11.1: ¿Qué son los genes?

Objetivos de aprendizaje

• Explicar las dos funciones del genoma
• Explicar el significado del dogma central de la biología molecular
• Diferenciar entre genotipo y fenotipo y explicar cómo influyen los factores ambientales en el fenotipo

Enfoque Clínico: Parte 1

Mark es ingeniero de software de 60 años que sufre de diabetes tipo II, la cual monitorea y mantiene bajo control en gran parte a través de la dieta y el ejercicio. Una mañana de primavera, mientras hacía un poco de jardinería, se rascó la parte inferior de la pierna mientras paseaba por zarzas de mora. Siguió trabajando todo el día en el patio y no se molestó en limpiar la herida y tratarla con ungüento antibiótico hasta más tarde esa noche. Durante los siguientes 2 días, su pierna se puso cada vez más roja, hinchada y cálida al tacto. Estaba dolorido no sólo en la superficie, sino profundo en el músculo. Después de 24 horas, Mark desarrolló fiebre y rigidez en la pierna afectada. Al sentirse cada vez más débil, llamó a un vecino, quien lo condujo al servicio de urgencias.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

1. ¿Mark esperó demasiado para buscar atención médica? ¿En qué momento sus signos y síntomas justifican buscar atención médica?
2. ¿Qué tipos de infecciones u otras afecciones podrían ser responsables de los síntomas de Mark?

El ADN cumple dos funciones esenciales que se ocupan de la información celular. Primero, el ADN es el material genético responsable de la herencia y se transmite de padres a hijos para toda la vida en la tierra. Para preservar la integridad de esta información genética, el ADN debe replicarse con gran precisión, con errores mínimos que introduzcan cambios en la secuencia del ADN. Un genoma contiene el complemento completo de ADN dentro de una célula y se organiza en unidades discretas más pequeñas llamadas genes que están dispuestas en cromosomas y plásmidos. La segunda función del ADN es dirigir y regular la construcción de las proteínas necesarias a una célula para su crecimiento y reproducción en un ambiente celular particular.

Un gen está compuesto por ADN que es “leído” o transcrito para producir una molécula de ARN durante el proceso de transcripción. Un tipo importante de molécula de ARN, llamado ARN mensajero (ARNm), proporciona la información para que el ribosoma catalice la síntesis de proteínas en un proceso llamado traducción. Los procesos de transcripción y traducción se denominan colectivamente expresión génica. La expresión génica es la síntesis de una proteína específica con una secuencia de aminoácidos que se codifica en el gen. El flujo de información genética de ADN a ARN a proteína es descrito por el dogma central (Figura\(\PageIndex{1}\)). Este dogma central de la biología molecular aclara aún más el mecanismo detrás de la hipótesis de “un gene-uno enzima” de Beadle y Tatum (ver Using Microbiology to Discover the Secrets of Life). Cada uno de los procesos de replicación, transcripción y traducción incluye las etapas de 1) iniciación, 2) elongación (polimerización) y 3) terminación. Estas etapas se describirán con más detalle en este capítulo.

Figura\(\PageIndex{1}\): El dogma central afirma que el ADN codifica ARN mensajero, el cual, a su vez, codifica proteína.

El genotipo de una célula es la colección completa de genes que contiene, mientras que su fenotipo es el conjunto de características observables que resultan de esos genes. El fenotipo es el producto de la matriz de proteínas que produce la célula en un momento dado, lo que está influenciado por el genotipo de la célula así como por las interacciones con el entorno de la célula. Los genes codifican proteínas que tienen funciones en la célula. La producción de una proteína específica codificada por un gen individual a menudo da como resultado un fenotipo distinto para la célula en comparación con el fenotipo sin esa proteína. Por esta razón, también es común referirse al genotipo de un gen individual y su fenotipo. Aunque el genotipo de una célula permanece constante, no todos los genes se utilizan para dirigir la producción de sus proteínas simultáneamente. Las células regulan cuidadosamente la expresión de sus genes, utilizando únicamente genes para elaborar proteínas específicas cuando esas proteínas son necesarias (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): El fenotipo está determinado por los genes específicos dentro de un genotipo que se expresan en condiciones específicas. Aunque múltiples células pueden tener el mismo genotipo, pueden exhibir una amplia gama de fenotipos resultantes de diferencias en los patrones de expresión génica en respuesta a diferentes condiciones ambientales.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

1. ¿Cuáles son las dos funciones del ADN?
2. Distinguir entre el genotipo y el fenotipo de una célula.
3. ¿Cómo pueden las células tener el mismo genotipo pero diferir en su fenotipo?

Uso y abuso de datos genómicos

¿Por qué algunos humanos pueden albergar patógenos oportunistas como Haemophilus influenzae, Staphylococcus aureus o Streptococcus pyogenes, en sus vías respiratorias superiores pero siguen siendo portadores asintomáticos, mientras que otros individuos se enferman gravemente cuando se infectan? Existe evidencia que sugiere que las diferencias en la susceptibilidad a la infección entre los pacientes pueden ser el resultado, al menos en parte, de diferencias genéticas entre hospedadores humanos. Por ejemplo, las diferencias genéticas en antígenos leucocitarios humanos (HLA) y antígenos de glóbulos rojos entre los huéspedes se han visto implicadas en diferentes respuestas inmunitarias y la progresión de la enfermedad resultante de la infección por H. influenzae.

Debido a que la interacción genética entre el patógeno y el huésped puede contribuir a los resultados de la enfermedad, comprender las diferencias en la composición genética entre individuos puede ser una herramienta clínica importante. La genómica ecológica es un campo relativamente nuevo que busca comprender cómo los genotipos de diferentes organismos interactúan entre sí en la naturaleza. El campo responde preguntas sobre cómo la expresión génica de un organismo afecta la expresión génica de otro. Las aplicaciones médicas de la genómica ecológica se centrarán en cómo los patógenos interactúan con individuos específicos, a diferencia de los humanos en general. Dichos análisis permitirían a los profesionales médicos utilizar el conocimiento del genotipo de un individuo para aplicar planes más individualizados de tratamiento y prevención de enfermedades.

Con el advenimiento de la secuenciación de próxima generación, es relativamente fácil obtener las secuencias genómicas completas de patógenos; un genoma bacteriano se puede secuenciar en tan solo un día. ¹ También se ha reducido considerablemente la velocidad y el costo de secuenciar el genoma humano y, ya, los individuos pueden presentar muestras para recibir informes extensos sobre sus rasgos genéticos personales, incluyendo ascendencia y estado portador de diversas enfermedades genéticas. A medida que las tecnologías de secuenciación avancen aún más, dichos servicios seguirán siendo menos costosos, más extensos y más rápidos.

No obstante, a medida que este día se acerca rápidamente, hay muchas preocupaciones éticas con las que la sociedad debe lidiar. Por ejemplo, ¿la secuenciación genómica debería ser una práctica estándar para todos? ¿Debería ser requerido por la ley o por los patrones si va a disminuir los costos de atención médica? Si alguien rechaza la secuenciación del genoma, ¿pierde su derecho a la cobertura del seguro médico? ¿Para qué fines se deben utilizar los datos? ¿Quién debe supervisar el uso adecuado de estos datos? Si la secuenciación genómica revela predisposición a una enfermedad en particular, ¿las compañías de seguros tienen derecho a aumentar las tasas? ¿Los empleadores tratarán a un empleado de manera diferente Sabiendo que las influencias ambientales también afectan el desarrollo de la enfermedad, ¿cómo deben usarse éticamente los datos sobre la presencia de un alelo causante de enfermedad particular en un individuo? La Ley de No Discriminación de Información Genética de 2008 (GINA) prohíbe actualmente las prácticas discriminatorias basadas en la información genética tanto por parte de las compañías de seguros de salud como Sin embargo, GINA no cubre las pólizas de seguro de vida, discapacidad o cuidados a largo plazo. Claramente, todos los miembros de la sociedad deben continuar participando en conversaciones sobre estos temas para que dichos datos genómicos puedan ser utilizados para mejorar la atención de la salud y al mismo tiempo proteger los derechos de un individuo.

Conceptos clave y resumen

• El ADN cumple dos funciones celulares importantes: Es el material genético que se pasa de padre a descendencia y sirve como la información para dirigir y regular la construcción de las proteínas necesarias para que la célula realice todas sus funciones.
• El dogma central establece que el ADN organizado en genes especifica las secuencias de ARN mensajero (ARNm), que, a su vez, especifica la secuencia de aminoácidos de las proteínas.
• El genotipo de una célula es la colección completa de genes que contiene una célula. No todos los genes se utilizan para elaborar proteínas simultáneamente. El fenotipo es las características observables de una célula resultantes de las proteínas que está produciendo en un momento dado bajo condiciones ambientales específicas.

Notas al pie

1. 1 D.J. Edwards, K.E. Holt. “Guía para principiantes para el análisis comparativo del genoma bacteriano utilizando datos de secuencia de próxima generación”. Informática y Experimentación Microbiana 3 núm. 1 (2013) :2.