III. MIRANDO DENTRO DEL GENE
LOS organismos vivos est�n caracterizados desde el punto de vista funcional por su capacidad para automantenerse y autorreproducirse. Existen tres tipos de mol�culas gigantes o macromol�culas que normalmente son sintetizadas s�lo en los organismos vivos y que son b�sicas para llevar a cabo estas funciones. Cada una de estas macromol�culas consiste de una larga cadena compuesta de muchas unidades estructurales. Estas peque�as unidades discretas o mon�meros van uni�ndose unas a otras hasta formar un d�mero (dos unidades), un tr�mero (tres unidades), etc., hasta formar un pol�mero. Las tres clases de macromol�culas o pol�meros son: los polisac�ridos, los polip�ptidos y los polinucle�tidos.
Los polisac�ridos tienen mon�meros o az�cares que contienen carbono (C), hidr�geno (H) y ox�geno (O) como la glucosa, fructuosa o galactosa. Los polip�ptidos est�n formados de amino�cidos que contienen C, O, H, N (nitr�geno) y algunas veces azufre (S). Existen 20 diferentes clases de amino�cidos en los organismos. La uni�n entre dos amino�cidos se hace por medio de un enlace pept�dico para producir un dip�ptido. Una prote�na est� compuesta de una o varias cadenas de polip�ptidos.
Por �ltimo, los polinucle�tidos, tambi�n llamados �cidos nucleicos, pueden ser de dos clases: los polirribonucle�tidos o �cidos ribonucleicos (ARN) y los polidesoxirribonucle�tidos o �cidos desoxirribonucleicos (ADN). Los mon�meros que forman los �cidos nucleicos est�n constituidos por una base, un az�car y un fosfato, cuyos componentes qu�micos son C, O, N, H y P (f�sforo). Este tipo de macromol�culas, los �cidos nucleicos, contienen la informaci�n necesaria para la replicaci�n de los seres vivos, por lo que son el material gen�tico presente en todo tipo de organismos. Como ya mencionamos el material gen�tico de algunos virus puede ser ARN o ADN, y que el material gen�tico de los organismos celulares es ADN.
Qu�micamente el ADN consiste de un par de cadenas que semejan
los ejes de una escalera; cada cadena tiene un esqueleto de fosfatos y az�cares
alternantes. Estos az�cares son de una sola clase, desoxirribosa (recordemos
que ser� ribosa para el ARN), compuestos de C, H y O en donde cuatro
de sus cinco �tomos de C est�n formando un anillo con un �tomo de O (Figura.
12).
Figura 12. Desoxirribosa y ribosa.
A cada az�car est� ligada una base org�nica. Esta base est� compuesta
de C, H, O y N, y puede ser de cuatro tipos: adenina (A), -timina (T) uracilo
(U) para el ARN-, citosina (C) o guanina (G). La citosina y la
timina son pirimidinas las cuales contienen dos N y cuatro C formando
un anillo. La adenina y la guanina son purinas con cuatro N y cinco C
arreglados en dos anillos (Figura 13).
Figura 13. Bases nitrogenadas: purinas y pirimidinas.
Cada base org�nica de cada cadena se une a la otra base de la otra cadena mediante
un enlace o puente de hidr�geno: G y C se unen mediante tres enlaces de hidr�geno
y A y T mediante dos (Figura 14).
Figura 14. Figura que muestra las cuatro bases, tiamina, adenina, citosina
y guanina. El apareamiento de bases se da entre A y T y entre G y C, unidas
por puentes de hidr�geno (l�neas punteadas); dos puentes entre tiamina y adenina,
y tres entre citosa y guanina.
Como ya hemos mencionado, el ADN es una doble h�lice y sus caracter�sticas
principales est�n determinadas por los az�cares que se orientan en una direcci�n
en una cadena y en otra direcci�n en la otra cadena (Figura 15). Debido a este
arreglo inverso de los az�cares en cada cadena el ADN gira una
vuelta completa (es decir, 360 grados) cada 10 pares de bases (Figura 16).
Figura 15. Mol�cula de ADN. Pol�mero doble de ADN,
en donde una hebra aparece de cabeza en relaci�n a la otra. Cada pol�mero est�
formado por nucle�tidos unidos covalentemente a trav�s del az�car-fosfato; las
dos hebras est�n unidas entre s� por puentes de hidr�geno entre las bases adyacentes.
Figura 16. Modelo de la doble h�lice de ADN. Las medidas fueron determinadas mediante estudios de difracci�n de rayos X. Cada par de bases tiene 0.34 nm de espesor, y diez pares producen una vuelta completa de la h�lice, con una longitud de 3.4 nm. El ancho total de la doble h�lice, incluyendo el par de bases y el esqueleto de az�car-fosfato es de 2.0 nm.
Otra caracter�stica importante es que al esqueleto de az�car-fosfato puede unirse cualquier base, p�rica o pirim�dica, teni�ndose te�ricamente, cualquier arreglo o secuencia de ellas. Pero, las bases de una cadena deben complementarse con las bases de la otra cadena; ya hemos mencionado que G s�lo se une con C y A s�lo lo hace con T. En otras palabras, A se complementa con T, y G se complementa con C, de tal suerte que si nosotros sabemos la secuencia de bases en una cadena podremos deducir la secuencia de la cadena opuesta. De esta forma, en una cadena doble de ADN el n�mero de As es igual al n�mero de Ts, y el n�mero de Gs es igual al n�mero de Cs. Por ejemplo, si sabemos que una secuencia de una determinada regi�n de una cadena de ADN es ATTGC podremos deducir que la cadena opuesta tendr� la secuencia TAACG para esa misma regi�n. Y es as� como est�n constituidos los genes: trozos de ADN cuya secuencia es determinada y distinta de otros genes.
El descubrimiento de que el ADN es la mol�cula de la herencia es relativamente joven pues pertenece al siglo XX, y sin lugar a dudas ha sido uno de los hallazgos m�s sobresalientes de la biolog�a.
�Cu�l es el material hereditario? Fueron muchos los experimentos dise�ados y las hip�tesis propuestas para contestar esta pregunta: Mencionaremos las aportaciones m�s importantes que marcaron el camino para dilucidar la estructura del ADN.
En 1928, el bacteri�logo Fred Griffith estaba interesado en la virulencia (capacidad de infectar y producir enfermedad) de las bacterias causantes de la neumon�a, llamadas Pneumonococcus. Primero obtuvo dos cepas, una infecciosa y otra no infecciosa o inofensiva. La diferencia principal entre estas dos cepas era que la cepa virulenta o mortal sintetizaba una cubierta lisa de polisac�rido que proteg�a a la bacteria de ser digerida por el hospedero (el organismo al cual infectan), mientras que la cepa inofensiva no pod�a sintetizar la capa protectora (y por eso era atacada por las defensas del hospedero, haci�ndola efectivamente inofensiva); al ponerlas a crecer en una caja de Petri bajo cultivo, Griffith not� que la cepa virulenta formaba placas lisas, mientras que la inofensiva produc�a placas rugosas.
Como primer paso, Griffith inyect� a ratones normales con estas dos cepas para ver qu� suced�a. El resultado fue poco sorprendente. Los ratones que fueron inyectados con la cepa lisa o virulenta murieron, mientras que los que recibieron la cepa rugosa, sobrevivieron. El segundo paso fue aplicar calor a las bacterias de la cepa lisa o virulenta para matarlas (como sabemos, la mayor�a de las bacterias mueren con el calor, de ah� que, por ejemplo, debamos hervir el agua antes de tomarla para garantizar la muerte de estos microorganismos), e inyectarlas posteriormente a los ratones. Los ratones no murieron. Recordemos que la diferencia entre las dos cepas es la presencia de una capa de polisac�rido protectora. Fue as� como Griffith demostr� que el polisac�rido por s� solo no infectaba a las c�lulas de los ratones cuando la bacteria estaba muerta.
Hasta aqu� todo hab�a salido como Griffith lo esperaba. Pero el siguiente paso fue lo m�s importante. Se le ocurri� mezclar bacterias muertas de la cepa virulenta lisas (a las cuales les hab�a aplicado calor) con bacterias vivas de la cepa inofensiva, y las inyect� en los ratones. �Qu� creen que pas�? Pues simplemente que los ratones murieron de neumon�a. �C�mo explicar esto, si las bacterias virulentas estaban muertas? Al hacer las autopsias de los ratones Griffith encontr� bacterias lisas vivas. �De d�nde salieron?
Lo primero que pens� Griffith fue que hab�a cometido alg�n error, en alg�n
punto y que no hab�a matado a las bacterias lisas, o que hab�a habido contaminaci�n
y por lo tanto accidentalmente hab�a inyectado bacterias virulentas vivas en
los ratones, produciendo su muerte. Griffith procedi� a repetir varias veces
su experimento. El resultado fue el mismo: los ratones murieron al serles inyectada
una mezcla de bacterias lisas muertas con bacterias rugosas vivas (Figura 17).
Figura 17. Los experimentos de Griffith contribuyeron a sustentar la idea
de que el ADN era el material gen�tico. En su experimento, Griffith
trabaj� con dos cepas de pneumonococcus (agente causante de la neumon�a
bacteriana). La cepa lisa era virulenta mientras que la cepa rugosa era inocua.
Griffith intuy� que alguna sustancia o factor de los neumonococos lisos muertos
por el calor pod�a transferirse a la cepa rugosa, transformándola en
virulenta.
Entonces Griffith pens� que la soluci�n a este rompecabezas era que en alg�n momento, y de alguna forma, las bacterias no infecciosas, rugosas, se hab�an transformado en bacterias virulentas. �Pero c�mo? Pues incorporando el material gen�tico de las bacterias muertas lisas, y adquiriendo la capacidad (perdida anteriormente) de producir la cubierta protectora, lo cual las hab�a convertido en virulentas.
Con esta interrogante otros investigadores dise�aron nuevos experimentos y se llevaron a cabo una y otra vez ensayos que permitieran establecer cu�l era esta misteriosa sustancia transformadora . No fue sino hasta 1944 que C.T. Avery, C.M. Mc Leod y MJ. McCarty publicaron sus resultados sobre la transformaci�n bacteriana y demostraron que la sustancia transformadora era ADN. Estos estudios concluyeron que la sustancia transformadora no era m�s que el ADN de las bacterias lisas, que se hab�a incorporado por el mecanismo de transformaci�n bacteriana al ADN de las bacterias rugosas, haci�ndolas virulentas. Es decir, por medio de la transformaci�n bacteriana se pueden insertar fragmentos de ADN extra�o en el cromosoma de otra bacteria, reemplazando al gene inactivo de esta �ltima y recuperando su capacidad virulenta una vez m�s.
A pesar de que esto demostraba que el ADN era el material gen�tico, pocos bi�logos y genetistas estaban convencidos de haber encontrado, finalmente, la mol�cula de la herencia.
Vino entonces la prueba definitiva. Alfred Hershey y Margaret Chase en 1952 llevaron a cabo el experimento que no dejar�a lugar a dudas de que el ADN era la mol�cula de la herencia, el material gen�tico. Utilizaron un organismo novedoso, un virus capaz de destruir a las bacterias como Escherichia coli. Este bacteri�fago o virus tiene un solo cromosoma de ADN dentro de una c�pside de prote�nas. Es muy bonito pues tiene forma de nave espacial y al momento de infectar lo hace como si se estuviera inyectando a la bacteria con un �mbolo, qued�ndose la c�pside en el exterior de la bacteria, mientras que el ADN es impulsado hacia adentro. El proceso de infecci�n contin�a con la incorporaci�n del ADN viral en el cromosoma de la bacteria, apoder�ndose de su maquinaria gen�tica para ordenar la fabricaci�n de virus, los cuales llegan a romper la c�lula y son liberados hacia el exterior de ella, listos para infectar a otras bacterias.
Para demostrar que el ADN penetra en la bacteria, Hershey y Chase idearon hacer crecer al virus en un medio con f�sforo y azufre radiactivos, es decir; marc�ndolo radiactivamente con estos dos compuestos. Como ya sabemos, las prote�nas contienen azufre y no f�sforo, por lo tanto, solamente la c�pside del virus ten�a azufre radiactivo. Y por el contrario, como el ADN contiene f�sforo pero 110 azufre, el ADN viral estaba marcado con f�sforo radiactivo, lo cual hac�a muy distinguible su presencia dentro o fuera de la bacteria al momento de la infecci�n.
Al infectar a las bacterias con el virus marcado se esperar�a encontrar cu�l
de los dos elementos, la prote�na exterior o el ADN cromosomal,
penetraba en la bacteria y transformaba su aparato gen�tico para producir m�s
virus. A este experimento se le denomina el experimento de la licuadora,
pues Hershey y Chase, una vez que hubieron infectado las bacterias, y sin dar
mayor tiempo para la reproducci�n interna de nuevos virus, metieron la mezcla
de virus y bacterias en una licuadora de cocina, para que, al agitarla, se desprendieran
las dos porciones del virus. Despu�s de esto pudieron separar por centrifugaci�n
los elementos y analizarlos. El resultado fue que la mayor parte del f�sforo
radiactivo, es decir, el ADN, se encontr� dentro de las bacterias
infectadas, y por el contrario, se encontr� muy poco azufre radiactivo, es decir,
prote�na marcada, dentro de las bacterias. Para Hershey y Chase, y para la comunidad
biol�gica, �sta era la prueba definitiva de que es el ADN es el
material gen�tico (Figura 18).
Pero, � cu�l es su estructura?
Ya para 1950 se sab�a que los �cidos ribonucleicos estaban formados por mon�meros
de fosfatos, az�cares y bases nitrogenadas. Pero lo curioso es que Erwin Chargaff
demostr� que, seg�n el organismo, el ADN ten�a diferentes proporciones
de las bases nitrogenadas. Al analizar las proporciones de estas bases en otros
organismos se dio cuenta de que siempre aparec�an las mismas proporciones de
adenina y timinas y, por otro lado, de guaninas y citosinas. Pronto dedujo que
exist�a una regla general: las cantidades de A y T (adenina y timina) son iguales,
mientras que las de G y C (guanina y citosina) guardan tambi�n la misma proporci�n.
En el caso del humano y otros mam�feros las cantidades son aproximadamente:
21%C, 21%G, 29% A y 29%T. Independientemente del origen del ADN,
la regla de Chargaff se conserva: la mitad exacta de las bases nucleot�dicas
son purinas (adenina y guanina), y la otra mitad son pirimidinas (timina y citosina).
Ser�an posteriormente Watson y Crick quienes interpretaran esta curiosidad
de Chargaff en t�rminos del apareamiento de las bases en la mol�cula.
Figura 18. �Cu�l es el material gen�tico? Esta pregunta la cotestaron Harshey y Chase marcando fagos radiactivamente. La c�spide con azufre radiactivo y el ADN con f�sforo radiactivo. Posteriormente infectaron una colonia de bacterias, pero sin dar tiempo para la duplicaci�n del ADN. Separaron la c�pside vac�a del fago y encontraron que �nicamente el f�sforo radiactivo (32P) hab�a penetrado en la c�lula.
Con la ayuda de la cristalograf�a de rayos X se pudo dilucidar la estructura del ADN en 1953. Esta t�cnica consiste en dirigir los rayos X a un cristal y observar c�mo �stos son desviados (difractados) por la estructura molecular repetitiva dentro del cristal. Este patr�n de difracci�n es posible verlo en una placa fotogr�fica, en donde encontraremos l�neas y puntos distribuidos en forma radial, que permiten entender el acomodo de las mol�culas de un cristal inorg�nico. Gracias a que algunos compuestos org�nicos como el ADN, el ARN las prote�nas pueden cristalizarse, fue exitosa la idea de estudiar el ADN con esta t�cnica, dise�ada originalmente para cristales inorg�nicos. Fue as� como Maurice Wilkins y Rosalind Franklin obtuvieron fotograf�as del ADN y ciertas medidas intramoleculares (es decir las medidas que separaban a los constituyentes del ADN) cuyo significado desconoc�an, pero que aparec�an con regularidad: 2.0 nan�metros (nm), 0.34 nm y 3.4 nm.
Fue as� como James D. Watson y Francis Crick intervinieron en este problema sobre la dilucidaci�n de la estructura de la doble h�lice, el ADN. Partiendo de la regla de Chargaff sab�an que el n�mero de timinas era igual al de adeninas, y que el n�mero de guaninas era igual al de citosinas. Pero, �c�mo estaban dispuestas?
Sab�an que ten�a que haber una explicaci�n para los n�meros proporcionados
por Wilkins y Franklin. Hicieron varios modelos para probar diferentes disposiciones
de los elementos que constituyen el ADN, hasta. que uno de �stos
result� apegarse con mayor exactitud a los datos de Chargaff y de Wilkins-Franklin.
El ADN parec�a ser una doble cadena, enrollada sobre s� misma,
con un esqueleto de fosfato- az�car (los pilares), con las bases nitrogenadas
(uniendo los pilares) orientadas hacia el interior. En este modelo los n�meros
que hemos mencionado indicaban que el ancho total de la doble h�lice era de
2.0 nm (nan�metros), el grosor de las bases nucleot�dicas era de 0.34 nm., y
dado que la doble cadena gira sobre s� misma enrroll�ndose, la escalera de caracol
dar�a una vuelta completa cada 3.4 nm, esto es, cada 10 pares de bases. He aqu�
el modelo de la doble h�lice de Watson y Crick (Figura 19).
Por este gran descubrimiento recibieron tiempo despu�s el Premio Nobel en fisiolog�a y medicina en 1962. El descubrimiento de la estructura del ADN marc� una nueva etapa de la biolog�a molecular.
Como ya hemos mencionado, el material gen�tico tiene la capacidad de sintetizar otros compuestos (prote�nas) y de duplicarse (hacer copias exactas de s� mismo).
El ADN tiene que duplicarse cuando la c�lula entra en divisi�n, para que cada c�lula hija tenga el mismo contenido de ADN, es decir, el mismo n�mero de cromosomas.
El mismo modelo de Watson y Crick dio la respuesta a la duplicaci�n. El ADN es como una escalera enrollada. Lo primero que tiene que ocurrir es que una enzima especial desenrolle la cadena hasta dejarla como si estuvi�ramos viendo una escalera sobre una pared. El segundo paso es separar a Watson y Crick, es decir, separar ambos lados de la escalera. Para esto existe una enzima especial, llamada ADN polimerasa, que se encarga de apartar a las dos cadenas; rompiendo los puentes de hidr�geno que antes las un�an. Otra enzima se encarga de ir apareando las bases con sus contrapartes en cada cadena; en cuanto se van llenando los huecos la separaci�n de las cadenas Watson y Crick contin�a. Al final de este proceso tenemos dos dobles h�lices donde antes s�lo hab�a una. A este tipo de duplicaci�n se le conoce como semiconservadora pues ambas h�lices nuevas tienen una de las cadenas originales (Figura 3).
� C�mo se procesa la informaci�n contenida en el ADN? El c�digo gen�tico
Como ya hemos mencionado la mol�cula de la herencia, el ADN, tiene
forma de una escalera de caracol, y cada uno de sus pelda�os es un nucle�tido.
Cada nucle�tido est� caracterizado por su base: adenina, guanina, timina y citosina.
La informaci�n gen�tica es precisamente la secuencia de estas bases dentro de
un segmento determinado. Se dice entonces que la informaci�n est� codificada
por su secuencia de bases. Cada tres bases forman un cod�n, que corresponde
a su vez a uno de los 20 amino�cidos existentes (Figura 20).
Figura 20. El c�digo gen�tico. En esta tabla podemos observar que existen
64 codones posibles. La columna de la izquierda marca la primera letra de los
codones. En la parte superior est� la segunda letra y a la derecha la tercera
letra. Cada cod�n indica el amino�cido que produce. El c�digo gen�tico es redundante,
ya que existe m�s de un cod�n para cada amino�cido. UAA, UAG
y UGA representan se�ales de paro o t�rmino. AUG tiene
dos funciones: cooficia para metionina y tambi�n significa inicio. Todos los
ARM comienzan con el cod�n AUG, lo cual indica que
�ste es el cod�n iniciador.
De esta manera, la informaci�n contenida en el ADN tiene que ser transcrita (o vuelta a escribir) a otra mol�cula intermedia, su similar, el ARN. Una cadena sencilla es transcrita a una mol�cula complementaria de ARN de acuerdo con las reglas establecidas por el modelo de Watson y Crick: una A se aparea con una U (recordemos que en el caso del ARN la timina es sustituida por el uracilo), y una G por una C. El resultado es la formaci�n de una mol�cula conocida como ARN mensajero que a su vez ser� traducida (o decodificada) en una prote�na. Cada cod�n (tres bases consecutivas) de ARN dirige la incorporaci�n de un amino�cido particular para formar una prote�na. De este modo tenemos que la formaci�n de prote�nas a partir de ADN es un proceso de dos pasos. Primero, a partir de una cadena de ADN se forma un ARN mensajero, es decir, el ADN es transcrito en ARN; segundo, este ARN mensajero es traducido para formar las prote�nas.
Dicho en otras palabras, los genes codifican para prote�nas; la expresi�n de
un gene se hace a trav�s de una copia de s� mismo en el ARN, que
a su vez dirige la s�ntesis de las prote�nas espec�ficas. La v�a molecular de
esta s�ntesis fue designada por F. Crick como el dogma central de la biolog�a
molecular expresando los flujos de informaci�n de la siguiente manera:
| Transcripci�n. | Traducci�n. |
Replicaci�n D
ADN" ARN"Prote�nas
|
En algunos casos este diagrama puede invertirse, pero s�lo en el paso que va de ADN a ARN, nunca de prote�nas a ARN. Podemos obtener copias de ADN a partir de ARN si est� presente una enzima llamada transcriptasa reversa, que como su nombre lo indica toma como molde una mol�cula de ARN y produce o sintetiza una mol�cula de ADN. Este descubrimiento ha sido muy exitoso pues ha demostrado la posibilidad de producir ADN nuclear a partir de las mol�culas de ARN aisladas del citoplasma.
Si el ADN contiene cuatro tipos de bases que arreglados en codones
(series de tres) nos dan un total de 64 combinaciones, tenemos que traducir
estas 64 posibilidades en los 20 amino�cidos que se presentan en las prote�nas.
De estos 64 codones se sabe que 61 codifican para amino�cidos, mientras que
los tres restantes indican el t�rmino de la s�ntesis. Tambi�n podemos notar
en la figura 20 que varios tripletes pueden codificar para el mismo amino�cido,
de donde se dice que el c�digo gen�tico es redundante. A pesar de que
las investigaciones acerca del c�digo gen�tico fueron llevadas a cabo en la
regi�n rII del bacteri�fago T4, se han obtenido los resultados
que indican que este c�digo es universal, es decir, se presenta en todos los
seres vivientes.
Ahora, es f�cil suponer que si una prote�na promedio est� formada por 300 amino�cidos
(las hay m�s grandes, desde luego), y cada triplete o cod�n codifica para uno,
se requieren 900 pares de bases para formar la prote�na. Se sabe que en algunos
organismos procariontes como Escherichia coli su cromosoma sencillo contiene
aproximadamente tres millones de pares de bases, suficientes para codificar
m�s o menos 3 000 prote�nas. En las c�lulas eucariontes la cantidad de ADN
aumenta proporcionalmente con la complejidad. Por ejemplo, en c�lulas de mam�feros
existen aproximadamente de tres a cuatro billones de pares de bases formando
los cromosomas, cantidad suficiente para codificar m�s o menos tres millones
de prote�nas, aunque se sabe que las prote�nas presentes en este tipo de c�lulas
no son m�s de 100 000 y en algunos casos pueden ser hasta 30 000. Lo que sucede
es que existen secuencias que son meramente estructurales, y otras que est�n
repetidas hasta cientos de veces por genoma. Esto explicar�a la cantidad tan
alta de ADN en relaci�n con la cantidad de prote�nas que pueden
procesarse. Otra explicaci�n es que en el caso de los procariontes, la transcripci�n
y la traducci�n se llevan a cabo en el mismo lugar, mientras que en los eucariontes
estos dos procesos est�n separados tanto en tiempo como en lugar. El ADN
es transcrito dentro del n�cleo en la mol�cula de ARN mensajero
precursor. Este precursor es procesado en el n�cleo y reducido su tama�o para
formar un ARN mensajero maduro que sale a trav�s de la membrana
celular hacia el citoplasma de la c�lula en donde es traducido a prote�nas.
Esto quiere decir que no todo el ADN que se transcribe es traducido
a prote�nas. A este problema volveremos m�s adelante, por ahora volvamos a la
pregunta de c�mo tal cantidad de ADN puede estar contenida dentro
del n�cleo de las c�lulas eucariontes.
Pero, �c�mo se forman los cromosomas?
Como ya hemos visto, en las c�lulas eucariontes no todo el ADN se encuentra en el n�cleo, tambi�n encontramos ADN en las mitocondrias (organelos donde se lleva a cabo la respiraci�n) y en los cloroplastos, en el caso de las c�lulas vegetales (en ellos se lleva a cabo la fotos�ntesis). Sin embargo, podemos decir que casi todo el ADN se encuentra en el n�cleo, que de manera ordinaria est� dividido en dos o m�s cromosomas. El n�mero de �stos es caracter�stico de cada especie: el hombre tiene 23 pares de cromosomas, el ma�z 10, la mosca de la fruta 4, etc. La cantidad de ADN presente en cada n�cleo celular es tan grande que, como veremos m�s adelante, necesita enrollarse y doblarse para formar los cromosomas.
En las c�lulas eucariontes el ADN es el principal componente del
n�cleo, pero no se encuentra suelto sino formando parte de la cromatina.
En 1879 Flemming us� este t�rmino de cromatina (del griego chroma, color)
para designar a la sustancia que toma tonalidades intensas con colorantes b�sicos
en el n�cleo de las c�lulas debido a la presencia de una sustancia llamada por
�l nucle�na, compuesto fosforado que se hab�a aislado en 1871 de c�lulas de
pus.
Ya desde 1876 Balbiani hab�a observado que antes de la divisi�n celular en el n�cleo se formaban peque�as estructuras cil�ndricas, y m�s tarde en 1888 Waldeyer denomin� a estas estructuras cromosomas, haciendo �nfasis en la continuidad entre la cromatina descrita por Flemming y las estructuras cil�ndricas explicadas por Balbiani.
Gracias al desarrollo de ciertas t�cnicas citol�gicas se pudo aislar la cromatina del n�cleo que es una masa gelatinosa compuesta por ADN, ARN, prote�nas b�sicas —histonas— y prote�nas no hist�nicas o �cidas. La cantidad de ARN y de prote�nas no hist�nicas es variable de c�lula a c�lula, pero la cantidad de histonas nos revela una relaci�n de uno a uno con el ADN. Estas prote�nas son de cinco clases y su papel es proporcionar una estructura estable al ADN. Estas histonas se unen con fuerza al ADN para formar una estructura llamada nucleosoma.
Cuatro de las cinco histonas forman oct�meros, alrededor de los cuales se enrolla
el filamento de ADN que da dos vueltas de 140 pares de bases. La
quinta histona se une al puente de ADN que une los nucleosomas,
los cuales a su vez se pliegan para formar una fibra gruesa en la cual hay seis
nucleosomas por cada vuelta de la doble h�lice (Figura 21).
Figura 21. Relaci�n de la fibra de ADN con la histona del nucleosoma. Las histonas est�n representadas por las pelotas y el ADN por el tubo. El ADN se enrolla por fuera de las prote�nas (histonas) dando configuraci�n en collar.
Esto quiere decir que en el n�cleo el ADN est� formando la cromatina
en asociaci�n con ARN y prote�nas; cuando se va a iniciar la divisi�n
celular los nucleosomas se superempaquetan, formando los cromosomas. (Figura
22). Es por esta raz�n que una fibra tan larga como el ADN ocupa
un espacio muy peque�o dentro del n�cleo de las c�lulas, haciendo m�s f�cil
la divisi�n celular. Esta organizaci�n del ADN en los cromosomas
explica por qu� todos los datos requeridos para la formaci�n de una planta,
un animal o una persona se puede guardar dentro del n�cleo de las c�lulas eucariontes.
Figura 22. Enrollamiento de la fibra 10 nm para constituir la de 20-30 nm.
La historia de las ciencias demuestra que el desarrollo de una ciencia no s�lo depende de la genialidad de los investigadores o cient�ficos, sino de la existencia de un horizonte te�rico com�n que permita el entendimiento y asimilaci�n de las ideas; y tambi�n ense�a que, algunas veces, muchos de los descubrimientos cient�ficos quedan fuera del entendimiento com�n. En la historia de la gen�tica tal es el caso de Mendel, cuyas leyes quedaron en el olvido o desconocimiento durante cerca de 40 a�os, en espera de un ambiente cient�fico que permitiese su asimilaci�n a principios del siglo XX. A partir de su reconocimiento universal, el mendelismo constituy� la piedra angular de la gen�tica moderna. Otro caso similar es el de B�rbara McClintock, quien en 1948 descubri� un fen�meno gen�tico hasta entonces inimaginado: la transposici�n o movilidad de los genes dentro de los cromosomas. A pesar de que sus estudios pasaron inadvertidos para la comunidad cient�fica del momento durante casi 30 a�os (en la segunda mitad del presente siglo, florecimiento de la biolog�a molecular), la historia le hizo justicia cuando se le otorg� el Premio Nobel en fisiolog�a y medicina en el a�o de 1983 por sus experimentos de los genes saltarines con la planta del ma�z.
� C�mo fueron descubierto los genes saltarines ?
B�rbara McClintock empez� su trabajo de gen�tica con la planta del ma�z. Encontr� que las semillas de las mazorcas mostraban coloraciones diversas, a veces otras mostraban peque�os parches verdes, blancos o amarillos p�lidos. De esta observaci�n, McClintock dedujo que cada parche indicaba la presencia de una familia de c�lulas que en alg�n momento del desarrollo hab�a sufrido alg�n cambio o mutaci�n. Dependiendo del momento del cambio (mutaci�n), el parche podr�a adoptar diferentes coloraciones y tama�os. Si era temprano los fragmentos ser�an grandes, mientras que si era tard�o el parche ser�a peque�o. De igual forma, la cantidad de parches presentes en una semilla indicar�a que el cambio o mutaci�n hab�a ocurrido m�ltiples veces. As� fue como B. McClintock decidi� seguir la historia celular y averiguar qu� era lo que hab�a ocurrido.
Haciendo an�lisis citol�gicos al microscopio, McClintock analiz� el comportamiento de los cromosomas durante la divisi�n celular. En particular, el par n�mero 9 (la planta del ma�z tiene pares de cromosomas) mostraba ciertos rompimientos que ocurr�an con gran regularidad y en lugares espec�ficos. Durante sus observaciones not� tambi�n que una vez ocurrido un rompimiento, �ste permanec�a en las generaciones celulares siguientes. McClintock lleg� a la conclusi�n de que no era m�s que un tipo de rompimiento controlado en el cromosoma, y que cada tipo de rompimiento correspond�a a una clase de parche en la semilla, el cual determinaba tambi�n su coloraci�n.
Estudiando as� la herencia del color y la distribuci�n de estos parches de la planta del ma�z que hab�a presentado rompimientos cromos�micos repetidos, B. McClintock encontr� que la actividad de genes particulares se hab�a modificado gracias a estos rompimientos. Como estos genes estaban asociados a la coloraci�n de los granos de las mazorcas, algunas de �stas aparec�an moteadas y otras sin coloraci�n. Esta actividad, concluy� B. McClintock, se deb�a a la acci�n de unidades g�nicas, a las que llam� elementos controladores, que aparentemente pod�an moverse de lugar dentro del cromosoma originando que se modificara la actividad de otros genes, junto a los cuales estos elementos se insertaban. Sus an�lisis microsc�picos demostraron la existencia de estos elementos controladores y confirmaron que �stos serv�an como sitios espec�ficos de rompimiento y salida de segmentos de ADN, causando cambios peque�os y grandes.
En 1948 B. McClintock public� sus resultados y su hip�tesis: existen elementos gen�ticos capaces de produrcir los rompimientos en los cromosomas y alterar los patrones de desarrollo de las c�lulas. Estos elementos gen�ticos no son m�s que segmentos de ADN (genes) capaces de moverse o saltar dentro de los cromosomas, produciendo un cambio o mutaci�n en el lugar donde se inserten. A este fenomeno McClintock lo denomin� transposici�n.
La transposici�n es la movilidad que poseen ciertos genes dentro del genoma celular de un organismo. En la actualidad se conocen y se han clasificado varios segmentos de ADN con estas caracter�sticas, que son: secuencias de inserci�n, transposones, y ADN extracromosomal, como los virus y los pl�smidos.
Las secuencias de inserci�n (SI) son los elementos m�viles m�s peque�os, pues consisten de unas cuantas bases de nucle�tidos. Los transposones son elementos m�s grandes que incluyen SI en sus extremos con genes intermedios; estos extremos repetidos permiten a toda esta unidad salirse de un sitio e insertarse en otro. Los pl�smidos son segmentos de ADN extracromosomal que tienen la capacidad de insertarse en el cromosoma bacteriano, o pasar de bacteria en bacteria. Los virus pueden funcionar como elementos m�viles, ya que cuando infectan una bacteria o una c�lula eucarionte se insertan y separan de la misma forma que los transposones.
Aunque la estructura de estos elementos sea diferente, sobre todo por su tama�o, todos comparten caracter�sticas importantes: pueden insertarse en los cromosomas gracias a la presencia de terminales definidas por secuencias espec�ficas que hacen que reconozcan los lugares donde han de insertarse y tambi�n son capaces de duplicarse independientemente de la replicaci�n de todo el genoma durante la duplicaci�n celular.
Estos elementos causan mutaciones o alteraciones, as� como reacomodos de los genes que ya existen, provocando que la expresi�n de �stos sea diferente. Tambi�n pueden apagar o encender los genes junto a los cuales se inserten, as� como viajar de bacteria en bacteria confiri�ndole, por ejemplo, resistencia a ciertos antibi�ticos.
Posteriores estudios han comprobado la existencia de estos elementos en otros organismos. Adem�s del ma�z, se les ha encontrado en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, en hongos, en bacterias, y en el hombre y se cree que �sta sea una caracter�stica universal de todos los organismos vivientes.
Una de las m�s importantes consecuencias de este fen�meno de la transposici�n est� relacionada con la medicina: �c�mo es que las bacterias han adquirido la resistencia a ciertos antibi�ticos? Debido a la gran administraci�n de antibi�ticos en la medicina humana y en veterinaria, la transposici�n ha adquirido dimensiones mayores. Antes de este descubrimiento se sab�a que la resistencia a diversos antibi�ticos pod�a ser transmitida de bacteria a bacteria a trav�s de los pl�smidos —segmentos de ADN que no forman parte del cromosoma bacteriano—, pero no se entend�a con claridad c�mo es que estos genes se acumulaban en ellos. La explicaci�n actual radica en que los elementos que otorgan la resistencia a los antibi�ticos en los pl�smidos no son m�s que colecciones de transposones que contienen genes que codifican para la resistencia, a uno o a varios antibi�ticos.
P. Sharp descubri� que la estructura de ciertos pl�smidos bacterianos es modular. Esto es, que ciertas partes del pl�smido son muy parecidas entre s�, mientras que otras no muestran parecido alguno. Esto se explica debido a la abundante replicaci�n de secuencias dentro del pl�smido. Se han encontrado en la naturaleza transposones id�nticos en ciertas especies bacterianas. Es as� como distintas especies de bacterias han adquirido en el curso de la evoluci�n la capacidad para resistir a los antibi�ticos. Gracias al descubrimiento de la transposici�n muchos de estos rompecabezas se han resuelto, y esperemos que crezca su repercusi�n en la medicina.
LA ESTRUCTURA MOLECULAR DEL GENE
C�mo var�a el material gen�tico: la mutaci�n
Los organismos actuales difieren no s�lo en la suma total de su material gen�tico, n�mero de cromosomas, etc., sino tambi�n en su constituci�n estructural, fisiol�gica o de comportamiento. Denominamos genotipo a la constituci�n gen�tica de un organismo, y fenotipo a la suma de las caracter�stica de una c�lula o de un organismo que resulta de la interacci�n del genotipo con el medio ambiente.
Si suponemos que todos los organismos vivos se derivan de un organismo ancestral con un genotipo determinado, entonces ser�a l�gico pensar que el genotipo de este organismo sufri� cambios sucesivos en el curso de la evoluci�n hasta producir la multitud de genotipos diferentes que ahora conocemos. A estos cambios en el genotipo se les llama mutaciones, y al producto se le denomina mutante.
Todos aquellos cambios gen�ticos que no se deban a la recombinaci�n, son mutaciones por definici�n. Este t�rmino incluye una multiplicidad de fen�menos como cambios f�sicos en los genes, cambios cromos�micos estructurales y cambios en el n�mero de �stos.
Podemos dividir a las mutaciones en grandes (macromutaciones) y peque�as (micromutaciones). Empezaremos por analizar las peque�as.
Estas mutaciones son causadas por sustituci�n, adici�n o eliminaci�n de nucle�tidos
dentro de una secci�n o gene de ADN o ARN. Este cambio
puede producir alg�n cambio fenot�pico visible. Es decir, algunas de estas mutaciones
puntuales pueden ser silenciosas, no observables por m�todos convencionales,
pero detectables con an�lisis moleculares.
El modelo de Watson y Crick sugiri� que si un par de nucle�tidos era sustituido o sustra�do causar�a una mutaci�n puntual. M�s tarde, Freese en 1959 mape� las mutaciones producidas en el fago T4 por una base an�loga a las cuatro que ya conocemos, la 5-bromouracil y observ� que los agentes usados requer�an que el ADN se replicase para producir una mutaci�n. Es decir, es durante el proceso de replicaci�n de la mol�cula del ADN que se presentan las mutaciones puntuales. A partir de estas observaciones, Freese propuso dos diferentes clases de mutaciones puntuales: las transiciones y las transversiones.
Las transiciones son el reemplazo de una purina por otra purina o de una pirimidina
por otra pirimidina, causando una mutaci�n en la cual la prote�na tiene un amino�cido
sustituido por otro. Si esta mutaci�n se lleva a cabo durante la replicaci�n
del ADN, la mutaci�n se fijar� en la siguiente replicaci�n (Figura
23(a)).
Figura 23(a). Transiciones y transversiones.
Las transversiones son el remplazo de una purina por una pirimidina, y viceversa,
causadas por ciertos compuestos como las acridinas. Estas mutaciones producen
prote�nas que no son similares a la original (Figura 23(b)).
Figura 23(b). Transiciones y transversiones.
Mutaciones estructurales en los cromosomas
Las mutaciones estructurales en los cromosomas pueden ser de varios tipos:
1) Por p�rdida o ganancia de alguno de los genes en un cromosoma. Si un cromosoma normal contiene los genes ABCDEFG, el cromosoma deficiente contendr� s�lo los genes ABCDFG; si el cromosoma normal contiene los genes ABCDEFG, el cromosoma duplicado contendr� los genes AABBCDEFG.
2) Por cambios debidos a una alteraci�n en el agrupamiento de los genes. Estos cambios son causados: i) por desplazamiento o translocaciones que indican que una parte de un cromosoma se adhiera a otro cromosoma diferente, o que haya intercambio de secciones entre dos cromosomas; ii) por inversiones que indican que en el mismo cromosoma alguna secci�n gire sobre su eje 180°, originando una inversi�n de la secuencia de genes; por ejemplo, si en un cromosoma los genes est�n en el siguiente orden: ABCDEFG, una inversi�n dar�a como resultado el siguiente orden: AFEDCBG. iii) por transposici�n lo cual indica que un bloque de genes se desplaza a una nueva posici�n dentro de un cromosoma, por ejemplo ABCDEFG muta por transposici�n a ADEFBCG.
Cambios num�ricos en los cromosomas.
Se puede alterar el n�mero de cromosomas por:
1) aneuploidia, que es la falta de uno o más cromosomas en el juego normal (por ejemplo el s�ndrome de Turner; que indica la falta de un cromosoma del par sexual en las mujeres), o un exceso de ellos (como el s�ndrome de Down, que indica la presencia de tres cromosomas en el par 21 del hombre); y
2) poliploidia, que produce organismos con dos o m�s juegos de cromosomas. Este fen�meno es frecuente en plantas y se sabe que gracias a este evento se han generado especies nuevas.
Qu� efectos producen estas mutaciones
Si los genes codifican para alguna prote�na, su cambio o mutaci�n afectar�
la producci�n de esta �ltima. Esto fue demostrado por Beadle y Tatum en 1948
cuando propusieron una cadena de producci�n de la prote�na en la cual si un
paso era afectado, el resultado era la falta de formaci�n de la prote�na final.
Este es el caso de las enfermedades metab�licas, las cuales indican un error
gen�tico heredable. En el hombre se conocen varias de estas enfermedades que
son producidas por mutaciones espec�ficas en el ADN, que alteran
la producci�n normal de las prote�nas. Por ejemplo, la fenilcetonuria
es una enfermedad que causa retraso mental en el hombre. En 1930 se descubri�
que en la orina de los pacientes que sufr�an esta enfermedad estaba presente
una sustancia llamada �cido fenilpir�vico. En este caso, la fenilalanina, componente
normal en la dieta, no puede ser degradado a tirosina debido a la ausencia de
la enzima que lleva a cabo este paso metab�lico, entonces la fenilalanina es
transformada por una v�a alterna en dosis peligrosas de �cidos fenilpir�vico,
produciendo el retraso mental de los pacientes. Ahora podemos decir que esta
enfermedad es producto de una mutaci�n que inhibe la producci�n de la enzima
presente en el metabolismo normal. Existen otras enfermedades metab�licas cuyos
rasgos caracter�sticos son la ausencia de enzimas por la mutaci�n de un gene
particular (Figura 24).
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| Enfermedad |
Enzima o proteína afectada |
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| Acatalasemia | Catalasa |
| Afibrinogenemia | Fibrinógeno |
| Agammaglobulinemia | Gamaglobulina |
| Albinismo | Tirosinasa |
| Alcaptonuria | Oxidasa del ácido homogentísico |
| Analbuminemia | Albúmina sérica |
| Galactosemia | Trasferasa de la uridil-galactosa 1-fosfato |
| Enfermedades con acumulación de glucógeno: | |
| Tipo I (Von Gierke's | Glucosa 6- fosfatasa |
| Tipo III | Amilo-1, 6-glucosidasa |
| Tipo IV | Amilo-(1,4 - 1,6) transglucosidasa |
| Tipo V (Mc Ardle's) | Fosforilasa del músculo |
| Tipo VI (Hers') | Fosforilasa del hígado |
| Bocio familiar | Deshalogenasa de la yodotirosina |
| Hemoglobinopatías | Hemoglobinas |
| Hemofilia A | Factor antihemofílico A |
| Hemofilia B | Factor antihemofílico B |
| Histidinemia | Histidinasa |
| Hiperbilirrubinemia (enfermedad de Gilbert) | Transferasa de uridino-disfosfato glucoronato |
| Hipofosfatemia | Fosfatasa alcalina |
| Sindrome de Lesh-Nyhan | Trasferasa de fosforribosil-hipoxantina-guanina |
| Metahemoglobinemia | Metahemoglobina-reductasa |
| Fenilcetonuria | Fenilalanina-hidroxilasa |
| Enfermedad de Wilson | Ceruloplasmina |
| Xantinuria | Xantinooxidasa |
| Xerodermia pigmentaria | Enzimas que reparan el ADN |
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Figura 24. Enfermedades hereditarias en el hombre en las que falta o se
ha modificado una prote�na.
Como ya hemos mencionado, la biolog�a molecular es una rama derivada de la gen�tica mendeliana cuyo objetivo es el an�lisis estructural, bioqu�mico y morfol�gico del material gen�tico. La introducci�n de microorganismos como las bacterias y los virus tuvo consecuencias importantes en el desarrollo de esta rama ya que permiti� trabajar muchas generaciones en poco tiempo, con poco material gen�tico (procariontes) y con una capacidad de manipulaci�n que era impensable tanto para la �poca en que se hicieron experimentos con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster como para los a�os en los que Mendel trabaj� con plantas.
Una de las caracter�sticas de la gen�tica bacteriana es que los mutantes que se producen pueden estudiarse desde el punto de vista bioqu�mico. Esto es, pueden analizarse los productos que resultan de la alteraci�n del gene bacteriano. A los mutantes que han perdido su capacidad para crecer en cierto tipo de medios se les llama aux�trofos. Estos mutantes son muy �tiles, ya que podemos inferir la composici�n gen�tica de una bacteria a partir de su crecimiento en cierto medio dentro de una caja de Petri. Dicho en otras palabras, si sabemos que cierta bacteria, digamos A, crece normalmente en un medio con la sustancia X, y producimos una mutaci�n que impida que esta bacteria A crezca con la sustancia X, entonces podremos analizar bioqu�micamente su comportamiento. Podemos decir que la mutaci�n afect� una secci�n del cromosoma bacteriano (gene) que ha bloqueado la formaci�n de la enzima que digiere a la sustancia X por medio de la cual la bacteria obtiene sus recursos alimenticios. Si infectamos una cepa A aux�trofa para la sustancia X, con un virus conocido, el genoma viral por traducci�n se incorporar� al cromosoma bacteriano. Si el fragmento incorporado del virus lleva el gene normal del mutante aux�trofo, es decir, su capacidad para digerir a X, la cepa restablecer� su funci�n original. Si se lleva a cabo la transformaci�n de las bacterias podremos separar a los grupos dentro de la caja de Petri f�cilmente: aquellos que han incorporado el genoma viral crecer�n formando placas definidas en la caja, aquellas que no lo hayan hecho simplemente morir�n ya que, recordemos, son aux�trofas para la sustancia X. �Que significado tiene esto? Estos experimentos sugieren que un gene es una regi�n extendida dentro del cromosoma y que los cambios que ah� ocurren pueden dar lugar a diferentes mutantes, dependiendo de la posici�n de la mutaci�n o inserci�n de nuevas secuencias de ADN. Tambi�n indica que las regiones dentro de esta secci�n o gene son separables y recombinables con regiones hom�logas de un gene de otro cromosoma.
Con estos estudios Seymour Benzer pudo caracterizar, seg�n las propiedades moleculares, el tama�o de las unidades de funci�n, de mutaci�n y de recombinaci�n.
S. Benzer en 1957 defini� el gene de un modo novedoso que incluye una divisi�n tripartita del gene cl�sico (mendeliano) basada en la estructura fina de la mutaci�n, la funci�n y la recombinaci�n. Estos an�lisis de Benzer demostraron que dentro de los genes hab�a secciones que pod�an ser intercambiables con sus hom�logos del otro cromosoma. La unidad de recombinaci�n fue definida como el elemento m�s peque�o dentro de un gene que es intercambiable por recombinaci�n gen�tica. A este elemento se le llam� rec�n. La unidad de mutaci�n, el mut�n, se defini� como el elemento m�s peque�o que, alterado, da lugar a una forma mutante del organismo. La unidad de funci�n, definida gen�ticamente, fue definida como el segmento del mapa que corresponde a una funci�n unitaria llam�ndosele cistr�n.
La definici�n del gene como unidad de funci�n y de mutaci�n se tom� obsoleta a partir de estos estudios sobre la estructura fina del gene. En 1957 Benzer simplific� la definici�n del gene cl�sico, dividi�ndola en cistr�n, mut�n y rec�n. Al gene que produce una prote�na espec�fica se le denomin� cistr�n, al segmento m�s peque�o que sufre alteraciones, mut�n, y al gene definido como el segmento capaz de recombinarse, rec�n. De estos t�rminos, el m�s ampliamente usado, especialmente en sistemas microbianos como sin�nimo de gene, pero con una clara connotaci�n que hace referencia a la estructura molecular encontrada por Benzer, es el de cistr�n.
Desde que los trabajos de Mendel fueron reconocidos de manera universal a principios de este siglo, hemos visto que los conceptos originales de car�cter unitario, factor o gene, se han modificado debido al avance tanto te�rico como experimental de la gen�tica, que ha permitido mirar m�s de cerca a las unidades de la herencia. Durante estos primeros a�os de desarrollo se cre�a que los genes eran unidades discretas que produc�an un car�cter particular a trav�s de la s�ntesis de una prote�na. Posteriormente, y gracias al modelo de Watson y Crick se supo que el gene estaba constituido de ADN, formando una "doble h�lice". Se entendieron, en consecuencia, la replicaci�n o duplicaci�n, la mutaci�n o variaci�n del material gen�tico, y la s�ntesis de prote�nas. Sin embargo, investigaciones m�s recientes han demostrado que los genes no son continuos, sino que si los miramos m�s de cerca, est�n divididos o partidos en trozos o secciones.
Este descubrimiento indic� que los genes est�n fragmentados en una serie de
regiones alternantes que codifican para partes de las prote�nas (exones) y regiones
intercaladas (intrones) cuya informaci�n no indica la creaci�n de ning�n compuesto.
Los exones y los intrones forman una unidad que es transcrita como una sola
mol�cula de ARN. Recordemos que del ADN se forma una
mol�cula de ARN mensajero precursor dentro del n�cleo, que es procesado
para formar una mol�cula de ARN mensajero maduro que sale del n�cleo
para ser traducido a prote�nas. Este proceso de separaci�n de la transcripci�n
y la traducci�n puede explicar las discrepancias existentes entre la cantidad
de ADN que tiene una c�lula y la cantidad de prote�nas que sintetiza.
Pero la pregunta obligada es: �qu� segmentos son cortados de la mol�cula de
ARN mensajero antes de salir del n�cleo?
Uno de los experimentos que llev� al descubrimiento de los genes partidos fue el de P. Chambon y sus colaboradores en 1975, quienes trabajaban con la prote�na ovoalb�mina. Esta prote�na tiene una cadena de 386 amino�cidos sintetizada en c�lulas glandulares especializadas del oviducto de las gallinas ponedoras. La diferenciaci�n de estas c�lulas y la expresi�n del gene de la ovoalb�mina est�n controladas por las hormonas sexuales de las hembras. Si las hormonas no est�n presentes, el gene no se expresa y no se forma el ARN mensajero, y por lo tanto la ovoalb�mina no es sintetizada. Para entender esto, P. Chambon aisl� el gene de la ovoalb�mina de c�lulas glandulares y tambi�n de otras c�lulas en donde este gene no es expresado (por ejemplo, en eritrocitos) para analizar la estructura molecular del gene en dos ambientes distintos.
El primer resultado que obtuvo fue que ambos genes eran id�nticos. Entonces decidi� comparar el gene de las c�lulas glandulares con el ARN mensajero aislado del citoplasma. El resultado fue que el ARN mensajero era de dimensiones menores que el gene original. Esto hizo suponer que el gene estaba partido en secuencias que eran codificadoras y en otras que no lo eran, a las primeras se les llam� exones, mientras que a las segundas, intrones. An�lisis m�s finos de la estructura molecular del gene de la ovoalb�mina demostraron que �ste estaba formado por ocho exones, entre los cuales se encontraron intrones que no ten�an su contraparte en el ARN mensajero. La secuencia estudiada confirm� que el orden de los exones correspond�a al orden de sus transcriptos en el ARN mensajero, indicando una colinearidad entre el ADN y el ARN. Tambi�n pudieron medir el largo total de ambas mol�culas. El tama�o total del gene era de 7 700 pares de bases, mientras que el mensajero conten�a s�lo 1 872.
El descubrimiento de los genes partidos explica por qu� no todo el ADN codifica para prote�nas. A este descubrimiento han seguido otros tantos que han demostrado una estructura similar para otros genes: el gene de la beta-globina (componente de la hemoglobina) de rat�n y de conejo, por ejemplo. Tambi�n se ha comprobado que est�n presentes en genes de mam�feros, aves y anfibios, algunos insectos, hongos, y se cree que sea una estructura universal de los genes de los organismos eucariontes.
Regulaci�n y control gen�tico: el modelo del oper�n
Hasta ahora nos hemos dedicado a comprender c�mo est� estructurado el ADN en los organismos, pero la siguiente pregunta por contestar es qu� y c�mo hace lo que tiene que hacer. Su tarea es, b�sicamente, construir los organismos. Siempre ha sido dif�cil imaginarse c�mo de una mol�cula de ADN se obtienen bacterias, perros o animales tan espeluznantes como las v�boras, los murci�lagos, etc. Para darnos una idea del campo de la biolog�a que estudia este desarrollo revisemos de nuevo algunos conceptos importantes.
Ya hemos hablado de los conceptos genotipo y fenotipo, el primero, designa el acervo gen�tico de un individuo o una especie, y el segundo su apariencia. Sin embargo, poco hemos hablado de c�mo el genotipo se expresa en el fenotipo, es decir, c�mo el genotipo produce las caracter�sticas morfol�gicas, fisiol�gicas y de comportamiento que caracterizan a cada especie biol�gica.
La v�a molecular de la s�ntesis de prote�nas llamada por Crick el dogma
central de la biolog�a molecular expresa los flujos de informaci�n de la
siguiente manera:
| Transcripci�n. | Traducci�n. |
Replicaci�n D
ADN" ARN"Prote�nas
|
Este aparato gen�tico est� sujeto a regulaci�n. No todos los genes est�n actuando en todo momento, por lo cual la c�lula debe regular activando o desactivando aquellos genes cuyos productos le sean necesarios para responder satisfactoriamente al medio ambiente. (Si todos los genes de las c�lulas actuaran en todo momento, habr�a c�lulas semejantes y con las mismas funciones, cosa que evidentemente no ocurre; para que ocurra la diferenciaci�n deben activarse algunos genes, mientras que otros permanecen inactivos.) Adem�s, esta regulaci�n est� �ntimamente relacionada con el crecimiento y la diferenciaci�n celular.
Empezaremos hablando de la regulaci�n en procariontes y posteriormente analizaremos la regulaci�n en eucariontes.
En 1961 dos microbi�logos franceses, Francois Jacob y Jacques Monod, descubrieron un mecanismo de regulaci�n y control de s�ntesis de prote�nas en bacterias al que dieron el nombre de oper�n.
Notaron que la bacteria Escherichia coli sintetizaba ciertas enzimas de manera constante, mientras que otras se sintetizaban en el momento en que eran requeridas. Es decir, si la bacteria era colocada en un medio que conten�a lactosa (az�car de la leche), �sta empezaba a producir las enzimas que la digieren en galactosa y glucosa; por el contrario, si el medio carec�a de lactosa, la bacteria no la produc�a pues era in�til su producci�n.
Jacob y Monod estudiaron la producci�n de tres enzimas que intervienen en la
digesti�n de la lactosa: la beta-galactosidasa, la galactosa permeasa y la tiogalact�sido
transacetilasa. Por razones de nomenclatura decidieron llamarlas enzimas z,
y y a, respectivamente. De igual forma designaron a los genes que
las produc�an como los genes estructurales responsables de su s�ntesis (un gene
estructural es aquel que codifica, es decir que tiene la informaci�n necesaria
para la s�ntesis de una prote�na o parte de ella) (Figura 25 (a)).
Figura 25. Modelo del oper�n de Jacob y Monod. En este modelo se ilustra la producci�n de las tres enzimas responsables del metabolismo de las lactosas que est� bajo el control del oper�n lac. Este sistema est� integrado por 3 partes: el gene regulador, la regi�n promotora/reguladora y los genes estructurales z, y y a. En (a) los genes estructurales est�n reprimidos por la integraci�n del gene regulador y el operador. 1) el gene regulador se transcribe en ARN mensajero, 2) es traducido en una prote�na represora que, 3) se pega al operador y lo bloquea y 4) se inhibe la transcripci�n del ARNm en los genes estructurales.
Jacob y Monod descubrieron que los genes estructurales del oper�n de la lactosa
z, y y a, estaban alineados en el cromosoma, mientras
que un cuarto gene se localizaba a cierta distancia, al que llamaron gene regulador.
De estos cuatro genes, los tres estructurales se transcriben al mismo tiempo
en ARN, mientras que el cuarto gene, el represor, transcribe un
ARN mensajero que codifica para una prote�na represora que se une
a otra regi�n muy especial de ADN presente en el oper�n de la lactosa.
Esta regi�n es la del operador. Si la enzima que sintetiza el gene regulador
se pega al operador, inhibe su acci�n y podemos decir que el sistema est� apagado.
Si, por el contrario, esta enzima represora se pega con el az�car de la lactosa
presente en el medio, se despegar� del operador y ser� entonces cuando empiecen
a funcionar los genes estructurales, sintetizando las enzimas que desdoblan
eficientemente a la lactosa. Este sistema del oper�n de la lactosa que regula
la producci�n de enzimas se autorregula en el momento que las enzimas producidas
por los genes estructurales han digerido a la lactosa en galactosa y glucosa,
lo que disminuye la concentraci�n de lactosa; y por lo tanto, la mol�cula represora,
al no encontrar lactosas libres para pegarse, se vuelve a unir al operador,
apag�ndolo. Este sistema, como vemos, es negativo y el inductor, el elemento
que provoca la reacci�n en cadena es, en este caso, la lactosa (Figura 25(b)).
Figura 25(b). Observamos que cuando entra lactosa el medio 5), act�a como
inductor despegando la prote�na represora 6), liber�ndose al operador, y la
ARN polimerasa inicia la transcripci�n. (8) el ARN
se traduce en tres enzimas del metabolismo de lactosa. Cuando la lactosa se
consume 9) la prote�na represora puede unirse de nuevo al operador y cerrar
el sistema del oper�n lac.
Jacob y Monod no s�lo estudiaron la estructura del oper�n de la lactosa, sino
tambi�n el oper�n del tript�fano (Figura 26 (a)). El tript�fano es un amino�cido
que la bacteria necesita constantemente en la s�ntesis de las prote�nas necesarias
para su supervivencia. Jacob y Monod se dieron cuenta de que el oper�n del tript�fano
(el cual controla las enzimas encargadas de la s�ntesis del tript�fano) trabaja
constantemente, a menos que exista suficiente tript�fano en el medio.
Figura 26(a). Oper�n del tript�fano. Este sistema funciona de forma opuesta al oper�n de la lactosa. Aqu� el oper�n se encuentra encendido ya que, aunque se sintetiza la enzima tript�fano sintetasa, la cual es esencial para la producci�n del amino�cido tript�fano 1), �sta no se une al gene operador.
Este funciona como el descrito para la lactosa, con la salvedad de que en el
primer caso la lactosa actuaba como inductora peg�ndose al operador; en el segundo
caso, el tript�fano act�a como represor al unirse con una prote�na represora,
formando un complejo tript�fanorepresor que se pega al operador y que impide
la acci�n de los genes estructurales, por lo tanto no se sintetizan las prote�nas
adecuadas. Como vemos este sistema tambi�n es de control negativo (Figura 26
(b)).
Figura 26(b). Observamos que si se a�ade al sistema el amino�cido tript�fano 3), �ste se une inmediatamente a la prote�na represora 4) formando el complejo tript�fano-represor, que a su vez se pega al operador y bloquea la acci�n de la ARN polimerasa en el promotor. En 5) se detiene a los genes estructurales 6) que producen la tript�fano sintetasa.
A partir de la publicaci�n en los a�os sesenta de estos hallazgos de Jacob y Monod se ha ido descubriendo una serie mayor de operones en diferentes organismos, pero todav�a no hay pruebas concluyentes acerca de si su organizaci�n es universal para todos los organismos.
En los eucariontes la regulaci�n gen�tica es completamente distinta. Una de estas diferencias es su complejidad. Uno de los sistemas de regulaci�n estudiados es el caso de la producci�n de hormonas esteroides en las gallinas. Los oviductos de las gallinas j�venes responden f�cilmente a una hormona femenina llamada estr�geno (que es un esteroide). En presencia de estr�geno, el oviducto empieza a sintetizar alb�mina y dem�s prote�nas de la clara del huevo. Se ha marcado radiactivamente al estr�geno que penetra en las c�lulas y se ha encontrado que se une a un receptor espec�fico que es m�s que una prote�na citoplasm�tica. Este primer complejo esteroide receptor entra en el n�cleo de la c�lula y se adhiere a una prote�na no hist�nica del cromosoma, iniciando as� la transcripci�n al ejercer un control positivo.
Aunque nada est� dicho en forma definitiva, estos estudios prometen dilucidar las diversas formas de control, por ejemplo de los anticuerpos, las hormonas, etc. Parece que tendr�n que pasar algunos a�os y proponerse nuevas t�cnicas antes de que este tipo de problemas encuentren las soluciones adecuadas.
Como hemos visto, el desarrollo de la biolog�a molecular ha sido vertiginoso desde su nacimiento en los a�os cincuenta hasta ahora. Tambi�n hemos visto c�mo este desarrollo ha repercutido de manera sobresaliente en otras ramas de la misma biolog�a y la medicina. La biolog�a molecular se ha convertido hoy en d�a en un arma poderosa para entender, asimilar y manipular el genoma de los organismos vivos. Esta manipulaci�n, muy especial, ha sido posible gracias al desarrollo de t�cnicas nuevas cuyo poder de resoluci�n ha permitido meternos dentro del ADN y no s�lo explicarlo y describirlo, sino tambi�n jugar con �l de manera satisfactoria.
Si pensamos en los primeros genetistas como Mendel, Morgan e incluso Muller (quien fuera el primero en producir mutaciones con radiaci�n) resulta hasta inocente su forma de concebir la gen�tica. Caracteres diferenciantes, propon�a Mendel; �c�mo se heredan las mutaciones? preguntar�a Morgan, y �c�mo producirlas a nuestro antojo? pensar�a Muller. Ahora estas preguntas resultan como un juego de ni�os comparadas con las preguntas que la biolog�a molecular intenta resolver. Sin embargo, hay que hacerles justicia: sin la solidez de sus hip�tesis ni la claridad de sus experimentos, la ciencia de la gen�tica nunca hubiera podido establecer un programa de investigaci�n que permitiese diversificar la problem�tica del material gen�tico y darle soluciones novedosas. Tal es el caso de la biolog�a molecular.
Uno de sus principales objetivos es entender la relaci�n entre la estructura de las prote�nas codificadas por el ADN y su funci�n dentro del metabolismo celular. Para ello ha desarrollado una t�cnica especial llamada ingenier�a gen�tica, que se basa en la manipulaci�n directa de los genes o segmentos de ADN que codifican para determinada prote�na, y de los mecanismos de expresi�n de estos genes. El conjunto de t�cnicas conocidas como ingenier�a gen�tica deriva en forma directa de la biolog�a molecular. Veamos sus principales caracter�sticas.
Uno de los organismos mejor conocidos desde el punto de vista gen�tico es la bacteria Escherichia coli. Esta bacteria es un procarionte con un cromosoma circular y genes en otras estructuras llamadas pl�smidos. Como resultado de extensas investigaciones de esta bacteria en particular, se ha conocido de manera sobresaliente la estructura y funci�n de los pl�smidos. Este pl�smido presenta caracter�sticas interesantes para su manipulaci�n. Pero no s�lo esta bacteria los presenta. Los pl�smidos forman parte del material gen�tico de casi todas las bacterias.
Son m�s sencillos que los virus ya que no tienen la capa proteica que caracteriza a estos �ltimos y no son m�s que mol�culas circulares de ADN de doble h�lice que se multiplican independientemente del resto de la c�lula. Los pl�smidos tienen solamente entre el uno y el dos por ciento del total del material gen�tico de la bacteria, lo cual los hace excelentes objetos de estudio y manipulaci�n. A pesar de su peque�o tama�o se sabe que la informaci�n que contienen codifica para caracter�sticas importantes como la conjugaci�n bacteriana, resistencia a sustancias t�xicas como los antibi�ticos, etc�tera.
Estas caracter�sticas, y muy en especial la importancia cl�nica de la resistencia a los antibi�ticos, hizo que los bi�logos moleculares pusieran atenci�n a estas estructuras y descubrieran que pueden funcionar como excelentes veh�culos para introducir genes no bacterianos a la bacteria a la cual pertenecen por un procedimiento de clonación molecular, que es la base de esta nueva gen�tica aplicada con grandes potencialidades para la medicina, la industria, la agricultura, etc�tera.
Como mencionamos arriba, los pl�smidos son mol�culas de ADN circulares de doble h�lice que pueden adquirir genes nuevos. Al igual que el ADN cromosomal, una cadena es complementaria de la otra: A siempre se une a T, G siempre lo hace con C.
Este ADN puede ser cortado en partes espec�ficas con la acci�n de sustancias que por estas caracter�sticas se les ha llamado enzimas de restricci�n. Cada enzima de restricci�n corta al ADN en una secuencia especial y caracter�stica. Por ejemplo, toda vez que se halle la secuencia GAATTC (y su complementaria CTTAAG), la enzima llamada EcoRI cortar� en ese punto. El resultado es que podemos cortar el pl�smido y obtener los trozos deseados. A la fecha se han descrito m�s de cien de estas enzimas. Existe otro tipo de enzimas, las ligasas, que como su nombre lo indica ligan los segmentos que se encuentran separados, reconociendo los sitios exactos. Una caracter�stica importante que es necesario mencionar antes de seguir adelante es que en todo el ADN, desde el bacteriano hasta el del hombre, existen secuencias espec�ficas de bases nitrogenadas que son reconocidas de manera universal por estas enzimas llamadas endonucleasas (las que cortan y las que unen). Esto nos indica que podemos cortar y pegar cualquier mol�cula de ADN, y no s�lo eso, sino tambi�n pegar secuencias complementarias con ADN procedente de organismos distintos.
Ahora pues, ya tenemos nuestro pl�smido, lo cortamos y le transferimos genes procedentes de otro organismo (cortado y unido de la manera arriba descrita). A este proceso se le llama clonaci�n. A la mol�cula que se obtiene de esta manera y que presenta genes propios y extra�os se le considera un veh�culo molecular. Por medio de la transformaci�n este veh�culo es introducido en una c�lula bacteriana o no bacteriana y, as�, se reproduce continuamente. El resultado ser� que el gene que estamos introduciendo se amplificar� (reproducir�) debido a la rapidez de la reproducci�n bacteriana, y al crecer ser� capaz de generar la prote�na deseada utilizando el sistema gen�tico de la c�lula. De esta manera, lo que antes tardaba su tiempo, ahora es posible obtenerlo m�s r�pida y eficientemente. Esta construcci�n de genomas ha sido utilizada en otras �reas de la actividad humana.
� Cu�les han sido los principales resultados?
En la ganader�a. la ingenier�a gen�tica ha logrado que algunos animales incrementen su producci�n de cr�as simplemente haciendo mejoras gen�ticas a trav�s de la introducci�n de hormonas procedentes de otros organismos. Por ejemplo, a las vacas productoras de leche se les proporcionan hormonas de crecimiento de bovinos a trav�s de bacterias transformadas.
En la industria alimentaria la utilizaci�n de levaduras mejoradas gen�ticamente para la producci�n de cervezas diet�ticas, la producci�n de mejores condimentos para la comida, as� como el aumento de amino�cidos presentes en ciertos alimentos, esta siendo un campo alentador de desarrollo de la biotecnolog�a.
Con el prop�sito de mejorar los productos de la agricultura, la ingenier�a gen�tica trata de manipular el genoma de ciertas plantas introduci�ndole, como ya hemos visto, genes de otros organismos para as� incrementar la producci�n de ciertas sustancias. Por ejemplo, se ha encargado de la producci�n de cultivos resistentes a plagas, enfermedades y suelos salitrosos. Se ha intentado, a�n sin �xito, introducir genes para la fijaci�n del nitr�geno —presentes en la bacteria Rhizobium— a plantas como el ma�z, para hacer innecesarios los fertilizantes artificiales, y as� la planta sea capaz de transformar el nitr�geno atmosf�rico en sustancias org�nicas. Otro ejemplo conocido es la producci�n de la jitopapa, que no es m�s que la fusi�n de c�lulas procedentes de la papa y el jitomate; la planta produce en su parte a�rea jitomates y en su parte subterr�nea, papas. Como vemos, es promisorio este campo de experimentaci�n en el cual la biotecnolog�a intenta demostrar que la manipulaci�n de los genomas puede traer buenos resultados en la producci�n agr�cola.
En la medicina, ya lo hemos mencionado, tambi�n es importante el avance de la ingenier�a gen�tica. Se han producido a gran escala prote�nas importantes, como la insulina, para el tratamiento de algunas enfermedades. La insulina —prote�na que transporta la glucosa del flujo sangu�neo hacia las c�lulas y que est� ausente en los diab�ticos— producida por los cerdos, que ha sido utilizada tradicionalmente para tratar la enfermedad de la diabetes, ten�a un costo muy alto; con la utilizaci�n de la ingenier�a gen�tica, el problema del consumo de insulina y de su costosa producci�n parece tener una soluci�n. Para obtener esta producci�n masiva se ha extra�do el gene que la produce y se ha insertado en bacterias y levaduras cuya tasa de crecimiento es acelerado, por lo que la producci�n de esta prote�na aumenta. Existen otras prote�nas cuyo procedimiento es similar al de la insulina: la somatotropina (estimulante del crecimiento), el factor VIII (prote�na importante en el proceso de la coagulaci�n de la sangre, ausente en los pacientes de hemofilia), el interfer�n (sustancia que secretan las c�lulas como defensa contra el ataque de virus), etc�tera.
Otro avance importante se refiere a la elaboraci�n de vacunas. Se utiliza un virus conocido, al cual se le insertan genes de los diferentes anticuerpos para que el sistema inmune se defienda de los agentes infecciosos. Una de estas pocas vacunas es la que se aplica contra la malaria. Tambi�n se han desarrollado vacunas contra ciertas enfermedades bacterianas; y en 1985, se elabor� la primera vacuna contra el c�ncer de mam�feros (Leukocell), que previene contra el virus que causa la leucemia en los gatos. Posiblemente el campo m�s invadido por la ingenier�a gen�tica sea la medicina, aunque, como ya hemos visto, sus aplicaciones en otros campos van en aumento y con resultados alentadores.
Uno de los temas m�s apasionantes de la gen�tica es el desarrollo. Aqu� la cuesti�n central es que si todas las c�lulas de un organismo pluricelular tienen la misma informaci�n gen�tica, �c�mo es que se expresan genes diferentes en distintos tejidos para producir �rganos tan disimbolos como un ojo o una pierna? Esta pregunta ha sido hecha sin mucho �xito por muchos investigadores y s�lo recientemente ha aparecido evidencia que nos acerca un poco a una respuesta. El organismo que una vez m�s nos ha ayudado a entender un poco de este proceso es la mosca Drosophila, en la que desde hace tiempo se conocen mutantes llamados Antennapedia que, como lo indica el nombre, tienen en vez de una antena una pata en la cabeza. Estos "monstruos" nos ense�an que un peque�o cambio gen�tico puede ocasionar un gran cambio morfol�gico a trav�s de genes reguladores de otros.
La plenipotencialidad de las c�lulas
En las bacterias, estos genes se describieron desde la d�cada de los sesenta,
cuando J. Monod y F. Jacob (v�ase cap�tulo III) descubrieron que los genes de
caminos metab�licos son regulados en forma coordinada por otro gene, un gene
regulador que inhibe o estimula la expresi�n de ellos. Éste es el fundamento
de la gen�tica del desarrollo, entender c�mo se lleva a cabo la expresi�n diferencial
de genes en diferentes tejidos. Una posible respuesta podr�a ser que en los
diversos tejidos las c�lulas pierden todos los genes, excepto aquellos que se
expresan en ese tejido. Esta posibilidad se elimin� en la mayor�a de los tejidos
al demostrarse que las diferentes c�lulas de un organismo tienen toda la informaci�n
gen�tica. Esto se hizo con experimentos que revirtieron el proceso de diferenciaci�n
y demostraron que c�lulas que originalmente expresaban los genes de un tejido
pod�an, en ciertas condiciones, expresar los genes de otro tejido. En particular,
J. B. Gurdon demostr� que n�cleos (donde est� todo el material hereditario,
el ADN) de c�lulas del intestino del renacuajo implantadas en citoplasmas
de �vulos no fecundados, ten�an cierta probabilidad de desarrollar un sapo completo.
Estos experimentos demostraron que la diferenciaci�n celular es una expresi�n
diferencial de genes y no una presencia diferencial de genes en los diversos
tejidos. Tambi�n, utilizando m�todos de hibridizaci�n de ADN se
ha demostrado que las c�lulas de todos los tejidos de un organismo tienen todos
los genes.
El desarrollo en la Drosophila
El desarrollo en la mosca de la fruta se inicia, como en todos los organismos,
con la fertilizaci�n. Una vez fertilizado el huevo se llevan a cabo varias divisiones
celulares que dan origen a una estructura en forma el�ptica que se llama blastodermo.
La posici�n que guardan las diferentes c�lulas en el blastodermo define qu�
tipo de estructuras de la mosca adulta generar�n (Figura 27). El descubrimiento
de este tipo de estructuras, seg�n la posici�n de las c�lulas se ha hecho de
diversas maneras. En una de ellas, por medio de la cirug�a se eliminan del blastodermo
diversas porciones y se analiza posteriormente c�mo es la morfolog�a de la mosca
adulta. As�, por ejemplo, si se elimina la porci�n intermedia de la izquierda
(Figura 27), se eliminan partes del sistema nervioso central, pero si se elimina
la parte central, la mosca adulta no tendr� alas. Otra manera de saber qu� partes
del blastodermo originan las diferentes estructuras de la mosca adulta es llevando
a cabo trasplantes de diferentes porciones del blastodermo para ver qu� estructuras
se desarrollan.
Figura 27. (A) Mapa de predeterminaci�n del blastodermo de la D. melanogaster.
Muestra los sitios de las c�lulas que producir�n las partes externas de la mosca
adulta. Las distancias se dan en sturts. Las l�neas se�alan las distancias
a la l�nea media más pr�xima de la mosca. El mapa se observa desde el
interior del hueco del blastodermo, hacia fuera. (b) Partes externas de la mosca
adulta representadas sobre la superficie del blastodermo. Las l�neas se�alan
las �reas que dan origen al sistema nervioso y al mesodermo.
Adem�s de la mutaci�n antennapedia que ya hemos mencionado, existen otras mutantes, llamadas home�ticas, que son mutantes de genes que tienen la capacidad de detectar la posici�n de las c�lulas para tomar un camino espec�fico de desarrollo. Cuando estos genes mutan se pierde la capacidad de las c�lulas para leer correctamente la informaci�n de las posiciones. Algunas de estas mutaciones son tambi�n la ophtalmoptera, que hace que el tejido de las alas reemplace el tejido de los ojos. La mutaci�n proboscipedia hace que la pr�boscis se desarrolle como una pata y la mutaci�n cabeza tumorosa hace que el tejido de la cabeza sea reemplazado por diferentes tipos de tejido, incluyendo estructuras genitales. Quiz� las mutaciones home�ticas m�s espectaculares sean las del complejo de genes bithorax que, como lo indica su nombre, en moscas adultas genera segmentos extras, ya que en su condici�n normal se produce una sustancia de desarrollo que en forma gradual modifica su concentraci�n de la parte anterior a la posterior, de tal manera que representa una se�al acerca del camino de desarrollo que pueden llevar a cabo las c�lulas seg�n su posici�n. Por ello, se supone que los genes del complejo bithorax tienen la capacidad de transformar la situaci�n posicional en expresi�n diferencial de genes en diferentes c�lulas.
La gen�tica del desarrollo es, sin duda, uno de los campos que menos conocemos y del cual requerimos tener m�s informaci�n en el futuro. Es en ese �mbito, entre la estructura del gene, que llev� casi un siglo descubrir, y el fenotipo, que el genetista siempre ha tratado de comprender, donde se requiere investigar m�s en el futuro. Quisi�ramos saber c�mo es que de una estructura gen�tica particular se puede expresar cierta morfolog�a. S�lo experimentos cuidadosamente planeados y la creatividad que de vez en vez ha hecho avanzar a la gen�tica podr�n obtener esta respuesta, que es sin duda el mayor misterio que tenemos en el campo de la gen�tica.
