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GENOMAS
El genoma es todo el material genético de un organismo en particular; es decir, toda la información necesaria para formar a un organismo o virus y heredar estas características a través de las generaciones. El material genético de todos los sistemas biológicos en el planeta Tierra está formado por largas hileras de una molécula conocida como DNA, es decir, ácido desoxirribonucleico; sin embargo, los virus pueden tener genomas formados por otra molécula similar conocida como RNA, ácido ribonucleico. Los genomas se organizan en cromosomas dentro de los cuales están contenidos los genes, que son aquellas partes del genoma que almacenan la información necesaria para sintetizar (fabricar) todas las proteínas celulares. Las moléculas de ADN son tan grandes en general que, para trabajar con ellas, muchas veces es necesario fragmentarlas, empleando enzimas de restricción, que son la base de las herramientas de la Biología Molecular. La información genética contenida en los genomas se traduce a proteínas mediante los procesos de expresión génica: transcripción, procesamiento de transcritos y traducción. Todos estos procesos están milimétricamente regulados en todos los tipos celulares y tienen como fin que cada célula exprese adecuadamente solo aquellas proteínas que necesita para ejercer su función. Obviamente esto implica que no todas las células de un organismo expresan las mismas proteínas. Por otro lado, la información genética se perpetúa de forma fidedigna en los organismos gracias a la replicación del ADN cromosómico de cada célula y a toda una serie de mecanismos dirigidos a evitar errores durante la duplicación de este. El dogma central de la biología define precisamente cómo la información fluye siempre en el sentido ADN → ARN → Proteína. DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Durante millones de años los genomas han evolucionado mediante diversos mecanismos que han ido aumentando su complejidad y que son responsables de la diversidad biológica sido más sutiles y difíciles de evaluar (mutaciones puntuales, pequeñas deleciones o inserciones, etc.). El amplio conocimiento que hoy se tiene sobre muchos genomas ha permitido realizar comparaciones a gran o pequeña escala explicando líneas y relaciones evolutivas en diferentes especies.
GENOMAS VIRALES
Los tamaños de los genomas virales oscilan entre los 5 kb aproximadamente de virus como el parvovirus H1 o el ΦX174 (el genoma de este bacteriófago fue el primero completamente secuenciado en 1977 por el grupo de Fred Sanger) y los 152 kb del herpes simplex tipo 1. Como siempre, hay excepciones a la generalidad; el virus genómicamente más grande descrito hasta la fecha es el mimivirus, que tiene un tamaño de 800 Kb e incluye 900 genes. Incluso algunos genomas virales están fragmentados en distintas moléculas, como ocurre en el reovirus tipo 3 o en el virus de la gripe. Los genomas víricos, pequeños en general, contienen pocos genes codificantes. Estos genes codifican proteínas estructurales de la envoltura viral (de la casita del virus o cápside) y proteínas implicadas en la replicación viral (mediante la que los virus se perpetúen); además, pueden codificar proteínas que interferirán con la estructura y función de la célula huésped pudiendo provocar su muerte. Los retrovirus (recuerda, virus cuyo material genético es ARN en lugar de ADN) codifican, además, una enzima, la transcriptasa inversa, que copia el ARN del genoma viral a ADN, que así puede insertarse en el genoma de la célula huésped. En general, todos los virus, dado el limitado tamaño de sus genomas, utilizan numerosos procesos de la célula huésped para su propio beneficio. Por ejemplo, los virus se valen en buena medida de toda la maquinaria de transcripción y traducción de la célula infectada para transcribir y traducir sus propios genomas. También los fagos (virus con capacidad para infectar bacterias) pueden contener como material genético ARN de cadena sencilla (MS2), ADN de cadena sencilla (ΦX174 o M13) o ADN de cadena doble (fagos de la serie T, fago λ). La mayoría de estos virus infectan bacterias entéricas (del intestino) como Escherichia coli o Salmonella typhimurium y entre los más estudiados se encuentran todos los de la serie T (T1 a T7) cuya estructura y ciclo vital se detalla más adelante. Estos fagos presentan una cabeza o cápside que contiene el ADN de cadena doble y una cola que contiene un eje tubular a través del cual se inyecta el ADN en la bacteria a través de la pared bacteriana. El fago reconoce la bacteria específicamente y se adsorbe a ella a través de las fibras y placas situadas en el extremo de la cola viral. Una vez en el interior celular comienza la replicación y transcripción del ADN viral para producir las proteínas estructurales necesarias para el ensamblaje de los viriones. Finalmente, cuando la carga viral en el interior de la bacteria alcanza un cierto nivel, se produce la lisis o muerte bacteriana y la liberación de los viriones al medio extracelular donde adquieren la capacidad de infectar nuevas células. Todas estas etapas (adsorción, inyección, replicación y transcripción, ensamblaje de viriones y lisis de la célula) definen el ciclo lítico viral de los fagos de la serie T. Existen fagos, sin embargo, como el fago lambda (λ) cuya estructura es similar a la de los fagos T, que tras infectar cepas como la K12 de Escherichia coli no lisan necesariamente la bacteria, sino que actúan incorporando su ADN en el genoma bacteriano donde permanecen
La mayor parte de los virus que infectan plantas son virus ARN (con una o varias moléculas diferentes de ARN en la partícula viral), de muy pequeño tamaño (20-300 nm), únicamente visibles al microscopio electrónico y que pueden transmitirse verticalmente (de padres a hijos) u horizontalmente a través de zonas dañadas en las plantas (estas zonas dañadas permiten a los virus no enfrentarse directamente a la pared celular y cutícula de las células vegetales que constituyen una clara barrera para ellos). Los insectos y gusanos suelen ser los principales transportadores de virus entre plantas. En cuanto a los síntomas, la mayoría de estos virus raramente causan la muerte de la planta, pero sí alteran la forma de sus hojas o flores, la pigmentación de las mismas (muchos provocan mosaicismo en las hojas con zonas oscuras y claras alternándose), provocan tumoraciones, etc. Por otro lado, no existen virus específicos de una sola especie de plantas, sino que normalmente el espectro de infección de un tipo de virus suele ser bastante amplio. El nombre de un virus deriva normalmente del nombre de su principal (aunque no único) huésped. Viroides y priones Los viroides son pequeñas moléculas circulares de ARN de cadena sencilla no codificante (normalmente se producen apareamientos intracatenarios de bases para estabilizar estas estructuras), patógenas, desnudas (sin cápside), de un tamaño entre 300 y 400 nucleótidos, que se replican incluso a altas temperaturas dependiendo enteramente de la maquinaria de la célula huésped. Estas moléculas tienen capacidad para infectar plantas como la patata, el
pepino, el tomate o el crisantemo cuando la pared de la célula donadora (infectada) y aceptora están dañadas. Los priones, por otro lado, son partículas infecciosas de naturaleza proteica asociadas a enfermedades como las encefalopatías espongiformes transmisibles que en el hombre causan, entre otras, la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob o el Kuru, y en animales, la enfermedad conocida como de las vacas locas, o el scrapie de las ovejas. Entre las características biológicas más relevantes de los priones están su largo periodo de incubación, que no provocan respuesta inmunológica por parte del huésped y que en todos los casos producen enfermedades fatales. El único componente del prión es la proteína PrP que puede presentarse en dos formas PrPc^ (forma celular normal) y PrPSc^ o scrapie (forma patogénica). Ambas proteínas se diferencian levemente es su secuencia y estructura tridimensional. Sin embargo, el plegamiento anormal de la forma scrapie confiere a PrPSc^ la posibilidad de formar agregados en el interior o exterior celular, letales para el tejido cerebral. Utilidad de los fagos y virus en biología molecular En biología molecular los fagos y virus tienen muchas utilidades diferentes. Por ejemplo, podemos emplearlos para conseguir grandes cantidades de un gen o una proteína que nos interese. Para ello, a grandes rasgos, lo que haríamos sería sustituir una parte “dispensable” del genoma del fago o virus por la secuencia del gen de interés (este proceso se denomina clonar); infectar células susceptibles y ahora aislar o bien partículas virales si lo que nos interesa es el gen, o purificar la proteína codificada en el gen clonado. También los virus pueden emplearse para introducir en células susceptibles a la infección un gen que restaure la función de un gen defectuoso. Esta sería la base de la terapia génica de sustitución, que busca reponer de forma específica y controlada genes defectuosos causantes de enfermedades. La tarea, como intuirás, no resulta nada fácil por muy diversos motivos. Entre otros, el virus portador del gen “sanador” no debe causar enfermedad por sí mismo; además debe dirigirse de forma específica hacia las células donde el gen defectuoso, al no funcionar adecuadamente, provoca la patología; y en tercer lugar la inserción del genoma viral portador del gen debe producirse adecuadamente (no alterar, por ejemplo, la función de otro gen) y de forma estable en un número de copias suficiente como para restablecer la función perdida.
interpretaciones obvias del porqué del pequeño número de genes que estos organismos poseen es su simplicidad morfológica y el poco número de funciones biológicas que, como organismos unicelulares, llevan a cabo. Además, aquellas bacterias parásitas obligadas o las bacterias endosimbiontes (que viven dentro de otro organismo en una relación mutuamente beneficiosa) de otras bacterias, tienen genomas aún más pequeños. Normalmente los genes evolutivamente perdidos por estas especies son genes implicados en la síntesis de aminoácidos, vitaminas o nucleótidos, funciones que lleva a cabo la célula que parasitan y de las que ellos se benefician. Muchos genes que se encuentran adyacentes en el genoma de procariotas se expresan como una unidad y están funcionalmente relacionados. Constituyen lo que se conoce como operón. Los más conocidos y estudiados son el operón de la lactosa y el del triptófano. La bacteria Escherichia coli puede utilizar la lactosa como única fuente de carbono gracias a la enzima β-galactosidasa que hidroliza la lactosa hasta galactosa y glucosa. De forma concertada con la β-galactosidasa se sintetizan en la bacteria la enzima galactósido permeasa (necesaria para transportar la lactosa a través de la membrana bacteriana) y la tiogalactósido transacetilasa. En ausencia de lactosa, un represor evita la transcripción de estos tres genes, mientras que, en presencia de un inductor, el sistema se desreprime y los genes de estas tres enzimas se transcriben y traducen para que la célula pueda emplear la lactosa del medio. Otra característica relevante de los procariotas es la existencia en muchos de ellos de elementos circulares de ADN de doble cadena, muy pequeños en comparación con el genoma bacteriano. Estos elementos epigenéticos (no localizados en el genoma bacteriano) se denominan plásmidos y en muchas bacterias codifican genes responsables de conferir a la bacteria, por ejemplo, resistencias a antibióticos. Los plásmidos se replican con independencia del cromosoma bacteriano y pueden encontrarse en la bacteria con un número de copias alto o bajo. Nuevamente existen excepciones: en algunas especies de bacterias Gram negativas ( Brucella, Rhizobium, Agrobacterium, etc.) y Gram positivas (como Leptospira ) estos elementos extracromosómicos son tan grandes que prácticamente estaríamos hablando de un segundo cromosoma. El caso concreto de Borrelia burgdorferi es especialmente llamativo ya que posee, además de su cromosoma, 12 plásmidos lineales y 9 circulares con tamaños que oscilan entre 5 y 54 kb. Las bacterias pueden, además, resultar infectadas por virus específicos, los bacteriófagos o fagos que ya vimos y que, tras infectar la bacteria, pueden optar por seguir un ciclo lítico replicándose exhaustivamente y rompiendo la bacteria, o un ciclo lisogénico en el cual el fago inserta su genoma en el cromosoma bacteriano permaneciendo allí aletargado de forma indefinida. Existen algunos tipos de secuencias repetidas en estos genomas (repeticiones en tándem, secuencias palindrómicas, genes duplicados, etc.). Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en eucariotas, estas secuencias no representan fracciones muy considerables de estos genomas.
Los tamaños de los genomas de las eubacterias (bacterias verdaderas) hasta ahora secuenciados oscilan entre las 0,6 Mb (600,000 bases) de Mycoplasma genitalium , agente causante de enfermedades del aparato reproductor humano, y las 9,1 Mb (9, 100 ,000 bases) de Myxococcus xanthus. Hasta ahora se han secuenciado los genomas de más de 300 eubacterias. Los tamaños de las arquebacterias, las bacterias más primitivas capaces de vivir en situaciones más extremas oscilan entre 0,5 Mb (500,000 bases) y 5,8 Mb (5,800, bases). Por el momento, se han secuenciado los genomas de más de 25 arquebacterias. Todos estos números seguro que ya resultan obsoletos y serán muchos más los genomas de procariotas completamente secuenciados, porque cada día se actualizan los resultados. Uno de los primeros genomas procariotas conocido a fondo, tras su secuenciación en 1997, fue el genoma de Escherichia coli. Esta bacteria nos puede servir de ejemplo para ver cómo está organizado el genoma de procariotas en general. E. coli es una bacteria intestinal anaerobia facultativa (capaz de sobrevivir en ausencia de oxígeno) de la que se conocen algunas cepas patogénicas que provocan infecciones entéricas, urinarias, respiratorias, etc. E. coli puede cultivarse muy fácilmente en el laboratorio. Su genoma tiene un tamaño de 4,636 kb organizado de la siguiente forma: Organización del genoma: 87,8 % codificante, el 0,8 % se transcribe a ARNs; 0,7 % no codificante; 11 % función reguladora de la expresión génica. Operones: 17 % (2 genes); 4,6 % (3 genes); 6 % (4 o más genes). ORFS: 4,288 predichos. Tamaño medio: 317 aminoácidos. Distancia media entre genes: 118 pb (pares de bases). Secuencias repetidas: Muy pocas. Elementos Rh (5,7 a 9,6 kb): 0,8 % genoma. Las iniciales ORF en inglés significan Open Reading Frames , en cristiano “pautas de lectura abiertas”. Se trata de zonas o secuencias de un tamaño moderado que pueden traducirse (empleando el código genético) a proteínas sin encontrar en ellas ningún codón de parada o terminación. Son secuencias candidatas a ser genes. Genoma mínimo El término genoma mínimo es un concepto teórico (no algo que podamos encontrar en la naturaleza) que intentaría reflejar el número mínimo de genes necesario y suficiente para mantener una célula funcionando en condiciones ideales de aporte ilimitado de nutrientes y ausencia de factores externos adversos. Pero ¿Cómo podemos llegar a conocer cuál es ese número mínimo? Algunos científicos buscan en la naturaleza formas de vida con genomas pequeños y compactos. Normalmente se trataría de organismos parásitos o endosimbiontes de otras formas de vida. Otros utilizan aproximaciones computacionales basadas en el análisis del mínimo número de genes comunes a distintas especies cuyos genomas ya hayan sido secuenciados. Otros utilizan abordajes experimentales de inactivación de genes. Para
