para los factores reguladores implicados en la replicación, transcripción, traducción y reparación. Además de los genes, los cromosomas eucariotas también contienen secuencias de servicio que aseguran la estabilidad y reproducción de los cromosomas, así como su distribución entre las células hijas en mitosis. Estos son los telómeros , sitios de iniciación de la replicación y centrómero , respectivamente [27] :4.2 .

Definiciones funcionales

Es difícil determinar exactamente a qué parte de la secuencia de ADN pertenece un gen [5] .

Principales características del gen

En biología molecular , se ha establecido que los genes son secciones de ADN que contienen información integral, sobre la estructura de una molécula de proteína o una molécula de ARN , que determinan el desarrollo, el crecimiento y el funcionamiento del organismo .

Cada gen se caracteriza por una serie de secuencias de ADN reguladoras específicas.como promotores que intervienen en la regulación de la función del gen. Las secuencias reguladoras se pueden ubicar muy cerca del marco de lectura abierto que codifica la proteína, o al comienzo de la secuencia de ARN, como en el caso de los promotores (los llamados elementos reguladores en cis , ing.  Elementos reguladores en cis ), ya una distancia de muchos millones de pares de bases ( nucleótidos ), como es el caso de los potenciadores , aislantes y supresores (a veces clasificados como elementos trans -reguladores , en inglés  trans-regulatory elements ). Es decir, el concepto de gen no se limita a la región codificante del ADN. Un gen es un concepto más amplio que incluye secuencias reguladoras.

Inicialmente, el término "gen" apareció como una unidad teórica para la transmisión de información hereditaria discreta. La historia de la biología recuerda disputas sobre qué moléculas pueden ser portadoras de información hereditaria. Se creía que solo las proteínas pueden ser tales transportadores , ya que su estructura (20 aminoácidos ) le permite crear más opciones que el ADN , que consta de solo cuatro tipos de nucleótidos . Sin embargo, se ha probado experimentalmente que es el ADN el que contiene la información hereditaria, que se expresó como el dogma central de la biología molecular : ADN - ARN - proteína.

Los genes pueden sufrir mutaciones  : cambios aleatorios o intencionales en la secuencia de nucleótidos en la cadena de ADN . Las mutaciones pueden provocar un cambio en la secuencia y, por lo tanto, un cambio en las características biológicas de una proteína o ARN . El resultado puede ser un funcionamiento alterado o incluso anormal del organismo. Tales mutaciones en algunos casos son patógenas, ya que su resultado es una enfermedad , o letales a nivel embrionario . No todos los cambios en la secuencia de nucleótidos conducen a un cambio en la estructura de la proteína (por efecto de la degeneración del código genético ) oa un cambio significativo en la secuencia y no son patogénicos. En particular, el genoma humano se caracteriza por polimorfismos de un solo nucleótido y variaciones en el número de copias , como deleciones y duplicaciones , que representan aproximadamente el 1% de la secuencia de nucleótidos humana completa [31] . Los polimorfismos de un solo nucleótido, en particular, definen diferentes alelos del mismo gen.  

Evolución molecular

Mutación

La replicación del ADN es en su mayor parte extremadamente precisa, pero se producen errores ( mutaciones ) [27] :7.6 . La tasa de error en las células eucariotas puede ser tan baja como 10-8 por nucleótido por replicación [32] [33] , mientras que para algunos virus de ARN puede llegar a 10-3 [34] . Esto significa que en cada generación, cada persona en el genoma acumula 1-2 nuevas mutaciones [34] . Las pequeñas mutaciones pueden ser causadas por la replicación del ADN y las consecuencias del daño del ADN, e incluyen mutaciones puntuales , en las que se cambia una sola base, y mutaciones de cambio de marco , en las que se inserta o elimina una sola base. Cualquiera de estas mutaciones puede cambiar el gen por sentido erróneo (cambiar el código para codificar un aminoácido diferente) o por sin sentido ( codón de terminación prematuro ) [35] . Las mutaciones grandes pueden ser causadas por errores en la recombinación para causar anomalías cromosómicas , incluida la duplicación , eliminación, reordenamiento o inversión de grandes secciones del cromosoma. Además, los mecanismos de reparación del ADN pueden introducir errores mutacionales al restaurar el daño físico a la molécula. La reparación, incluso con mutación, es más importante para la supervivencia que la reparación de una copia exacta, por ejemplo, cuando se reparan roturas de doble cadena [27] :5.4 .

Cuando varios alelos diferentes de un gen están presentes en una población de una especie , esto se denomina polimorfismo . La mayoría de los diferentes alelos son funcionalmente equivalentes, sin embargo, algunos alelos pueden producir diferentes rasgos fenotípicos . El alelo más común de un gen se llama tipo salvaje y los alelos raros se llaman mutantes . Las diferencias genéticas en las frecuencias relativas de varios alelos en una población se deben tanto a la selección natural como a la deriva genética [36] . El alelo de tipo salvaje no es necesariamente un ancestro de alelos menos comunes y no es necesariamente más apto .

Número de genes

El tamaño del genoma y el número de genes que contiene varían mucho entre los grupos taxonómicos . Los genomas más pequeños se encuentran en virus [37] y viroides (que actúan como un solo gen de ARN no codificante) [38] . Por el contrario, las plantas pueden tener genomas muy grandes [39] , y el arroz contiene más de 46 000 genes que codifican proteínas [40] . El número total de genes que codifican proteínas ( proteoma de la Tierra ), que se estimó en 2007 en 5 millones de secuencias [41] , en 2017 se redujo a 3,75 millones [42] .

Ingeniería genética

La ingeniería genética es un método de modificación del material genético para cambiar las propiedades de un organismo vivo. Desde la década de 1970, se han desarrollado muchos métodos específicamente para agregar, eliminar y editar genes en virus, bacterias, plantas, hongos y animales, incluidos los humanos [43] . Las técnicas de ingeniería genómica desarrolladas recientemente utilizan enzimas nucleasas diseñadas para crear una reparación de ADN específica en un cromosoma para interrumpir o editar un gen en el proceso de reparación de una rotura de ADN introducida artificialmente [44] [45] [46] [47] . El término relacionado biología sintética se utiliza a veces para referirse a la amplia disciplina de la ingeniería genética de un organismo [48] .

La ingeniería genética es ahora una herramienta de rutina para trabajar con organismos modelo . Por ejemplo, los genes se agregan fácilmente a las bacterias [49] , mientras que las líneas " Knockout mouse» Se utilizan ratones con la función deteriorada de un gen en particular para estudiar la función de ese gen [50] [51] . Muchos organismos han sido modificados genéticamente para aplicaciones en agricultura, biotecnología industrial y medicina .

En los organismos multicelulares, el embrión suele ser modificado , que crece hasta convertirse en un organismo adulto genéticamente modificado [52] . Sin embargo, los genomas de células adultas se pueden editar utilizando métodos de terapia génica para tratar enfermedades genéticas.

Propiedades del gen

  1. discreción  - inmiscibilidad de los genes;
  2. estabilidad - la capacidad de mantener la estructura;
  3. labilidad : la capacidad de mutar  repetidamente ;
  4. alelismo múltiple  : existen muchos genes en una población en una variedad de formas moleculares;
  5. alelismo  : en el genotipo de organismos diploides, solo dos formas del gen;
  6. especificidad  : cada gen codifica su propio rasgo;
  7. pleiotropía  - efecto múltiple de un gen;
  8. expresividad  - el grado de expresión de un gen en un rasgo;
  9. penetrancia  - la frecuencia de manifestación de un gen en el fenotipo ;
  10. amplificación  - un aumento en el número de copias de un gen .

Clasificación

  1. Los genes estructurales son genes que codifican información sobre la estructura primaria de una proteína . La disposición de los tripletes de nucleótidos en los genes estructurales es colineal con la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica codificada por el gen dado (ver también el artículo genes de mantenimiento ).
  2. Los genes funcionales son genes que controlan y dirigen la actividad de los genes estructurales [53] .

Véase también

Notas

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Literatura

Enlaces

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