APLICACIONES DE LA GENÉTICA

TEMA 5

MANIPULACIÓN GENÉTICA

Desde el neolítico, en el que la especie humana se dedicó a la agricultura y a la ganadería, al hombre y a la mujer les ha interesado manipular genéticamente a las especies domesticadas con la finalidad de obtener variedades de plantas y animales con mejores características.

MANIPULACIÓN GENÉTICA: TÉCNICAS CLÁSICAS

Hasta el siglo XX, la manipulación genética de las especies animales y vegetales siempre se hizo utilizando los mismos métodos que empleaba la naturaleza: Selección de variedades con mutaciones aparecidas al azar. Cruces, para unir características que aparecen en dos individuos.

ORGANISMOS MODIFICADOS GENÉTICAMENTE

En el siglo XX, el conocimiento de los mecanismos de la genética molecular, ha permitido manipular el genoma de especies de interés económico y obtener así plantas y animales transgénicos, también llamados OGM (Organismos Genéticamente Modificados).

La ingeniería genética consiste en el uso de técnicas que permiten manipular el DNA de los organismos, básicamente mediante la transferencia de DNA de unos organismos a otros.

TECNOLOGÍA DEL DNA RECOMBINANTE

Esta tecnología comprende varias etapas: Identificación y aislamiento del fragmento de DNA que interesa (gen) A continuación este DNA se inserta en otro fragmento de DNA, generalmente

un plásmido bacteriano. Más tarde este DNA se introduce en el organismo receptor.

Los organismos que contienen DNA de un ser vivo diferente se denominan transgénicos.

La ingeniería genética también se conoce como la tecnología del DNA recombinante (DNA obtenido en el laboratorio que incluye fragmentos de distintas procedencias).

TECNOLOGÍA DEL DNA RECOMBINANTE

Estas técnicas se emplean normalmente con la finalidad de producir proteínas a gran escala ya que podemos hacer que un organismo (animal, vegetal, bacteria, hongo…) produzca una proteína que le sea extraña.

A esto se dedica precisamente la Biotecnología, es decir a la utilización de organismos vivos con fines prácticos.

TECNOLOGÍA DEL DNA RECOMBINANTE

Comprende técnicas diversas y muy sofisticadas: Utilización de los enzimas de restricción PCR (Reacción en cadena de la polimerasa). Clonación de DNA

ENZIMAS DE RESTRICCIÓN

En 1975 se descubrieron un tipo de endonucleasas -que se denominaron enzimas de restricción- que actúan como “tijeras moleculares”.

Cortan la doble cadena de ADN a través del esqueleto de fosfatos sin dañar las bases.

El descubrimiento de estas enzimas dio origen a la ingeniería genética y les valió el Nobel en 1978 a sus descubridores.

Daniel Nathans

Hamilton O. Smith

ENZIMAS DE RESTRICCIÓN

Cortan el DNA por secuencias palindrómicas específicas y producen bordes cohesivos que permiten unir fragmentos de DNA.

Son indispensables en ingeniería genética, ya que producen fragmentos que fácilmente se pueden unir entre sí (con una ligasa).

ENZIMAS DE RESTRICCIÓN

ENZIMAS DE RESTRICCIÓN

REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA

Hasta mediados de los 80, la única forma práctica de hacer múltiples copias de una secuencia de ADN era introducir una molécula de ADN recombinante en una célula huésped (mediante un vector de clonación).

Kary Mullis, resolvió este problema con la invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA

Se emplea para conseguir grandes cantidades de DNA a partir de cantidades minúsculas.

Se emplean DNApol I de bacterias termófilas, Taq (no se desnaturalizan por calor)

La PCR consiste en la repetición de un ciclo que consta de tres etapas: Desnaturalización del DNA por calor Hibridación de los cebadores (cortos fragmentos de DNA) Elongación de la cadena.

POLIMERASE CHAIN REACTION

Sin esta técnica serían imposibles los estudios de ADN, pues dada la cantidad de ADN presente en las células, del orden de picogramos, se necesitaría una gran cantidad de material celular para aislar una cantidad apreciable de ADN

CLONACIÓN DE DNA

Es una técnica que permite obtener muchas copias idénticas de un fragmento de ADN.

Para ello se inserta un gen de interés en un fragmento circular de ADN llamado plásmido.

CLONACIÓN DE GENES

Se corta el plásmido con el mismo enzima de restricción que se ha empleado para obtener el DNA que se quiere clonar.

De este modo los extremos del DNA y del plásmido tienden a unirse.

CLONACIÓN DE GENES

El plásmido se introduce en bacterias (transformación) y se seleccionan aquellas que contengan el plásmido.

Las bacterias con el plásmido correcto se utilizan para fabricar más ADN o, en otros casos, se induce la expresión del gen para obtener proteína.

VECTORES DE CLONACIÓN PARA PROCARIOTAS

Para introducir el material genético en una célula procariota se utilizan plásmidos y virus bacteriófagos (estos son los vectores de clonación) Plásmidos: Moléculas de DNA circular de doble

hélice. Fagos: Pueden manipularse de forma que al infectar

una bacteria le introducen el DNA recombinante.

PLÁSMIDOS

En una célula puede haber entre 20 y 50. Muchos de ellos contienen genes de resistencia a

antibióticos. Los plásmidos bacterianos pasan fácilmente de una

célula a otras. En algunos casos la bacteria (Agrobacterium

tumefaciens) puede incluso, introducir los plásmidos en células eucariotas.

OBTENCIÓN DE UNA BACTERIA RECOMBINANTE

Completar los cuadros: Escherichia coli, plásmido bacteriano, insulina, gen de la insulina humana, insulina humana purificada, bacteria E. coli recombinante

APLICACIONES INGENIERÍA GENÉTICA EN MICROORGANISMOS

Producción de sustancias terapéuticas: Insulina, Hormona del crecimiento, Eritropoyetina (EPO) Factor VII de la coagulación Interferón: proteína producida por el sistema inmunitario y

que resulta útil en el tratamiento de infecciones víricas y algunos tipos de cáncer.

Antibióticos. Anticuerpos Vacunas

Producción de enzimas. La ingeniería genética permite obtener enzimas modificados y mejorados para su utilización en la industria alimentaria y en la producción de detergentes.

Degradación de residuos contaminantes. Mediante cepas bacterianas recombinantes que degraden estos compuestos o los inmovilicen en el suelo a partir de los genes de otros organismos con estas propiedades. Biorremediación: utilización de seres vivos para eliminar contaminación.

APLICACIONES INGENIERÍA GENÉTICA EN MICROORGANISMOS

VECTORES DE CLONACIÓN EN EUCARIOTAS

Plásmidos La bacteria Agrobacterium tumefaciens induce tumores en las

raíces de las plantas. Contiene un plásmido que puede introducirse en las células

vegetales e insertarse en un cromosoma. Se emplea como vector para introducir genes en ellas.

También se utilizan micropoyectiles recubiertos con DNA. Para introducir genes en las células animales se pueden

emplear retrovirus modificados Inyección directa de DNA en los núcleos de los ovocitos.

TRANSFERENCIA DE GENES POR MEDIO DE UN VECTOR (PLÁSMIDO O VIRUS)

1.1. Extracción de un plásmido de una bacteria.

2.2. Unión del plásmido y el gen de otra especie que se quiere introducir.

3.3. Introducción del gen en células del organismo receptor usando el plásmido como vector.

4.4. Transferencia de las células con el nuevo gen al organismo receptor.

DIFICULTADES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA EN EUCARIOTAS

Tiene dotación diploide por lo que el gen insertado puede ser recesivo.

Se reproducen sexualmente.

Durante la meiosis se produce la recombinación de la información genética al formarse los gametos con lo que los genes insertados pueden no transmitirse a toda la descendencia.

APLICACIONES EN AGRICULTURA: PLANTAS TRANSGÉNICAS

APLICACIONES EN AGRICULTURA: PLANTAS TRANSGÉNICAS

Las plantas transgénicas se pueden reproducir fácilmente por reproducción vegetativa.

Para la introducción de genes se utiliza: Plásmido de Agrobacterium tumefaciens. Micropoyectiles recubiertos de DNA.

Se persigue obtener variedades: Resistentes a herbicidas. Soja Resistentes a plagas insectos. Maíz Bt Mejorar resistencia a cambios ambientales. Modificar o mejorar características de las plantas. Tomate de maduración

tardía Mejorar características nutritivas del producto. Arroz dorado (vit A)

PLANTAS TRANSGÉNICAS

CULTIVOS TRANSGÉNICOS EN ESPAÑA

El maíz transgénico de Monsanto autorizado en 1998 se cultiva en cinco países de la Unión Europea: España, con el 80% de la producción total (alrededor de 75.000 hectáreas), Eslovaquia, Portugal, República Checa y Rumania.

Han adoptado salvaguardias contra su cultivo otros seis países: Alemania, Austria, Francia, Grecia, Hungría y Luxemburgo.

La legislación polaca prohíbe todo cultivo de transgénicos.

CULTIVOS TRANSGÉNICOS EN ESPAÑA

En marzo de 2010 la Comisión Europea aprobo el cultivo y comercialización de la patata Amflora (BASF).

El almidón de esta patata podrá emplearse para fabricar papel y para alimentación animal.

Actualmente hay dos cultivos transgénicos que se pueden plantar en la UE (maíz y patata), y 32 variedades (de maíz, algodón, colza, arroz y berenjena) que se pueden importar. En este caso, cuando se usen para consumo humano, habrá que indicarlo en el etiquetado.

APLICACIONES EN GANADERÍA: ANIMALES TRANSGÉNICAS

Es bastante difícil porque hay que conseguir la transformación de las células embrionarias.

Se han obtenido resultados en algunos peces.

Se han obtenido algunas variedades de mamíferos (vacas, cabras y ovejas) que producen leche enriquecida en determinadas proteínas terapeúticas (autorizada comercialización de algunos medicamentos así obtenidos)

No existe ningún animal transgénico aprobado para el consumo humano.

ANIMALES TRANSGÉNICOS

ANIMALES TRANSGÉNICOS

VENTAJAS DE LOS TRANSGÉNICOS

La única diferencia entre un transgénico y un organismo convencional es que en el diseño de los primeros se ha usado ingeniería genética.

Aumento de direccionalidad: se selecciona un gen determinado y se inserta en un genoma concreto.

Rapidez de los resultados dada la potencialidad de estas técnicas se obtienen mucho antes.

Salto de barrera de especie. Afecta sobre todo a la mejora de plantas o animales comestibles.

POSIBLES RIESGOS SANITARIOS DE LOS TRANSGÉNICOS

Los alimentos transgénicos comercializados se analizan atendiendo a tres criterios: el contenido nutricional, la presencia de alérgenos y el nivel de toxicidad.

No existe un solo dato que indique que suponen un riesgo para la salud de los consumidores.

Los informes de la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) descartan que los transgénicos supongan ningún riesgo para la salud de las personas, los animales o el medio ambiente.

Quienes se oponen insisten en que el peligro a largo plazo no está demostrado.

POSIBLES RIESGOS AMBIENTALES DE LOS TRANSGÉNICOS

Posible transferencia de genes exógenos a variedades silvestres. (Distancia de seguridad)

Pérdida de biodiversidad. Los agricultores utilizan preferentemente aquellos cultivos que mejor funcionan. (Dejaran de utilizar otros)

Efectos dañinos sobre otros insectos (en el caso transgénicos resistentes a insectos). Antes de conceder el permiso de comercialización se obliga a analizar este riesgo

No se percibe la aparición de nuevos posible riesgos ambientales por el uso de las variedades transgénicas.

Quienes se oponen insisten en que pueden producirse escapes de las semillas al entorno que contaminen el medio ambiente.

La Comisión europea autoriza la presencia accidental de un 0,9% de genes de variedades transgénicas en los cultivos no modificados, y el mismo porcentaje para la presencia de transgénicos en los alimentos para personas.

APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA EN EUCARIOTAS

Terapia génica. Consiste en la introducción de genes en seres humanos para corregir alguna enfermedad genética. Terapia de células germinales: se introduce el gen en los gametos o en el

zigoto de forma que todas las células del organismo quedan modificadas. No está autorizado en ningún país.

Terapia de células somáticas: se introduce el gen en un grupo más o menos amplio de células de forma que la corrección no pasa a la descendencia.

Para la introducción de los genes se emplean retrovirus modificados que se insertan al azar en el genoma.

En algunos casos se ha relacionado la técnica con la aparición de tumores.

TERAPIA GÉNICA

Técnica in vivo Técnica ex vivo

TERAPIA GÉNICA

CLONACIÓN DE SERES VIVOS

Obtención de organismos genéticamente idénticos. La clonación en plantas ocurre continuamente en la

naturaleza. Se basa en existencia de células totipotentes (pueden regenerar un individuo completo). Reproducción asexual Reproducción por esquejes…

La regeneración de una planta a partir de una sola célula mediante callo vegetal, resulta muy útil para la regeneración de plantas transgénicas.

CLONACIÓN ANIMAL

La clonación en animales es más compleja porque no se han encontrado células totipotentes en los adultos capaces de regenerar un individuo completo.

Se ha conseguido la clonación a partir de células embrionarias.

Por la técnica de transferencia nuclear somática se obtuvo el primer mamífero clónico: la oveja Dolly (1987)

CLONACIÓN ANIMAL

Transferencia nuclear somática.

APLICACIONES DE LA CLONACIÓN ANIMAL

Uno de los campos con mayor aplicación es en la ganadería. Mediante el cruce sexual la variabilidad genética es muy grande. La obtención de animales de granja clónicos permite perpetuar

propiedades físico-químicas o nutricionales.

En el futuro podría combinarse la clonación con la ingeniería genética para generar rebaños clónicos transgénicos.

Otro campo de interés es la recuperación de especies en peligro de extinción.

Anecdóticamente hay quién pretende conservar sus mascotas.

CLONACIÓN HUMANA

La clonación humana con fines reproductivos está prohibida, pero la clonación terapéutica es legal en muchos países.

Consiste en implantar, en un óvulo, el material genético de un individuo, y obtener del embrión células madre que podrían dar lugar a diferentes tejidos para trasplantes.

Además se podrían ensayar tratamientos médicos sobre estas células antes de dar los medicamentos al paciente, para conocer la respuesta.

CLONACIÓN TERAPEÚTICA

Las células madre son aquellas que tienen capacidad de multiplicarse y desarrollarse y diferenciarse para dar células especializadas

Sin embargo sólo las células madre pluripotenciales pueden dar origen a diversos tipos celulares.

Células madre Células madre embrionarias pluripotenciales Células madre adultas multipotentes (sólo generan tipos celulares

del tejido del que proceden) Células madre pluripotentes inducidas

CÉLULAS MADRE

CÉLULAS MADRE

CLONACIÓN TERAPEÚTICA

Las células madre embrionarias se obtienen a partir de embriones en las primeras fases de desarrollo.

Para la obtención de los tejidos se destruyen los embriones (problema ético)

Las células madre inducidas (o reprogramadas) no requieren la destrucción de embriones.

CÉLULAS MADRE PLURIPOTENTES INDUCIDAS

PROYECTO GENOMA HUMANO

Se planteo con el objetivo de identificar los genes y la secuenciación completa del genoma humano.

Se inicio en 1990 con un tiempo estimado de finalización de 15 años. Se finalizó cinco años antes de la fecha prevista.

La investigación la realizaron en paralelo 2 proyectos, uno público HUGO y otro privado (Celera Genomics)

BENEFICIOS DEL PROYECTO GENOMA HUMANO

Conocimiento de un patrón normal de referencia del genoma humano.

Por comparación se pueden determinar portadores de enfermedades genéticas.

Prevención y cura de enfermedades hereditarias.

Cuantificación de las posibilidades de manifestar una determinada enfermedad.

Conseguir mayor longevidad a partir del estudio de los genes implicados en el envejecimiento.

Desarrollo de terapias génicas.

IMPLICACIONES ÉTICAS DEL PGH

El uso de los análisis de DNA plantea numerosos problemas éticos:

Especialmente los relacionados con la privacidad y voluntariedad de un análisis genético tan exhaustivo: Aseguradoras, empresarios, u otros podrían utilizar de forma deshonesta

esta información. Comercialización de la información genética.

Mejoras genéticas para características específicas de los

individuos, no relacionadas con enfermedades. Otras implicaciones éticas están relacionadas con técnicas

derivadas del conocimiento del genoma humano: terapia génica, manipulación genética en células germinales…