Transgen

Un transgén es un gen que se ha transferido de forma natural, o mediante alguna de las diversas técnicas de ingeniería genética , de un organismo a otro. La introducción de un transgén, en un proceso conocido como transgénesis , tiene el potencial de cambiar el fenotipo de un organismo. Transgén describe un segmento de ADN que contiene una secuencia genética que se ha aislado de un organismo y se introduce en un organismo diferente. Este segmento no nativo de ADN puede conservar la capacidad de producir ARN o proteínas en el organismo transgénico o alterar la función normal del código genético del organismo transgénico. En general, el ADN se incorpora a la línea germinal del organismo . Por ejemplo, en los vertebrados superiores esto se puede lograr inyectando el ADN extraño en el núcleo de un óvulo fertilizado . Esta técnica se utiliza rutinariamente para introducir genes de enfermedades humanas u otros genes de interés en cepas de ratones de laboratorio para estudiar la función o patología relacionada con ese gen en particular.

La construcción de un transgén requiere el ensamblaje de algunas partes principales. El transgén debe contener un promotor , que es una secuencia reguladora que determinará dónde y cuándo está activo el transgén, un exón , una secuencia codificante de proteína (generalmente derivada del ADNc de la proteína de interés) y una secuencia de terminación. Estos se combinan típicamente en un plásmido bacteriano y las secuencias codificantes se eligen típicamente de transgenes con funciones previamente conocidas. ^[1]

Los organismos transgénicos o modificados genéticamente , ya sean bacterias, virus u hongos, sirven para muchos propósitos de investigación. Se han creado plantas , insectos, peces y mamíferos transgénicos (incluidos los seres humanos). Las plantas transgénicas, como el maíz y la soja, han reemplazado a las cepas silvestres en la agricultura en algunos países (por ejemplo, Estados Unidos). Desde 2001 se ha documentado la fuga de transgenes en cultivos transgénicos, con persistencia e invasividad. Los organismos transgénicos plantean cuestiones éticas y pueden causar problemas de bioseguridad .

La idea de moldear un organismo para que se ajuste a una necesidad específica no es una ciencia nueva. Sin embargo, hasta finales del siglo XX, los agricultores y los científicos podían crear nuevas cepas de una planta u organismo solo a partir de especies estrechamente relacionadas, porque el ADN tenía que ser compatible para que la descendencia pudiera reproducirse. ^{[ cita requerida ]}

En los años 1970 y 1980, los científicos superaron este obstáculo inventando procedimientos para combinar el ADN de dos especies muy diferentes mediante ingeniería genética . Los organismos producidos mediante estos procedimientos se denominaron transgénicos. La transgénesis es lo mismo que la terapia génica en el sentido de que ambas transforman las células para un propósito específico. Sin embargo, son completamente diferentes en sus propósitos, ya que la terapia génica tiene como objetivo curar un defecto en las células, y la transgénesis busca producir un organismo modificado genéticamente incorporando el transgén específico en cada célula y modificando el genoma . Por lo tanto, la transgénesis cambiará las células germinales, no solo las células somáticas, para garantizar que los transgenes se transmitan a la descendencia cuando los organismos se reproduzcan. Los transgenes alteran el genoma bloqueando la función de un gen huésped; pueden reemplazar el gen huésped con uno que codifique una proteína diferente o introducir un gen adicional. ^[2]

El primer organismo transgénico fue creado en 1974 cuando Annie Chang y Stanley Cohen expresaron genes de Staphylococcus aureus en Escherichia coli . ^[3] En 1978, las células de levadura fueron los primeros organismos eucariotas en sufrir transferencia de genes. ^[4] Las células de ratón se transformaron por primera vez en 1979, seguidas por embriones de ratón en 1980. La mayoría de las primeras transmutaciones se realizaron mediante microinyección de ADN directamente en las células. Los científicos pudieron desarrollar otros métodos para realizar las transformaciones, como la incorporación de transgenes en retrovirus y luego infectar células; utilizando electroinfusión, que aprovecha una corriente eléctrica para pasar ADN extraño a través de la pared celular; biolística , que es el procedimiento de disparar balas de ADN a las células; y también entregar ADN al óvulo recién fertilizado. ^[5]

Los primeros animales transgénicos estaban destinados únicamente a la investigación genética para estudiar la función específica de un gen y en 2003 ya se habían estudiado miles de genes.

Se han diseñado diversas plantas transgénicas para la agricultura con el fin de producir cultivos modificados genéticamente , como maíz, soja, aceite de colza, algodón, arroz y más. En 2012 ^[actualizar], estos cultivos transgénicos se plantaron en 170 millones de hectáreas en todo el mundo. ^[6]

Un ejemplo de una especie de planta transgénica es el arroz dorado . En 1997, ^{[ cita requerida ]} cinco millones de niños desarrollaron xeroftalmia , una condición médica causada por deficiencia de vitamina A , solo en el sudeste asiático. ^[7] De esos niños, un cuarto de millón se quedó ciego. ^[7] Para combatir esto, los científicos utilizaron la biolística para insertar el gen de la fitoeno sintasa del narciso en cultivares de arroz indígenas de Asia . ^[8] La inserción del narciso aumentó la producción de β-caroteno . ^[8] El producto fue una especie de arroz transgénico rico en vitamina A, llamado arroz dorado . Poco se sabe sobre el impacto del arroz dorado en la xeroftalmia porque las campañas contra los OGM han impedido la liberación comercial completa del arroz dorado en los sistemas agrícolas que lo necesitan. ^[9]

El escape de genes de plantas genéticamente modificadas a través de la hibridación con parientes silvestres fue discutido y examinado por primera vez en México ^[10] y Europa a mediados de los años 1990. Existe consenso en que el escape de transgenes es inevitable, incluso "hay alguna prueba de que está sucediendo". ^[6] Hasta 2008 había pocos casos documentados. ^{[6] [11]}

El maíz muestreado en 2000 de la Sierra Juárez, Oaxaca , México contenía un promotor transgénico 35S, mientras que una muestra grande tomada por un método diferente de la misma región en 2003 y 2004 no lo contenía. Una muestra de otra región de 2002 tampoco lo contenía, pero las muestras dirigidas tomadas en 2004 sí lo contenían, lo que sugiere la persistencia o reintroducción de transgenes. ^[12] Un estudio de 2009 encontró proteínas recombinantes en el 3,1% y el 1,8% de las muestras, más comúnmente en el sureste de México. La importación de semillas y granos de los Estados Unidos podría explicar la frecuencia y distribución de transgenes en el centro-oeste de México, pero no en el sureste. Además, el 5,0% de los lotes de semillas de maíz en las reservas de maíz mexicanas expresaron proteínas recombinantes a pesar de la moratoria sobre los cultivos transgénicos. ^[13]

En 2011, se encontró algodón transgénico en México entre algodones silvestres, después de 15 años de cultivo de algodón transgénico. ^[14]

La colza transgénica Brassicus napus –hibridada con una especie japonesa nativa, Brassica rapa– fue encontrada en Japón en 2011 ^[15] después de haber sido identificada en 2006 en Québec , Canadá. ^[16] Fueron persistentes durante un período de estudio de seis años, sin presión de selección por herbicidas y a pesar de la hibridación con la forma silvestre. Este fue el primer informe de la introgresión –la incorporación estable de genes de un acervo genético a otro– de un transgén resistente a herbicidas de Brassica napus al acervo genético de la forma silvestre. ^[17]

En 2003, se plantó una especie transgénica de agrostis gigantea , diseñada para ser tolerante al glifosato como "uno de los primeros cultivos transgénicos polinizados por el viento, perennes y con alta propensión a la polinización cruzada", como parte de un ensayo de campo a gran escala (alrededor de 160 ha) en el centro de Oregón , cerca de Madrás (Oregón) . En 2004, se descubrió que su polen había llegado a poblaciones silvestres de agrostis gigantea que crecían hasta a 14 kilómetros de distancia. Incluso se encontró polinización cruzada de Agrostis gigantea ^{a una distancia de 21 kilómetros. [18]} El cultivador, Scotts Company, no pudo eliminar todas las plantas modificadas genéticamente y, en 2007, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos multó a Scotts con 500.000 dólares por incumplimiento de las regulaciones. ^[19]

Se ha demostrado que el seguimiento y control a largo plazo de un transgén en particular no es viable. ^[20] La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria publicó una guía para la evaluación de riesgos en 2010. ^[21]

Los ratones modificados genéticamente son el modelo animal más común para la investigación transgénica. ^[22] Los ratones transgénicos se están utilizando actualmente para estudiar una variedad de enfermedades, incluyendo el cáncer, la obesidad, las enfermedades cardíacas, la artritis, la ansiedad y la enfermedad de Parkinson. ^[23] Los dos tipos más comunes de ratones modificados genéticamente son los ratones knockout y los oncomice . Los ratones knockout son un tipo de modelo de ratón que utiliza la inserción transgénica para alterar la expresión de un gen existente. Para crear ratones knockout, se inserta un transgén con la secuencia deseada en un blastocisto de ratón aislado mediante electroporación . Luego, la recombinación homóloga ocurre naturalmente dentro de algunas células, reemplazando el gen de interés con el transgén diseñado. A través de este proceso, los investigadores pudieron demostrar que un transgén puede integrarse en el genoma de un animal, cumplir una función específica dentro de la célula y transmitirse a las generaciones futuras. ^[24]

Los oncomices son otra especie de ratón modificado genéticamente, creado mediante la inserción de transgenes que aumentan la vulnerabilidad del animal al cáncer. Los investigadores del cáncer utilizan los oncomices para estudiar los perfiles de diferentes tipos de cáncer con el fin de aplicar este conocimiento a los estudios en humanos. ^[24]

Se han realizado múltiples estudios sobre la transgénesis en Drosophila melanogaster , la mosca de la fruta. Este organismo ha sido un modelo genético útil durante más de 100 años, debido a su patrón de desarrollo bien entendido. La transferencia de transgenes al genoma de Drosophila se ha realizado utilizando varias técnicas, incluyendo el elemento P , Cre-loxP y la inserción de ΦC31 . El método más practicado utilizado hasta ahora para insertar transgenes en el genoma de Drosophila utiliza elementos P. Los elementos P transponibles, también conocidos como transposones , son segmentos de ADN bacteriano que se translocan al genoma, sin la presencia de una secuencia complementaria en el genoma del huésped. Los elementos P se administran en pares de dos, que flanquean la región de inserción de ADN de interés. Además, los elementos P a menudo constan de dos componentes plasmídicos, uno conocido como la transposasa del elemento P y el otro, la estructura principal del transposón P. La porción del plásmido transposasa impulsa la transposición de la estructura principal del transposón P, que contiene el transgén de interés y, a menudo, un marcador, entre los dos sitios terminales del transposón. El éxito de esta inserción da como resultado la adición no reversible del transgén de interés al genoma. Si bien se ha demostrado que este método es eficaz, los sitios de inserción de los elementos P a menudo son incontrolables, lo que da como resultado una inserción aleatoria y desfavorable del transgén en el genoma de Drosophila . ^[25]

Para mejorar la localización y precisión del proceso transgénico, se ha introducido una enzima conocida como Cre . Cre ha demostrado ser un elemento clave en un proceso conocido como intercambio de casetes mediado por recombinasa (RMCE). Si bien ha demostrado tener una menor eficiencia de transformación transgénica que las transposasas del elemento P, Cre reduce en gran medida la abundancia intensiva en mano de obra ^{[ aclaración necesaria ]} de equilibrar las inserciones aleatorias de P. Cre ayuda en la transgénesis dirigida del segmento del gen de ADN de interés, ya que apoya el mapeo de los sitios de inserción del transgén, conocidos como sitios loxP. Estos sitios, a diferencia de los elementos P, pueden insertarse específicamente para flanquear un segmento cromosómico de interés, lo que ayuda en la transgénesis dirigida. La transposasa Cre es importante en la escisión catalítica de los pares de bases presentes en los sitios loxP cuidadosamente posicionados, lo que permite inserciones más específicas del plásmido donante transgénico de interés. ^[26]

Para superar las limitaciones y los bajos rendimientos que producen los métodos de transformación mediados por transposones y Cre-loxP, recientemente se ha utilizado el bacteriófago ΦC31 . Estudios recientes de gran avance implican la microinyección de la integrasa del bacteriófago ΦC31, que muestra una inserción transgénica mejorada de fragmentos de ADN grandes que no pueden ser transpuestos por elementos P solos. Este método implica la recombinación entre un sitio de unión (attP) en el fago y un sitio de unión en el genoma del huésped bacteriano (attB). En comparación con los métodos habituales de inserción transgénica de elementos P, ΦC31 integra todo el vector transgénico, incluidas las secuencias bacterianas y los genes de resistencia a los antibióticos. Desafortunadamente, se ha descubierto que la presencia de estas inserciones adicionales afecta el nivel y la reproducibilidad de la expresión transgénica.

Una de las aplicaciones agrícolas es la cría selectiva de animales para rasgos particulares: se ha producido ganado transgénico con un fenotipo muscular aumentado mediante la sobreexpresión de un ARN de horquilla corta con homología con el ARNm de la miostatina mediante interferencia de ARN . ^[27] Los transgenes se están utilizando para producir leche con altos niveles de proteínas o seda a partir de la leche de cabra. Otra aplicación agrícola es la cría selectiva de animales que sean resistentes a enfermedades o animales para la producción biofarmacéutica. ^[27]

La aplicación de transgenes es un área de la biología molecular en rápido crecimiento . En 2005 se predijo que en las próximas dos décadas se generarían 300.000 líneas de ratones transgénicos. ^[28] Los investigadores han identificado muchas aplicaciones para los transgenes, en particular en el campo médico. Los científicos se están centrando en el uso de transgenes para estudiar la función del genoma humano con el fin de comprender mejor las enfermedades, la adaptación de órganos animales para trasplantes en humanos y la producción de productos farmacéuticos como la insulina , la hormona del crecimiento y los factores anticoagulantes sanguíneos a partir de la leche de vacas transgénicas. ^{[ cita requerida ]}

En 2004 se conocían cinco mil enfermedades genéticas y el potencial de tratarlas utilizando animales transgénicos es, quizás, una de las aplicaciones más prometedoras de los transgenes. Existe la posibilidad de utilizar la terapia génica humana para reemplazar un gen mutado con una copia no mutada de un transgén con el fin de tratar el trastorno genético. Esto se puede hacer mediante el uso de Cre-Lox o knockout . Además, los trastornos genéticos se están estudiando mediante el uso de ratones, cerdos, conejos y ratas transgénicos. Se han creado conejos transgénicos para estudiar arritmias cardíacas hereditarias, ya que el corazón del conejo se parece mucho más al corazón humano en comparación con el del ratón. ^{[29] [30]} Más recientemente, los científicos también han comenzado a utilizar cabras transgénicas para estudiar trastornos genéticos relacionados con la fertilidad . ^[31]

Los transgenes pueden utilizarse para el xenotrasplante de órganos de cerdo. A través del estudio del rechazo de órganos xenogénicos, se descubrió que se produce un rechazo agudo del órgano trasplantado cuando el órgano entra en contacto con la sangre del receptor debido al reconocimiento de anticuerpos extraños en las células endoteliales del órgano trasplantado. Los científicos han identificado el antígeno en los cerdos que causa esta reacción y, por lo tanto, pueden trasplantar el órgano sin rechazo inmediato mediante la eliminación del antígeno. Sin embargo, el antígeno comienza a expresarse más tarde y se produce el rechazo. Por lo tanto, se están realizando más investigaciones. ^{[ cita requerida ]} Microorganismos transgénicos capaces de producir proteínas catalíticas o enzimas que aumentan la velocidad de las reacciones industriales.

El uso de transgenes en humanos está plagado de problemas en la actualidad. La transformación de genes en células humanas aún no se ha perfeccionado. El ejemplo más famoso de esto involucró a ciertos pacientes que desarrollaron leucemia de células T después de ser tratados por inmunodeficiencia combinada grave ligada al cromosoma X (X-SCID). ^[32] Esto se atribuyó a la proximidad del gen insertado al promotor LMO2 , que controla la transcripción del protooncogén LMO2. ^[33]

• Híbrido
• Proteína de fusión
• Acervo genético
• Flujo genético
• Introgresión
• Hibridación de ácidos nucleicos
• Modelos murinos de metástasis de cáncer de mama

• Cyranoski, D (2009). "Un primate transgénico recién creado puede convertirse en un modelo de enfermedad alternativo a los macacos rhesus". Nature . 459 (7246): 492. doi : 10.1038/459492a . PMID  19478751.