EL MENSAJE GENETICO
En los seres vivos la información genética se halla contenida en un polímero que, con la excepción de ciertos virus, es siempre el ácido desoxirribonucleico o DNA, constituido por miles de millones de monómeros que reciben el nombre de nucleótidos. Cada uno de ellos está formado por una base unida a un azúcar (desoxirribosa). Los azúcares (pentosas) se hallan enlazados por un grupo fosfato. Las bases que forman el DNA son adenina (A) y guanina (G), que son purinas, y timina (T) y citosina (C), que son pirimidinas.
El DNA está formado por una doble hélice dextrógira, en forma de escalera de caracol. Cada una de sus mitades es una secuencia lineal de nucleótidos. Las dos medias hélices se encuentran enfrentadas, con la peculiaridad de que, en condiciones normales, la adenina tan sólo puede unirse a la timina (mediante dos puentes de hidrógeno), y la guanina únicamente a la citosina (con tres puentes de hidrógeno).
Esta característica determina que si en una cadena existe, por ejemplo, una secuencia ...AGGCTTCA..., en la otra la secuencia debe ser obligatoriamente ...TCCGAAGT..., es decir, las dos medias cadenas son complementarias. Esto significa que si las dos medias cadenas se separan, y cada una de ellas sirve de molde para fabricar otra nueva, debido a este principio de complementariedad los nuevos DNA serán iguales a los antiguos, lo que indica que el DNA puede reproducirse a sí mismo; este fenómeno se conoce como duplicación o replicación (el nuevo DNA es una réplica o copia del anterior).
La doble hélice de DNA, extraordinariamente larga, tiene que estar empaquetada para ocupar el reducido espacio del núcleo celular. Para ello debe arrollarse como una bobina; en un primer paso, el DNA se arrolla sobre los nucleosomas. Éstos son formaciones proteicas constituidas por proteínas nucleares denominadas histonas. Existen cinco tipos distintos de histonas: HI, H2A, H2B, H3yH4.
Cada nucleosoma, que tiene forma de cilindro aplanado, contiene dos moléculas de H2A, H2B, H3 y H4, o sea que es un octamero. El DNA da una vuelta y tres cuartos a cada nucleosoma. La histona Hl sirve de puente de unión entre nucleosomas. A su vez, la cadena de nucleosomas se arrolla sobre sí misma, con seis nucleosomas por vuelta, constituyendo la fibra de cromatina de 250 Á, que debe aún arrollarse a un nivel superior para formar los cromosomas.
DUPLICACIÓN DEL DNA
Como se ha visto, el DNA puede replicarse, lo que hace siempre que la célula va a dividirse. La replicación es un proceso complejo, porque las dos cadenas de DNA deben separarse y sobre el molde que constituye cada cadena antigua debe sintetizarse una nueva. Además, las dos medias cadenas se hallan orientadas en sentido opuesto, ya que sus azúcares miran en dirección contraria; por eso se dice que son antiparalelas, es decir, una de ellas está orientada en el sentido y la otra en el sentido. Sin embargo, la síntesis de DNA sólo puede realizarse en el sentido, por lo cual una de las nuevas cadenas crece en dirección opuesta a la otra. La cadena que se sintetiza sobre el DNA orientado se sintetiza en forma continua y se conoce como cadena conductora. El DNA que se sintetiza sobre la cadena orientada de es producido de manera fragmentaria, y los fragmentos (de Okazaki) son unidos después por una enzima denominada ligasa. En el proceso de replicación intervienen diversas enzimas: una helicasa, que abre la doble cadena de DNA, las DNA-polimerasas, que sintetizan las cadenas continua (conductora) y discontinua (retardada), y una primasa que sintetiza pequeños fragmentos de ácido ribonucleico (RNA), que actúan como cebadores (puntos de iniciación) para la síntesis de los fragmentos de Okazaki.
La síntesis de DNA se produce durante la fase S (fase de síntesis) del ciclo celular y se inicia en numerosos puntos a lo largo de la cadena, cada uno de los cuales constituye un replicón, con una longitud de 15-150 kb. Todos los replicones de una misma región cromosómica (banda cromosómica a una resolución de 1.250 bandas por genoma haploide) inician la síntesis de DNA al mismo tiempo. Sin embargo, algunas bandas replican al principio de la fase S y otras lo hacen al final.
SÍNTESIS DEL RNA
Los RNA son copias de segmentos de DNA, con la diferencia de que son moléculas de cadena única (aunque sus plegamientos den lugar a regiones en las cuales la cadena es doble), contienen ribosa como azúcar, y en sus bases la timina está sustituida por el uracilo (U).
Existen tres tipos básicos de RNA: el RNA mensajero (mRNA), que incluye las secuencias que darán lugar a la síntesis de proteínas, el RNA ribosómico (rRNA), que forma parte de la estructura de los ribosomas, y el RNA de transferencia (tRNA), cuya función consiste en transportar aminoácidos a los ribosomas durante la síntesis proteica. Son también importantes los RNA nucleares de pequeño tamaño (snRNA).
El mRNA es la copia de un gen y contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína. Un gen es una secuencia de bases, más o menos larga, contenida en el DNA. Sin embargo, no todas las bases que constituyen esta secuencia son informativas, es decir, no todas ellas formarán parte de la secuencia del mRNA. Esto se debe a que en un gen existen regiones informativas o exones, y regiones no informativas o intrones.
En primera instancia, durante la transcripción (copia del mensaje contenido en el DNA por un RNA) se produce la síntesis de la totalidad de la secuencia (intrones y exones), lo que da lugar a la formación de un precursor conocido como RNA nuclear heterogéneo (hnRNA). Poco después del comienzo de la síntesis, el extremo 5' del hnRNA es modificado por adición de una metilguanosina (capping).
Terminada la síntesis, el hnRNA es cortado en su extremo 3 para añadirle una cola de poliadenilato (100-200 residuos de ácido adenílico, poli-A). A continuación, se unen a los hnRNA una serie de proteínas y de snRNA que forman un complejo ribonucleoproteico, el cual da lugar a que los intrones formen asas, que son cortadas y eliminadas del precursor. Los extremos del RNA son ayustados (splicing) formando el mensaje definitivo, que dirigirá la síntesis de la proteína correspondiente después de la exportación de los mRNA al citoplasma. La transcripción es un proceso en el que, además de un promotor, participan factores de iniciación y de elongación, así como la RNA-polimerasa II.
Los rRNA comprenden dos tipos principales, los rRNA 18S y 28S, cuyos genes se encuentran en las regiones organizadoras nucleolares (NOR), formadas por DNA moderadamente repetitivo, y otros menores, como el rRNA 5S, cuyos genes se hallan en otros cromosomas. Los rRNA forman, junto con numerosas proteínas, los orgánulos conocidos como ribosomas, en los cuales tiene lugar la síntesis proteica. El proceso de síntesis de los rRNA está a cargo de la RNA-polimerasa I.
Los RNA de transferencia son sintetizados por la RNA-polimerasa III. Se trata de moléculas plegadas aproximadamente en forma de trébol, y su función es la de aportar aminoácidos al ribosoma y unirlos entre sí para constituir la proteína correspondiente al mensaje contenido en el mRNA.
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
La síntesis de proteínas (traducción del mensaje contenido en forma de nucleótidos en el DNA al lenguaje de aminoácidos de las proteínas) se basa en la existencia de un código criptográfico formado por las combinaciones de las bases que constituyen el DNA. Así, cada combinación de tres bases (triplete o codón) se traduce en un aminoácido. Por ejemplo, GAC (DNA) se transcribe como CUG (RNA), que en el lenguaje de los aminoácidos significa leucina.
La existencia de cuatro bases permite 64 combinaciones de tres letras, y tan sólo existen 20 aminoácidos; esta diferencia se debe a que, con la excepción de la metionina y el triptófano, cada aminoácido puede ser codificado por más de un triplete, y además existen tres tripletes de paro de la síntesis.
La definición de gen deriva en forma directa del código genético. Si una proteína está compuesta por un solo polipéptido, por varios polipéptidos iguales o por varios polipéptidos isoformes, depende de un solo gen. Si está constituida por dos o más polipéptidos distintos, dependerá de dos o más genes.
Por lo tanto, un gen es la secuencia de bases que codifica a un polipéptido o a varios polipéptidos isoformes, independientemente de que este polipéptido pueda sufrir una fragmentación y dar lugar a dos o más fragmentos activos.
CARIOTIPO HUMANO
Como se ha señalado, el DNA se arrolla sobre los nucleosomas, y éstos sobre sí mismos para formar la fibra de cromatina. Un orden superior de plegamiento, en el que se forman bucles o dominios de cromatina, permite pasar a la forma condensada de la fibra de cromatina, que constituye el cromosoma.
El total de la información genética contenida en los cromosomas de un individuo es su genoma. En los organismos diploides, como la especie humana, existen dos copias de cada cromosoma: una procedente del padre y otra, de la madre.
En la especie humana, el genoma está contenido en 46 cromosomas, por lo que 23 de ellos son de origen paterno y 23, de origen materno.
De los 46 cromosomas humanos, 44 se consideran autosomas y dos corresponden a los cromosomas sexuales. En la mujer, los cromosomas sexuales son morfológicamente iguales y se denominan XX; en el varón, uno de los cromosomas sexuales es equivalente al de las mujeres (X) y procede de la madre, mientras que el otro es de pequeño tamaño y procede del padre (Y). Así, pues, en la mujer el cariotipo o conjunto de cromosomas es 46,XX y en el varón 46,XY.
En las células que no se dividen (la mayor parte de las células del organismo) los cromosomas están formados por una sola fibra de cromatina (cromátide). Como existen dos copias de cada cromosoma, los genes están representados dos veces en cada célula. Estos genes se conocen como alelos, porque a pesar de que ocupan el mismo locus, habitualmente no son idénticos.
DIVISIÓN CELULAR: MITOSIS Y MEIOSIS
Cuando la célula se prepara para dividirse, cada cromátide se duplica, dando lugar a la formación de cromosomas con dos cromátides o duplocromosomas. Ésta es la forma en que habitualmente se observan los cromosomas, y en esta situación cada gen se halla representado 4 veces. La finalidad de esta duplicación es que cada célula hija reciba una cromátide de cada cromosoma.
El cromosoma típico necesita la presencia de un centromero (punto de unión de las cromátides en los duplo-cromosomas), junto al cual se forma, a ambos lados del cromosoma, una compleja estructura denominada cine-tocoro, que se une a los microtúbulos centroméricos del huso acromático durante la división celular.
Asimismo, es preciso que exista un telómero en los extremos de cada cromátide; los telómeros están formados por la secuencia TTAGGG, que se encuentra en forma repetitiva y palindrómica en el DNA. Estas estructuras cierran los extremos del cromosoma, son puntos de unión entre éste y la membrana nuclear y evitan que el cromosoma se reduzca en longitud en cada división celular, puesto que los fragmentos de RNA de la cadena retardada no permiten la replicación del DNA hasta su extremo. Ciertos cromosomas pueden contener NOR, con los genes para los rRNA (en la especie humana, los cromosomas acrocéntricos).
Las regiones comprendidas entre el centrómero y el telómero son los brazos del cromosoma. Según la posición del centrómero, un cromosoma puede tener dos brazos de igual longitud (metacéntrico), uno más largo que el otro (submetacéntrico o acrocéntrico) o un solo brazo (telocéntrico).
La cromatina puede contener genes activos (eucromatina) o genes inactivos (heterocromatina). Si los genes son siempre inactivos la heterocromatina es constitutiva (DNA muy repetitivo, agregado o disperso). Si la inactivación es temporal, la heterocromatina es facultativa (uno de los cromosomas X de la mujer se inactiva, generalmente al azar, en cada generación).
Ciertos tratamientos (calor, enzimas) ponen de manifiesto la existencia de bandas de tinción diferencial en los cromosomas. La técnica más habitual es la de bandas G. Las bandas G+ contienen una elevada proporción de A-T, tienen escasa densidad génica y replican en forma tardía durante la fase S. Las bandas G- contienen una elevada proporción de G-C, tienen elevada densidad génica, y replican precozmente en la fase S. Las bandas G+ incluyen sobre todo genes específicos de tejido, mientras que las bandas G- contienen genes de mantenimiento, que dirigen las funciones básicas de la célula.
La herencia implica la transmisión del genoma de una generación celular a la siguiente, o bien de una generación organísmica a la que la sucede. Esta transmisión se basa en los mecanismos de división celular, en el primer caso, y en los mecanismos de reproducción en el segundo.
La transmisión del genoma de una generación celular a la siguiente se lleva a cabo mediante reparto que se conoce como mitosis, y que es la forma en que se dividen las células somáticas. La mitosis constituye un proceso continuo que, para su mejor comprensión, se ha dividido arbitrariamente en cuatro fases: profase, metafase, anafasey telofase.
Como se ha visto, en las células que no se dividen cada cromosoma está representado por una sola cromátide. Si la célula debe dividirse es necesario que duplique su material genético, lo que ocurre durante la fase S (de síntesis de DNA) de la interfase. De esta forma se producen duplocro-mosomas, con dos cromátides cada uno.
La división celular (mitosis) empieza con la profase; durante este estadio el núcleo aumenta de tamaño y los cromosomas inician un proceso de condensación y acortamiento progresivos, que continuará hasta el final de la telofase. En la profase los cromosomas presentan un aspecto muy alargado, y no se distinguen las cromátides que los componen. Durante esta fase se disgregan los nucléolos, formando pronucléolos, que son distribuidos a las células hijas siguiendo el movimiento de los cromosomas.
En la metafase se disgrega la membrana nuclear. Las cromátides de los cromosomas empiezan a separarse y se hacen visibles. Los cromosomas se sitúan en el plano ecuatorial de la célula y sus cinetocoros se conectan con las fibras centroméricas del huso acromático. La condensación cromosómica se hace cada vez más patente y las cromátides aparecen más separadas.
En la anafase se separan los centrómeros, que son los que van a dirigir el movimiento de las cromátides hacia los polos de la célula. Así, el material genético se reparte por igual a las células hijas. Como en la mitosis se segregan cromátides, cada célula hija recibe 46 cromátides.
La telofase se inicia con la llegada de las cromátides a los polos de la célula. Los cromosomas se contraen al máximo. Una vez reagrupadas las cromátides, vuelve a formarse la membrana nuclear y los pronuncléolos se reagrupan, constituyendo nuevos nucléolos. A continuación se produce la citocinesis, con formación de dos células hijas.
La gametogénesis parte de una población de células madre (espermatogonias y ovogonias) que se multiplican por mitosis. En el varón, esta población se renueva constantemente a lo largo de toda su vida reproductiva, mientras que en la mujer las ovogonias se multiplican en el ovario fetal sólo durante cierto tiempo; luego, y en la hembra, se inicia la meiosis, por lo que al nacer, los ovarios contienen ya ovocitos de primer orden detenidos en la profase de la primera división meiótica, como se verá a continuación.
En las células germinales, en primer lugar, el número de cromosomas (diploide) debe reducirse a la mitad (haploide) para que al unirse el espermatozoide (con 23 cromosomas) y el ovocito (con 23 cromosomas) produzcan un cigoto que tenga una dotación diploide (46 cromosomas). Este tipo de división reduccional se conoce con el nombre de meiosis y comprende dos divisiones sucesivas, sin que entre una y otra se produzca la duplicación del material genético.
La primera división meiótica (meiosis I) se inicia, en los espermatocitos primaros y en los ovocitos primarios, con una profase de muy larga duración (semanas en el varón y años en la mujer) que, a su vez, ha sido subdividida en cinco estadios: leptoteno, cigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis.
Durante el leptoteno, los cromosomas homólogos, que aparecen como largos filamentos en los cuales no se distinguen las cromátides, inician la búsqueda de zonas de homología, que corresponden a regiones ricas en G-C. Las regiones ricas en A-T no reconocen homología, y normalmente no aparean en este estadio.
En el cigoteno se ha establecido ya el apareamiento de la zonas que reconocen homología, y se producen las roturas de cromátide que darán origen a los intercambios de material genético entre los cromosomas, lo que aumenta la variabilidad genética de la especie. De esta manera, los cromosomas de origen paterno y materno se convierten en mezclas de uno y otro. Como consecuencia de este intercambio (recombinación), a partir de los 50.000-100.000 genes que comprende el genoma pueden producirse, teóricamente, innumerables combinaciones distintas, lo que pone de manifiesto la dificultad de producir, como algunos autores temen, hijos a la carta. En el paquiteno se realiza el apareamiento completo de los cromosomas homólogos. En esta fase se completa la formación de los complejos simpatonémicos, estructuras proteicas que se sitúan entre cada par de cromosomas homólogo y, al parecer, impiden la formación de nuevos intercambios, ya que en esta fase está permitido el apareamiento no homólogo. Los cromosomas aparecen más contraídos, puesto que, al igual que en la mitosis, la condensación cromosómica es progresiva. En esta fase no se distinguen las cromátides. Cada par de cromosomas ha formado un bivalente completo, contituido por dos cromosomas homólogos íntimamente apareados; así, pues, el número de bivalentes es de 23.
En el diploteno los cromosomas homólogos empiezan a separarse; de este modo se inicia el proceso de repulsión a nivel de los centrómeros, de los telómeros y de las regiones que se encuentran entre los intercambios meióticos. Los intercambios de material genético se detectan en forma de sobecruzamientos o quiasmas. En el varón, la meiosis I es continua; en la mujer, como se ha dicho, después del diploteno se produce una detención del proceso meiótico en una fase difusa conocida como dictioteno; ésta es una fase de amplificación génica (síntesis de RNA) que durará hasta que el ovocito sea estimulado hormonalmente para completar la meiosis I, iniciar la meiosis II y ser expulsado del folículo.
La diacinesis se caracteriza por una mayor contracción de los bivalentes y una mayor repulsión de los centrómeros, que llega al máximo en la metafase.
En la anafase se separan los cromosomas enteros (duplocromosomas), de manera que cada célula hija recibe un ejemplar de cada par de homólogos, mezcla de los cromosomas paterno y materno; es decir, recibe 23 duplocromosomas. En el varón, las células hijas que se forman después de la telofase tienen el mismo tamaño, aunque uno de estos espermatocitos secundarios recibe el cromosoma X y el otro, el cromosoma Y. En la mujer, la citocinesis es desigual; se forma una célula de gran tamaño (ovocito secundario) y una célula pequeña, casi desprovista de citoplasma, que es el primer corpúsculo polar. En la segunda división meiótica los duplocromosomas deben separar sus cromatides, como ocurre en la mitosis. Por lo tanto, la segunda división meiótica es equivalente a una mitosis. Sin embargo, hay que observar que, al recibir las células resultantes de la primera división meiótica cromosomas con dos cromatides (duplocromosomas), no es necesaria la replicacion del DNA entre una y otra división.
En el varón, como resultado de la meiosis II se forman, a partir de cada espermatocito secundario, dos células de igual tamaño, cada una con 23 cromatides, denominadas espermátides. Éstas, a través de un complejo proceso morfogenético, se transforman en espermatozoides, sin necesidad de ninguna división ulterior.
En la mujer, la segunda división meiótica se detiene al alcanzar la metafase II. En esta situación, el ovocito secundario es expulsado del folículo y la segunda división meiótica sólo se completa en el caso de que el ovocito sea fecundado por un espermatozoide. Cuando ocurre esto, el ovocito completa la anafase y la telofase de la segunda división meiótica y extruye el segundo corpúsculo polar, de pequeño tamaño, que contiene 23 cromatides. El ovocito fecundado es ya un cigoto, en el que la cabeza del espermatozoide se descondensa y replica su DNA para formar el pronúcleo masculino (con 23 cromatides que se convierten en 23 duplocromosomas), y las cromatides del ovocito hacen lo mismo para formar el pronúcleo femenino. Las dos dotaciones, de 23 duplocromosomas cada una, entran en la profase de la primera división embrionaria por separado, pero se sincronizan en la metafase, orientándose conjuntamente en la placa ecuatorial de la célula.
Así se asegura la transmisión del genoma, aumentando en cada generación la variabilidad genética de la especie, puesto que los cromosomas que recibe el hijo de su padre o de su madre son una combinación de los cromosomas de los abuelos paternos y maternos, respectivamente.
