GUÍA Í BREVE
GUÍA BREVE
50 DESCUBRIMIENTOS DE LA GENÉTICA PARA ENTENDER NUESTOS ORÍGENES Prólogo Rodney Rothstein Colaboradores Thomas Bourgeron Robert J. Brooker Virginie Courtier-Orgogozo Alain Fischer Edith Heard Mark F. Sanders Reiner A. Veitia Jonathan B. Weitzman Matthew D. Weitzman Ilustraciones Steve Rawlings
Jonathan y Matthew Weitzman
Título original 30-Second Genetics Dirección creativa Michael Whitehead Edición Susan Kelly, Tom Kitch, Kate Shanahan, Jamie Pumfrey, Fleur Jones Diseño Ginny Zeal Traducción Eva María Cantenys Félez Revisión de la edición en lengua española Dr. David Bueno Torrens, Sección de Genética biomédica, evolutiva y del desarrollo. Departamento de Genética, Microbiología y Estadística; Facultad de Biología, Universitat de Barcelona
Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2018 © 2018 Naturart, S.A. Editado por BLUME Carrer de les Alberes, 52, 2.º, Vallvidrera 08017 Barcelona Tel. 93 205 40 00 e-mail info@blume.net © 2017 The Ivy Press Limited, Brighton, Reino Unido I.S.B.N.: 978-84-17254-10-0 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
WWW.BLUME.NET Este libro se ha impreso sobre papel manufacturado con materia prima procedente de bosques de gestión responsable. En la producción de nuestros libros procuramos, con el máximo empeño, cumplir con los requisitos medioambientales que promueven la conservación y el uso responsable de los bosques, en especial de los bosques primarios. Asimismo, en nuestra preocupación por el planeta, intentamos emplear al máximo materiales reciclados, y solicitamos a nuestros proveedores que usen materiales de manufactura cuya fabricación esté libre de cloro elemental (ECF) o de metales pesados, entre otros.
CONTENIDO
6 Prólogo 8 Introducción 12 Historia y conceptos 14 GLOSARIO 16 Las leyes de la herencia de Mendel 18 El origen de las especies de Darwin 20 El ADN, portador de la información genética 22 La doble hélice 24 Desciframiento del código genético 26 Perfil: Rosalind Franklin 28 El dogma central de la biología molecular 30 El Proyecto Genoma Humano 32 34 36 38
Cromosomas y células GLOSARIO El núcleo celular Cromosomas y cariotipo
40 42 44 46 48 50
Las mitocondrias El cromosoma Y humano Perfil: Thomas Hunt Morgan Centrómeros y telómeros El ciclo celular La división celular
52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
Genes y genoma GLOSARIO ¿Qué son los genes? Genes saltarines Empalme génico Genotipo y fenotipo Expresión génica Perfil: Barbara McClintock Mutación y polimorfismo Reparación de daños en el ADN 72 Arquitectura genómica
74 76 78 80 82 84 86 88 90 92
Epigenética GLOSARIO Genes y ambiente Impronta genómica Metilación del ADN Inactivación del cromosoma X Cromatina e histonas Perfil: Conrad Hal Waddington ARN no codificante Gemelos
94 96 98 100 102
Salud y enfermedad GLOSARIO El sexo Genética del desarrollo Genética del comportamiento
104 Enfermedades genéticas dominantes y recesivas 106 Perfil: Archibald Garrod 108 Genes e inmunodeficiencia 110 La genética del autismo 112 La genética del cáncer 114 Tecnologías e investigación experimental 116 GLOSARIO 118 Organismos modelo 120 Huella genética 122 Pruebas genéticas 124 Mapas genéticos 126 Secuenciación del ADN 128 Perfil: Jacques Monod 130 Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) 132 Estudios de asociación de genoma completo (EAGC) 134 136 138 140 142 144 146
Promesas terapéuticas GLOSARIO Terapia génica Genómica personal Biología sintética Perfil: J. Craig Venter Organismos modificados genéticamente (OMG) 148 Clonación 150 Células madre y reprogramación 152 Edición genómica 154 156 158 160
Notas sobre los colaboradores Fuentes Índice Agradecimientos
DESCIFRAMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO el tema en 30 segundos Desentrañar las reglas de encriptación
SÍNTESIS EN 3 SEGUNDOS La información del ADN en los genes se organiza en codones triples, en los que tres letras del ADN codifican un aminoácido en la proteína resultante.
REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS Dado que existen 64 combinaciones posibles de las tres letras, hay una redundancia inherente. Por ejemplo, hay cuatro codones que se corresponden al aminoácido alanina (GCU, GCG, GCA o GCG). Esto conlleva que la tercera letra pueda cambiar sin afectar al código. A este fenómeno se le denomina mutación silenciosa. Los investigadores utilizan el término degeneración para referirse a esta redundancia en el código genético.
24 g Historia y conceptos
para descifrar un código parece un trabajo romántico de espías y agentes secretos. Pero los investigadores también tuvieron que ser muy ingeniosos para descubrir cómo la información codificada en el ADN se convierte en la cadena de aminoácidos en las proteínas. El código genético es el manual para traducir la información del ADN en información proteica. El código es muy similar en todos los organismos vivos. Dado que hay cuatro nucleótidos (simbolizados por las letras A, G, C y T) que tienen que codificar 20 aminoácidos, pronto resultó evidente que el código debía estar compuesto por un mínimo de tres letras. Esto daba 64 combinaciones posibles, pero ¿a qué aminoácido correspondía cada una de ellas? En la década de 1960, los investigadores llevaron a cabo experimentos pioneros para probar que un código triple, denominado codón, era el responsable de cada uno de los aminoácidos. Lograron descifrar el código genético al utilizar un sistema libre de células e introducirlo en moléculas de ARN con una cadena larga de una sola letra. Sirviéndose de una cadena sintética de nucleótidos denominada poli-uracilo, dedujeron que UUU era el código del aminoácido fenilalanina. A partir de ese momento, solo se trataba de descubrir las demás combinaciones. Hoy, con la tabla completa de las 64 combinaciones, cualquier estudiante puede predecir la secuencia de una proteína a partir del código de ADN.
TEMAS RELACIONADOS
véanse también EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA pág. 20 EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR pág. 28 SECUENCIACIÓN DEL ADN pág. 126
MINIBIOGRAFÍAS GEORGE GAMOW
1904–1968 Físico ucraniano-estadounidense que planteó la hipótesis de que el código genético está compuesto por tres letras (nucleótidos) en el ADN. MARSHALL W. NIRENBERG
1927–2010 Bioquímico estadounidense que descifró el primer codón, lo que permitió empezar a resolver el rompecabezas del código genético.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Jonathan Weitzman
El código de tres letras del ADN contiene la información para crear proteínas.
Inicio Parar
¿QUÉ SON LOS GENES? el tema en 30 segundos Los genes pueden explicar parte
SÍNTESIS EN 3 SEGUNDOS Un gen por sí solo es una molécula de ADN inerte sin efecto. Pero transformar un gen en otro dentro de un organismo produce una diferencia visible.
REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS El ser humano tiene tantos genes en su genoma como un diminuto nematodo. Muchas especies, como el ratón, el pez globo, el trébol rojo, la cebolla y el trigo, tienen más genes que los humanos. Por lo tanto, la complejidad de la vida no está determinada por el número de genes.
56 g Genes y genoma
de las diferencias entre nosotros: si somos altos o bajos, si tenemos ojos castaños o azules y por qué nos parecemos a nuestros padres. Nuestra madre nos dio la mitad de sus genes y nuestro padre, la mitad de los suyos, por lo que cada uno de nosotros porta un conjunto de genes totalmente único (con la excepción de los gemelos, que comparten genes idénticos). Pero ¿por qué una hija tiene el cabello rizado de su padre? Porque recibió el gen «cabello rizado» de su padre y porque el gen «cabello rizado» es dominante sobre el gen recesivo «cabello liso». Los genes se detectan a través de las diferencias en los rasgos. Corresponden a secuencias diferentes de ADN situadas en una posición determinada en el cromosoma. Las investigaciones sobre cómo afectan los genes a los rasgos visibles condujeron a una segunda definición del término gen: un gen también es un segmento de ADN que se copia en una molécula de ribonucleótido o en una proteína con una función conocida. Por ejemplo, el gen de la queratina se utiliza para producir la proteína de queratina de la que está compuesto nuestro cabello. En ratones, perros y humanos, una sola mutación en la secuencia de ADN del gen de la queratina explica la diferencia entre el pelo liso y el pelo rizado.
TEMAS RELACIONADOS
véanse también EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA pág. 20 GENES SALTARINES pág. 58 EXPRESIÓN GÉNICA pág. 64
MINIBIOGRAFÍAS WILHELM JOHANNSEN
1857–1927 Botánico danés que acuñó los términos gen, genotipo y fenotipo. WILLIAM BATESON
1861–1926 Biólogo británico que fue el primero en acuñar el término genética. THOMAS HUNT MORGAN
1866–1945 Biólogo estadounidense que recibió el premio Nobel por sus hallazgos sobre los genes y su localización en los cromosomas.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Virginie Courtier-Orgogozo
Los genes nos otorgan muchos de nuestros rasgos físicos, incluyendo el color y la textura del cabello.
SECUENCIACIÓN DEL ADN el tema en 30 segundos Imagínese una historia que tiene
SÍNTESIS EN 3 SEGUNDOS La tecnología de secuenciación del ADN permite a los investigadores determinar el orden de las letras de los nucleótidos en el ADN.
REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS Si comparáramos las secuencias de ADN entre dos japoneses o entre un japonés y un noruego, las diferencias entre ambos pares serían de un 0,15 aproximadamente. El valor del primer par (japonés-japonés) tal vez fuese un poco más bajo (pongamos, 0,14 ) y el del segundo par (japonés-noruego) puede que fuera un poco más alto (pongamos, 0,16 ), pero ambos pares serían bastante similares. Se observa una variación genética adicional más o menos pequeña cuando se comparan individuos de poblaciones que se encuentran separadas geográficamente.
126 g Tecnologías e investigación experimental
un millón de páginas y tres mil letras por página: es la historia de nuestro ADN. La molécula de ADN es una larga cadena de letras denominadas nucleótidos. En cada posición hay una de cuatro letras: A (adenina), T (timina), G (guanina) y C (citosina). Un alfabeto de cuatro letras podría parecer muy simple, pero piense que el ADN tiene tres mil millones de letras. Estas componen la infinidad de genes diferentes que controlan los rasgos. En la actualidad, la secuenciación del ADN se considera la herramienta más importante de la biología molecular. La tecnología de secuenciación determina el orden de los nucleótidos a lo largo del ADN. Multitud de investigadores y médicos clínicos secuencian el ADN para estudiar el funcionamiento de los genes y para comprender de qué modo las alteraciones en las letras causan enfermedades, como el cáncer y la fibrosis quística. La secuenciación del ADN también proporciona información sobre el nivel de variabilidad genética en poblaciones seleccionadas. En 2015, los investigadores secuenciaron el ADN de más de 2 500 personas de todo el mundo y compararon el orden de sus letras. Los resultados mostraron que, genéticamente hablando, los humanos somos muy similares entre nosotros. Si escogiéramos al azar a dos personas sin relación entre sí, sus secuencias de ADN diferirían solo en un 0,15 ; en otras palabras, nuestras secuencias de ADN son iguales en un 99,85 .
TEMAS RELACIONADOS
véanse también LA DOBLE HÉLICE pág. 22 EL PROYECTO GENOMA HUMANO pág. 30 MUTACIÓN Y POLIMORFISMO pág. 68
MINIBIOGRAFÍAS FREDERICK SANGER
1918–2013 Bioquímico británico que inventó uno de los primeros métodos de secuenciación del ADN, lo que le valió el premio Nobel de Química en 1980. Ya había ganado el mismo premio en 1958 por su estudio de la estructura de las proteínas. WALTER GILBERT
n. 1932 Bioquímico estadounidense que fue pionero en las técnicas de secuenciación del ADN y promotor del Proyecto Genoma Humano.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Robert Brooker
La secuenciación del ADN determina el orden preciso de los nucleótidos A, T, G y C.
¿Q ¿Qué Qué es eell ADN D y qué ué pap apeell des esem esem e peña peññaan pe nues nu estr es str t os os gene ennes es en de dete term te term min i ar a quuiién éne nes es soom mos o? ¿ n qué ¿E quué co cons nsis ns isste te la tteeraapi pia gé géni éniica caa? D Duurant rant ntee el sig iglo lo xx se se proodu duje uje jero ron gra ron grande gr d s av avan ance ces en nue en uest stro ro con o ooccim imie ieentto de de la ge gen ené néti tica. Esta Es ta guí u a clar claarra cl ra y ac acce cesi ce sibl b e lee pro r po porc porc rcio iiooonna naráá todo to doo lo qquue ne nece c ssiita ce t sab abber sobbre genét aber ennééttic icaa,, desd de s e lo l s co conc ncep nc epto ep tos bá tos to bási sico si coos ha hast sta la las as apor ap orta rta t ci cioonnes de laas úl últi tima ti mas tteecn cnol nologgííaaas. s s. 50 des escu ccuubr brim mieenttos os de la la gen e ét étic icca paara r entten endeer nues nu estr troos tr os orííge g nees expli xpplilica ca,, en un leenngguaaje sen ca enci cillllloo,, loos de d sc scub ubbri r miieenntoos má máss re revooluuci revo cion ona ioos eenn est onar se camp ca mppo, o dessde los os fun unda ddaam meent enttoss de laa biooloogí gíaa ce celu lula lula lar ar h st ha staa loos av avance aanncees má máss re reci c ente ci entess enn la se secu cuen cu enciac ciiac acióón d l ADN de ADN y laa edi AD d ci c ón ó de ge geno noma no mas. ma s La tera tera te r pi pia conn cé co célu luulaas ma m dr d e, la cl clon onac on acció iónn an anim nim maall, loos t at tr atam am mie ient ient ntos tos gen enééttiiccos enét cos o a medid edid ed idaa y lo loss cu cult l ivvoss modifi mo mod ficca cadoos ge gené néti né tica caament meent n e so sonn al algu guno gu noos de nos de loss hittos os en la hi en hist ssttor oria ia de la gen e éétticca mo mode ddeern rna, a per a, ero ¿¿sse se haa preg pr eggunnttaad egun ado do cóm óm mo fu f nc ncio iona ona nan esta essta t s te tecn cnnol olog ogía gíaas y qquué s ppoone su n n pa para nue uest esttroo futtur uro? o Espec sppec ecialilist stas ass en laa maate mate t ri r a de dessc scod odif ific ican ic can téérrmiino n s y co c ncep nccep epto tos cl tos clav avve y dan re da dan resp esp spuueesta stta a suus pr preg eeggun unta t s en en tan sol oloo tr tres esscciien enta tas ta pala pa laabr labr bras as y unnaa ima mage genn po ge p r te tema ma.. Las ma Las ililuus La ustr trac acio ioone nes, s, biog bi oggraafías fíass de fi fí f guura rass cl clav clav avee y glos gllos o ar a io ios co cont nttenid ennid idos o enn cad adaa caapí pítu t loo con ontr trib tr ibbui ibui u rá ránn a qquue su s con onoc ocim oc im mie ienntto dee la ge gené néétti né ticcaa se aappro roxi roxi xime mee al ddee unn exxpert peerrtto. Joona nathhan an Weitz eitzma ei tzma tz m n es pr prof offesor esorr de Ge es Gené nééti néti t ca eenn la Univveerrsi sida iddaad Di D ddeeroot de de Par arís ríss y funda unnda dado dor y di dirre rect rect c or or del Cen entr trro de tro de Epi pige ggeenéti néética ticaa y Dessti tino no Cel e ul ular ar. ar M ttthe Ma hew We W ittzm zmaann es pr proooffes essor or en la or la Faccul ulta taad ddee Med ediccin inaa Pe Pere r lm re man an de laa Uni nive v rsid rssiddad ad de P ns Pe n illva vani n a y di ni d rriige ge un laabo bora r toori ra rioo enn el Ho Hosp spit piittal a Infa fant nti tilil de FFiilade laade delf lffiiaa. Jo lfia Jona naath nath t an y Mattthhew ew sonn ge so geme melo me loos iddén énti ticoos. ti s.
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