Introducción al código genético - Cartografía del genoma humano

Explore el fascinante mundo de la genética en esta serie. Empezando por el emblemático descubrimiento de la doble hélice del ADN, recorreremos los avances y la cartografía genética para desentrañar el plan de la vida. No se pierda la segunda parte, en la que nos adentraremos en los entresijos del ADN.

La genética ha sido un campo apasionante y en rápida evolución, que ha desvelado el intrincado lenguaje que define nuestra existencia. [8] Este artículo se adentra en el fascinante mundo de la genética y describe los principales avances que han dado forma a nuestra comprensión del ADN, su estructura y el proceso de cartografiar el código genético. En una serie de dos partes, exploraremos la historia de los descubrimientos genéticos y la conceptualización y cartografía del ADN, arrojando luz sobre el plano de la vida misma.

Primera parte: Un viaje a través de los avances genéticos

1. La doble hélice y sus componentes

El viaje al corazón de la genética comienza con el emblemático descubrimiento de la doble hélice del ADN. En 1953, James Watson y Francis Crick, junto con las contribuciones de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, desvelaron la estructura del ADN[14]. [14] Esta revolucionaria revelación mostró que el ADN es una molécula de doble hebra, parecida a una escalera retorcida. Cada hebra de la hélice está formada por nucleótidos, los componentes básicos del ADN. [12]

Figura 01: Estructura en doble hélice de la molécula de ADN.

Los nucleótidos constan de tres componentes: un grupo fosfato, una molécula de azúcar desoxirribosa y una de las cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) o timina (T). La disposición de estas bases a lo largo de las cadenas de ADN es la clave de nuestra información genética. [16]

1.1 Mapeo del código genético

El mapeo genético es una forma de identificar exactamente qué cromosoma tiene qué gen y de señalar con exactitud dónde se encuentra ese gen en ese cromosoma concreto. El mapeo también actúa como método para determinar qué gen tiene más probabilidades de recombinarse en función de la distancia entre dos genes[10].

[10] La distancia entre dos genes se mide en unidades conocidas como centimorgan o unidades cartográficas, estos términos son intercambiables. Un centimorgan es una distancia entre genes para la que un producto de la meiosis de cada cien es recombinante[11][12] Cuanto más lejos estén dos genes, más probable es que se recombinen. Si estuvieran más cerca, ocurriría lo contrario[13].

Figura 02: Cartografía genética

Los avances en genética condujeron a la ambiciosa tarea de cartografiar el genoma humano, a menudo denominado el "libro de la vida". El Proyecto Genoma Humano, iniciado en 1990, pretendía secuenciar y cartografiar todos los genes de la especie humana [1]. [El proyecto se completó en 2003 y proporcionó un mapa genético completo de la humanidad. Parte 2: Conceptualización y cartografía del código genético

2.1 Las cadenas de ADN en nuestras células

El ácido desoxirribonucleico (abreviado ADN) es la molécula que transporta la información genética para el desarrollo y funcionamiento de un organismo. [3] El ADN está formado por dos hebras unidas que se enrollan una alrededor de la otra en forma de escalera retorcida, una forma conocida como doble hélice.

Cada cadena tiene una espina dorsal formada por una alternancia de grupos de azúcar (desoxirribosa) y fosfato. A cada azúcar se une una de las cuatro bases: adenina (A), citosina (C), guanina (G) o timina (T). Las dos cadenas están unidas por enlaces químicos entre las bases: la adenina se une a la timina y la citosina a la guanina[5]. La secuencia de las bases a lo largo de la columna vertebral delADN codifica información biológica, como las instrucciones para fabricar una proteína o una molécula de ARN.

Figura 03: Estándares de ADN

En el interior de cada una de nuestras células se encuentra un notable hilo de ADN enrollado conocido como cromosoma. Los seres humanos suelen tener 46 cromosomas, 23 pares, en sus células. El tamaño y la longitud de las cadenas de ADN pueden variar significativamente. [7] Si desenredáramos y estiráramos el ADN de una sola célula humana, ¡tendría unos dos metros de largo! Para ponerlo en perspectiva, el cuerpo humano medio contiene billones de células, cada una con su propio ADN.

2.2 Fragmentos de información genética

Dentro de estas largas cadenas de ADN, encontramos una cantidad asombrosa de información genética. Se calcula que el genoma humano contiene unos 3.000 millones de pares de bases, que engloban miles de genes que codifican proteínas[9]. Los genes son las unidades funcionales del ADN, cada una con instrucciones específicas para construir y mantener nuestro cuerpo[6]. [6]

PARTE 3: ¿Cuál es el "lenguaje" del código genético y cómo se identifica y mapea?

3.0 El lenguaje del código genético

Considere los ácidos nucleicos y los aminoácidos como dos lenguajes distintos. El ADN y el ARN se comunican en términos de ácidos nucleicos (A, U/T, G y C), mientras que las proteínas lo hacen en términos de aminoácidos. La molécula de ARNt (ARN de transferencia) es el "intérprete" de la célula, ya que habla los dos idiomas[4]. [4] Los codones son grupos de tres nucleótidos que codifican un determinado aminoácido.

Estos codones son reconocidos por la molécula de ARNt y emparejados con la secuencia complementaria conocida como anticodón. Dado que pueden leer frases de ácidos nucleicos (como codones de ARNm) y suministrar los aminoácidos correspondientes, las moléculas de ARNt funcionan como traductores. [11]

Figura 04: Dos representaciones de la estructura del ARNt. A la izquierda, la clásica hoja de trébol, extendida para simplificar. A la derecha, una representación más precisa del ARNt en pseudo-3D. (E.V. Wong CC-BY-NC-SA 10.5: los ARNt son patos bastante raros)

El ADN se compara a menudo con un lenguaje, y su código está escrito en la secuencia de bases nitrogenadas. Cada triplete de estas bases, llamado codón, corresponde a un aminoácido específico [13], los componentes básicos de las proteínas. Este código genético es universal en todos los organismos vivos de la Tierra.

3.1 Identificación y mapeo de genes

Los genes, los segmentos funcionales del ADN, se identifican mediante una combinación de análisis computacional, experimentos de laboratorio y comparaciones con secuencias genéticas conocidas[2]. [A cada gen se le asigna un nombre y una ubicación únicos en un cromosoma, de forma parecida a la dirección de una calle en una cuadrícula urbana.

Además de los genes, existen agrupaciones genéticas denominadas haplogrupos. Éstos se definen por variaciones genéticas específicas que a menudo se utilizan para rastrear la ascendencia y los patrones migratorios [15]. [15] Los haplogrupos también se identifican y cartografían a partir de marcadores genéticos y rasgos genéticos compartidos. Conclusión

El código genético es una maravilla de la naturaleza, un intrincado lenguaje que contiene los planos de la vida. La Parte 1 de esta serie ha explorado los principales avances en genética, incluido el descubrimiento de la doble hélice de ADN y el ambicioso Proyecto Genoma Humano. En la Parte 2, nos adentramos en la conceptualización y cartografía del ADN, desde la longitud y el tamaño de las cadenas de ADN hasta el lenguaje del código genético. Con cada descubrimiento, nos acercamos más a desentrañar los misterios de nuestra herencia genética, abriendo nuevas fronteras en la medicina, la evolución y la identidad humana.

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Sobre la autora:

Maheen Javed, Doctora en Medicina, se graduó como doctora en medicina en 2020 con experiencia en investigación médica, redacción médica y otras áreas diversas en el campo de la medicina. Actualmente ejerce en un hospital y trabaja como redactora e investigadora médica profesional, escribiendo artículos técnicos sobre una amplia variedad de temas del ámbito médico, como salud mental, diabetes, salud de la mujer, investigación sobre el cáncer, psiquiatría, neurología, cirugía y salud mental.

Sobre el editor:

Brian Hoy cuenta con más de 20 años de experiencia en el sector de los dispositivos médicos y la creación de empresas, prestando apoyo durante todo el ciclo de vida con alcance mundial. Brian asesora a la industria y ofrece asesoramiento general y apoyo fuera del horario laboral.

Referencias:

1. Anderson WW. 1989. Selection in natural and experimental populations of Drosophila pseudoobscura. Genome 31:239–245. doi: 10.1139/g89-041.

2. Kimura M, Ohta T. 1974. On some principles governing molecular evolution. Proc Natl Acad Sci U S A 71:2848–2852. doi: 10.1073/pnas.71.7.2848.

3. Lagerkvist U. 1981. Unorthodox codon reading and the evolution of the genetic code. Cell 23:305–306. doi: 10.1016/0092-8674(81)90124-0.

4. Saier MH., Jr. 2008. The bacterial chromosome. Crit Rev Biochem Mol Biol 43:89–134. doi: 10.1080/10409230801921262.

5. Zinoni F, Birkmann A, Leinfelder W, Bock A. 1987. Cotranslational insertion of selenocysteine into formate dehydrogenase from Escherichia coli directed by a UGA codon. Proc Natl Acad Sci U S A 84:3156–3160. doi: 10.1073/pnas.84.10.3156.

6. Gonzalez-Flores JN, Shetty SP, Dubey A, Copeland PR. 2013. The molecular biologyof selenocysteine. BiomolConcepts 4:349–365. doi: 10.1515/bmc-2013-0007.

7. Osawa S, Muto A, Ohama T, Andachi Y, Tanaka R, Yamao F. 1990. Prokaryotic genetic code. Experientia 46:1097–1106. doi: 10.1007/BF01936919.

8. Hanke A, Hamann E, Sharma R, Geelhoed JS, Hargesheimer T, Kraft B, Meyer V, Lenk S, Osmers H, Wu R, Makinwa K, Hettich RL, Banfield JF, Tegetmeyer HE, Strous M. 2014. Recoding of the stop codon UGA to glycine by a BD1-5/SN-2 bacterium and niche partitioning between Alpha- and Gammaproteobacteria in a tidal sediment microbial community naturally selected in a laboratory chemostat. Front Microbiol 5:231. doi: 10.3389/fmicb.2014.00231.

9. Saier MH., Jr. 1987. Enzymes in metabolic pathways: a comparative studyof mechanism, structure, evolution and control.Harper & Row, Publishers, Inc, New York, NY.

10. Dzantiev L, Alekseyev YO, Morales JC, Kool ET, Romano LJ. 2001. Significance of nucleobase shape complementarity and hydrogen bonding in the formation and stability of the closed polymerase-DNA complex. Biochemistry 40:3215–3221. doi: 10.1021/bi002569i.

11. Pauling L. 1960. The nature of the chemicalbond, 3rd ed Cornell University Press, Ithaca,NY.

12. Rozov A, Demeshkina N, Westhof E, Yusupov M, Yusupova G. 2016. New structural insights into translational miscoding. Trends BiochemSci 41:798–814. doi: 10.1016/j.tibs.2016.06.001.

13. Pan T. 2018. Modifications and functional genomics of human transfer RNA. Cell Res 28:395–404. doi: 10.1038/s41422-018-0013-y.

14. Percival HG. 1989. Initialcontinence testing of sleeved monolayer colonic anastomoses in sheep: a comparative bench study. Dis Colon Rectum 32:21–25. doi: 10.1007/BF02554719.

15. Bednarova A, Hanna M, Durham I, VanCleave T, England A, Chaudhuri A, Krishnan N. 2017. Lost in translation: defects in transferRNA modifications and neurological disorders. Front Mol Neurosci 10:135. doi: 10.3389/fnmol.2017.00135.

16. Tuorto F, Lyko F. 2016. Genome recoding by tRNA modifications. Open Biol 6:160287. doi: 10.1098/rsob.160287.

PUB0022SP

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