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Transferencia de genes

Los genes no tienen una posición fija en el ADN, ya sea en el cromosoma o en la molécula circular de los procariotas, en su lugar pueden trasladarse en él, lo que da lugar a lo que se conoce como recombinación genética. Son dos los tipos de procesos de recombinación que alteran los genes:

1.- Transferencia de genes: la que puede llevarse a cabo ya que los genes involucrados pueden ser parte de segmentos circulares pequeños extracromosómicos de ADN llamados plásmidos. Los plásmidos pueden entrar y salir del genoma principal en lugares específicos como veremos más adelante y ocurren principalmente en los organismos procariotas. Otra vía de transferencia de genes se produce dentro de trasnposones, los que pueden saltar al azar de un lugar a otro del genoma tanto en procariotas como en eucariotas.

2.- Recombinación recíproca: este otro mecanismo principal que genera recombinación genética se produce en los eucariotas durante la meiosis, y consiste en el intercambio de todo o de una de sus partes entre dos cromosomas homólogos.

Veamos más de cerca ambos procesos.

Transferencia de genes

Ya hemos apuntado arriba que la transferencia de genes se puede hacer debido a la existencia de los plásmidos o al movimiento de los genes dentro de los transposones.

Plásmidos

Los plásmidos entran y salen del genoma principal en sitios donde la secuencia de nucleótidos del ADN coincide con alguna secuencia presente en el plásmido, y este movimiento de genes es típico de los procariotas debido a que la forma extendida del genoma principal de ADN permite su interacción fácil con otros fragmentos de ADN. Algunos plásmidos son muy pequeños y contienen uno o unos pocos genes mientras otros son verdaderamente complejos y contiene muchos genes. Alrededor del 5% del ADN de las bacterias está en la forma de plásmidos.

figura 1
Figura 1. Corte e inserción de un plásmido.

La transferencia de genes a través de plásmidos fue descubierta en 1947 por Joshua Lederberg y Edward Tatum lo que les valió el premio Nobel en 1958.

Para tratar de explicar el origen de los plásmidos consideremos un tramo hipotético de ADN extendido, tal como el de una bacteria (figura 1a), en el que en diferentes localidades de la doble hélice se repite la misma secuencia de nucleótidos, representados en la figura 1 como X, Y, Z y X', Y', Z'. En este caso es posible que ambas zonas repetidas puedan aparear sus pares de bases y formar un bucle temporal con un segmento en el que existen dos dobles hélices que corren paralelas (figura 1b). Todas las células tiene enzimas recombinantes que causan que ambas hélices dobles intercambien su hebras quedando de esta forma el bucle libre del resto del ADN convirtiéndose en un plásmido (figura 1c). Todos los genes incluídos entre las secuencias que se repiten (W) terminan en el plásmido. Una vez que se ha formado el plásmido por intercambio recíproco, la ADN polimerasa lo replica si el plásmido contiene un origen de replicación (vea el artículo Réplica del ADN para saber qué es el origen de replicación), esta réplica a menudo se hace sin el control que restringe al genoma principal a replicarse solo una vez durante la división celular. De este proceso de creación del plásmido resulta un cromosoma más corto al que le faltan los genes que se fueron en el plásmido. Sin embargo, el plásmido nacido de la recombinación puede regresar al ADN principal por el proceso inverso al de su creación con lo que el cromosoma se vuelve a completar.

El regreso del plásmido (o de su réplica) al cromosoma no necesariamente se produce en el mismo sitio donde surgió, y esto implica que su integración al ADN principal, si se hace en lugar diferente al original, constitute un traslado de genes, es decir, el resultado neto es un cambio de posición de un grupo de genes en el cromosoma, o dicho de otra forma, una transferencia de genes.

Los plásmidos pueden pasar de una bacteria a otra y ello fue descubierto por Lederberg y Tatum estudiando el genoma de la bacteria Eschericbia coli. El plásmido que estudiaron recibió el nombre de F, derivado del término en inglés "fertility factor" (factor de fertilidad) debido a que las bacterias que presentaban este plásmido dentro del ADN eran las únicas que podian funcionar como donantes de plásmidos y a tales organismos se les denominó Hfr derivado del término en inglés "high frecuency recombination" (alta frecuencia de recombinación). Entre las características del plásmido F estaba que presentaba un origen de replicación y contenía varios genes que promueven su traspaso a otras células al codificar ciertas sub-unidades de proteínas que construyen una estructura alargada y hueca en forma de tubuladura desde la superficie de la célula llamada pilus.


Cuando las células F+ (aquellas que tiene el plásmido F) construye su pilus y este alcanza a otra célula carente del plásmido (célula F- ) se produce el acercamiento entre las células promovido por el pilus. Ambas células se acercan la cantidad suficiente como para que puedan intercambiar ADN. El proceso de intercambio, conocido como replicación en círculo rodante, sucede como sigue (vea la figura 2):

1.- Primero el plásmido F se une al interior de la célula F+ en un sitio inmediatamente detrás del pili.

2.- Una vez anclado en su sitio, el plásmido F comienza a replicar su ADN. A medida que se va haciendo la réplica, uno de los cordones del ADN del plásmido va creciendo hacia la otra célula por el interior del pili.

3.- Una vez en el nuevo huésped se le agrega el cordón complementario al cordón simple importado con lo que queda creado un nuevo y estable plásmido F. La célula donante hace lo mismo y completa el plásmido.

A través de esta vía, los genes se pueden transferir de una bacteria a otra y a esta transferencia se le llama transferencia por conjugación.

figura 2

Figura 2. Transferencia de genes por conjugación entre bacterias.


Un plásmido F insertado en el genoma principal y no libre en el citoplasma en una célula HFr también puede organizar la transferencia de genes. Ahora la región F integrada, se ancla detrás del pilus e inicia la réplica de todo en genoma bacteriano transfiriendo continuamente la nueva región replicada a la célula receptora. Note que la transferencia procede como si todo el genoma formara parte del plásmido F.

Transposones

Tres años más tarde del descubrimiento de Lederberg y Tatum, los transposones fueron descubiertos por Barbara McClintock, sin embargo, como el resultado de su descubrimiento implicaba que los genes debían tener una posición cambiante en el genoma, no recibió la inmediata aceptación por parte de la comunidad científica acostumbrada a ver los genes como entidades fijas, y por ello tuvo que esperar hasta 1983 para recibir el premio Nobel por su descubrimiento.

Los transposones son pequeños segmentos de ADN capaces de moverse de una localización a otra en el genoma auxiliados por la enzima transposasa que ellos codifican y que los inserta en otro sitio en el genoma. A este proceso se le denomina transposición. Debido a que tal enzima no reconoce ningún sitio específico en el ADN los transposones parece que cambian su posición al azar.

Después de pasar muchas generaciones en un lugar, un transposón puede de manera abrupta moverse a una nueva posición en el genoma llevando con él varios genes y con ello producir efectos con un gran impacto evolutivo, veamos:

1.- Si se inserta dentro de la secuencia de un gen puede producir la destrucción de la función del gen en lo que se conoce como inactivación por inserción, lo que se piensa que es causa frecuente de mutaciones espontáneas en los organismos.

2.- La transposición puede facilitar la movilización de genes, esto es, colocar juntos en un lugar a genes que normalmente están ubicados en diferentes posiciones en el genoma. Esta situación puede conducir a cambios relativamente rápidos en el comportamientos de los organismos. Así por ejemplo, las bacterias pueden tener un número de genes que codifican enzimas que las hacen resistentes a ciertos antibióticos y muchos de esos genes están en plásmidos. La utilización clínica de múltiples antibióticos de forma simultanea favorece la persistencia de aquellos plásmidos que han logrado acumular varios genes resistentes, haciendo difícil la tarea de tratar ciertas infecciones o enfermedades dada su escasa respuesta al uso de antibióticos. La transposición puede producir rápidamente esos plásmidos compuestos a través del traslado de los genes resistentes a los antibióticos desde varios plásmidos a uno.

Recombinación recíproca

La recombinación recíproca, típica de los eucariotas con reproducción sexual, se produce en la división celular por meiosis durante la formación de los gametos. En el artículo dedicado a la meiosis se explica que durante esta división celular particular, los cromosomas homólogos se alinean lado con lado dentro del complejo sinaptoménico e intercambian hebras de ADN en uno o varios sitios produciendo cromosomas con una nueva combinación de alelos?, proceso conocido como entrecruzamiento cromosómico. El entrecruzamiento cromosómico juega un papel clave en la producción de variaciones naturales en los organismos al brindar la posibilidad de juntar en el mismo cromosoma los genes que determinan varios rasgos que luego se manifiestan en la descendencia.

figura 3

Figura 3. Entrecruzamiento cromosómico desigual.


No siempre la recombinación recíproca funciona bien, y el hecho de que esta se produce en cualquier región a lo largo de los cromosomas con secuencias suficientemente similares como para producir al apareamiento, hace que en ocasiones se produzcan errores durante el maridaje de los cromosomas homólogos. Estos errores pueden ocurrir cuando existen secuencias repetidas contiguas en zonas de los cromosomas. En tales casos el apareamiento se produce entre una secuencia de un cromosoma y otra secuencia igual en el otro cromosomas que no corresponde a la posición homóloga, si no, a una de las otras copias con la misma secuencia. Este defecto de alineación representa el deslizamiento de un cromosoma con respecto al otro en el apareamiento que puede conducir más tarde a pequeñas eliminaciones de ADN y a cambios en el marco de lectura de los codones.

Si se produce un entrecruzamiento cromosómico en la región mal apareada resulta en el entrecruzamiento cromosómico desigual debido a que los homólogos intercambian segmentos de diferente longitud, y esto significa que uno de los cromosomas gana múltiples copias de la secuencia repetida mientras el otro las pierde (figura 3).

Otra situación que puede ocurrir ocasionalmente durante el apareamiento sucede debido a que los homólogos no son idénticos, por lo que puede darse el caso que algunos nucleótidos en un homólogo no sean complementarios a la contraparte del otro homólogo y se puedan formar pares desajustados durante el entrecruzamiento cromosómico. Cuando la enzima correctora "revisa" los cordones del nuevo ADN formado al momento de su replicación, si detecta este problema lo corrige utilizando un método radical. El nucleótido "discordante" se recorta y desecha en uno de los homólogos y se reemplaza con un nucleótido complementario al del otro homólogo, luego los pares de bases asociadas en el primer homólogo se sustituyen de modo que se producen dos cromosomas con la misma secuencia. A este "arreglo" se le conoce como conversión de genes.



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