Análisis de expresión génica de bolsillo


affymetrix_gene-chip_1_bigTodas y cada una de las células que nos componen tienen, en principio, la misma información genética.  Pero una neurona no es igual a un linfocito o a una célula hepática o renal.  Dada tipo celular es diferente en términos de morfología y funcionalidades.

Así que debe de haber mecanismos que activen ciertos genes en ciertas células y silencien otros.  Estos mecanismos están siendo masivamente estudiados por su importancia en campos tales como biología del desarrollo — ¿cómo sabe una célula que parte del óvulo fecundado que tiene que convertirse en un tipo celular u otro? –, en la biología del cáncer — en el cáncer las células dejan de expresar ciertos genes que controlan su ciclo y se descontrola su crecimiento –, etc.  Este problema es muy interesante y hablaremos de él en algún momento.  Pero en esta entrada lo que queremos contar son las técnicas actuales que nos permiten medir qué genes están siendo expresados o no.

La aplicación de estas técnicas es fundamental en los análisis diagnósticos genéticos y permiten, y permitirán, un control sobre ciertas enfermedades genéticas y sobre problemas relacionados con la expresión de genes.  Así que vamos a intentar explicar qué son los chips de ADN (microarrays).

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El ADN y el ARN

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El ADN es una molécula compuesta por:

  1. Un esqueleto de azúcares con fósforo.
  2. Cuatro moléculas denominadas bases nitrogenadas que se denominan A, T, G, C.

bases-nitrogenadas

Las bases nitrogenadas unidas a los azúcares forman los nucleótidos:

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Las bases nitrogenadas se pueden unir por pares siguiendo la regla A-T, G-C.  Entre las bases se forman puentes de hidrógeno, uniones electroestáticas débiles.  El ADN es una cadena inmensamente larga de nucleótidos enfrentada a otra cadena complementaria.  Por cada A/G en una cadena habrá una T/c en la otra, y viceversa.

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La forma tridimensional que toma la molécula es la de una doble hélice.

índice

En la secuencia de bases está codificada la información genética.

En el ARN las cosas son parecidas aunque no iguales.  El ARN forma una única cadena (en general) y la molécula timina (T) está sustituida por el uracilo (U).  El uracilo también tiene la propiedad de formar enlaces débiles con la A.

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ADN_ARN

Expresión de genes

Generalmente un gen codifica la información necesaria para construir una molécula (aunque no siempre).  Para simplificar supondremos que un gen es un trozo de ADN que contiene la información necesaria para la construcción de una molécula determinada.

El mecanismo para construir la proteína se basa en que las cadenas de ADN son complementarias, entonces hay un sistema que abre las hebras y que hace una copia complementaria de ARN (que también verifica la regla de complementariedad de la secuencia).  Luego el ARN se transporta hacia la zona de construcción de proteínas y se consigue el objetivo.

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Lo que tenemos que tener en mente es que al expresarse un gen aparece el ARN asociado al mismo.  La buena noticia es que somos muy buenos extrayendo ARN de las células.

Convirtiendo ARN en ADN

Los virus son muy malos, bueno solo algunos, pero nos han regalado algunas cosas sorprendentes.  Una de ellas vino de la mano de encontrar virus que solo contenían ARN como código genético. ¿Cómo se implantaban en nuestra información genética compuesta de ADN?  Pues gracias a un mecanismo denominado retrotranscripción o transcripción inversa.  Existen mecanismos tales que dada una hebra de ARN son capaces de copiar la hebra complementaria de ADN.  Posteriormente dicha hebra de ADN copiada (ADNc) se complementa y listo, hemos traducido nuestro ARN inicial en ADN.  ¿Mola o no mola?

El virus HIV usa este procedimiento, es un retrovirus.

El virus HIV usa este procedimiento, es un retrovirus.

Midiendo la expresión génica en una tablita

Imaginemos que hacemos los siguientes pasos:

  • Construimos una placa en la que disponemos de una malla tal que en cada sitio de la malla podemos anclar una hebra individual de ADN.
  • En dicha malla anclamos el trozo de ADN monohebra de un gen que queramos estudiar.

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  • Ahora tomamos distintas células, por ejemplo células sanas de un tipo y células cancerosas procedentes de dicho tipo celular.
  • Aislamos el ARN de esos dos tipos de células y por un procedimiento de transcripción inversa las traducimos a ADN.  Pero, en el proceso de retrotranscripción le proporcionamos al mecanismo nucleótidos de ADN (A,T,G,C) con átomos fotosensibles en su estructura. Emitirán luz verde en el caso de las copias procedentes de células sanas y luz roja en el caso de las células cancerosas.  Esto se pondrá de manifiesto cuando iluminemos la placa de la forma adecuada.

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  • Una vez que tenemos los ADN copiados de los ARN iniciales (y marcados adecuadamente) los copiamos una y otra vez mediante un proceso PCR.
  • Calentamos el ADN copiado para separar las hebras por un proceso denominado desnaturalización y lo tiramos sobre la placa con las hebras de ADN del gen que queremos ver si se expresa o no en las células consideradas.

¿Qué pasará?

Si en las células el gen se expresa tendrá el ARN correspondiente, por tanto en sus copias tendremos dicho gen en ADN copiando (y amplificado por PCR).  Solo esas copias podrán proporcionar la hebra complementaria a la hebra anclada a la placa.  Así que dejamos un tiempo suficiente para que las hebras se unan entre sí en caso de estar y luego lavamos la placa para quitar todas las hebras no ancladas.

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Luego se ilumina la placa y…

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Claro, esto puede no parecer muy interesante (estoy de broma) pero la cosa se pone seria cuando nos damos cuenta de que podemos monitorizar la expresión de miles de genes en muchas clases celulares distintas.  Basta con tener una placa dividida en regiones y saber qué gen y que clase celular hemos puesto:

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Además del interés biológico evidente que tiene esta técnica las técnicas matemáticas para manejar la cantidad de información que se puede generar con ellas está siendo objeto de un intenso estudio.  Se están empleando campos tales como teoría de grafos, teoría de juegos y campos aún más apasionantes e interesantes de la matemática. Ni que decir tiene que los informáticos que se dedican a las ciencias de la salud tienen una gran tarea por delante con este tema. Y Tal vez hablemos de ello en algún momento.

Referencias

Introduction to DNA-microarrays
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 Nos seguimos leyendo…

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