¿El fin de las enfermedades mitocondriales?

Hoy día 28 de febrero es el Día Mundial de las Enfermedades Raras, raras no porque nadie las entienda, sino porque hay menos de un caso por cada 2.000 habitantes.

En el video que os traemos en particular, la enfermedad de la que se habla es MELAS. Este nombre tan curioso es la forma abreviada de decir miopatía, encefalopatía, acidosis láctica y episodios semejantes a apoplejías (en sus siglas en inglés).

Crédito: Telecinco.

El síndrome de MELAS es una enfermedad mitocondrial, y esto es algo que conviene explicar desde el principio...

Las distintas células que forman nuestro organismo necesitan energía para llevar a cabo sus funciones, que obtienen de la ruptura de los enlaces de una molécula denominada ATP. Es aquí donde entran en juego las mitocondrias, unos orgánulos celulares (estructuras que forman parte de la célula) donde se genera gran cantidad de ATP procedente de la degradación de nutrientes como la glucosa.

Elaboración propia a partir de La mitocondria.

En la célula hay muchos orgánulos encargados de tareas muy diversas y especializadas, pero el caso de las mitocondrias especial: aparte de su función como “centrales energéticas” de la célula, presentan un material genético diferente. En artículos anteriores, ya hemos hablado de que la información genética de las células, el ADN, se localiza en el núcleo. Sin embargo, las mitocondrias también contienen varias copias de su propio ADN (diferente del nuclear), denominado, cómo no, ADN mitocondrial. Aunque la mayoría de los miles de genes que determinan cómo somos se encuentran en el ADN nuclear, los 13 que hay en el ADN mitocondrial son muy importantes, y suficientes para que alguna mutación en los mismos cause graves enfermedades.

La peculiaridad de las mutaciones en el ADN mitocondrial es que se transmiten exclusivamente por vía materna. Cuando se produce la unión de un óvulo y un espermatozoide para formar un cigoto, es el óvulo el que, además de su núcleo, aporta el citoplasma de la célula conteniendo los orgánulos, mientras que el espermatozoide solo contribuye con el ADN de su núcleo. Las mutaciones responsables de la enfermedad deben hallarse, por tanto, en el ADN de las mitocondrias de la madre, que son las que pasarán a los hijos, mientras que un padre enfermo puede tener hijos completamente sanos con una mujer sana, ya que sus espermatozoides no se transmitirán a la descendencia. Sin embargo, que una mujer tenga mitocondrias con su ADN mutado no significa que vaya a padecer la enfermedad, puede ser simplemente portadora. Esto se debe a que la mutación ha de estar presente al menos en un cierto número de mitocondrias (tenemos muchos de estos orgánulos por cada célula, aunque el número varía según la función de la célula en cuestión: por ejemplo, son muy abundantes en neuronas, que necesitan gran cantidad de energía para transmitir impulsos eléctricos).

Elaboración propia a partir de esta imagen de AEPMI.

Una vez aclarada la función de las mitocondrias se pueden deducir algunos de los síntomas mencionados al principio. Y es que la falta de mitocondrias sanas impide el correcto funcionamiento de los procesos de obtención de energía en la célula. Sin esta energía, las fibras musculares no son capaces de trabajar de forma adecuada y se originan miopatías; y también se ven afectadas las neuronas, de ahí la encefalopatía (el encéfalo es el conjunto formado por el cerebro, cerebelo y bulbo raquídeo). En resumen, son muchos órganos y tejidos los que pueden verse afectados, y se trata de una enfermedad de difícil diagnóstico dada la enorme variación de la severidad posible en función de la cantidad de mitocondrias mutantes.

La técnica del “embrión de tres padres” de la que habla el vídeo es conceptualmente sencilla: consiste en una fecundación in vitro en la que de la madre portadora de la mutación sólo se utiliza el ADN del núcleo, y se añade el citoplasma con las mitocondrias de otra donante sana. ¿Quiénes son entonces los padres? Estrictamente, como su nombre indica, los tres. Pero recordemos que el número de genes presentes en el ADN mitocondrial es muy escaso, y ese “tercer padre” solo estaría aportando un 0,0005% de la información genética. Todo esto conlleva numerosas implicaciones éticas que impiden por ahora su uso en España, pero podría ser una alternativa para evitar la herencia de este tipo de enfermedades.

Como el síndrome de MELAS, hay muchas otras enfermedades mitocondriales que se consideran raras por su baja prevalencia en la sociedad, pero no por ello requieren menos atención.

Esperamos que esta pequeña entrada os haya servido para conocer un ejemplo concreto y no poco complejo. Enfermedades raras, sin embargo, hay a miles, y hoy es nuestra forma de darles difusión, y visibilidad. Aunque no tan extendidas como la diabetes, el cáncer o el Alzheimer, son un problema de gran magnitud, especialmente teniendo en cuenta el escaso apoyo que reciben las familias, que se ven obligadas a centrar sus esfuerzos en la recaudación de fondos para la investigación de las mismas, ya que la obtención de nuevos tratamientos “no resulta un gran negocio” y, lamentablemente, la inversión es muy modesta.

Sin embargo, la contribución de las enfermedades raras al estudio de otras enfermedades más comunes ha sido crucial, y ha permitido entender el mecanismo por el que se originan otros síndromes multifactoriales, las cascadas de moléculas implicadas y posibles tratamientos más sencillos.

Fuentes

1. Alberts et al. (2010). Molecular Biology of the cell, 5th edition. Garland Science, New York.
2. Strachan and Read. Human Molecular Genetics, 3ª edición. Garland Science, New York.

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ADN: la molécula que deja huella

Crédito: LaSexta Noticias. 

¿Quién no ha visto una serie policíaca sin que aparezcan las famosas pruebas genéticas? ¿Cuándo se desaprovecha en la tele la oportunidad de decir que se tienen evidencias de ADN contra un sospechoso? Conozcamos o no la base científica de las técnicas implicadas, todos parecemos tener claro que cuando el ADN sale a escena ya no hay nada que esconder, y que constituye una prueba fiel e irrefutable.

En numerosas ocasiones hemos oído que las diferencias genéticas entre individuos son solo del 0,1%. Teniendo en cuenta que nuestro ADN contiene 3.000 millones de pares de nucleótidos (¡unos 2 metros de ADN empaquetados en una sola célula!)... ¿No es esto buscar una aguja en un pajar? En efecto, parece increíble y complejo que acudamos a la genética para buscar aquello que nos distingue y nos hace únicos. El secreto es qué buscamos y cómo lo hacemos. 

El pasado septiembre de 2014 se cumplieron 30 años desde que el genetista británico Alec Jeffreys desarrollase la denominada “huella genética” (DNA fingerprint o perfil genético) en la Universidad de Leicester (Reino Unido)¹.

A la izquierda Alec Jeffreys, que ideó la huella genética en 1984. A la derecha el logotipo de la base de datos CODIS del FBI, que almacena actualmente más de 10 millones de perfiles genéticos criminales. Extraído de 6 y 7. 

Esta técnica se basa en la ordenación por tamaño de una serie de secuencias que son regiones cortas del ADN de 2 a 6 pares de nucleótidos repetidas una detrás de otra un determinado número de veces (normalmente menos de 50). Por esta razón, se conocen como STRs (del inglés short tandem repeats, pequeñas repeticiones en tándem)², aunque también se denominan microsatélites. Los STRs se caracterizan por su gran polimorfismo en comparación con otras regiones del genoma, es decir su tamaño es muy variable entre individuos: cada uno de nosotros tiene un número concreto de repeticiones de estas unidades que le caracteriza y distingue del resto.

La clave reside en que cada progenitor aporta un 50% de esta huella genética³. ¿Esto qué significa? Veamos un ejemplo: si mirásemos una secuencia STR determinada y una persona tuviera esa unidad repetida 8 veces en un cromosoma y 15 veces en el cromosoma homólogo, uno de sus padres tendría entonces 8 repeticiones, y 15 el otro progenitor. Esto es la base de las pruebas de paternidad.
En investigación criminal se analizan varios STRs a la vez en una muestra de ADN obtenida del lugar de los hechos (pelo, huesos, saliva, semen, etc.) y se busca coincidencia en cuanto al número de repeticiones con los STRs de los sospechosos. Allá va cómo se hace...

Una pregunta muy razonable es cómo se ve, macroscópicamente hablando, el número de veces que se repite una secuencia STR si tiene un tamaño tan pequeño (de nanómetros para ser exactos, es decir, un millón de veces menos que un milímetro).
Tras purificarse el ADN de la muestra⁴ hay una etapa fundamental: la reacción de PCR. La PCR o reacción en cadena de la polimerasa⁵ es una técnica de biología molecular que permite, partiendo de una cantidad muy pequeña de ADN, obtener muchas copias de la misma (más de mil millones) en unas pocas horas. Para la generación de huellas genéticas se emplea una variante denominada PCR múltiple, que permite aumentar la cantidad de distintos fragmentos de ese ADN (que contienen los STRs) de forma simultánea.
Una vez se tiene cantidad suficiente de los fragmentos de ADN que se desea analizar, se separan en un gel, en el que quedan situados por orden decreciente de tamaño (los que tengan más repeticiones estarán por encima de los que tengan menos).
Estos STRs se visualizan como bandas en el gel mediante fluorescencia (se irradia con un láser y el fragmento emite luz, de un color distinto para cada STR). Esta es una de las razones por las que es necesario generar muchas copias del material genético de partida mediante PCR, ya que de lo contrario no tendríamos intensidad suficiente para observar las bandas de los fragmentos en el gel.

Dibujo esquemático de un gel en el que se analizan 3 STRs distintos (los llamaremos rojo, azul y verde) en 3 sospechosos (individuos A, B y C). Como se ha explicado, se obtiene un patrón de bandas fluorescentes (2 para cada STR o color, pues recordemos que una se hereda de la madre y otra del padre), donde las bandas superiores corresponden a STRs con más repeticiones que las inferiores. Si se comparan los patrones de los 3 sospechosos con el de la muestra de ADN F obtenida en la escena del crimen (en la que también se analizan los mismos STRs), existe una clara coincidencia con el perfil de B. Elaboración propia a partir de Alberts et al. (2010)⁵. 

Además de los STRs de los cromosomas no sexuales (iguales en el hombre y la mujer), también es muy común el análisis de STRs presentes en el cromosoma Y (masculino), por ejemplo en casos de agresiones sexuales, a partir de muestras de semen.
Otros marcadores de gran interés son los presentes en el ADN de las mitocondrias, los orgánulos encargados de la generación de energía en las células. Y es que no solo hay ADN en el núcleo celular. De hecho, mientras que poseemos una única copia de ADN nuclear en cada célula, existen en torno a unas 1000 de ADN mitocondrial, que además es más resistente a la degradación y lo encontraremos también en células sin núcleo. Además, el ADN mitocondrial tiene una característica especial: se hereda solo de la madre³.

La imagen anterior era un esquema sencillo que mostraba el análisis de 3 marcadores STRs (verde, rojo y azul) pero en realidad, los perfiles genéticos se hacen con kits que permiten estudiar un conjunto de 10 a 17 STRs³. ¿Por qué tantos? ¿No bastaría con analizar un solo marcador?

Ejemplos de huellas genéticas. El ADN de la víctima (imagen de la derecha) se suele mostrar también para descartar repeticiones que pertenezcan a la víctima que pudieran estar contaminando las muestras de ADN tomadas (en el lugar de los hechos no solo está la huella del culpable). Elaboración propia a partir de 8 y 9. 

Que cualquier prueba es infalible cuando contiene la palabra ADN de por medio lo hemos interiorizado inconscientemente de la imagen que a veces dan medios como la televisión. Sin embargo, aunque la probabilidad de que coincidan las huellas genéticas³ de dos individuos no relacionados es muy baja (aproximadamente un caso entre 100000 millones), existe, y además varía en función del tipo de ADN empleado (es mayor si se usa el ADN mitocondrial o STRs del cromosoma Y). Dos situaciones bastante comunes que disminuyen la fiabilidad de las pruebas son que parte de la muestra esté degradada (menos STRs disponibles), o que el agresor y la víctima estén emparentados (menor variabilidad genética).
En definitiva, se analizan muchos STRs a la vez para disminuir el riesgo de que las pruebas den un resultado equivocado.

Con todo, el perfil o huella genética es prácticamente única para cada individuo (excepto en gemelos monocigóticos²) y ha supuesto una verdadera revolución para la resolución de crímenes, la medicina forense, los tests de paternidad, la identificación de víctimas en desastres y una interminable lista de aplicaciones, y sin duda constituye un gran avance frente a la huella digital a la hora de almacenar y cotejar los datos.

Fuentes:

1. DNA Forensics.
2. Mark A. Jobling and Peter Gill. Encoded evidence: DNA in forensic anaysis. Nature Reviews Genetics 5, 739–751 (2004); doi:10.1038/nrg1455.
3. Antonio Alonso Alonso. ADN forense, investigación criminal y búsqueda de desaparecidos. SEBBM Divulgación: la ciencia al alcance de la mano (diciembre 2011).
4. Identificación genética / Análisis de ADN. Portal AJ (Administración Justicia), Ministerio de Justicia, Gobierno de España.
5. Alberts et al., Molecular Biology of the cell, 5th edition (2010). Garland Science, New York.

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