U-3 El Projecte Genoma Humà

 

Com ja sabem, el genoma és el conjunt de gens que té una determinada espècie o individu. Per conèixer el genoma d'una espècie cal saber:

- el nombre total de gens d'aquella espècie
- la seva posició exacta dins de cada cromosoma
- la seva seqüència de nucleòtids o bases nitrogenades

El Projecte Genoma Humà (PGH o HGP), és a dir, la recerca del "mapa" dels gens humans es va iniciar l'any 1990. L'any 2003 es va fer públic aquest mapa, el qual situa tots els gens humans a cada locus específic de cadascun dels 23 parells de cromosomes.

El que s'està portant a terme encara és la seqüenciació dels nucleòtids de cada gen humà. Aquest coneixement detallat obrirà un nou món en el camp de les teràpies gèniques en el moment que es puguin localitzar els gens que generen diverses malalties, com ara càncers, degeneratives, neuronals, cardiopaties...



Què ha revelat el PGH?

• El genoma humà conté uns 3200 milions de parells de bases nitrogenades
• Només el 2% del genoma conté gens
• El genoma entre dues persones només difereix en un 0,1%
• Conté uns 27000 gens, però se'n desconeix la funció de gairebé la meitat. Drosophila melanogaster, la mosca del vinagre, en té 13600
• Aproximadament la meitat de les proteïnes humanes comparteixen similituds amb les dels altres éssers vius

U-3 Biotecnologia

La biotecnologia, tot i semblar que parlem d'una cosa molt futurista, ha estat portada a terme per l'home des de l'aparició de l'agricultura i la ramaderia. Parlem de biotecnologia quan ens referim a l'ús dels éssers vius per tal de treure'n algun aprofitament.

 

 

Podem veure, doncs, que això s'ha fet sempre. Pensem, per exemple, en les diferents varietats de fruites i verdures que tenim en l'actualitat. Moltes d'aquestes s'han obtingut de manera tradicional realitzant una selecció artificial de les varietats més resistents, productives i saboroses, encreuant-les entre si per afavorir el seu desenvolupament.

El mateix ha passat amb la ramaderia (selecció artificial mitjançant encreuaments de les millors races de vaques, porcs, gallines, etc).

Parlem també de biotecnologia quan utilitzem microorganismes per fabricar productes tan antics com el pa, el formatge, els iogurts o la cervesa.

Enginyeria genètica
 

Podríem dir que es tracta de la branca més avançada, cientifico-tecnològicament parlant, de la biotecnologia. 

Actualment l'home és capaç de modificar la informació que contenen els gens del DNA, així com afegir o treure gens. Això és possible gràcies a una sèrie de tècniques complexes i al coneixement que es té sobre el funcionament de la genètica.

És important saber, a més, que els gens que es puguin incorporar a un organisme poden provenir d'una espècie diferent (cal recordar que el codi genètic és universal, i per tant és compartit per tots els éssers vius. 

Un exemple d'aplicació de l'enginyeria genètica: fabricació d'insulina humana

Les persones insulinodependents (diabètics) depenien fins l'any 1982 de la insulina obtinguda de porcs o vaques. Aquesta insulina és activa en éssers humans però podia ocasionar reaccions de rebuig o incompatibilitat.

Ara la insulina que utilitzen els diabètics s'obté a partir de l'enginyeria genètica:

1. Localitzar el gen que es vol transferir, en el nostre cas el gen humà de la insulina situatat en el cromosoma 11. Aïllar el gen. Per obtenir el gen desitjat s'utilitzen enzims de restricció que tallen el DNA (com si fossin tisores) per llocs específics.
2. Inserir el gen en un altre segment de DNA que funcionarà com a vector ("vehicle"). El DNA resultant de la unió s'anomena DNA recombinant o recombinat.
3. Introduir el DNA a la cèl·lula hoste, en aquest cas un bacteri.
4. Confirmar que la cèl·lula hoste és capaç d'utilitzar la nova informació i fabricar la proteïna corresponent (en aquest cas la insulina).
5. Obtenir moltes còpies del gen, és a dir, clonar el gen. Això s'aconsegueix deixant que els bacteris que han incorporat el gen es multipliquin, formin clons. Així es poden aconseguir grans quantitats de la proteïna desitjada.

 

Organismes transgènics

Són els que han incorporat al seu DNA algun gen procedent d'una altra espècie a partir de l'enginyeria genètica.

• L'objectiu: proporcionar una o vàries característiques noves a un organisme que, de manera natural, seria impossible obtenir i que li conferiran unes propietats favorables a l'hora de ser explotat per l'home. Per exemple: major productivitat, major resistència.
• El procés: es realitza en dues fases:

1. Primera fase: transformació. Introducció del gen desitjat dins el DNA d'una cèl·lula de l'organisme que es vol modificar. Exemples:   
   
   
   

   Gen	Cèl·lula organisme
   Proteïna contra la larva de la papallona monarca (bacteri)	Blat de moro
   Hormona de creixement (proteïna humana GH)	Ratolí
   Proteïna anticongelant (peix àrtic)	Maduixots

   
   

   
   
2. Segona fase: regeneració. Mitjançant la tècnica de la clonació (transferència de tot el material genètic de la cèl·lula anteriorment modificada a una cèl·lula reproductora femenina) s'obrté un individu adult transgènic.

El cost d'aquest procés és molt elevat i és necessari, per rendibilitzar-ho, produir el nombre màxim de clons.

Aplicacions dels organismes transgènics

Abans hem vist algunes de les seves àrees d'aplicació. . En general, podem agrupar-les en dos blocs:

• Salut humana:
• Productes farmacèutics (insulina, vacunes)
• Aliments amb característiques especials (carns pobres en colesterols, cereals sense gluten)
• Òrgans per a trasplantaments (procedents d'animals per tal que no siguin rebutjats).
• Teràpia gènica. Té com a objectiu tractar o prevenir malalties generades per algun gen defectuós, substituint-lo per un gen funcional.

 

• Agricultura i ramaderia:
• Reisitència dels cultius (a plagues, herbicides, virus o fongs)
• Major producció (creixement més ràpid de plantes o animals, més productivitat, adaptació a diversos ambients...)

Riscos de la transferència de gens

La perillositat en el desenvolupament dels organismes modificats genèticament (OMG) o transgènics està lligada, en part, al desconeixement de les conseqüències que comportarà l'alliberament d'aquests organismes al medi. 

D'altres conseqüències ja s'estan començant a veure, com ara:

- Pèrdua de diversitat genètica. La pol·linització a través de l'aire o insectes transfereix gens modificats a vegetals silvestres no modificats. A més, les espècies transgèniques, més resistents, poden desplaçar les autòctones i desequilibrar els ecosistemes.

- Transferència de gens modificats a altres espècies. Entre els vegetals o els bacteris (que hem vist que actuen com a vectors de manera natural) és relativament senzill que es donin transferències genètiques tot i pertànyer a espècies diferents. Així certs organismes podrien adquirir resistència a herbicides, plaguicides o antibiòtics.

- Efectes perjudicials per a la salut. Ja s'han descrit problemes al·lèrgics a OMG's però existeix una gran desconeixença per manca d'estudis en aquest camp.

U-3 Mutacions

Una mutació és una alteració o canvi en la informació genètica, és a dir, en el genotip d'un ésser viu.

Aquests canvis o mutacions es poden produir a tres nivells:

- molecular: canvis de nucleòtids en les seqüències dels gens

- cromosòmica: canvis en fragments de cromosomes

- genòmica: canvis en el nombre de cromosomes

Les mutacions es produeixen de manera natural i espontània però els agents mutàgens fan que s'incrementi la seva freqüència. Aquests poden ser:

• Substàncies químiques: àcid nitrós, dioxines, amiant, nicotina...
• Radiacions: UV, RX... i , en general, tota radiació molt energètica (alta freqüència i baixa longitud d'ona).

Les mutacions poden tenir lloc a qualsevol cèl·lula de l'organisme:

• Si es produeix a una cèl·lula somàtica (no reproductora) la mutació la tindran les cèl·lules que generi aquesta per divisió cel·lular (mitosi). Determinades  mutacions afecten a la reproducció cel·lular, de manera que es pot generar una divisió cel·lular incontrolada, donant lloc a tumors cancerosos.
• Si es produeix a sexuals (reproductores) la mutació es transmetrà en la descendència, tot i que no té per què manifestar-se.

Des del punt de vista de la repercusió en la vida d'un organisme es poden donar tres tipus de mutacions:

- Neutres: no afecten la supervivència de l'individu de manera positiva o negativa

- Positives: són les que augmenten les probabilitats de supervivència en l'individu i generen variabilitat en la seva població.

- Negatives: confereixen desavantatges per a la supervivència de l'individu, podent-ne causar la mort.

El procés de l'evolució, com ja sabem, està basat en la diversitat genètica i la variabilitat, i aquesta en les mutacions. 

El fet que existeixin diverses alternatives d'un gen té el seu origen en les mutacions d'uns pocs nucleòtids, degut probablement a errors comesos durant la replicació (DNA polimerasa) o durant la transcripció (RNA polimerasa). 

Ho podem veure clarament en aquest exemple:

	Núm.nucleòtids	Posició 523	Posició 700	Posició 793	Posició 800
Al·lel A	1062	C	G	C	G
Al·lel B	1062	G	A	A	C

U-3 La replicació del DNA

El DNA es transmet de la cèl·lula mare a les cèl·lules filles, de manera que totes les cèl·lules del nostre organisme, siguin del tipus que siguin, contenen la mateixa informació genètica. Per tant, la informació continguda en el DNA s'hereta mitjançant un mecanisme de còpia de la pròpia molècula de DNA, procés conegut amb el nom de replicació.

Bàsicament, el procés consisteix en:

• Trencar els enllaços que mantenen units els parells de nucleòtids complementaris
• Separar les dues cadenes de la doble hèlix
• Mantenir l'avançament de la forca de replicació, és a dir, el "forat" obert a la doble cadena
• Utlitzar cadascuna de les dues cadenes com a motlle per a crear una cadena complementària nova. Cada nova doble hèlix portarà dues cadenes: una procedent de la doble hèlix inicial (l'antiga) i l'altra de nova síntesi. Per això es diu que la replicació és semiconservativa. L'enzim que realitza la còpia és la DNA polimerasa.

 Al final, cadascuna de les dues hèlixs dobles de DNA contindran la mateixa informació que entre elles i que l'original.

U-3 El codi genètic

El codi genètic és el llenguatge utilitzat pel DNA. Podem imaginar-lo com un idioma en el qual totes les paraules tenen 3 lletres (després veurem que donaran lloc als triplets o codons), cadascuna de les quals anomena (codifica) un aminoàcid.

 

Un aminoàcid és cadascuna de les unitats que forma una proteïna, és a dir, una proteïna és una llarga cadena formada per aminoàcids.

La transcripció i la traducció genètica

Per sintetitzar una proteïna cal la informació continguda en el DNA (les "instruccions" per "fabricar-la"). Aquest procés es divideix en dues parts: la transcripció i la traducció.

La transcripció succeeix dins el nucli, mentre la síntesi o fabricació es realitza fora del nucli, al citoplasma. El DNA, però, no surt mai del nucli de la cèl·lula. Com s'ho fa? El procés és el següent:

• Primera etapa: transcripció. Dins el nucli es realitza una còpia del fragment de DNA que la cèl·lula necessita en aquell moment, és a dir, del gen que es vol. Aquest fragment copiat és el RNAm (missatger). L'RNAm , en realitat, no és una copia, sinó una cadena complementària en la qual les Timines són substituïdes per Uracils. La molècula que fa la còpia és l'RNA polimerasa.

• Segona etapa: traducció. Un cop tenim l'RNAm, aquest es trasllada al citoplasma, fora del nucli. Aquí els ribosomes (orgànuls citoplasmàtics) llegeixen el missatge de l'RNAm, que és en realitat la mateixa informació que contenia el fragment de DNA. Ara sí podem parlar de triplets o codons, és a dir, de grups de 3 nucleòtids cadascun dels quals conté la informació per sintetitzar un aminoàcid.

Cada codó és reconegut per l'anticodó contingut en un altre tipus d'RNA, de cadena curta, anomenat RNAt (de transferència o transferent). Cadascun d'aquests porta un aminoàcid concret, que s'incorporarà en l'ordre establert per l'RNAm.

L'elongació de la cadena d'aminoàcids donarà la seqüència de la proteïna.

Aquest és el procés complet (transcripció + traducció):

El codi genètic és el resultat de la combinació de 4 lletres (A, C, G, U) en codons, és a dir, en grups de 3. Les possibles combinacions que podem realitzar són 64 (4³ = 64).

Tot i així, no existeixen 64 aminoàcids, sinó 20. Això vol dir que certes combinacions o "paraules" donen lloc a aminoàcids iguals. Per això es diu que el codi genètic és degenerat.

Existeixen 3 senyals de parada de la síntesi proteica (negreta, "Alto") i una d'inici, que a la vegada codifica per a l'aminoàcid metionina (vermell).

U-3 Estructura i funció del DNA

Estructura i funcions del DNA

L'any 1953 Watson i Crick presenten un model de la molècula de DNA, a partir del qual guanyen el Premi Nobel de Medicina el 1962. Es tractava del model de la doble hèlix de DNA, presentant les següents característiques:

• Macromolècula constituïda per dues cadenes antiparal·leles i enrotllades en forma d'hèlix.
• Les unitatats de cada cadena són els nucleòtids
• part fixa: desoxiribosa i àcid fosfòric
• part variable: les 4 bases nitrogenades (Adenina, Timina, Citosina, Guanina)

               * El nom que reben els 4 nucleòtids és el mateix que el de les bases nitrogenades (A, T, C, G) 

•  Les dues cadenes són complementàries, ja que cada nucleòtid només pot unir-se a un altre de complementari: A-T   G-C

 

Les funcions que ha de realitzar el DNA són les següents:

• Conté la informació genètica
• Controla l'aparició dels caràcters hereditaris
•  Realitza el traspàs d'informació d'una cèl·lula a les seves descendents en la divisió cel·lular

No existeixen dues molècules de DNA idèntiques, exceptuant els clons naturals o artificials. Per això tots els organismes, tot i que siguin de la mateixa espècie, són diferents entre si.
Ara bé: si comparem el DNA de dos organismes totalment diferents, trobarem sempre els mateixos quatre nucleòtids (A, T, G, C).

Com es pot generar tanta variabilitat, doncs?

La resposta la trobem en l'ordenació dels nucleòtids. Dues seqüències diferents de nucleòtids portaran informació diferent. Per exemple:

A-T-T-C-A-G-G-A-C-T-C

C-C-C-T-G-A-A-T-C-G-G

U-2 L'herència del sexe i l'herència lligada al sexe

Els cromosomes sexuals són els responsables dels caràcters sexuals primaris i secundaris, és a dir, del desenvolupament de les gònades masculines (testicles) o femenines (ovaris) i de tota la resta de característiques que defineixen cadascun dels dos sexes.

Els cromosomes sexuals es denominen X i Y. El parell de cromosomes sexuals d'una dona és XX, mentre que un home poseeix un cromosoma X i un Y.

- Com que els cromosomes sexuals d'una dona son XX els gàmetes o òvuls que formarà només podran ser del tipus X.
- En el cas de l'home, en ser XY podrà formar dos tipus de gàmetes: espermatozous X (el 50%) o Y (l'altre 50%).

 

Els cromosomes sexuals, a més de contenir els gens que codificaran per als caràcters sexuals, també contenen altres tipus de gens.

1. Herència dels gens que es troben al cromosoma Y: l'heretaran només els fills mascles.
2. Herència dels gens que es troba al cromosoma X: caràcters lligats al sexe.

Herència lligada al sexe

- En homes: tots els al·lels presents al cromosoma X s'expressaran, independentment de si són dominants o recessius, ja que només existeix un cromosoma X i, per tant, un sol al·lel per per a cada gen d'aquest cromosoma. No seran ni homozigots ni heterozigots per a cadascun dels caràcters d'aquell cromosoma.

Passarà el mateix amb el cromosoma Y, ja que també és únic.

- En dones: sempre tenen dos cromosomes X, per tant tindran 2 al·lels per a cada gen i podran ser homozigòtiques o heterozigòtiques per a un caràcter definit per aquest cromosoma. Una dona heterozigòtica serà portadora de l'al·lel recessiu però no es manifestarà.

Exemples

1. Daltonisme: defecte de visió caracteritzat per no distingir determinats colors.
El 8% dels homes és daltonià. En les dones no arriba ni a l'1%.

2. Hemofília: malaltia que impedeix o dificulta la coagulació de la sang, de manera que el risc d'hemorràgies és molt elevat (molt importants les internes).
La freqüència és molt baixa en homes (1/5000) i gairebé nul·la en dones a causa del fet que abans d'existir tractaments morien molts hemofílics joves, sense tenir descendència (cas de selecció natural en humans).   

Els caràcters anòmals lligats al cromosoma X són molt més freqüents en homes que en dones, donat que només tenen un cromosoma X.

U-2 Al·lelisme múltiple: grup sanguini AB0

Quan un caràcter pot ser determinat per més de dos al·lels parlem d'al·lelisme múltiple. Tot i així, hem de recordar que un individu només pot tenir, com a màxim, dos al·lels (donat que existeixen dos cromosomes homòlegs de cada joc).

Un d'aquests casos és el sistema AB0 dels grups sanguinis.

Un grup sanguini és una classificació de la sang en funció de les característiques presents a la membrana dels glòbuls vermells i al plasma sanguini. 

Els dos grups sanguinis més importants són el sistema AB0 (basat en els antígens) i el factor Rh, però n'hi ha 10 més.

Sistema AB0

Es tracta d'un cas d'al·lelisme múltiple, donat que ve determinat per 3 al·lels (A, B i 0 -zero-). Els possibles fenotips d'un individu poden ser 4:

- A                                      - B

-AB                                     - 0

 

* AB: receptor universal

* 0: donant universal

Herència del grup sanguini

- Al·lel A: dóna l'antigen A.

- Al·lel B: dóna l'antigen B.

- Al·lel 0: no dóna cap antigen.

Relació entre al·lels: 

- A és dominant respecte de 0.

- B és dominant respecte de 0.

- A i B són codominants.

PROBLEMA

És possible que una parella en què el pare és del grup A i la mare és del grup B tinguin un fill del grup 0?

U-2 Casos especials de la genètica mendeliana

En genètica moltes vegades es donen certs fets que sembla que contradiguin les lleis de Mendel. Dos d'aquests casos són els gens lligats i la recombinació de gens. Aquests dos fenòmens comporten la variació en les proporcions estudiades a la tercera llei de Mendel, com veurem a continuació:

U-2 Les lleis de Mendel

Gregor Johann Mendel (1822-1884) va ser un monjo agustí i naturalista austo-hongarès que va descriure per primera vegada les lleis que regeixen l'herència genètica.Va ser als mateixos jardins del monestir de Brno on va portar a terme els seus experiments.

Va realitzar les seves investigacions sobre la descendència de les diferents varietats de la planta del pèsol (Pisum sativum), estudiant a cada encreuament un sol caràcter fàcil d'observar i que presentés dues alternatives. 

De la mateixa manera, va triar aquesta planta per la facilitat de forçar una reproducció, pel seu cicle biològic relativament curt, per comportar una baixa despesa econòmica i perquè ocupaven poc espai. 

Els caràcters seleccionats per Mendel a la pesolera van ser els següents (clicar a la imatge per ampliar):

Primer pas

El primer que va fer Mendel va ser generar varietats pures per a cadascun dels caràcters que estudiava, aconseguint-ho mitjançant l'autofecundació (autopol·linització) de les pesoleres durant dos anys (dues generacions completes).

Encreuaments

Un cop va disposar de races pures o homozigòtiques per als 7 caràcters estudiats va fer dos encreuaments seguits amb cadascuna de les 34 varietats de pesoleres: 

1er: encreuament de dues varietats pures amb caràcters oposats. Ex:  color de la llavor (verda x groga)

P: generació parental
F1: primera generació filial   

Com funciona l'encreuament dels caràcters?

Un altre exemple, aquest cop amb el quadre de Punnet:

2on: autofecundació dels híbrids de la F1. Ex: color de la llavor (groga F1 x groga F1)

F2: segona generació filial

Resultats

Com es pot observar a les figures anteriors, els resultats obtinguts per Mendel en F1 van ser 100% homogenis, en el cas de l'exemple totes les plantes van donar la llavor de color groc.
Els resultats de la F2 van donar la proporció 3:1 següent:

• 3 plantes amb llavors grogues (75%, o bé 3/4 parts de la F2)
• 1 planta amb llavors verdes (25%, o bé 1/4 part de la F2)

Les conclusions de Mendel, atès aquests resultats obtinguts van ser les següents:

• Existeixen dos factors hereditaris per  cadascun dels caràcters (avui dia els anomenem al·lels)
• Cada organisme és portador de dos factors hereditaris (dos al·lels) que poden ser iguals o diferents i que procedeixen de cadascun dels dos progenitors
• Dels dos factors preval un sobre l'altre (el dominant sobre el recessiu)
• Els individus amb un factor dominant i l'altre recessiu els va anomenar híbrids o heterozigots.

Les lleis de Mendel

Mendel va resumir en tres principis les seves conclusions, que avui coneixem com les lleis de Mendel:

- Llei de la uniformitat de la primera generació filial (primera llei de Mendel).
Tal i com hem vist abans:

 

 Quan s'encreuen dues races pures que difereixen en un determinat caràcter, els individus híbrids de la primer generació filial (F1) són tots iguals.

- Llei de la segregació* dels al·lels (segona llei de Mendel).

* separació

Tal i com hem vist abans:

Els al·lels que determinen un caràcter se separen i es reparteixen entre els gàmetes i es tornen a reunir durant la fecundació.

- Llei de la independència dels gens (tercera llei de Mendel)

Fins aquí hem considerat l'herència d'un sol caràcter (color de les llavors / alçada de la planta / forma de la llegum...). Mendel va explicar, amb la tercera llei, què passa si tenim en compte dos caràcters a la vegada, per exemple el color de la llavor i la seva rugositat.

La proporció que trobem a la segona generació filial F2 és de 9:3:3:1. Per veure-ho clarament cal fer un quadre de Punnet:

Els caràcters són independents els uns dels altres, i els gens que els determinen es combinen lliurement i es transmeten de manera independent.

Important: les proporcions enunciades per la segona i tercera lleis de Mendel es compleixen sempre que considerem un nombre elevat d'aparellaments de gàmetes.

U-2 Conceptes bàsics de genètica

Gen

Fragments de DNA d'un cromosoma. Són els factors hereditaris que transmetran els diferents caràcters de generació en generació.

Al·lel

Són les diferents alternatives que té un gen. Per exemple:

"Pico de viuda": és l'al·lel dominant
"Línia contínua": és l'al·lel recessiu

L'habilitat per enroscar la llengua ve determinat per un al·lel dominant.

Color d'ulls: fosc / clar. Podem considerar que el color blau dels ulls ve determinat per un al·lel recessiu, mentre que tota la resta són foscos (amb matissos) de tipus dominant.

Color del cabell: fosc / clar. El cabell fosc és dominant sobre el clar.


Homozigosi i heterozigosi

Per a un determinat caràcter, un individu homozigot és aquell que té el mateix al·lel als dos gens de cada cromosoma homòleg, mentre que un heterozigot serà aquell que té al·lels diferents a cadascun dels dos gens dels cromosomes homòlegs.

  En el cas d'heterozigosi poden tenir lloc dos tipus de fenòmens:

1. Dominància: un dels dos al·lels es manifesta (dominant) i l'altre no (recessiu).
2. Codominància: tots dos al·lels es manifesten, de manera que l'individu manifestarà un caràcter intermedi.

Genotip

Conjunt d'al·lels de cada gen que té un individu.

Fenotip

Conjunt de caràcters visibles que es manifesten en un individu. Està influenciat per l'ambient.

Fenotip = genotip + ambient