Los genes son los planos para construir la maquinaria química que mantiene vivas las células. Eso es cierto para los seres humanos y todas las demás formas de vida. Pero ¿sabías que con 20.000 genes, las personas tienen casi 11.000 genes menos que las pulgas de agua? Si el número de genes no predice la complejidad, ¿qué lo hace?
La respuesta es que nuestro material genético contiene mucho más que las unidades que llamamos genes. Igual de importantes son los interruptores que activan y desactivan un gen. Y el modo en que las células leen e interpretan las instrucciones genéticas es mucho más complejo en las personas que en esas pulgas de agua.
Los genes y los interruptores que los controlan están hechos de ADN. Es una larga molécula que se asemeja a una escalera de caracol. Su forma se conoce como doble hélice. Un total de tres mil millones de peldaños conectan las dos hebras exteriores -los soportes verticales- de esta escalera. Llamamos a los peldaños pares de bases por las dos sustancias químicas (pares) de las que están hechos. Los científicos se refieren a cada sustancia química por su inicial: A (adenina), C (citosina), G (guanina) y T (timina). La A siempre se empareja con la T; la C siempre se empareja con la G.
En las células humanas, el ADN de doble cadena no existe como una molécula gigantesca. Está dividido en trozos más pequeños llamados cromosomas. Estos están empaquetados en 23 pares por célula. Esto hace un total de 46 cromosomas. En conjunto, los 20.000 genes de nuestros 46 cromosomas se denominan genoma humano.
La función del ADN es similar a la del alfabeto. Tiene el potencial de transportar información, pero sólo si las letras se combinan de manera que formen palabras significativas. Al encadenar las palabras se obtienen instrucciones, como en una receta. Así que los genes son instrucciones para la célula. Al igual que las instrucciones, los genes tienen un «comienzo». Su cadena de pares de bases debe seguir un orden específico hasta llegar a un «final» definido.»
Si los genes son como una receta básica, los alelos son versiones de esa receta. Por ejemplo, los alelos del gen del «color de los ojos» dan instrucciones para que los ojos sean azules, verdes, marrones, etc. Heredamos un alelo, o versión del gen, de cada uno de nuestros padres. Eso significa que la mayoría de nuestras células contienen dos alelos, uno por cromosoma.
Pero no somos copias exactas de nuestros padres (o hermanos). La razón: antes de heredarlos, los alelos se barajan como una baraja de cartas. Esto ocurre cuando el cuerpo fabrica óvulos y espermatozoides. Son las únicas células con una sola versión de cada gen (en lugar de dos), empaquetada en 23 cromosomas. Los óvulos y los espermatozoides se fusionan en un proceso conocido como fecundación. Esto inicia el desarrollo de una nueva persona.
Al combinar dos conjuntos de 23 cromosomas -un conjunto del óvulo y otro del espermatozoide- esa nueva persona acaba teniendo los dos alelos y 46 cromosomas habituales. Y su combinación única de alelos no volverá a surgir exactamente de la misma manera. Pero no somos copias exactas de nuestros padres (o hermanos). La razón: antes de heredarlos, los alelos se barajan como una baraja de cartas. Esto ocurre cuando el cuerpo fabrica óvulos y espermatozoides. Son las únicas células con una sola versión de cada gen (en lugar de dos), empaquetada en 23 cromosomas. Los óvulos y los espermatozoides se fusionan en un proceso conocido como fecundación. Esto inicia el desarrollo de una nueva persona.
Una célula fecundada necesita multiplicarse para crear todos los órganos y partes del cuerpo del bebé. Para multiplicarse, una célula se divide en dos copias idénticas. La célula utiliza las instrucciones de su ADN y las sustancias químicas de la célula para producir una copia idéntica de ADN para la nueva célula. A continuación, el proceso se repite muchas veces, ya que una célula se copia para convertirse en dos. Y dos se copian para convertirse en cuatro. Y así sucesivamente.
Para crear órganos y tejidos, las células utilizan las instrucciones de su ADN para construir pequeñas máquinas. Éstas controlan las reacciones entre las sustancias químicas de la célula que finalmente producen órganos y tejidos. Estas pequeñas máquinas son las proteínas. Cuando una célula lee las instrucciones de un gen, lo llamamos expresión génica. Una célula fecundada necesita multiplicarse para producir todos los órganos y partes del cuerpo de un bebé. Para multiplicarse, la célula se divide en dos copias idénticas. La célula utiliza las instrucciones de su ADN y las sustancias químicas de la célula para producir una copia idéntica de ADN para la nueva célula. A continuación, el proceso se repite muchas veces, ya que una célula se copia para convertirse en dos. Y dos se copian para convertirse en cuatro. Y así sucesivamente.
¿Cómo funciona la expresión génica?
La expresión de los genes depende de las moléculas auxiliares. Éstas interpretan las instrucciones de un gen para fabricar los tipos de proteínas adecuados. Un grupo importante de estas moléculas auxiliares se conoce como ARN. Es químicamente similar al ADN. Un tipo de ARN es el ARN mensajero (ARNm). Es una copia de una sola hebra del ADN de doble hebra.
Hacer ARNm a partir del ADN es el primer paso en la expresión de los genes. Ese proceso se conoce como transcripción y ocurre dentro del núcleo de la célula. El segundo paso, llamado traducción, tiene lugar fuera del núcleo. Convierte el mensaje de ARNm en una proteína mediante el ensamblaje de los componentes químicos adecuados, conocidos como aminoácidos.
Todas las proteínas humanas son cadenas con diferentes combinaciones de 20 aminoácidos. Algunas proteínas controlan reacciones químicas. Otras transmiten mensajes. Otras funcionan como materiales de construcción. Todos los organismos necesitan proteínas para que sus células puedan vivir y crecer.
Para construir una proteína, las moléculas de otro tipo de ARN, el ARN de transferencia (ARNt), se alinean a lo largo de la cadena de ARNm. Cada ARNt lleva una secuencia de tres letras en un extremo y un aminoácido en el otro. Por ejemplo, la secuencia GCG siempre lleva el aminoácido alanina (AL-uh-neen). Los ARNt hacen coincidir su secuencia con la del ARNm, de tres en tres letras. A continuación, otra molécula auxiliar, conocida como ribosoma, une los aminoácidos en el otro extremo para fabricar la proteína.
Un gen, varias proteínas
Los científicos pensaron en un principio que cada gen contenía el código para fabricar una sola proteína. Se equivocaron. Utilizando la maquinaria del ARN y sus ayudantes, nuestras células pueden fabricar más de 20.000 proteínas a partir de sus 20.000 genes. Los científicos no saben exactamente cuántas más. Podrían ser unos cientos de miles – ¡quizás un millón!
¿Cómo puede un gen fabricar más de un tipo de proteína? Sólo algunos tramos de un gen, conocidos como exones, codifican aminoácidos. Las regiones entre ellos son los intrones. Antes de que el ARNm abandone el núcleo de la célula, unas moléculas auxiliares eliminan los intrones y unen los exones. Los científicos lo denominan empalme del ARNm.
El mismo ARNm puede empalmarse de diferentes maneras. Esto ocurre a menudo en diferentes tejidos (quizás la piel, el cerebro o el hígado). Es como si los lectores «hablaran» diferentes idiomas e interpretaran el mismo mensaje de ADN de múltiples maneras. Esa es una forma en que el cuerpo puede tener más proteínas que genes.
Aquí hay otra forma. La mayoría de los genes tienen múltiples interruptores. Los interruptores determinan dónde comienza un ARNm a leer una secuencia de ADN, y dónde se detiene. Diferentes sitios de inicio o final crean diferentes proteínas, algunas más largas y otras más cortas. A veces, la transcripción no comienza hasta que varias sustancias químicas se unen a la secuencia de ADN. Estos sitios de unión al ADN pueden estar lejos del gen, pero aún así influyen en cuándo y cómo la célula lee su mensaje.
Las variaciones de empalme y los cambios de genes dan lugar a diferentes ARNm. Y éstos se traducen en proteínas diferentes. Las proteínas también pueden cambiar después de que sus bloques de construcción se hayan ensamblado en una cadena. Por ejemplo, la célula puede añadir sustancias químicas para dar a una proteína alguna función nueva.
El ADN contiene algo más que instrucciones de construcción
La fabricación de proteínas está lejos de ser la única función del ADN. De hecho, sólo el uno por ciento del ADN humano contiene los exones que la célula traduce en secuencias de proteínas. Las estimaciones sobre la parte del ADN que controla la expresión de los genes oscilan entre el 25 y el 80 por ciento. Los científicos aún no conocen la cifra exacta porque es más difícil encontrar estas regiones reguladoras del ADN. Algunas son interruptores de genes. Otras producen moléculas de ARN que no participan en la construcción de proteínas.
Controlar la expresión de los genes es casi tan complejo como dirigir una gran orquesta sinfónica. Basta con considerar lo que se necesita para que un solo óvulo fecundado se convierta en un bebé en nueve meses.
¿Así que importa que las pulgas de agua tengan más genes codificadores de proteínas que las personas? La verdad es que no. Gran parte de nuestra complejidad se esconde en las regiones reguladoras de nuestro ADN. Y descifrar esa parte de nuestro genoma mantendrá a los científicos ocupados durante muchos, muchos años.