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Métodos y aplicaciones de la Biología Molecular en Biomedicina




Enviado por vladimirruiz



    1. Resumen
    2. Principios de clonación
      molecular
    3. Métodos de
      análisis de ácidos nucleicos
    4. Mapas de
      restricción
    5. Reacción en cadena de
      la polimerasa
    6. Secuenciación
      nucleotídica del ADN
    7. Proyecto del Genoma
      Humano
    8. Campos de aplicación de
      la tecnología del ADN recombinante
    9. Conclusiones
    10. Referencias
      bibliográficas

    RESUMEN

    Se ofrecen elementos conceptuales sobre algunos de los
    métodos de
    biología molecular de más amplio uso en
    biomedicina. Las principales aplicaciones de estas técnicas
    son en el diagnóstico de enfermedades hereditarias,
    infecciosas y neoplásicas así como en estudios de
    regulación de la expresión génica y en la
    terapia con proteínas
    recombinantes. El Proyecto del
    Genoma Humano tomó como base para su ejecución
    muchas de estas técnicas, al tiempo que ha
    permitido el desarrollo de
    nuevas metodologías y el perfeccionamiento de las ya
    existentes. Con la aplicación de las técnicas de
    biología molecular en medicina, se
    ha abierto también la posibilidad de llevar a cabo la
    terapia génica en humanos.

    Palabras clave: ácido desoxirribonucleico
    (ADN), enzimas de
    restricción, reacción en cadena de la polimerasa,
    hibridación, secuenciación del ADN, genoma, terapia
    génica

    INTRODUCCIÓN

    La estructura que
    conocemos hoy como ADN (ácido desoxirribonucleico) fue
    descrita por Watson y Crick en el año 1953. Tras este
    hecho confluyeron ideas y nuevos enfoques experimentales que
    condujeron a lo que ha sido denominado como dogma central de la
    genética
    molecular, que establece que la información genética fluye del ADN
    al ARN (ácido ribonucleico) y de este a la
    proteína, y por tanto es el ADN el material que almacena
    la información genética en unidades de
    información hereditaria denominadas genes. Aún
    cuando este enunciado es cierto para la mayoría de los
    seres vivientes; se ha comprobado que en determinados virus la
    información genética se almacena en forma de ARN y
    esta puede ser transferida del ARN al ADN a través de un
    proceso de
    transcripción inversa (Moreno, 1996).

    Al igual que en las proteínas, el ADN y el ARN
    están compuestos por repeticiones de pequeños
    bloques, pero con la diferencia de que en lugar de
    aminoácidos, se trata de moléculas más
    complejas conocidas como nucleótidos. Los
    nucleótidos, en el ARN, están dispuestos en una
    sola cadena resultante de la copia del ADN en forma
    complementaria; en cambio, en el
    ADN, los nucleótidos se sitúan formando dos cadenas
    orientadas en direcciones opuestas y enrolladas alrededor de un
    eje imaginario formando una doble hélice (Moreno,
    1996).

    El genoma es la información genética con
    que cuentan los seres vivos, la cual está almacenada en
    los genes y estos a su vez en los cromosomas. Los
    cromosomas están compuestos por ADN y un grupo de
    proteínas llamadas histonas. El genoma humano contiene
    cerca de 3 billones de nucleótidos (pares de bases, pb)
    (National Human Genome Research Institute, 2004) presentes en 46
    cromosomas (22 autosomas y 2 cromosomas sexuales).

    En las últimas décadas la tecnología de
    recombinación del ADN también conocida como
    ingeniería genética, o más
    acertadamente recombinación genética in
    vitro,
    ha revolucionado la Biología. El campo de la
    salud es, uno de
    los más beneficiados con el desarrollo de esta
    tecnología. Las investigaciones
    que se realizan en esta área están enfocadas a un
    diagnóstico oportuno de enfermedades, así como su
    posible tratamiento a través de la terapia con
    moléculas recombinantes e introducción de genes. Además, la
    manipulación de genes proporciona una herramienta
    fundamental para la eliminación futura de enfermedades
    mortales para el hombre
    (Cerezo & Madrid, 1995).
    Por estas razones resulta útil que el médico de
    asistencia esté familiarizado con conceptos básicos
    sobre biología molecular, su aplicación en la
    investigación biomédica, y en
    especial con sus posibles aplicaciones clínicas, conceptos
    estos que aparecen cada vez con mayor frecuencia en toda la
    literatura
    biomédica, tanto básica como
    clínica.

    Principios de
    clonación
    molecular

    La denominación "ADN recombinante" se refiere a
    combinaciones muevas de ADN creadas entre secuencias o fragmentos
    de esta molécula (los cuales son de interés
    por alguna razón) y moléculas de ADN bacteriano (o
    de otra clase) capaces
    de duplicarse indefinidamente en el laboratorio
    (Freifelder, 1983). En este proceso, primero se obtiene un
    fragmento del ADN de interés denominado inserto, el cual
    se une a otra molécula de ADN (generalmente de mayor
    tamaño) llamado vector. Posteriormente se lleva a cabo el
    proceso de clonación molecular en sí, en el cual se
    introduce el ADN recombinante en una célula
    receptora y esta finalmente al multiplicarse da lugar a nuevas
    células
    con similares características a ella; obteniéndose
    de esta manera lo que se denomina un clon. Por consiguiente un
    clon no es más que un grupo grande de células,
    moléculas de ADN o bacterias que
    surge de una célula o molécula ancestral y son
    idénticas a esta; y clonación es el proceso que le
    da origen (Granner, 1992; Plata 1996).

    Las células receptoras del ADN híbrido
    pueden ser tanto procariotas como eucariotas y el proceso de
    introducción del mismo se denomina transformación
    para las primeras y transfección para las segundas
    (Cerezo, 1995).

    Para llevar a cabo la
    clonación molecular se requiere lo
    siguiente:

    a) Una fuente adecuada de ADN: Las fuentes
    más importantes de ADN para clonación son el ADN
    genómico (cromosómico) que contiene los genes
    completos y lo que se conoce como ADN complementario (ADNc) que
    se obtiene a partir del ARN mensajero (ARNm) bajo la acción
    de la enzima transcriptasa reversa o transcriptasa inversa
    (Freifelder, 1983 & Plata, 1996). Esta enzima es capaz de
    sintetizar ADN a partir del ARN el cual le sirve como molde. El
    empleo de una
    u otra fuente depende de los objetivos que
    se persigan con el estudio a realizar.

    b) Vectores de
    clonación (ADN recombinante):
    Un vector de
    clonación es una molécula pequeña de ADN que
    puede replicarse de manera autónoma en un huésped
    (células bacterianas o de levaduras), a partir de las
    cuales es posible aislarlo en forma pura para el análisis. Los vectores se utilizan para
    clonación porque pueden seguir su desarrollo normal a
    pesar de que secuencias adicionales de ADN sean incorporadas en
    su material genético; se autorreplican utilizando la
    maquinaria enzimática de la célula
    huésped, y en este proceso, no se mezclan con el ADN
    genómico de la célula (Plata, 1996).

    Debido a que los vectores de clonación pueden
    generar un gran número de copias por célula, ya que
    los huéspedes bacterianos o de levaduras pueden crecer
    indefinidamente en el laboratorio, es posible obtener grandes
    cantidades de secuencias del ADN de interés. Cierto
    número de vectores se utiliza de modo común para
    este propósito, cada uno con ventajas y limitaciones y
    dentro de ellos tenemos:

    Plásmidos: Son moléculas circulares
    de ADN de doble cadena que se replican de modo
    extracromosómico en bacterias, o menos comúnmente
    en levaduras (Lehninger, 1993; Ministerio de Educación, 1981). En
    ellos se encuentran genes que le confieren al organismo que los
    posee resistencia a
    algunos antibióticos, así como genes involucrados
    en la producción de toxinas y la
    degradación de productos
    naturales (Stryer, 1995).

    Bacteriófagos: Son virus que infectan a
    las bacterias y están constituidos, según su clase,
    por un núcleo de ADN o ARN y una cubierta proteica;
    algunos presentan una cola, y son incapaces de replicarse
    autónomamente por lo que necesitan infectar a la
    célula para poder hacerlo.
    Dentro de los fagos más utilizados como vehículos
    moleculares de clonación, se encuentran el lambda
    (l ) y sus
    derivados (Cerezo, 1995; Freifelder, 1983; Granner, 1992; Moreno,
    1996; Plata, 1996; Stryer, 1995).

    Cósmidos: Son básicamente
    plásmidos que emplean la habilidad de las
    partículas infecciosas del bacteriófago
    l para "empaquetar" de
    manera eficiente grandes piezas lineales de ADN e introducirlas
    en las células bacterianas. Estos vectores se reproducen
    de igual manera que los plásmidos en las bacterias
    (Granner, 1992; Lehninger, 1993).

    "Cromosomas artificiales" de levadura:
    Además de los vectores anteriormente mencionados, existe
    otro tipo que permite clonar hebras de ADN de gran tamaño
    y que se conocen como cromosomas artificiales de levadura (YAC,
    del inglés
    yeast artificial chromosome). Este tipo de vector es capaz de
    replicarse en el huésped Saccharomyces cerevisiae
    (levadura común usada en panadería) y tiene la
    estructura semejante a los cromosomas de levadura normales
    (Plata, 1996).

    c) Enzimas que permitan la escisión o corte en
    sitios específicos del fragmento de ADN a clonar y su
    posterior fusión con
    el vector:
    Existe un grupo de enzimas con funciones
    diferentes que tienen gran aplicación en ingeniería
    genética; de ellas ya se ha mencionado a la
    transcriptasa inversa. Nos referiremos con más detalle
    ahora a las endonucleasas de restricción o enzimas de
    restricción y a la ADN ligasa como útiles herramientas
    en el proceso de clonación de genes.

    Endonucleasas de restricción: Las
    endonucleasas son enzimas que cortan al ADN en secuencias
    específicas dentro de la molécula (contrario a las
    exonucleasas, que digieren a las moléculas de ADN por sus
    extremos) (Granner, 1992). Estas enzimas se encuentran en una
    amplia variedad de especies bacterianas y su función
    biológica consiste en reconocer y romper el ADN ajeno que
    puede penetrar en la célula (por ejemplo, ADN procedente
    de bacteriófagos) (Lehninger, 1993). De esta forma estas
    endonucleasas restringen el funcionamiento de los fagos en el
    interior de la bacteria, motivo por el cual originalmente se les
    llamó enzimas de restricción (Granner). El ADN
    propio, sin embargo, no es digerido porque las bacterias cuentan
    con un mecanismo que impide que esto ocurra. Así, al
    conferir la naturaleza
    este sistema de
    defensa a las bacterias, otorgó también a los
    científicos un arsenal de enzimas altamente
    específico para manipular el ADN (Granner; Lehninger;
    Merino & Gamba, 1996).

    ADN ligasa: La ADN ligasa es una enzima que tiene
    la capacidad de formar enlaces fosfodiéster en una cadena
    de ADN rota, pudiendo unir covalentemente ADNs de diferentes
    orígenes para formar moléculas híbridas.
    Existen diversos métodos en los que se aprovecha la
    acción de esta enzima para la unión del fragmento a
    clonar con el vector; la selección
    de uno u otro depende de las características de los
    extremos de ambas moléculas de ADN (Cerezo & Madrid,
    1995).

    d) Métodos de transformación o
    transfección celular:
    Una vez obtenido el ADN
    recombinante, el próximo paso es introducirlo dentro de
    una célula huésped que le ofrezca la maquinaria
    necesaria para su autorreplicación. Como no es objetivo de
    este trabajo
    explicar en detalles cada uno de los métodos que existen
    para estos fines, nos limitaremos sólo a mencionar algunos
    de los más empleados que son: electroporación,
    transfección mediada por calcio-fósforo o
    DEAE-dextrán, empleo de polibreno, fusión de
    protoplastos, empleo de liposomas, microinyección directa
    al núcleo, uso de virus (Cerezo & Madrid, 1995;
    Freifelder, 1983; Plata, 1996; Lehninger, 1993; Stryer, 1995),
    entre otros.

    e) Métodos para analizar los clones
    resultantes hasta la identificación del que contiene el
    gen de interés:
    Un importante paso en el proceso de
    clonación es la identificación de aquel clon o
    clones que contienen el ADN recombinante. Aún en las
    mejores condiciones los plásmidos se mantienen de forma
    estable sólo en una minoría de la población bacteriana. Para identificar
    estos transformantes se emplean varios métodos, los cuales
    también solamente serán mencionados. Así
    tenemos los ensayos de
    hibridación (Freifelder, 1983; Lehninger, 1993; Mercado &
    Gamba, 1997; Plata, 1996), los métodos
    inmunológicos (anticuerpos radiactivos,
    inmunoprecipitación) (Freifelder; Plata), el empleo de
    marcadores de selección (Freifelder ), etc.

    Métodos de
    análisis de ácidos
    nucleicos.

    Hibridación molecular.

    La hibridación molecular es uno de los pilares de
    la mayor parte de las metodologías que se utilizan en el
    laboratorio de biología molecular. Un grupo de estas
    técnicas se ha diseñado para identificar
    determinadas secuencias en los ácidos
    nucleicos.

    La hibridación se refiere al apareamiento
    específico que ocurre entre cadenas de ácidos
    nucleicos con secuencias complementarias, proceso que es
    análogo a la reacción antígeno-anticuerpo, pero con la diferencia
    de que en la hibridación en lugar de anticuerpos se
    emplean las llamadas sondas (Mercado & Gamba, 1997). Las
    sondas no son más que fragmentos cortos de ADN o ARN
    sintetizados in vitro y que se marcan con sustancias
    radiactivas fluorescentes o de otro tipo a fin de hacer posible
    su posterior detección y de esta manera la
    identificación de la secuencia de ADN o ARN de
    interés (Cerezo & Madrid, 1995; Mercado &
    Gamba).

    A continuación se señalan diferentes
    procedimientos
    de laboratorio que utilizan el principio de hibridación y
    en los que la variación está dada por el tipo de
    ácido nucleico utilizado, el soporte en que se lleva a
    cabo la hibridación y la forma de colocar los
    ácidos en la membrana.

    Southern blot: Es una técnica empleada
    para detectar secuencias específicas de ADN. Para llevar a
    cabo hibridaciones de este tipo, se aísla el ADN de un
    tejido o línea celular, luego se purifica, y se digiere
    con enzimas de restricción específicas. Los
    fragmentos generados se separan mediante electroforesis y
    después son transferidos a la membrana que sirve de
    soporte (gel de agarosa). Este proceso se lleva a cabo colocando
    el gel de agarosa sobre papel filtro previamente remojado en una
    solución llamada de transferencia (solución salina
    concentrada). A continuación se sitúa la membrana
    sobre el gel y encima de esta una pila de papel filtro seca, y
    por capilaridad la solución de transferencia es
    atraída a la pila de papel filtro, arrastrando consigo al
    ADN hacia la membrana, donde queda inmovilizado conservando la
    misma posición relativa que ocupaba en el gel. Luego, el
    ADN puede ser hibridado en la membrana con una sonda marcada
    (Cerezo & Madrid, 1995; Correa-Rotter & Gamba,
    1997).

    Debido a que la transferencia del ADN del gel a la
    membrana se produce por capilaridad, con el mismo principio
    utilizado por años para limpiar manchas con papel secante,
    el proceso se conoce en inglés como blotting; Southern
    propuso utilizar el término blot (secado) o blotting para
    referirse a esta técnica y actualmente se conoce como
    Southern blot (Mercado & Gamba, 1997).

    Esta técnica se ha empleado para el
    diagnóstico y caracterización de diversas
    inmunodeficiencias, la distrofia muscular de Duchenne, la
    hipoplasia adrenal congénita, la deficiencia de
    glicerol-quinasa, la distrofia miotónica severa y en
    análisis de mutaciones de genes en células B de
    leucemia linfoblástica crónica, entre otras
    enfermedades (Cerezo & Madrid, 1995).

    Northern blot: Es una variante del método
    anterior en el que en lugar de utilizar ADN como sustrato de
    estudio, se emplea ARN. El procedimiento que
    se sigue es similar al Southern blot y por analogía con
    este se le conoce como Northern blot. Esta técnica se ha
    aplicado en estudios de la modulación
    de la síntesis
    de interleucina 6 en pacientes con artritis reumatoide, en el
    análisis de expresión de receptores que participan
    en la síntesis de moléculas en cultivos celulares,
    en análisis de mutaciones y alteraciones del RNAm de
    enzimas, y en la regulación de la expresión
    génica de marcadores
    moleculares de células leucémicas humanas y
    moléculas del reconocimiento inmunológico (Cerezo
    & Madrid, 1995).

    Western blot: No es un método de
    análisis directo de los ácidos nucleicos, sino del
    producto de la
    expresión de los genes, o sea las proteínas. Aunque
    difiere de los anteriores en cuanto a que no existe
    hibridación, sino que la identificación de las
    proteínas se realiza con anticuerpos marcados, sí
    se mantiene el principio de la transferencia a la membrana que
    sirve de soporte posterior a la electroforesis y previo a la
    identificación, y por lo cual siguiendo el juego de
    palabras ha sido denominado de esta manera (Cerezo & Madrid,
    1995; Mercado & Gamba, 1997). Esta técnica permite el
    desarrollo de pruebas para
    diferenciar tipos de virus
    que infectan a células, se ha aplicado en estudios de la
    variabilidad individual de los niveles de determinadas enzimas,
    en la caracterización molecular de genes (Cerezo &
    Madrid), etc.

    Dot blot y slot blot: Son procederes similares al
    Northern con la diferencia de que el ARN no es sometido a
    electroforesis sino que se sitúa directamente sobre la
    membrana. Este tipo de análisis requiere de un molde
    asociado a succión con vacío para colocar el ARN
    que puede producir círculos o puntos (dot blot) o
    hendiduras (slot blot). Este tipo de prueba es muy útil
    cuando se quieren estudiar gran número de muestras, pero
    tienen la limitante de no ofrecer información sobre el
    tamaño de las bandas del ARN hibridado (Correa-Rotter
    & Gamba, 1997).

    Hibridación de colonias bacterianas: Es un
    método empleado para identificar colonias bacterianas que
    contengan determinada secuencia de ácidos nucleicos de
    interés. La metodología consiste en sembrar los clones
    sobre placas de Petri con agar para después de crecidos
    transferirlos a membranas de nylon o nitrocelulosa y luego
    realizar la hibridación (Plata, 1996).

    Hibridación in situ: Es un
    método histoquímico que emplea a la biología
    molecular de la misma manera que la inmunohistoquímica
    utiliza los métodos de la inmunología. La especificidad de la
    hibridación in situ (HIS) se basa en la
    unión recíproca de una secuencia de
    oligonucleótidos (la sonda), con una secuencia
    complementaria de nucleótidos presente en las
    moléculas de ARN o ADN dentro del tejido
    (Quintanilla-Martínez & Gamba, 1997).

    Entre las ventajas de esta técnica están
    su alto grado de resolución espacial que permite la
    localización de secuencias génicas a escala
    cromosómica, con lo que se pueden detectar translocaciones
    y otras alteraciones, así como también el estudio
    de expresión génica a escala celular y subcelular.
    Otra de sus ventajas es que se puede realizar en material fijado
    e incluido en parafina lo que permite realizar estudios
    retrospectivos en material de archivo. Por otra
    parte la cantidad de tejido requerido para realizar un estudio de
    HIS es mínima en comparación con otras
    técnicas de biología molecular
    (Quintanilla-Martínez & Gamba, 1997).

    Entre las principales aplicaciones de la HIS tenemos la
    detección de ARN o ADN de origen viral, el análisis
    de la expresión génica (detección de ARNm) y
    los análisis cromosómicos
    (Quintanilla-Martínez & Gamba, 1997).

    La HIS con fluorescencia (FISH) (Hogge &
    Mowery-Rushton, 1997; Bobadilla & Gamba, 1996) es una
    importante herramienta de uso rutinario en investigación y
    con grandes posibilidades de aplicación en el
    diagnóstico de enfermedades neoplásicas,
    genéticas, estudios a nivel cromosómico, etc. En
    ella la sonda se marca con
    sustancias fluorescentes que se visualizan después
    mediante microscopía.

    Mapas de
    restricción.

    Esta técnica se basa en el principio de la
    enzimología de restricción donde de una
    molécula de ADN dada se obtendrán siempre los
    mismos fragmentos cada vez que sea expuesta a una enzima de
    restricción particular. La complejidad del mapa depende
    del tamaño de la molécula (a mayor número de
    bases será mayor el número de sitios de
    restricción) y del número de enzimas utilizadas. De
    esta forma, dos moléculas de ADN del mismo tamaño
    pueden ser fácilmente diferenciadas por los mapas de
    restricción que producen al tratarlas con las mismas
    enzimas (Merino & Gamba, 1996).

    Este mismo principio lo utiliza el procedimiento
    denominado análisis de polimorfismos de longitud de
    fragmentos de restricción (RFLP) (Granner, 1992), pero
    aprovechando el hecho de la existencia de variaciones en la
    constitución genética de la
    población (polimorfismo genético), que hace que se
    observen diferencias entre los individuos en cuanto al
    número y longitud de los fragmentos producidos. La
    existencia de los RFLPs es la base de la técnica que se ha
    denominado huellas digitales del ADN y que permite
    establecer inequívocamente la relación padres e
    hijos, entre otras aplicaciones.

    Reacción
    en cadena de la polimerasa.

    La reacción en cadena de la polimerasa o PCR como
    comúnmente se conoce (del inglés polymerase chain
    reaction) es un método enzimático de
    amplificación de secuencias específicas de ADN,
    concebido por Kary Mullis y sus colaboradores a principios de los
    años 80. Este método permite la síntesis
    in vitro de un fragmento de ADN de forma tal que, en cada
    ciclo del proceso, se duplica el número de
    moléculas (Bobadilla & Gamba, 1996).

    El principio del PCR consiste en determinar la secuencia
    de interés y seleccionar pequeños segmentos de
    nucleótidos llamados iniciadores o cebadores,
    complementarios con la secuencia de nucleótidos de los
    extremos opuestos de las cadenas que flanquean a dicha secuencia,
    a partir de los cuales se inicia la elongación o
    síntesis de nuevas cadenas en el extremo 3' de cada
    iniciador (Cerezo & Madrid, 1995).

    En esta técnica se consideran importantes los
    siguientes parámetros: un suministro abundante de
    iniciadores y de desoxinucleótidos trifosfatados (dNTPs);
    una fuente renovada de ADN polimerasa (enzima encargada de la
    síntesis de las cadenas complementarias); y los ciclos
    periódicos de cambios de temperatura.
    Estos últimos consisten en: desnaturalización del
    ADN a 100°
    C, alineamiento de los iniciadores con las secuencias de
    interés entre 50 y 60° C y síntesis del ADN a
    72° C. Estas
    temperaturas pueden variar de acuerdo con las condiciones de la
    reacción (Bobadilla & Gamba, 1996).

    Cuando se comenzó a utilizar la PCR, el empleo de
    la ADN polimerasa I de E. coli hacía el proceso muy
    tedioso, pues esta enzima perdía su función al
    incrementar la temperatura, lo que obligaba a agregar ADN
    polimerasa en cada ciclo. Con la introducción de la
    llamada Taq polimerasa, una ADN polimerasa aislada de la bacteria
    Thermus aquaticus que vive en aguas termales y tiene una
    temperatura óptima entre 70 y 75° C, la PCR se hizo más
    eficiente, más accesible e incluso fue posible
    automatizarla (Cerezo & Madrid, 1995).

    El poder de la amplificación con PCR es tan alto
    que los más pequeños contaminantes pueden dar
    resultados falsos positivos, por lo que el material y las
    soluciones a
    emplear deben ser escrupulosamente controlados.

    Las aplicaciones de la PCR son múltiples y
    parecen estar sólo limitadas por la imaginación de
    los científicos. Entre ellas tenemos: la
    amplificación de fragmentos de genes como rápida
    alternativa de la clonación, la modificación de
    fragmentos de ADN, la detección sensible de
    microorganismos seguido de una segura genotipificación, si
    se desea, el análisis de muestras arqueológicas y
    estudios antropológicos, la detección de mutaciones
    importantes en enfermedades hereditarias, transformación
    maligna o tipaje de tejidos, el
    análisis de marcadores genéticos para aplicaciones
    forenses, pruebas de paternidad y para el mapeo de rasgos
    hereditarios, el estudio de expresión de genes, entre
    otras (Herrera & Gamba, 1996).

    Secuenciación nucleotídica del
    ADN.

    La consecuencia inmediata de clonar un fragmento de ADN
    es la posibilidad de secuenciarlo. El entendimiento a fondo de la
    estructura, función y mutación de un fragmento de
    ADN depende en primera instancia de conocer la estructura
    primaria de sus nucleótidos; es decir, la secuencia de
    nucleótidos.

    Básicamente existen dos métodos para la
    secuenciación del ADN, uno químico y otro
    enzimático, desarrollados en la década de los 70
    por Maxam y Gilbert y Sanger y colaboradores (Lehninger, 1993;
    Ministerio de Educación, 1981),
    respectivamente.

    Conocer la secuencia de un segmento de ADN que ha sido
    clonado, representa una gran ventaja para su
    caracterización ya que, a través de la secuencia es
    posible determinar las diferentes regiones que conforman un gen,
    deducir la secuencia de aminoácidos para la
    síntesis de una proteína y la formación de
    sus estructuras
    secundarias (Cerezo & Madrid, 1995). En medicina la
    secuenciación del ADN tiene importantes implicaciones en
    la comprensión de los mecanismos fisiopatológicos
    que se generan por la inferencia en la secuencia y
    homología entre genes. El
    conocimiento de genes responsables de enfermedades
    hereditarias hace posible mediante secuenciación,
    identificar a individuos portadores asintomáticos o en
    fase preclínica (Martínez & Gamba, 1996). La
    secuenciación del genoma de determinados agentes
    biológicos patógenos por ejemplo Haemophilus
    influenzae
    (Caskey, 1997) y Helicobacter pilory
    (Scientists complete decoding of the H pylori genome, 1997)
    permite, además de comprender los mecanismos de
    producción de la enfermedad, desarrollar nuevos
    métodos diagnósticos y
    terapéuticos.

    Proyecto del
    Genoma Humano

    El Proyecto del Genoma Humano (PGH), esfuerzo
    internacional considerado por muchos como una de las empresa
    más grandes emprendidas por el hombre en
    todos los tiempos, dirigido a entender, fundamentalmente, nuestro
    genoma, comenzó en Estados Unidos en
    1990 cuando al Instituto Nacional de Salud y al Departamento de
    Energía se unieron otras instituciones
    del resto del mundo para descifrar la masiva cantidad de
    información contenida en él. Su ejecución
    tomó como base el arsenal de conocimientos y herramientas
    aportados por la biología molecular y la computación hasta ese momento. Este
    proyecto en sus inicios se trazó un grupo importante de
    ambiciosas metas las cuales han sido sobrepasadas en su
    mayoría. Su conclusión estaba prevista para el
    año 2005, sin embargo, ya el 14 de abril de 2003, algo
    más de dos años antes y coincidiendo con el 50
    aniversario de la descripción por James Watson y Francis
    Crick de la doble hélice del ADN; el Consorcio
    Internacional para la Secuenciación del Genoma Humano
    anunciaba su culminación exitosa, la cual alcanzó
    una exactitud del 99,99 %, lo que equivaldría a
    sólo un error por cada 10000 pb (National Human Genome,
    2004, National Human Genome Research Institute, National
    Institute of Health, 2004).

    La secuenciación del genoma humano es sólo
    el comienzo de lo que ha sido denominado era genómica y el
    conocimiento
    que de ello se derive permitirá arrojar luz sobre un
    amplio espectro de cuestiones básicas tales como,
    cuántos genes tenemos, cómo trabajan las
    células, como evolucionaron los seres vivientes,
    cómo una simple célula se desarrolla en complejas
    criaturas, qué sucede exactamente cuando enfermamos.
    Además de responder innumerables preguntas sobre nuestra
    individualidad molecular. Las aplicaciones directas en medicina
    incluyen el diagnóstico, pronóstico y
    prevención de diversas enfermedades, así como su
    tratamiento efectivo. En 1990, por ejemplo, se tenia idea de la
    existencia de alrededor de 100 genes involucrados en determinadas
    enfermedades; hoy se han identificado más de 1400 y la
    lista continúa incrementándose. Muchas de estas
    enfermedades serán blanco de disciplinas que se han
    desarrollando en los últimos años, como la
    farmacogenómica y la terapia basada en los genes (An
    Interview with Francis S. Collins, M.D., Ph.D., 2003;
    Austin, 2003; Collins, Green, Guttmacher & Guyer,
    2003).

    Campos de
    aplicación de la tecnología del ADN
    recombinante

    Uno de los principales objetivos de la ingeniería
    genética ha sido la producción de grandes
    cantidades de proteínas, las cuales por demás
    pueden ser difíciles de obtener de sus fuentes naturales
    (bien porque son producidas en baja concentración por la
    célula o porque su manipulación es demasiado
    peligrosa) (Freifelder, 1983). La importancia de obtener tales
    proteínas por esta vía estriba, entre otros
    aspectos, en su bajo costo de
    producción y en que algunas de ellas como la insulina,
    el interferón y la hormona del crecimiento
    (somatotropina), concebidas para terapia en humanos por otros
    medios, pueden
    inducir reacciones alérgicas (Ministerio de
    Educación, 1981)

    La fuente principal de proteínas vía
    recombinación genética in vitro son los
    microorganismos, aunque los animales y
    plantas
    también son empleados en ensayos para obtener
    proteínas de interés; así por ejemplo
    investigadores de la misma compañía que
    clonó la oveja Dolly en Escocia a mediados de los
    años 90, lograron la obtención de una oveja
    transgénica que produce en su leche la
    proteína de la coagulación humana factor IX
    (Scientists achieve new breakthroughs in cloning of transgenic
    animals, 1998). La hemoglobina humana recombinante ha sido
    sintetizada en cultivos de bacterias, levaduras y en
    células animales transfectados, sin embargo, las plantas
    transgénicas parecen ofrecer, a juicio de los
    investigadores, un número de ventajas que incluyen la
    reducción de los problemas del
    envejecimiento de la sangre de
    banco,
    así como la exclusión de contaminantes derivados de
    fuentes bacterianas o animales (Researchers use tobacco plants to
    synthesize human haemoglobin, 1997). Se trabaja, por otra parte,
    en la producción de animales transgénicos y
    clonados que expresarían inmunoglobulinas y otros
    productos biofarmacéuticos para el tratamiento de
    enfermedades autoinmunes (Pigs cloned to produce human
    antibodies, 1997).

    Son también ejemplos del poder de la
    ingeniería genética en el terreno de la medicina la
    identificación de genes sin conocer la función de
    sus productos en procesos
    patológicos como la ataxia telangiectasia, la
    poliquistosis renal y el subtipo infantil de lipofuscinosis
    ceroide (McCabe, 1996). En otras enfermedades se ha podido
    profundizar en su fisiopatología, tal es el caso de la
    fibrosis quística (Ramsey, 1996) y la enfermedad de
    Alzheimer
    (Mcmanus & Gascoyne, 1997; Transgenic mice provide insights
    into Alzheimer’s desease, 1998). La recombinación
    genética in vitro ha permitido, además,
    encontrar los genes responsables de enfermedades como la
    distrofia miotónica, la enfermedad de Huntington, la
    hemocromatosis hereditaria (Voelkerding, 1998) y algunos tipos de
    inmunodeficiencias (Villa, 1997; Spickett, 1997).

    Uno de los grandes retos que tiene la medicina actual es
    llegar a conocer con certeza los mecanismos y procesos
    involucrados en la génesis del cáncer y poder
    actuar en consecuencia. La clonación de genes ha revelado
    la existencia de dos categorías génicas que se
    caracterizan por la presencia de mutaciones específicas y
    que tienen un importante papel en la expresión de
    células cancerosas, estas categorías corresponden a
    los oncogenes y a los genes supresores del cáncer. Se ha
    agregado a estas una nueva categoría cuyas mutaciones se
    vinculan específicamente con el cáncer
    colorectal, se trata de los genes de la reparación de
    errores de apareamiento del ADN (National Cancer
    Institute–National Human Genome Research Institute
    Workshop, 2004).

    Un enfoque no menos importante en la utilización
    de la tecnología del ADN recombinante en medicina es la
    terapia génica. Como concepto la
    terapia génica consiste en la transferencia de material
    genético a las células de un enfermo,
    produciéndole efectos terapéuticos
    benéficos. En principio se podrían tratar
    enfermedades hereditarias como la inmunodeficiencia severa
    combinada, la anemia
    falciforme, la distrofia muscular, la fibrosis quística,
    etc. (Moreno & Gamba, 1996), aunque de modo general cualquier
    afección en la que se pudiese demostrar una
    alteración génica como factor involucrado en su
    fisiopatología; sería susceptible de recibir esta
    terapéutica.

    Aun cuando hasta el momento no se dispone de un vector
    que permita una transferencia de genes directamente dentro del
    paciente, que sea eficiente, efectiva y estable, la terapia de
    genes es fuente de esperanzas para investigadores,
    médicos, pacientes y familiares (Marshal, 1995; Vogel,
    1997). Los vectores virales aunque han sido los más
    empleados no satisfacen las expectativas iniciales. Ahora se
    prueba con otros vectores no virales como los liposomas (Ramsey,
    1996) y se piensa incluso en usar las células
    indiferenciadas y con alta capacidad para multiplicarse de la
    médula ósea, para modificarlas genéticamente
    en el exterior y luego tratar con ellas no sólo trastornos
    hematológicos, sino también, afecciones del
    colágeno, hueso y músculo; dada su capacidad de
    distribuirse por todo el organismo después de madurar
    (Brenner, 1996).

    CONCLUSIONES

    Hoy prácticamente no existen dudas de que la
    Biología Molecular con sus métodos, unido a los
    conocimientos derivados del Proyecto del Genoma Humano
    afectará el curso de la ciencia y
    la medicina a lo largo del siglo 21. La fisiopatología de
    más y más enfermedades será comprendida
    hasta el nivel molecular, se desarrollarán nuevas drogas
    dirigidas contra las causas subyacentes de las enfermedades, las
    pruebas genéticas antes de prescribir una droga
    asegurarán que cada individuo
    reciba aquellos medicamentos que traten sus malestares
    efectivamente sin efectos colaterales, aumentará nuestro
    conocimiento sobre cuestiones básicas de Biología,
    los científicos entenderán mejor los componentes
    esenciales de la vida y cómo funcionan las células
    y organismos; sin embargo, el reto fundamental estará en
    mantener un balance saludable que evite los daños
    potenciales derivados de estos avances, y permita preservarlos
    sólo para darle un uso adecuado.

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      Springer.

     

     

    Autor:

    Dr. Vladimir Ruiz Álvarez,

    Especialista de Primer Grado en Laboratorio
    Clínico. Master en Bioquímica General.
    Profesor

    Asistente de Bioquímica y Laboratorio
    Clínico,

    Dirección: Instituto de Nutrición e
    Higiene de
    los Alimentos,

    Laboratorio de Bioquímica y Fisiología, Calzada de Infanta 1158,
    Entre Clavel y Llinás, CP. 10300,

    Ciudad de La Habana, Cuba.
    Teléfono: (537) 879 5183


    ;

    Dr. Rafael Menéndez Lorenzo,

    Especialista de Primer Grado en Medicina Interna,
    Profesor
    Asistente de Medicina Interna,

    Instituto superior de Ciencias
    Médicas de La Habana, Facultad de Ciencias
    Médicas Calixto García

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