Genomas y ADN for dummies

Ulmo

Mucho se ha avanzado en el tema desde que allá rondando el año 2.000 se secuenció el primer ser humano al completo. Lo que parecía que iba a ser el último obstáculo que nos iba a permitir descifrar completamente todos los enigmas codificados en nuestro DNA en realidad nos abrió las puertas a un sin fin de nuevas preguntas.

Si bien a mucha gente le resulta familiar la palabra ADN (DNA en sus siglas en inglés), la grandísima mayoría de personas tienen un profundo desconocimiento de qué es lo que sabemos de él, qué técnicas y estudios existen en la realidad y cuáles son sus implicaciones.

En este post trataré de realizar una guía desenfadada sobre nuestro genoma, repleta de generalizaciones, inexactitudes y que harían sangrar los ojos de cualquier experto en la materia, pero que a su vez creo que puede resultar muy útil para que cualquiera sin una base científica entienda las conceptos e implicaciones básicas.

Consideraciones previas

Antes de empezar a soltar el royo aclarar algunos conceptos básicos:

No todas las células de nuestro cuerpo tienen el mismo DNA
La mayoría de mutaciones no se heredan
Nuestro DNA no explica todo lo que somos

¿Que es nuestro genoma?

Ilustro esta sección con el proyecto internacional ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) que precisamente busca anotar todos aquellos elementos que forman parte de nuestro genoma.

Pese a la creencia popular de mezclar genes y genoma, la realidad es que de todo nuestro genoma (DNA), solo entre un 1% y 2% son genes propiamente dichos. ¿Entonces qué sucede con el otro 98%?

Cualquiera que se pare a pensar unos instantes sobre el hecho de que todas las células de nuestro cuerpo tienen prácticamente el mismo DNA, notará enseguida que algo no acaba de cuadrar: ¿Si todas tienen el mismo DNA como es posible que se comporten de formas tan diferentes?

Aquí reside el quid de la cuestión. La gran mayoría de nuestro genoma o es un residuo evolutivo sin función concreta actual o está destinado a controlar y administrar ese 2% de genes. De esta forma, un mal funcionamiento de esta parte encargada de controlar y administrar qué genes estarán activos en qué tipo de tejido, puede ser tan crítico y dañino como tener un gen defectuoso.

Secuenciación: Leyendo nuestro DNA

En este apartado voy a ser bastante impreciso para lograr que cualquiera pueda entender cómo podemos leer nuestro DNA en la actualidad.

La imagen que encabeza esta sección es de una máquina de secuenciación Illumina, una de las denominadas Next Generation Sequencing (NGS). Básicamente, a este máquina le pasas un preparado de DNA y troceándolo en muchos trozos pequeños es capaz de leerlo. ¿Así de simple? La realidad es que no, el principal problema es que el tamaño de esos trozos hace muy difícil la reconstrucción del puzzle.

Para entender bien como funciona la NGS y cuales son sus limitaciones haré un símil:

El dictado en clase

¿Seriais capaces de resolver el puzzle? Pese a riesgo a equivocarme, a día de hoy jamás se ha conseguido reconstruir el puzzle directamente sin ayudas externas, ni con la ayuda de las más modernas computadoras ni los más complejos algoritmos.

Grandes proyectos de secuenciación humana

Pese a las enormes limitaciones la secuenciación humana nos está ofreciendo una inmensa cantidad de información sobre enfermedades, desarrollo y variabilidad poblacional.

Todo ello ha provocado que los último años se haya disparado de forma exponencial el número de proyectos para secuenciar personas por múltiples razones, la mayoría de ellas relacionadas con el estudio de enfermedades. De entre todas ellas, el cáncer es la enfermedad estrella que actualmente acapara los mayores estudios de secuenciación. Si tenemos en cuenta que en la actualidad secuenciar completamente a una persona tiene unos costes que pueden rondar entre los 1.000 y los 2.000€, sin hacer nada más con los datos ni contar la compra de todas las máquinas, entenderéis que cuando hablamos de proyectos que secuencian a centenares o miles de personas, las cifres que se manejan no son precisamente pequeñas.

No quiero alargarme mucho más porque ello implicaría entrar en mucho más detalles y prefiero dejar este post como meramente introductorio y que ya cada uno pregunte cualquier duda que tenga.

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Ulmo

Aprovechar este hilo para preguntar dudar, hipotetizar sobre el futuro de todo el asunto de la secuenciación, etc.

Desde aqui pido perdon a todos los entendidos en el tema a los que les hayan sangrado los ojos con mis simplificaciones, está pensado para el español medio :clint:

Además las explicación está claramente sesgada hacia el NGS de estudio de enfermedades genéticas que es al fin y al cabo mi especialidad.

T-1000

Hostia que interesante, tienes mi manita y a favoritos xD

B

Siempre me he preguntado como esta codificada la informacion en esperma + ovulo para que en el proceso embrionario las celulas se especialicen y queden donde tienen que estar.

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Hipnos

Yo no entiendo cómo funciona el ADN, ¿me lo puedes explicar como si fuera un niño de 5 años?

Sé que tiene que ver con la geometría, pero no entiendo a qué se refiere explícitamente cuando se dice que el ADN gestiona, determina, etc.

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cabron

#5

No entiendo que preguntas exactamente, así que te doy una respuesta genérica. El adn se encarga de determinar las secuencias de aminoácidos que forman las proteínas. Cada gen es específico de una proteína diferente.

Las proteínas al final intervienen en prácticamente todo lo que hace un ser vivo, ya que se usan para estructuras del cuerpo, metabolismo, etc...

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Hipnos

#6 ¿Pero cómo hace eso? Es decir, si yo pongo una cadena de ADN en un bote sin nada, no ocurre nada ¿verdad?

¿Cómo se "activa"? ¿Cómo es su operativa?

3 respuestas
T-1000

#7 a través de la Transcripción genética

cabron

#7

Es que no funciona solo por sí mismo, es el conjunto de la célula. Hay una parte de la célula, los ribosomas, que se encargan de 'leer' la molécula de adn.

Existen unos cuantos tipos de moléculas que pueden estar en el adn. Esas moléculas se pueden 'juntar' en un número limitado de combinaciones. A cada una de esas combinaciones le corresponde un aminoácido. El ribosoma va leyendo cada combinación de la molécula de adn y va añadiendo el aminoácido correspondiente a la proteína que se está sintetizando.

El proceso de activación también lo controla la propia célula, pero la célula a su vez responde a procesos regulados por proteínas que a su vez son sintetizadas por el adn...

De hecho por eso siempre ha existido la polémica sobre si los virus estaban vivos o no, por que los virus tienen material genético, pero por sí solos no hacen nada (como el ejemplo que pones de tener adn en un bote), necesitan secuestrar a una célula, insertar su material genético en ella, y que sea todo el mecanismo de la célula infectada el que empiece a leer ese material genético.

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Ulmo

#4 Lo hace a base de simetrias bilaterales. Es un tanto dificil de explicar pero así a brocha gorda:

El lugar donde el espermatozoido colisiona con la pared del óvulo es el primer punto de referencia, a partir de ese punto se crea una honda de propagación (juraría que de calcio pero puedo estar patinando) que ya determina la primera simetría.

A partir de ahí todo empieza a tirar a partir de reglas de simetría y diferentes potenciales y concentraciones de elementos.

#7 Hacen falta proteinas encargadas de leer el DNA, si pones DNA en un bote no pasa nada, si lo pones en una célula depende de la secuencia sí que pueden pasar cosas. De hecho en manipulación genética es habitual meter DNA dentro de células para dotarlas de nuevos genes y nuevas funciones.

#9 Los ribosomas no leen ADN, leen ARN, el ADN lo lee la RNApolimerasa.

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cabron

#10

Bueno, me he comido ese paso, pero al final el resumen es parecido al que había puesto, cambia que en lugar de que el ribosoma lee el adn, la RNApolimerasa lee el adn generando arn, que es lo que lee el ribosoma.

SevenOfThem

¿Desde hace cuánto se conoce el concepto de ADN como tal, desde antes de aislarlo en 1869? ¿Siempre se conoció con el nombre de ADN (o ácido desoxirribonucleico) desde el momento en que se descubrió? ¿Existía la genética como campo o todo eso y el interés en los genes humanos los introdujo Mendel?

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Ulmo

#12 Antes de aislarse se hipotetizaba sobre su existencia como la causa más probable, de todas formas en 1869 se consiguió aislar pero seguía sin conocerse su composición. No fue hasta Watson y Crick que ya se confirmaron las 4 bases (ACGT) y todo el rollo.

Existía interés por la evolución y por como los rasgos pasaban de generación en generación pero logicamente no se conocía la causa, solo se constataba el hecho.

Hipnos

Un niño de 5 años se suicidaría escuchando estas respuestas XD

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cabron

#14

Si lo quieres simplificar a la mínima expresión, no son más que reacciones químicas. No hay ninguna conciencia, ni inteligencia detrás, es como si echas potasio en agua caliente, se produce una reacción que hace que explote, y ocurre pues por que las leyes de la física son así.

Pues esto es igual, solo que son moléculas muy complejas, y sus reacciones son complicadas, movimientos, atrapar cosas, catalizar reacciones, crear estructuras, replicarse, etc... pero al final ocurren simplemente por que la estructura molecular que tienen les hacen reaccionar así.

8 días después
B

Hipnos #14, no sé cómo quieres entender qué es el ADN así "al vuelo". Es como si preguntas a hda "explícame la física cuántica como si fuese un niño de 5 años". O a Duronman la conjetura de la discrepancia de Erdös o P=NP. Libros de ciencias naturales de la E.S.O. o bachillerato y poco a poco (lo que hice yo por ejemplo al pasarme de informática a nutrición; que a uno tampoco se le caen los anillos y creo que tú querías hacer algo parecido con la I.A. en el campo de la robótica).

No es una crítica ojo, es que creo que es más "fácil" a largo plazo que lo hagas así que no leyendo divulgación sobre ello. Hard facts, raw data.

Mi pregunta: ¿los tests genéticos se estandarizarán alguna vez en lo que llaman "precision medicine" o "patient centered care"? Quitando el tema ético de saber si tienes el APOE4 (por ejemplo) cuando no se puede ni prevenir ni tratar ni curar. Estoy harto de que me lo vendan en cualquier charla de genética cuando la gente en el sistema de salud público estás que lo podrá absorber y estás que habrá tiempo para explicar a cada paciente poquito a poquito qué significa cada cosa con su penetrancia, su riesgo absoluto en su nivel de vida, etc...

Veo más los proyectos de estudio del genoma como investigación básica que por aplicación práctica (puede sonar la campana en una investigación indirecta siempre, ojo).

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Hipnos

#16 He tenido que abandonar la idea de simulación de neuronas (ya que había todo un equipo sobre un proyecto de investigación europea sobre el tema, no era nada novedoso), pero ya os adelantaré cosillas sobre otro tema del que entraré en unos meses.

Sobre lo del ADN, la verdad es que no esperaba entenderlo todo, sólo una idea general de cómo funciona el ADN aunque sea a grandes rasgos. Ya sé la información que contiene y sé cómo está formado, lo que no sé es cómo funciona.

La idea viene de un reddit muy chulo que busca exactamente eso: https://www.reddit.com/r/explainlikeimfive

Dicho esto, podríamos hacer un hilo de este estilo en ciencia.

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B

#17
Estoy en contra de esas iniciativas. Como he dicho, me gusta explicarlo como más "como es" mejor. Los errores se producen por simplificaciones y demás.

B

#10 woah que pasada. Esta todo como optimizado, es una maravilla xD. Ya se que respondo tarde pero estaba fuera, sorry.

#17 en casi cualquier cosa que te metas habra gente haciendolo ya... si solo es un equipo o 2 es lo mejor, puedes discutir con gente pero no esta demasiado lleno el campo. Si es algo totalmente nuevo puedes tener mucha suerte o nada de suerte, e incluso si tienes suerte y te sale algo (como a Mochizuki con la conjetura abc y las teorias interuniversales de Teichmuller) puede ser que quede aparcado porque nadie quiera dedicarle el tiempo a entenderlo. (no digo que mole, pero es lo que hay.) En cuanto a las simulaciones de neuronas creo que conozco a ese equipo y tambien definitivamente conozco al lider del equipo que lo hace en USA y son buenos, pero seguro que estarian encantados de colaborar con mas gente. Que seguramente no te importe mucho pero ahi queda xD.

B

Duronman soltándolas ahí al final del post como quien no quiere la cosa.

26 días después
Tattoo

#5 A ver si soy capaz de explicarlo como a un niño de 5 años xD.

El DNA es una molecula, como lo es una proteina, un acido graso o un azucar. Debido a su composicion y estructura, es una molecula muy estable (a pH fisiologico, es decir, el de las celulas), lo que hace que sea muy buena para almacenar información, pero no tiene ningun otro tipo de actividad, el DNA solo no puede hacer nada.

Para utilizar la información contenida en el DNA, necesitas proteínas y RNA, al principio, se pensaba que el RNA solo era un intermediario entre el DNA y las proteínas, ahora se sabe que hay RNAs que tienen mas funciones (reguladores de la expresión genica, por ejemplo), y de hecho, el mayor complejo que hay en una celula, los ribosomas, que son complejos ribonucleoproteicos (estan formados por rRNA y proteinas) que traducen la informacion de los mRNAs en proteínas, son ribozimas, es decir, la actividad catalitica reside en el rRNA y las proteinas ribosomicas solo juegan un papel regulador y estructural.

Hay una teoria que dice que la vida empezó como un mundo de RNA, pues una misma molecula de RNA in vitro puede tener tanto actividad nucleolitica como polimerasa, segun las condiciones de reacción, y esta teoria dice que al principio, tanto la función como la información, residian en el RNA y que la evolución dio lugar al DNA, una molecula mucho mas estable como "guardian" de la información y a las proteínas como "ejecutoras" de la función y que el RNA evoluciono para hacer de "puente" entre el DNA y las proteínas. Vale, este tocho no es para niños de 5 años, pero tenia que dejar claro algunos conceptos, si quieres/quereis que profundice o explique mejor algun concepto dimelo.

Ahora viene lo facil. Imaginate que la celula es una imprenta, de las antiguas, que van por moldes, no por impresoras modernas. Las celulas tienen toda la informacion necesaria tanto como para autogestionarse, como para replicarse.

El DNA vendrían a ser los moldes en negativo, que al darles una capa de tinta y acuñar una hoja en blanco, saldria una hoja legible, estas hojas serian el RNA. Simplificando las cosas, las personas serian los ribosomas, que leyendo estas hojas, podrian interpretarlas y ejecutar lo que viene escrito, desde como como construir nuevos moldes (mas DNA, lo que serian las DNA polimerasas) a como levantar los cimientos y poner las paredes de la fabrica (sintesis de acidos grasos para la membrana plasmatica) o incluso información de como mantener y como actuar en las distintas situaciones que se pueden dar en la fabrica (funciones reguladoras, como por ejemplo reparar daño en el DNA, cuando expresar cierta proteína, etc...).

Pero al final, y como tu decias al principio, el DNA por si solo no hace nada es una molecula inerte, como los moldes de una imprenta, necesita toda una maquinaria y personal para utilizar todo lo que esta codificado en el DNA.
Espero que mas o menos te sirva, o por lo menos, nos sirva de base para explicarte lo que no entiendas

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Hipnos

#21 pues una misma molecula de RNA in vitro puede tener tanto actividad nucleolitica como polimerasa

La actividad nucleolitica entiendo que es exactamente lo que hace el ADN, almacenar información, y la actividad polimerasa no sé lo que es.

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Ulmo

#22 #21 Creo que con esa frase se ha colado y se refería a la RNApol que no es RNA. Al menos yo desconocía que el RNA tubiera capacidad polimerasa (sintetizadora de DNA o RNA) o actividad nucleolítica (destructora de DNA o RNA).

La última puede ser discutible, ya que como el RNA puede enlazar DNA, podría de alguna forma forzar su degradación, ¿pero actividad polimerasa? Yo creo que es un typo.

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Tattoo

#23 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11358999

Tambien lo puedes encontrar en la wiki sobre las ribozymas, esta frase cita precisamente ese articulo "Investigators studying the origin of life have produced ribozymes in the laboratory that are capable of catalyzing their own synthesis under very specific conditions, such as an RNA polymerase ribozyme."

No puedo asegurarte que toda la frase de "una misma molecula de RNA segun las condiciones sea nucleasa o polimerasa" sea 100% pq es algo que escuche en una charla, pero no se cual es la referencia. Lo que si es seguro es que hay RNAs cataliticos tanto para polimerizar (como el articulo que te he enseñado) como para producir cortes endonucleoliticos, como las hammerhead ribozymes

Tattoo

#22 Actividad nucleolitica es degradar acidos nucleicos, hay dos tipos, exonucleasas y endonucleasas, el DNA es una cadena, la exonucleasas lo degradan por los extremos y las endonucleasas generalmente cortan por secuencias especificas (el DNA es una repeticion de adeninas, timinas, citosinas y guaninas, ATGC)
Una polimerasa como acaban de comentar, es el nombre de las enzimas que sintetizan DNA/RNA (como son polimeros de las bases que antes te comente, ATGC, reciben ese nombre)

Hipnos

¿Hay algún ejemplo sencillo donde pueda ver lo que hace cada cosa en una "operación" donde intervenga el ADN?

Es decir, partiendo de una célula concreta, analizar un único proceso en el cual intervenga directamente el ADN y pueda ver qué función tiene cada una de las enzimas/proteínas que intervienen.

Tattoo

No se si te servira, pero este es el Operon de la lactosa, un operon es una region de DNA que contiene la informacion de varias cosas relacionadas y que en cierta manera se autorregula.
El operon de la lactosa como su nombre indica, participa en el metabolismo de la lactosa. Por temas de ahorro de energia a una celula no le interesa estar fabricando cosas que no le interesan, en este caso, si no hay lactosa, no le interesa producir las proteinas que participan en este metabolismo, como lo hace?
Si te fijas en lo amarillo, es el promotor, un promotor es una secuencia de DNA tal, que es reconocida por la RNA pol II (junto a otras señales, no solo la secuencia) para inciar la transcripcion de los genes que tiene a continuacion (en el caso del operon lac, por ejemplo es una beta galactosidasa, para romper la lactosa (disacarido) en glucosa y galactosa (monosacaridos); o una permeasa, para aumentar la cantidad de lactosa que entra en la celula).
Bien, para controlar la actividad del promotor, justo despues hay un operador, este operador es reconocido por una proteina (en este caso es un represor) que se une a esa secuencia y bloquea el paso de la RNA pol II, por tanto, no se pueden expresar esos genes.
Como funciona este sistema? Cuando hay lactosa en la celula, ésta se une al represor, y produce un cambio en esta proteina que impide que se una al operador, de este modo, la RNA pol II puede continuar y transcribir los genes del metabolismo de la lactosa.

Asi, que como puedes ver. Toda la información esta en el DNA (el promotor, el operador, los genes del metabolismo, el gen del represor) pero necesita de las proteinas y otras moleculas (RNA polimerasa, el represor, la lactosa, la permeasa, la beta galatosidasa) para realizar la funcion

Tattoo

Una cosa que a lo mejor te ayuda a comprender tambien el funcionamiento o que es el DNA, es que todo lo que te he explicado es bajo el contexto del DNA en un cromosoma en una celula. A que me refiero? A que si tu sintetizas artificialmente una molecula de DNA con una secuencia aleatoria, probablemente, ese DNA no haga nada, el DNA se utiliza para codificar señales, de varios tipos, es como la diferencia entre escribir algo o aporrear el teclado con la cabeza

Hipnos

O sea, que toda cadena de ADN tiene una serie de bloqueadores tipo proteína que se desactivan cuando se cumplen ciertas condiciones.

Y hay un operador, el ARN pol II, que constantemente revisa la secuencia de ADN para ver si alguna orden no está bloqueada y puede proceder. Entonces se recoge esa secuencia de ADN como si se tratase de un "molde" en una secuencia de ARN (transcripción).

Esa secuencia de ADN en este caso entiendo que es la que motiva la producción de lactasa para dividir la lactosa en glucosa y galactosa. ¿Me equivoco?

Y si no me equivoco, ¿cuál es el siguiente paso para esa cadena de ARN? ¿Cómo estimula la producción de lactasa?

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Tattoo

#29 No todos promotores funcionan de la misma forma, algunos tienen operadores, otros no, los operadores pueden ser ativadores y represores segun el tipo, ademas esto es principalmente en bacterias, que es mas sencillo. En eucariotas, el DNA esta asociado a unas proteinas que se llaman histonas, estas histonas pueden hacer que el DNA este muy empaquetado, por lo que no hay transcripcion, o mas "relajado" facilitado la misma. Hay muchisimos sistemas de regulacion, e incluso hay genes que apenas se regulan, poseen lo que se llaman promotores constitutivos, pq estan activos continuamente, ya que son genes cuyo producto tiene mucha demanda, como por ejemplo la actina, es un componente del citoesqueleto de las celulas. Hay casi tantos sistemas de regulacion como te puedas imaginar.
Respecto a la RNA pol II, por norma general no está "leyendo" el DNA en espera de una señal, si no que hay proteinas que reconocen los promotores, que son las que reclutan a la polimerasa. Por ejemplo, antes de que realmente se inicie la transcripcion, se forma un complejo de preiniciacion con mas de 20 proteinas (la propia RNA pol II esta formada por varias proteinas diferentes), para que veas el nivel de complejidad que hay, y esto permite que la regulación se de a multiples niveles