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A6. Polianiones como portadores de información genética - Biología

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Hay otras razones por las que los polianiones son moléculas genéticas útiles, además de su resistencia al ataque nucleofílico. Quizás lo más importante es que la interferencia estérica evita que la ribosa en el ARN adopte la conformación del extremo 2 'y solo permite la forma del extremo 3', lo que excluye la aparición de hélices extendidas de ds-B-RNA.

Colaboradores

  • Prof. Henry Jakubowski (Colegio de San Benito / Universidad de San Juan)

Genética bacteriana

David P. Clark, Nanette J. Pazdernik, en Molecular Biology (Segunda edición), 2013

Transformación, captación de ADN desnudo

La transferencia de genes mediante la captación de ADN desprotegido o "desnudo" se conoce como transformación.

El ADN desnudo se refiere al ADN que no está asociado con proteínas, lípidos o cualquier otra molécula para ayudar a protegerlo. El ADN desnudo es el resultado de la liberación de información genética en el entorno circundante, como la explosión de células. El ADN entrante a veces se incorpora al genoma bacteriano después de la absorción. La transformación es principalmente un procedimiento de laboratorio, aunque algunas células son naturalmente "competentes" para tomar ADN desnudo. Las células pueden volverse competentes mediante el tratamiento con diversos productos químicos.

La transferencia de caracteres heredados por transformación fue parte de la prueba original de que el ADN (no la proteína) es el material genético.

Oswald Avery y sus colegas proporcionaron evidencia de ADN como material genético de experimentos de transformación utilizando steotococos neumonia en 1944. Dos cepas de S. pneumoniae están presentes, uno es virulento y el otro no es virulento. Avery añadió ADN extraído de la cepa virulenta a cultivos de S. pneumoniae. El avirulento S. pneumoniae tomó parte del ADN por transformación y, como resultado, pudo matar a un ratón. Este experimento ayudó a convencer a muchos de que el ADN era la información genética.

La transformación ocurre en ciertas bacterias en condiciones naturales.

Las bacterias grampositivas pueden desarrollar una competencia natural en cultivos muy densos. Esta competencia se debe a la acción de las feromonas, que son péptidos cortos que actúan como señales químicas y viajan entre organismos. Dado que las feromonas de competencia solo se inducen cuando los cultivos son muy densos, esto probablemente asegura que las bacterias solo absorban ADN desnudo de especies estrechamente relacionadas.


Nanomedicina para la terapéutica combinada de fármacos contra el cáncer: avances recientes, desafíos y perspectivas de futuro

Mahfoozur Rahman,. Farhan Jalees Ahmad, en Estrategias de nanoformulación para el tratamiento del cáncer, 2021

1.4 Conclusiones y perspectivas de futuro

Los ácidos nucleicos proporcionan una opción atractiva en la terapia contra el cáncer. En este capítulo se analizan varios desafíos, incluidos los que obstaculizan la eficacia terapéutica y la traducción clínica. Se ha utilizado un enfoque multidisciplinario para construir los nanoportadores cargados con fármacos antineoplásicos combinados y NA para terapias dirigidas contra el cáncer. Se han empleado vehículos no virales para administrar NA y fármacos anticancerosos sintéticos al alterar sus propiedades fisicoquímicas. La nanomedicina desarrollada encontró características mejoradas para superar las barreras individuales. Este capítulo resume el avance en la administración de fármacos NA solos o en combinación con otros fármacos quimioterapéuticos en términos de nanoportadores de NA no virales sensibles para superar ciertas barreras. Estos nanoportadores han mostrado excelentes estímulos endógenos o externos de manera receptiva y eficaz en el microambiente del tumor y mostraron una inhibición significativa del crecimiento del tumor. Algunas cuestiones clave en el desarrollo de nanoportadores cargados con NA / fármacos anticancerosos sintéticos están en traducción clínica y deben abordarse con urgencia.


Manual de genética psiquiátrica

Comentando la construcción social del cerebro para el Revista estadounidense de psiquiatría, Leo Eisenberg dio la bienvenida al regreso del cerebro a la psiquiatría al exclamar: "¡El cerebro está de moda y es un desarrollo bienvenido!" 1 Las reflexiones sobre el cerebro nunca han abandonado realmente la psiquiatría. Más bien, fueron archivados con experimentos mentales, tanto como Freud había archivado su gran manuscrito del "Proyecto para una psicología científica", tan inseguro estaba de sus postulados. Con la neurociencia contemporánea, por supuesto, todo esto ha cambiado. Desde las moléculas hasta las imágenes cerebrales y la mente, escudriñamos el cerebro con múltiples lentes, de los cuales la genética es solo uno. Que los genes contribuyen a la expresión de los trastornos psiquiátricos está fuera de discusión. A pesar de muchos contratiempos, el renovado vigor de la investigación genética es fundamental, ya que plantea una pregunta crucial para el campo: ¿cuánto de "quiénes somos" es "lo que somos"? El frenesí de actividad en genética psiquiátrica ha llevado a esta disciplina a un punto en el que sería bienvenida una mirada retrospectiva. Los médicos en práctica, los residentes en formación y los estudiantes de posgrado que comienzan su investigación podrían utilizar un libro hábilmente ensamblado que analice el campo. los Manual Es un intento juicioso, pero estropeado en ciertos capítulos por un tono proselitista más adecuado para un panfleto. Drs. Blum y Noble, ambos distinguidos investigadores en el campo, han propuesto que el alelo TAQ1 del receptor DRD2 es un importante marcador de susceptibilidad al alcoholismo. También han propuesto la existencia de un “síndrome de deficiencia de recompensa” en portadores del alelo TAQ1. Estas hipótesis se discuten con celo en muchos capítulos a lo largo del libro.

El libro está organizado en seis secciones, discutiendo 1) Enfoques analíticos, 2) Análisis de ADN, 3) Biología molecular de receptores y proteínas asociadas, 4) Genética psiquiátrica, 5) Trastornos por uso de sustancias y 6) Impacto genético en el comportamiento. La utilidad de estos capítulos dependerá de quién entre los lectores designados lea realmente este manual. Los médicos que deseen comprender mejor la importancia de los muchos tipos de receptores que impregnan la literatura sobre psicofarmacología encontrarán la sección III más útil. Ofrece muy buenas descripciones de los diferentes sistemas transmisores, en particular de los sistemas de dopamina y serotonina. Los estudiantes de posgrado que se dedican a la genética psiquiátrica también encontrarán útil la sección 3, quizás junto con los capítulos más técnicos en las secciones 1, 2 y 6. Los propios genetistas pueden encontrar útil esta descripción general del campo, aunque su valor para ellos será limitado. .

Como la mayoría de los manuales de ciencia, éste tiene ciertos inconvenientes característicos. Los investigadores no encontrarán informes recientes importantes discutidos como el del clon 22 en el cromosoma 18p11.2 en el trastorno bipolar. 2 Esto es excusable, por supuesto, y refleja solo los retrasos incorporados en la publicación. El tono proselitista mencionado anteriormente lo es menos. Cerca de 130 páginas, o un tercio de este libro de 481 páginas, está dedicado al campo principal de investigación del editor: estudios de asociación relacionados con el alelo TAQ1 del receptor D2. Se dedica mucho esfuerzo estadístico y dialéctico a responder a los críticos de esta hipótesis. No hay nada intrínsecamente malo en esto. En los círculos científicos, los manuales a veces sirven para propósitos tales como responder a los críticos, presentar datos de respaldo que pueden no haber sido incluidos en artículos publicados y permitir que los investigadores expresen sus opiniones sin la censura previa de la pluma del editor. En este caso, desafortunadamente, la misma evidencia sobre el alelo TAQ1 se repite en tantos capítulos que es difícil evitar la impresión de que los editores no pudieron editarse ellos mismos.

No obstante, la publicación de este manual enfatiza la importancia actual de la genética para la psiquiatría. Por lo tanto, la discusión cuidadosa de la metodología utilizada es oportuna y pertinente, y en ningún tema lo es más que los estudios de asociación. Los datos de los estudios de asociación abundan en este manual, así como en las revistas actuales. Estos estudios son favorecidos por los investigadores por la facilidad con la que pueden llevarse a cabo y por su sensibilidad a los pequeños efectos genéticos. Sin embargo, los numerosos informes contradictorios que han elaborado han puesto en duda su auténtica utilidad. Editoriales recientes en Psiquiatría molecular 3 llegaron al consenso de que, más allá de sus limitaciones, los estudios de asociación siguen siendo una herramienta importante de la genética psiquiátrica. A pesar de sus muchas trampas, es probable que los estudios de asociación pequeños sigan desempeñando un papel en la medida en que sus fenotipos estén definidos de manera restringida y puedan proporcionar datos para un metanálisis más amplio. Para hacer estos estudios más comparables entre sí, varios autores han propuesto principios y estándares metodológicos uniformes. 3 Estos no serían diferentes a los estándares que se aplican en química para la nomenclatura de compuestos químicos o en biología molecular para la clasificación de receptores de serotonina. Una forma común y un lenguaje común sirven a una causa común.

La genética psiquiátrica es una de las fronteras de la psiquiatría que está redefiniendo nuestros conceptos sobre las condiciones psiquiátricas y su tratamiento. La genética, tal como se aplica al comportamiento, ha sufrido de charlatanería y malevolencia. Nuestra disciplina sigue sufriendo este mal legado. Sin embargo, la legitimidad futura de la psiquiatría radica en cómo abordaremos, evaluaremos, criticaremos y moldearemos conceptos como los presentados por la genética psiquiátrica en una teoría coherente de la mente. Por señalar la necesidad, complejidad, limitaciones y promesas de este esfuerzo, los autores del Manual de genética psiquiátrica son para felicitar.

El Dr. Raby es becario de psiquiatría pública en la Universidad de Columbia, Nueva York, NY.

Editado por Kenneth Blum y Ernest Noble. , Boca Raton, FL, CRC Press, 1997, 498 páginas, ISBN 0-8493-4486-7, $ 119.00

1. Eisenberg L: La construcción social del cerebro. Soy J Psiquiatría 1995 152: 1563–1576 Crossref, Medline, Google Scholar

2. Sanders AR, Yoshikawa T, Badner JA, et al: desequilibrio de ligamiento entre el trastorno bipolar y los marcadores en el cromosoma 18p11.2. Resumen n. ° NR93, reunión anual de la Asociación Estadounidense de Psiquiatría, San Diego, CA, 17 al 22 de mayo de 1997 Google Scholar

3. Owen MJ, Holmans P, McGuffin P: Estudios de asociación en genética psiquiátrica. Psiquiatría molecular 1997 2: 270–273 Crossref, Medline, Google Scholar


Contenido

El gen codifica un miembro de la superfamilia de enzimas del citocromo P450. Las enzimas de la subfamilia CYP2C, incluida la CYP2C19, representan aproximadamente el 20% del citocromo P450 en el hígado adulto. [7] Estas proteínas son monooxigenasas que catalizan muchas reacciones involucradas en el metabolismo de fármacos y la síntesis de colesterol, esteroides y otros lípidos. Esta proteína se localiza en el retículo endoplásmico y se sabe que metaboliza muchos fármacos. El polimorfismo dentro de este gen está asociado con una capacidad variable para metabolizar fármacos. El gen se encuentra dentro de un grupo de genes del citocromo P450 en el brazo q24 del cromosoma 10. [8]

CYP2C19 también posee actividad epoxigenasa: es una de las principales enzimas responsables de atacar varios ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga en sus enlaces dobles (es decir, alqueno) para formar productos epóxido que actúan como agentes de señalización. Metaboliza:

    a varios ácidos epoxieicosatrienoicos (también denominados EET) a ácidos 9,10-epoxi octadecaenoico (también denominados ácido vernólico, ácido linoleico 9:10-óxido o leucotoxina) y 12,13-epoxi-octadecaenoico (también denominado ácido coronario, ácido linoleico 12,13-óxido o isoleucotoxina) a varios ácidos epoxidocosapentaenoicos (también denominados EDP) y a varios ácidos epoxieicosatetraenoicos (también denominados EEQ). [9] [10] [11]

Junto con CYP2C19, CYP2C8, CYP2C9, CYP2J2 y posiblemente CYP2S1 son los principales productores de EET y, muy probablemente, EEQ, EDP y epóxidos del ácido linoleico. [10] [12]

La farmacogenómica es un estudio que analiza cómo la estructura genética de un individuo afecta la respuesta a los medicamentos de este individuo. Hay muchas variaciones genéticas comunes que afectan la expresión de la Gen CYP2C19, que a su vez influyen en la actividad enzimática en las vías metabólicas de aquellos fármacos en los que interviene esta enzima.

El Pharmacogene Variation Consortium mantiene la base de datos de nomenclatura de alelos del CYP humano y asigna etiquetas a los polimorfismos conocidos que afectan la respuesta al fármaco. Una etiqueta consta de un carácter de asterisco (*) seguido de un número. La variante más común (también llamada tipo salvaje) tiene la etiqueta CYP2C19 * 1. Los genotipos variantes de CYP2C19 * 2 (NM_000769.2: c.681G & gtA p.Pro227Pro rs4244285), CYP2C19 * 3 (NM_000769.2: c.636G & gtA p.Trp212Ter rs4986893) y CYP2C19 * 17 (NM_000769) rs12248560) [13] son ​​factores importantes atribuidos a diferencias interindividuales en la farmacocinética y la respuesta a los sustratos de CYP2C19.

CYP2C19 * 2 y * 3 (alelos con pérdida de función) están asociados con una actividad enzimática disminuida, [14] [15] mientras que CYP2C19 * 17 (alelo con ganancia de función) produce un aumento de la actividad. [16] El Grupo de Trabajo del Comité de Práctica Clínica de la Asociación de Patología Molecular recomendó que estas tres variantes de alelos se incluyan en el panel de pruebas farmacogenómicas clínicas mínimas, llamado Tier 1. El panel extendido de alelos variantes, llamado el nivel 2, además incluye los siguientes alelos CYP2C19: * 4.001 (* 4A), * 4.002 (* 4B), * 5, * 6, * 7, * 8, * 9, * 10 y * 35, todos ellos asociados con disminución actividad enzimática. Aunque estos alelos de nivel 2 se incluyen en muchas plataformas, no se incluyeron en las recomendaciones de nivel 1 debido a la baja frecuencia de alelos menores (que pueden aumentar las ocurrencias de falsos positivos), un impacto menos bien caracterizado en la función de CYP2C19 o una falta de referencia materiales. En asociación con la comunidad de pruebas clínicas, los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades establecieron el Programa de materiales de referencia de pruebas genéticas para satisfacer la necesidad de materiales de referencia caracterizados disponibles públicamente. Su objetivo es mejorar el suministro de ADN genómico bien caracterizado y disponible públicamente que se utiliza como material de referencia para pruebas de aptitud, control de calidad, desarrollo / validación de pruebas y estudios de investigación. [13]

Las frecuencias alélicas de CYP2C19 * 2 y * 3 son significativamente más altas en las poblaciones chinas que en las europeas o africanas, [17] y se encuentran en aproximadamente el 3-5% de las poblaciones europeas y el 15-20% de las asiáticas. [18] [19] Entre la población árabe, la frecuencia de los genotipos CYP2C19, incluidos * 1 / * 17, * 1 / * 2, * 2 / * 2, * 3 / * 3 y * 1 / * 3, fue del 20,2%, 16,7%, 6,1%, 5,45%, 0,7% y 0,35%, respectivamente. [20] En un estudio de 2,29 millones de participantes de investigación genética directa al consumidor, las frecuencias generales de * 2, * 3 y * 17 fueron 15,2%, 0,3% y 20,4%, respectivamente, pero variaron según el origen étnico. Los diplotipos variantes más comunes fueron * 1 / * 17 al 26% y * 1 / * 2 al 19,4%. Los genotipos menos comunes * 2 / * 17, * 17 / * 17 y * 2 / * 2 ocurrieron en 6.0%, 4.4% y 2.5%, respectivamente. En general, el 58,3% de los participantes tenía al menos un alelo CYP2C19 con función aumentada o sin función. [21]

CYP2C19 está involucrado en el procesamiento o metabolismo de al menos el 10% de los medicamentos comúnmente recetados. [22] Las variaciones de la enzima pueden tener una amplia gama de impactos en el metabolismo de los fármacos. En pacientes con una variante anormal de CYP2C19, se deben evitar ciertas benzodiazepinas, como diazepam (Valium), lorazepam (Ativan), oxazepam (Serax) y temazepam (Restoril). [23] Otras categorías de fármacos afectados por CYP2C19 modificado incluyen inhibidores de la bomba de protones, anticonvulsivos, hipnóticos, sedantes, fármacos antipalúdicos y fármacos antirretrovirales. [22]

Sobre la base de su capacidad para metabolizar (S) -mefenitoína u otros sustratos de CYP2C19, los individuos pueden clasificarse en metabolizadores ultrarrápidos (UM), metabolizadores rápidos (EM) o metabolizadores lentos (PM). [19] [24] En el caso de los inhibidores de la bomba de protones, los PM presentan una exposición al fármaco de 3 a 13 veces mayor que la de los EM. [25] Los alelos de pérdida de función, CYP2C19 * 2 y CYP2C19 * 3 (y otros, que son objeto de investigación en curso) predicen PM, [19] y el alelo CYP2C19 * 17 de ganancia de función predice UM. [22]

Aunque la cantidad de enzima CYP2C19 producida por el alelo * 17 es mayor que la del alelo * 1, [26] si los portadores del alelo * 17 experimentan alguna diferencia significativa en la respuesta a los fármacos en comparación con el tipo salvaje, es un tema de la investigación en curso, los estudios muestran resultados variables. [24] [27] Algunos estudios han encontrado que el efecto de la variante * 17 sobre el metabolismo de omeprazol, pantoprazol, escitalopram, sertralina, voriconazol, tamoxifeno y clopidogrel [24] [28] es modesto, particularmente en comparación con el impacto de la pérdida. alelos de función (* 2, * 3), por lo tanto, en el caso de estos medicamentos, a veces se aplica la designación EM en lugar de la UM. [24] Por ejemplo, los portadores del alelo * 17 no demostraron un pH gástrico diferente en comparación con * 1 después de tomar el inhibidor de la bomba de protones omeprazol, un sustrato de CYP2C19. [24] Otros estudios concluyeron que el alelo * 17 parece ser el factor responsable de una menor respuesta a algunos fármacos, incluso a dosis más altas, por ejemplo, al escitalopram para la remisión de los síntomas en pacientes con trastorno depresivo mayor.[27] El estado de portador de CYP2C19 * 17 se asocia significativamente con una mejor respuesta al clopidogrel y se observó un mayor riesgo de hemorragia, el mayor riesgo se observó en pacientes homocigotos con CYP2C19 * 17. [29] [30] Un estudio encontró que la concentración sérica de escitalopram fue 42% menor en pacientes homocigotos para CYP2C19 * 17. [31] Una limitación importante de todos estos estudios es el análisis de un solo gen, ya que la mayoría de los fármacos que son metabolizados por CYP2C19 también son metabolizados por las enzimas CYP2D6 y CYP3A4. Además de eso, otros genes están involucrados en la respuesta al fármaco, por ejemplo, el escitalopram es transportado por la glicoproteína P, codificada por la ABCB1 gene. Para que los estudios sobre CYP2C19 * 17 sean concluyentes, deben excluirse las diferencias en otros genes que afectan la respuesta al fármaco. [27] La ​​prevalencia de la variante CYP2C19 * 17 es menos del 5% en las poblaciones asiáticas y es aproximadamente cuatro veces mayor en las poblaciones europeas y africanas. [24]

Los alelos CYP2C19 * 2 [32] y * 3 pueden reducir la eficacia de clopidogrel (Plavix), un medicamento antiplaquetario. La base de este efecto reducido de clopidogrel en pacientes que tienen un gen de actividad reducida puede parecer algo paradójico, pero puede entenderse de la siguiente manera. El clopidogrel se administra como un "profármaco", un fármaco que es inactivo cuando se toma, y ​​luego depende de la acción de una enzima en el cuerpo para activarse. En pacientes con un gen de actividad reducida, es posible que clopidogrel no se metabolice a su forma biológicamente activa y, por lo tanto, no logre un efecto farmacológico en el organismo. El riesgo relativo de eventos cardíacos importantes entre los pacientes tratados con clopidogrel es de 1,53 a 3,69 veces mayor para los portadores de CYP2C19 * 2 y CYP2C19 * 3 en comparación con los no portadores. [33] Una revisión sistemática y un metanálisis de 2020 también confirmaron que la variante CYP2C19 * 2 tiene una fuerte asociación con la resistencia al clopidogrel. [32]

La siguiente es una tabla de sustratos, inductores e inhibidores seleccionados de CYP2C19. Cuando se enumeran clases de agentes, puede haber excepciones dentro de la clase.


Terapia génica mediada por liposomas

I.A.2 Liposomas

Si bien el ADN desnudo es adecuado para inyección intramuscular, se degrada rápidamente tras la administración intravenosa. Una forma de proteger el ADN de la degradación y, al mismo tiempo, permitir la entrega eficaz de genes es mediante el uso de liposomas. Debido a su simplicidad, los liposomas son, con mucho, el sistema de administración de ADN no viral más comúnmente utilizado. Felgner y colaboradores informaron del primer uso de liposomas como vehículo de administración de genes en 1987. La Fig. 1 muestra la estructura de algunos lípidos comunes usados ​​para producir liposomas. De estos, los dos lípidos más utilizados para in vitro las aplicaciones son norte- [1- (2,3-dioleoiloxi) propilo] -norte,norte,norte-metilsulfato de trimetilamonio (DOTAP) y norte- [1- (2,3-dioleoiloxi) propilo] -norte,norte,norte-cloruro de trimetilamonio (DOTMA), pero hay muchos lípidos diferentes disponibles y la formulación se puede adaptar para adaptarse a la aplicación específica. Por ejemplo, se pueden agregar a la mezcla lípidos auxiliares como DOPE que facilitan la fusión de los liposomas con las membranas celulares. Para aplicaciones clínicas, el lípido más utilizado es el 3-β [norte-(norte′,norte′ -Dimetilaminoetano carbamoil)] colesterol (DC-Chol).

Figura 1 . Estructuras de algunos lípidos catiónicos de uso común y lípidos auxiliares utilizados para la entrega de genes.

Los complejos de liposoma / ADN (lipoplejos) se forman mediante la adición de ADNp a una solución de liposomas preformados. Tras la adición del pDNA, se produce el reordenamiento de los lípidos de manera que el DNA se recubre con una bicapa lipídica (mostrada en la Fig. 2). La mayoría de los lípidos utilizados actualmente contienen grupos de cabeza cargados positivamente. La carga positiva facilita la asociación de los liposomas con el ADN cargado negativamente. Además, tras la administración sistémica, el exceso de carga positiva ayuda a formar una interacción electrostática con proteínas de la matriz extracelular cargadas negativamente. En particular, se ha demostrado que el sulfato de heparina es el receptor de los lipoplejos.

Figura 2 . Micrografía electrónica de lípido: complejo pDNA (lipoplex).

Se ha demostrado que los lipoplexos son capaces de administrar pDNA a una variedad de tipos de células. in vitro y en vivo. Cuando los lipoplejos entran en contacto con las membranas celulares, son endocitosados ​​y depositan su carga de pDNA en el citoplasma de la célula diana. La mayor parte del pDNA se degrada, pero parte se transloca al núcleo donde se expresa transitoriamente. Cuando se administra localmente mediante inyección intratumoral, los lipoplejos se absorben y se observa expresión génica en aproximadamente 1 a 10% de las células tumorales. Cuando se administran, los lipoplexos por vía intravenosa interactúan con las proteínas séricas y se recubren con ellas. Esto conduce a su absorción por el sistema RES y puede explicar en parte la baja eficiencia de transfección de estos vectores. Sin embargo, la expresión génica se observa en todos los órganos principales, y el pulmón muestra el nivel más alto de actividad en ratones. La expresión génica alcanza su punto máximo a las 24 h y se observa una expresión génica de alto nivel durante aproximadamente 2 días. Se ha demostrado que la administración sistémica de lipoplexes da como resultado una respuesta inmune inespecífica que se caracteriza por altos niveles de producción de citocinas y activación de células asesinas naturales. Se cree que esto se debe a la presencia de motivos CpG no metilados presentes en el pDNA. Los lipoplexos generalmente no están dirigidos específicamente, pero pueden hacerse específicos mediante la adición de ligandos dirigidos tales como glicolípidos que se dirigen al hígado o anticuerpos monoclonales.

A pesar de las muchas ventajas que presenta el uso de métodos de administración de ADN no víricos, todavía existen muchos problemas importantes que deben superarse para que su uso generalizado sea factible. La limitación más significativa de los sistemas no virales es la baja eficiencia de transfección y la expresión génica de bajo nivel resultante que se observa. Para muchos regímenes de tratamiento, es deseable una expresión prolongada y de alto nivel del gen terapéutico. Debido a que solo un pequeño porcentaje de células expresan el gen entregado, es posible que no se pueda lograr el alto nivel de expresión que es necesario para un efecto terapéutico.

Otra dificultad con los sistemas no virales es su incapacidad para atacar tejidos específicos. Muchos sistemas no virales, como la pistola de genes o la inyección de ADN desnudo, se basan en métodos físicos para administrar ADNp a las células. Por naturaleza, estos métodos son difíciles de apuntar a tejidos específicos. Sin embargo, se ha realizado mucho trabajo utilizando promotores específicos de tejido para limitar la expresión génica al objetivo de interés.


Entrega de genes mediante métodos físicos

3.2 Entrega de ADN desnudo

Una inyección de ADN desnudo, sin ningún portador, en los tejidos locales o en la circulación sistémica es probablemente el método físico / mecánico más simple y seguro para la administración de genes. El ADN plasmídico desnudo es un vector genético no viral atractivo debido a su simplicidad inherente y porque se produce fácilmente en bacterias y se manipula utilizando técnicas estándar de ADN recombinante. Muestra muy poca diseminación y transfección en sitios distantes después del parto y se puede volver a administrar varias veces en mamíferos (incluidos primates) sin provocar una respuesta inmune. Además, contrariamente a la creencia común, la expresión de genes extraños a largo plazo a partir de ADN plasmídico desnudo es posible incluso sin integración cromosómica si la célula diana es posmitótica (como en el músculo) o mitótica lenta (como en los hepatocitos) y si se produce una reacción inmune contra el cuerpo extraño. la proteína no se genera [5].

El primer informe de expresión plasmídica directa después de la inyección intramuscular directa en miofibras fue publicado por Wolff et al. en 1990 [5]. Fue un hallazgo inesperado, donde el uso de ácidos nucleicos desnudos se mantuvo como control para experimentos diseñados para evaluar la capacidad de los lípidos catiónicos para mediar en la expresión. en vivo. Aunque el nivel de expresión transgénica fue relativamente bajo, fue suficiente para lograr la vacunación, y este informe formó una base adicional para generar respuestas inmunes antivirales por inyección intramuscular de plásmidos que codifican antígenos virales. Estas respuestas inmunes en animales contra diversos agentes infecciosos llevaron al desarrollo de vacunas de ADN terapéuticas [10]. Hoy en día, el mundo de las vacunas de ADN ha alcanzado el nivel de los ensayos clínicos contra diversas enfermedades, incluido el SIDA, los tumores y otros agentes infecciosos virales, mediante la inyección directa de ADN plasmídico en los músculos esqueléticos.

El nivel de expresión génica se rige significativamente por el método de inyección de plásmido. Una inyección guiada por una iluminación intensa a lo largo del eje longitudinal del músculo cuádriceps del ratón y paralela a las miofibras ha mostrado niveles 200 veces más altos de expresión de luciferasa que la inyección perpendicular [11]. Recientemente, la inyección de ADN plasmídico también se utilizó para expresar macromoléculas biológicas como eritropoyetina (EPO) y leptina, con resultados alentadores. Isner, en 1999, propuso la transferencia génica intramuscular para la angiogénesis terapéutica [12] mediante la entrega del ADN plasmídico para el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF). Este método promueve el desarrollo de vasos sanguíneos colaterales suplementarios que constituyen conductos de derivación endógenos alrededor de las arterias nativas ocluidas, para tratar la isquemia crítica de las extremidades [13,14] y la isquemia miocárdica [15].

Aparte de la obtenida para los músculos esqueléticos, la expresión transgénica eficiente se logró mediante la inyección directa de ADN en el hígado [16, 17], tumores sólidos [18], epidermis [19], folículos pilosos [19] y vías respiratorias pulmonares [20]. .

Los científicos estudiaron la inyección intratumoral directa de varias citocinas y genes inhibidores del crecimiento tumoral, con resultados satisfactorios para la vacunación tumoral [21]. La inmunidad antitumoral se logró mediante la inyección directa de genes inhibidores del crecimiento tumoral, que inhibieron el crecimiento tumoral y provocaron una respuesta inmunitaria a través de la captación de células tumorales apoptóticas por las células presentadoras de antígenos [21].

La administración intratraqueal directa de ADN plasmídico también mostró expresión génica en las vías respiratorias del ratón [20]. La administración de ADN plasmídico que codifica el gen de cloranfenicol acetiltransferasa (CAT) en agua estéril ha mostrado expresión del transgén CAT con 1 y 3 días de expresión máxima y detectable hasta 28 días después de la administración de ADN [20]. Zheng y col. [22] mostró la expresión del transgén de luciferasa con un nivel máximo de instilación de ADN de 6-12 h después de la instilación y detectable hasta 72 h. Sin embargo, la expresión génica prolongada se logró mediante dosis repetidas [22]. Recientemente, Glasspool y Malone también informaron de una mejora significativa en la transferencia de genes pulmonares mediada por ADN desnudo mediante el uso de ácido aurintricarboxílico, inhibidor de la nucleasa [23]. Debido al excelente perfil de seguridad, la transferencia génica respiratoria libre basada en plásmidos puede encontrar aplicaciones en el tratamiento de una variedad de enfermedades pulmonares [23].

La inyección sistémica de ADN plasmídico también ha mostrado una pequeña cantidad de expresión transgénica en todos los órganos principales. Sin embargo, la expresión génica más alta se ha logrado en el hígado debido a la captación de ADN desnudo en la vena porta por las células no parenquimatosas, probablemente de Kupffer, después de la interacción del ADN con los receptores captadores de polianiones [24]. Sin embargo, la inyección intravascular de ADN desnudo bajo alta presión hidrostática con alto volumen de inyección conduce a un alto nivel de expresión de genes extraños en todos los músculos de la extremidad objetivo [25] y el hígado [26]. Estos estudios llevaron al desarrollo del método hidrodinámico de entrega de genes.

Recientemente, se ha demostrado que la inyección retrógrada directa de plásmido desnudo en la vena renal en ratas transfiere el ADN de manera eficiente a los fibroblastos intersticiales renales cerca de los capilares peritubulares (PTC) [27]. Los plásmidos insertados fueron interleucina de ratón (ILLINOIS)-10 gen usando IL-10 y proteína de fusión de inmunoglobulina (IL-10/ Fc) (96 kDa) plásmido de expresión, pCAGGS-IL10/ Fc. Una relación dosis-respuesta entre suero IL-10 Se observaron los niveles y la cantidad de ADN inyectado, con expresión transgénica sostenida hasta 2 semanas [27].

También se exploró el suministro de genes mediante inyección de plásmido en el tejido corneal [28]. La inyección intraestromal se utilizó para administrar plásmidos de ADN desnudos en la córnea para la expresión génica en el epitelio corneal de los ratones [29, 30]. La expresión de pCMV LacaSe observó el gen reportero Z para la proteína β-gal 1 h después de la inyección intraestromal, y la expresión se observó hasta por 10 días [29]. La expresión génica rápida se relacionó con la capacidad de los plásmidos de ADN inyectados para entrar en las células epiteliales tanto por endocitosis como por el efecto de la presión intraestromal debido al cambio de volumen de la inyección de tampón isotónico. La expresión de plásmidos que expresan pequeños ARN de interferencia (ARNip) contra VEGF también se logró después de inyectarlos en el estroma corneal de ratones [31]. La inyección intraestromal se ha sugerido principalmente para tratar enfermedades corneales agudas [29], porque se encontró que la duración de la retención y expresión génica en la córnea después de la inyección intraestromal era relativamente corta, independientemente de la expresión rápida.

El mecanismo de la transferencia de genes mediada por ADN desnudo aún no está claro. Se sugirió que las células parenquimatosas captan el ADN desnudo. en vivo mediante un proceso activo mediado por receptores [32]. La hipótesis se basa en resultados que muestran que el ADN administrado por vía intravascular se presenta a los hepatocitos inmediatamente después de la inyección, pero que el ADN ha alcanzado sólo el 5-10% de los hepatocitos después de 1 h de inyección de ADN. Además, la coinyección con un exceso de polianiones inhibe tanto la captación como la expresión de ADN, lo que indica una inhibición competitiva de la captación de ADN por los polianiones. La aplicación de alta presión en inyecciones intravasculares mediante la administración de mayores volúmenes mejora la expresión génica, muy probablemente al facilitar la salida del ADN plasmídico de los vasos sanguíneos [32].

Aunque la entrega de ADN desnudo se ha mostrado prometedora en animales más pequeños, su beneficio clínico real se cumplirá solo si se logra una expresión genética significativa reproducible en animales más grandes. Para lograr tal transfección, se requiere una fuerza física externa. Las secciones posteriores de este capítulo describen el uso de varios métodos físicos que emplean fuerza externa para mejorar la expresión del ADN.


Encuestas biosociales (2008)

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9 ¿Son los genes buenos marcadores de rasgos biológicos? Mary Jane West-Eberhard E l siglo XX se ha denominado "el siglo del gen" (Keller, 2000), una era de progreso sin precedentes en la comprensión de la herencia. El siglo XX comenzó con el redescubrimiento de las leyes de Mendel, fue testigo del descubrimiento de la estructura y la naturaleza del ADN y concluyó con el lanzamiento del proyecto del genoma humano. El resultado ha sido una acumulación de información genética mucho más allá de la comprensión de cualquier científico. Los no genetistas se enfrentan casi a diario con nuevos hechos sobre genes que parecen ser de enorme relevancia para sus vidas. ¿Qué se puede hacer con estos descubrimientos? ¿Cómo pensar en ellos? Recientemente tuve que lidiar con este problema como biólogo escribiendo sobre el desarrollo en relación con la evolución. La genética es la base de la biología evolutiva moderna, por lo que no tenía ninguna duda sobre la importancia de los genes. Pero quería explicar la evolución de los fenotipos, las características de comportamiento, fisiológicas y morfológicas observables de los organismos. Mi principal experiencia es el comportamiento social de los insectos, lo que me hizo muy consciente de la flexibilidad adaptativa del comportamiento y de los vínculos mediados por hormonas entre la expresión génica y la diversificación morfológica. Era especialmente consciente de que las diferencias dramáticas entre los “trabajadores” de insectos sociales estériles y las “reinas” ponedoras de huevos no dependen de las diferencias genéticas entre los individuos, sino que surgen de las diferencias en sus entornos sociales, en particular el dominio relaciones entre adultos y sus dietas como larvas. A partir de estos antecedentes, está claro que los rasgos fenotípicos no están determinados únicamente por genes. ¿Cómo entonces 175

176 ENCUESTAS BIOSOCIALES ¿Debería pensarse en el papel formativo de los genes? En este ensayo analizo algunos resultados de mis propias luchas con este problema que pueden ayudar a otros no genetistas a pensar en los genes. El volumen que acompaña a éste, Cells and Surveys (National Research Council, 2001) contiene un capítulo (Wallace, 2001) sobre marcadores genéticos en encuestas poblacionales de rasgos humanos cuyo lenguaje podría servir como modelo de meticulosa precisión en la discusión de datos genéticos. . Este capítulo pretende ser una especie de guía para el lector sobre cómo relacionar los genes con los rasgos fenotípicos en general, con el fin de interpretar mejor los resultados de la investigación y las discusiones públicas que intentan relacionar los genes con características humanas particulares. Para una discusión más detallada, vea West-Eberhard (2003, Parte I). VALOR DE UNA PERSPECTIVA DE DESARROLLO-EVOLUCIONARIO PARA EL ANÁLISIS GENÉTICO DE CARACTERÍSTICAS Para comprender cómo funciona cualquier aparato complejo, es útil saber cómo se ensambló. Para los rasgos de los organismos, esto significa comprender cómo se desarrollan y cómo han evolucionado. A veces, la evolución se describe como un proceso de selección y mutación genética al azar. Los avances en la genética molecular de la expresión y el desarrollo de genes, así como en los métodos filogenéticos que permiten historias más precisas del cambio orgánico, apoyan una visión diferente: los rasgos novedosos se originan a través de la reorganización del desarrollo de fenotipos ancestrales, no solo por una serie de mutaciones aleatorias. y sus nuevos efectos acumulativos. Es decir, los rasgos que uno observa se han ensamblado mediante la reorganización de rasgos más antiguos, con genes antiguos utilizados en nuevas combinaciones. Además, la reorganización del desarrollo puede iniciarse por factores ambientales, así como por mutaciones. De acuerdo con la importancia universalmente reconocida del medio ambiente en el desarrollo, la inducción ambiental puede desempeñar un papel importante en los orígenes de la reorganización de rasgos novedosos (para un resumen y documentación extensa, ver West-Eberhard, 2003, Capítulos 9-18, sobre la evolución por Reorganización del desarrollo Capítulos 6, 20, 26 sobre el papel de los factores ambientales). Estos hallazgos son relevantes para la búsqueda de marcadores genéticos, loci genéticos cuyos diferentes alelos se correlacionan fuertemente con, y por lo tanto, pueden usarse para predecir la variación en los rasgos humanos.Primero, debido al cambio por reorganización de la expresión génica, los organismos o poblaciones relacionados pueden tener características marcadamente distintivas, o "fenotipos", sin tener un gran número, o ninguno, nuevos genes o alelos genéticos distintivos (secuencias de ADN alternativas en el mismo locus cromosómico). Esto se ilustra por la pequeña distancia genética entre humanos y chimpancés a pesar de las diferencias considerables en sus fenotipos morfológicos y de comportamiento (King y Wilson, 1975). En segundo lugar, la reutilización de los mismos genes en diferentes

MARY JANE WEST-EBERHARD 177 contextos significa que un gen que se considera crucial para la variación en un rasgo de interés (un fenotipo de enfermedad o una propiedad demográfica como la longevidad o la fertilidad) puede demostrarse que se expresa comúnmente en otros contextos o puede tener diferentes efectos en diferentes etapas de la vida (véase, por ejemplo, Ewbank, 2000, sobre el gen ApoE). La investigación sobre marcadores debe tener en cuenta la etapa de la vida y otras variables contextuales y ambientales en la búsqueda de predictores confiables de rasgos particulares. El papel del medio ambiente en la inducción de fenotipos genéticamente complejos y reorganizados, como cuando la desnutrición fetal afecta la expresión de obesidad, diabetes, enfermedad coronaria e hipertensión en un gran número de adultos (Osmond y Barker, 2000), es un recordatorio de que Las poblaciones humanas pueden contener frecuencias apreciables de variantes fenotípicas complejas y bien definidas que no corresponden a variantes genéticas. Una perspectiva evolutiva también se suma al arsenal de técnicas que pueden aplicarse en la búsqueda de causas genéticas. Los biólogos evolutivos comparan rutinariamente diferentes especies y poblaciones para iluminar las funciones y causas de rasgos particulares al determinar sus correlaciones con otros rasgos y con las condiciones de vida. El estudio comparativo puede facilitar la selección de organismos que probablemente arrojen luz sobre cuestiones particulares de interés para los demógrafos y científicos sociales, y puede identificar rasgos de valor insospechado para probar ciertas ideas. Por ejemplo, un estudio reciente de una amplia gama de especies reveló una correlación entre el desarrollo embrionario lento y el envejecimiento rápido entre diferentes especies de aves y mamíferos (Ricklefs, 2006). Y un estudio filogenético de los loros reveló peculiaridades del genoma mitocondrial que pueden estar asociadas con la longevidad inusual de los loros entre las aves (Eberhard, Wright y Bermingham, 2001 Wright y Eberhard, en prensa). Además, los biólogos evolutivos tienen experiencia en el análisis de la genética poblacional de rasgos genéticamente complejos (poligénicos), como la mayoría de los que interesan a los epidemiólogos y demógrafos (Sing, Haviland, Templeton, Zerba y Reilly, 1992 Sing, Haviland, Templeton y Reilly, 1995). Y la práctica disciplinada de preguntarse sobre la importancia funcional y adaptativa de tipos particulares de genes puede conducir a nuevos conocimientos con resultados prácticos. Por ejemplo, una hipótesis evolutiva con respecto a la importancia de los genes impresos por los padres (genes cuya expresión depende del padre de origen) ha llevado a centrarse en estos genes particulares como posibles implicados en el desarrollo del autismo y trastornos relacionados ( Badcock y Crespi, 2006). La creencia pasada en la importancia de la mutación para el origen de rasgos nuevos ha contribuido a perpetuar la incomprensión del papel de genes individuales en la evolución y desarrollo de rasgos complejos. La noción de un gen, un fenotipo es ahora ampliamente reconocida por los biólogos

178 ENCUESTAS BIOSOCIALES puede ser errónea, pero sigue siendo una idea intuitivamente atractiva que se ve reforzada por los ejercicios de los libros de texto sobre la genética mendeliana y por la investigación sobre los genomas bacterianos y sus fenotipos moleculares (p. Ej., Ptashne, 1992). La investigación moderna sobre el desarrollo y la evolución en organismos multicelulares ayuda a allanar el camino para una visión más realista del papel de los genes en la producción de fenotipos complejos en humanos y otros organismos. La cuestión del control de un solo gen se explora con más detalle en las dos secciones siguientes. ESTRUCTURA GENÉTICA DE UN RASGO Un "rasgo" es simplemente una característica algo discreta de un organismo. Podría ser un aspecto de la morfología, un estado fisiológico, un comportamiento, una molécula o una enfermedad, pero la implicación es que es un producto del desarrollo que es cualitativamente distinto en relación con otros aspectos del organismo. Algunos autores utilizan el término "módulo" para describir un rasgo discreto. En términos operativos, un rasgo discreto o modular se puede definir como el producto de una vía de desarrollo separada. Pero es más exacto decir que un rasgo es "algo discreto" en lugar de "discreto", o que es "modular" en lugar de "un módulo" porque ningún rasgo es completamente independiente de todos los demás. rasgos en un organismo individual integrado. Además de los rasgos cualitativos discretos de los organismos, existen otros rasgos, como el tamaño corporal o la longevidad, que son "rasgos cuantitativos", rasgos que se describen en términos de sus valores numéricamente mensurables (cuantificables) ( por ejemplo, peso, masa o vida útil). Los rasgos cualitativos discretos tienen dimensiones (por ejemplo, la longitud de un hueso, la duración de un comportamiento) que pueden medirse como rasgos cuantitativamente variables. Ejemplos de rasgos discretos son tejidos diferenciados como piel, hueso o sangre, un sexo diferenciado (masculino o femenino), un comportamiento como el cortejo, la risa o un ataque agresivo o una enfermedad como la esquizofrenia o la gripe. Cada uno de estos rasgos complejos implica la expresión de un conjunto específico de genes o el uso de un conjunto específico de productos génicos. En el desarrollo de un organismo individual, un rasgo discreto se manifiesta o "expresa" cuando se pasa un umbral para su producción. Los genes particulares y sus productos no siempre están “encendidos” o en uso. Un estallido de risa, por ejemplo, presumiblemente tiene algún umbral de percepción o sensibilidad que se sobrepasa cuando se activa, y luego hay otro umbral para ponerle fin. Lo mismo es cierto para los estados fisiológicos y para el crecimiento y diferenciación de rasgos morfológicos. El momento del "encendido" y el "apagado" determina el valor de la dimensión cuantitativa de un rasgo discreto, por lo que uno puede medir la duración de la risa, la fuerza de una respuesta fisiológica como una contracción muscular, la longitud de un hueso, o el momento de aparición y duración de una enfermedad. Para ilustrar la estructura genética de un rasgo complejo, considere una relación

MARY JANE WEST-EBERHARD 179 rasgo de comportamiento tan simple y distintivo como la risa. ¿Cómo se pueden caracterizar los fundamentos genéticos de tal rasgo? Un gen de la risa, o, más exactamente, un gen que influye en la capacidad de un individuo para reír, podría ser un gen que afecta la estructura de las cuerdas vocales, la forma de los músculos faciales que participan en la expresión de la alegría. y los músculos del diafragma que permiten que las ráfagas de aire produzcan los característicos sonidos de la risa. Estos conjuntos de genes, aquellos que se expresan o cuyos productos se utilizan cuando un rasgo es manifestado por un organismo individual, son modificadores de forma. Otro conjunto de genes (modificadores de la regulación) influyen en si el rasgo se expresa o no, y cuándo se activa y desactiva. Los modificadores de la regulación pueden incluir genes que afectan la agudeza sensorial (de la visión, la audición y el tacto) que permiten la percepción de los estímulos que provocan la risa y los genes que afectan el procesamiento central de esos estímulos en el cerebro. A veces, los modificadores de la regulación se describen como que actúan "aguas arriba" del punto de umbral que convierte el rasgo en los modificadores de forma que se describen como que se expresan "aguas abajo" del interruptor (Figura 9-1). El umbral, o punto de cambio, es un punto de decisión, el punto en el que se dice que se determina la expresión de un rasgo. Claramente, tanto la modificación de la regulación como la modificación de la forma pueden ser altamente poligénicas, ya que todos estos sistemas contribuyentes son ellos mismos genéticamente complejos. Los genes en sí mismos no determinan la expresión de un rasgo como la risa, o cualquier otro rasgo. El aparato de la risa influenciado genéticamente requiere que se encienda algún factor ambiental, una broma, un evento cómico o un asedio de cosquillas. La expresión del rasgo es modificada conjuntamente por genes (p. Ej., Los que influyen en el nivel del umbral) y el medio ambiente. El entorno influye aún más en la estructura que responde, ya que ningún gen puede actuar por sí solo para producir una estructura (por ejemplo, músculo, nervio y hueso) sin estímulos y materiales de origen ambiental. Los factores ambientales que influyen en la regulación y la forma pueden ser tan específicos y precisos en sus propiedades como lo son las propias instrucciones genómicas, como lo ilustra la precisión de las señales de duración del día que desencadenan la hibernación y la diapausa en las fisiologías invernales de los organismos y los elementos dietéticos. tales como vitaminas y aminoácidos específicos, que son necesarios para el desarrollo humano normal. Las influencias genómicas y ambientales entrelazadas sobre la expresión de rasgos se complican aún más por el hecho de que los episodios previos de expresión génica se suman al ambiente efectivo: los genes actúan dentro de las células y los productos génicos se vuelven parte del ambiente interno para la expresión génica posterior. La expresión génica previa y la interacción con el medio ambiente también contribuyen al medio físico y social de cualquier episodio posterior de expresión génica. A pesar de esto

180 ENCUESTAS BIOSOCIALES FIGURA 9-1â € ‚El desarrollo de un rasgo fenotÃpico. El desarrollo se puede visualizar como una serie de vías de ramificación, siendo cada rasgo modular el punto final de una vía o rama de desarrollo. La determinación de un rasgo ocurre cuando se forma una nueva rama en un punto de decisión o cambio, descrito aquí como gobernado por un umbral que caracteriza algún mecanismo de desarrollo influenciado genéticamente y ambientalmente sensible. Las vías alternativas conducen a formas fenotípicas alternativas, que implican la expresión de conjuntos alternativos de modificadores genéticos o el uso de conjuntos alternativos de productos génicos. Los factores ambientales también pueden ser determinantes (bloques de construcción) de forma fenotípica. Los eventos aguas arriba y aguas abajo de la determinación del rasgo están influenciados por diferentes conjuntos de genes. intrincada historia de la influencia genética, sería inexacto pensar que el genoma puede ejecutar todo, ya que ningún gen puede actuar para producir una señal de desarrollo o un producto proteico sin materiales, energía y, a menudo, señales derivadas en última instancia del exterior del organismo. La complejidad de la estructura del rasgo a veces se revela mediante la expresión parcial del rasgo. En la expresión completa de la risa, por ejemplo, una sola entrada (como un cosquilleo) afecta a un umbral de determinación de rasgos (el inicio de la risa) que coordina una respuesta compuesta, con varios aspectos del fenotipo, por lo demás algo independientes. , como la respiración, la expresión facial y la salida vocal puestas en juego en sincronía. A un nivel bajo de estimulación, algunos de estos elementos de la respuesta compuesta podrían omitirse, si no se supera el umbral para todos.

MARY JANE WEST-EBERHARD 181 En tal rasgo compuesto o mosaico, entran en juego varios componentes semiindependientes diferentes, cada uno influenciado por un conjunto separado de genes subyacentes. De manera similar, una infección puede inducir un conjunto completo "típico" de síntomas de la enfermedad, pero algunos pueden estar ausentes en las expresiones de la enfermedad por debajo o cerca del umbral. La variación en los rasgos cuantitativos también depende típicamente de una multitud de genes y de factores ambientales. El tamaño corporal, por ejemplo, puede verse influenciado por la eficiencia metabólica, el apetito, la capacidad de búsqueda de alimento, la resistencia a las enfermedades y la capacidad de aprender a obtener alimentos, todos aspectos genéticamente complejos del fenotipo individual. Y, obviamente, el tamaño del cuerpo se ve afectado por factores ambientales como la disponibilidad de alimentos, las demandas de energía de las condiciones físicas fluctuantes y la incidencia de depredaciones o enfermedades. Esta es una caracterización muy simplificada de los fundamentos genéticos del desarrollo y la variación de los rasgos, pero es una guía útil para relacionar los genes con los rasgos fenotípicos observables. Los rasgos complejos, así como los rasgos cuantitativos, son universalmente poligénicos tanto en regulación como en forma, así como universalmente sensibles al medio ambiente en su expresión. Además, la expresión de un rasgo discreto involucra dos conjuntos principales de genes: los que están aguas arriba del rasgo, cuya expresión o productos influyen en si se produce o no y cuándo se produce el rasgo, y los que se encuentran aguas abajo del rasgo, cuya expresión o cuyos productos modifican la forma del rasgo. rasgo en sí, haciéndolo distintivo en relación con otros rasgos del mismo organismo. MARCADORES DE RASGOS DE UN SOLO GEN: EL SIGNIFICADO DE UN GEN "PARA" UN RASGO A pesar de la complejidad genética de la mayoría de los rasgos de interés para los biólogos, investigadores médicos y científicos sociales, ha sido durante mucho tiempo común que los genetistas teóricos remitan a genes "para" rasgos particulares, como el color del pelaje o el altruismo. También es común que los biólogos piensen en términos de un gen para un rasgo en las explicaciones en el aula de cómo funcionan la genética mendeliana y la evolución de los rasgos. De modo que el lenguaje que se refiere a un gen "para" un rasgo complejo no es de ninguna manera nuevo o inusual entre los biólogos. Pero esta convención lingüística ha adquirido un nuevo significado en la época actual, cuando los genes asociados con rasgos particulares pueden caracterizarse bioquímicamente, asignarse nombres y ubicarse con precisión en cromosomas particulares. ¿Qué? Para una discusión de los procesos de desarrollo realmente afectados por modificadores de la regulación y la forma, de términos alternativos como "genes reguladores" y "genes estructurales", y una discusión más profunda de la modularidad y de la genética en relación con la desarrollo y evolución de rasgos novedosos, véase West-Eberhard (2003). Gerhart y Kirschner (1997) y Kirschner y Gerhart (2005) discuten la naturaleza no aleatoria de nuevos rasgos derivados de respuestas preexistentes de células.

182 ENCUESTAS BIOSOCIALES era antes una forma abstracta de hablar que se ha convertido en una afirmación real sobre la determinación genética de los rasgos. Durante algunos años he estado haciendo una colección de genes “para” rasgos humanos anunciados en revistas científicas y en la prensa popular. La colección comenzó a principios de la década de 1990 con el descubrimiento del "gen de la obesidad". Ahora incluye, entre otros, anuncios de genes para el lenguaje, la inteligencia, el alcoholismo, la enfermedad bipolar, la sordera, la esquizofrenia, el asma, la longevidad y solicitud materna. También hay un gen guerrero, un gen "gay" (orientación sexual) e incluso un gen de mandíbula elegante responsable de un rasgo facial humano que no está presente en otros primates. ¿Cuál es la base empírica de estos anuncios? Por lo general, la afirmación de gen por rasgo se basa en el descubrimiento de una mutación o un nocaut genético que afecta drásticamente la probabilidad de expresar el rasgo. Lo que esto significa en términos de desarrollo es que uno de los muchos modificadores de la regulación del rasgo, por ejemplo, uno de los polygenes que afecta su umbral de expresión, ha sido alterado y adquiere un gran efecto de "gen principal" en expresión de rasgo. Es decir, el efecto de la mutación hace que uno de los polygenes predomine en la determinación del rasgo, de modo que sea el único que pueda controlar el cambio para la expresión del rasgo. Esta es una herramienta de investigación útil porque hace que uno de los modificadores de la regulación sea identificable, mientras que en su estado normal sin mutar su efecto podría haber sido tan pequeño que no se puede distinguir de los de muchos otros modificadores de la regulación. El gran efecto de la mutación da la impresión de que un solo gen controla el rasgo. De hecho, la expresión o no expresión del fenotipo en individuos de la población en general está sujeta a la influencia poligénica y ambiental. Las mutaciones de gran efecto son comúnmente responsables de enfermedades hereditarias familiares, dando la falsa impresión de un fenotipo genéticamente simple desprovisto de efectos ambientales. La enfermedad bipolar (maniaco-depresiva) es un ejemplo de una enfermedad "genética" heredada dentro de la familia. Los patrones de herencia dentro de las poblaciones afectadas sugieren que el genoma de algún antepasado sufrió una mutación, cuyos portadores entre los descendientes tienen una mayor probabilidad de manifestar la enfermedad. Si el modelo de arquitectura genética poligénica que acabo de esbozar es correcto, son posibles varias predicciones. Primero, las mutaciones en diferentes loci genéticos deben asociarse con la enfermedad en diferentes familias o poblaciones. En segundo lugar, debe haber pruebas de la influencia ambiental en la incidencia de la enfermedad. Y tercero, debe haber evidencia fenotípica (fisiológica, morfológica, conductual) de la complejidad de los mecanismos subyacentes a la enfermedad. Todas estas predicciones son válidas para la enfermedad bipolar. La enfermedad se ha relacionado con regiones en al menos ocho cromosomas diferentes (Blackwood, Visscher y Muir, 2001 Kelsoe et al., 2001) y mutaciones en diferentes

MARY JANE WEST-EBERHARD 183 ubicaciones cromosómicas ent son importantes en diferentes poblaciones. Por ejemplo, los marcadores genéticos se encuentran en el cromosoma X en una población finlandesa (Pekkarinen, Terwilliger, Bredhacka, Lannqvist y Peltonen, 1995) el cromosoma 18 en las familias costarricenses (Freimer et al., 1996) el cromosoma 22 en general. Población norteamericana (Kelsoe et al., 2001) y (en un locus diferente) en familias del norte de Europa de ascendencia caucásica (Barrett et al., 2003) y el cromosoma 12 en una población danesa y (con cierta superposición cromosómica) en una población aislada población en las Islas Feroe del Atlántico Norte, una región colonizada por escandinavos (Degn et al., 2001). La influencia ambiental en la expresión de la enfermedad bipolar está sugerida por el hecho de que la ocurrencia de la fase depresiva se correlaciona con la duración del día (la incidencia es mayor en invierno) y por el hecho de que el 20 por ciento de los gemelos idénticos de los individuos afectados no muestran la enfermedad (Gershon, 1990). Entonces, la mutación genética puede estar presente sin expresarse. La naturaleza en mosaico o compuesta del fenotipo de la enfermedad bipolar está indicada por la variación clínica en los síntomas de la enfermedad de este y otros trastornos relacionados, que se ha denominado "espectro bipolar" (Gershon, 1990, p. 380).En el trastorno bipolar tipo I, los pacientes tienen fases maníacas y depresivas en el trastorno bipolar tipo II, muestran hipomanía pero no una fase maníaca completa y los estudios en gemelos han indicado que existe cierta superposición en la vulnerabilidad para unipolar (depresivo) y bipolar (maníaco). depresiva) enfermedad. También hay alguna evidencia de estudios de parientes genéticos de una asociación entre la enfermedad bipolar y otras enfermedades, como el trastorno esquizoafectivo y el trastorno ciclotímico de la personalidad (Gershon, 1990). Finalmente, la complejidad de los mecanismos subyacentes a la enfermedad bipolar es evidente a partir de varios estudios. Por ejemplo, la investigación sobre los mecanismos de transducción de señales en el cerebro sugiere que la enfermedad bipolar puede deberse a la interacción de muchos tipos de anomalías en estos sistemas (Bezchlibnyk y Young, 2002), una conclusión respaldada por el hecho de que el litio, una sustancia Desde hace mucho tiempo se sabe empíricamente que brinda alivio a los pacientes bipolares, parece actuar estabilizando las actividades neuronales, incluidas las actividades de señalización de varios tipos y en múltiples niveles de influencia sobre la plasticidad neuronal (Jope, 1999). Los estudios de mutaciones pueden ayudar en la disección genética de las causas de fenotipos complejos. El estudio de las mutaciones y los tejidos cerebrales en la enfermedad bipolar, por ejemplo, ha identificado funciones y niveles alterados de moléculas efectoras particulares, como la proteína quinasa Lambda (PKα) y la proteína quinasa C (PKC) (Bezchlibnyk y Young, 2002). y del receptor quinasa 3 de la proteína G (GRK3) (Barrett et al., 2003), ya que está involucrado con las anomalías de la transducción de señales asociadas con la enfermedad.

184 ENCUESTAS BIOSOCIALES En resumen, los estudios de locus de un solo gen son claramente valiosos porque permiten la identificación de genes y vías que influyen en el desarrollo de rasgos complejos. Pero no nos dicen que un locus genético en particular "controla" el desarrollo del rasgo. Con la excepción de unas pocas enfermedades raras que parecen estar realmente bajo el control de un solo locus (p. Ej., Fibrosis quística, enfermedad de Huntington (corea de Huntington), fenilcetonuria y síndrome de Smith-Lendi-Opitz ), los loci mutantes asociados con la enfermedad hereditaria son marcadores globales poco fiables porque el genotipo de la enfermedad puede variar con la población de origen. Las afirmaciones inexactas sobre la "determinación genética" o la "determinación ambiental" de los rasgos se arreglan fácilmente usando simplemente la palabra "influenciado" en lugar de "determinado". De manera similar, un gen "para" un determinado El rasgo se describe con mayor precisión como un gen que "influye" en un rasgo particular. La palabra "influencia" convierte un titular engañoso en uno preciso. Se trata de una mutación lingüística cuya difusión debería fomentarse bajo una fuerte presión selectiva de biólogos y científicos sociales por igual. MARCADORES CUANTITATIVOS DE RASGOS: GENES DE LONGEVIDAD Tres de los genes de mi colección de genes "para" rasgos son genes para rasgos cuantitativamente variables: obesidad, longevidad e inteligencia. La naturaleza poligénica y la sensibilidad ambiental de la variación en estos rasgos es tan obvia que no necesita evidencia más allá de la experiencia común. El control del desarrollo de un rasgo cuantitativo poligénico puede verse abrumado por una mutación de efecto mayor, al igual que la determinación de un rasgo discreto. Por tanto, las mismas reservas con respecto a los marcadores de un solo gen descritas en la sección anterior se aplican también a los marcadores de un solo gen de rasgos cuantitativos. Aquí me centro en los genes de longevidad porque son "demógenos" (Ewbank, 2000), genes que afectan un parámetro de interés para los demógrafos. La teoría evolutiva tiene una rama que se ocupa de la evolución de la longevidad y la senescencia. Aunque esta no es mi especialidad, una idea me parece particularmente relevante para la búsqueda de una base genética del desarrollo de la longevidad. Williams (1957) ha sugerido que se espera una aceleración posreproductiva de la senescencia debido a una especie de pleiotropía antagónica: la acumulación de efectos pleiotrópicos negativos posreproductivos de genes que tienen efectos positivos sobre la supervivencia y la reproducción en las etapas más jóvenes (reproductiva y prereproductiva). . La selección natural solo puede afectar los rasgos (y genes) expresados ​​antes del final de la reproducción, la expresión posreproductiva no suele afectar el éxito reproductivo relativo (selección) a menos que de alguna manera afecte el éxito reproductivo de los coportadores de los mismos alelos genéticos (por ejemplo, parientes). Este es un argumento

MARY JANE WEST-EBERHARD 185 miento utilizado para explicar el "efecto abuela", la larga supervivencia y actividad posmenopáusicas de las mujeres humanas, que a menudo hacen una contribución posmenopáusica sustancial a la crianza de sus nietos (Hawkes, O'Connell, Jones, Álvarez y Charnov, 1998). La pleiotropía antagonista predice que es especialmente probable que las enfermedades del envejecimiento se asocien con beneficios tempranos (Williams y Nesse, 1991) y que algunos genes que contribuyen a la senescencia en los ancianos pueden mostrar poca variación alélica (polimorfismo) dentro de las poblaciones, estando bajo fuerte positivo. selección durante las primeras etapas de la vida. Al leer la literatura sobre la búsqueda de genes de longevidad, uno siente la convicción de que debe haber alguna base general subyacente para una larga vida, si tan solo uno pudiera encontrarla. Es una búsqueda más antigua que la ciencia misma, que se remonta a la búsqueda de los alquimistas medievales del elixir que prolongaría la vida. Los genes de longevidad siguen siendo los genes de rasgos cuantitativos de mayor interés público. No todo el mundo tiene una inteligencia muy limitada o un problema de obesidad, pero todo el mundo tiene una esperanza de vida limitada. A pesar de nuestros deseos profundamente arraigados, el razonamiento de sentido común y los hallazgos hasta la fecha brindan pocas esperanzas de éxito en el descubrimiento de genes de longevidad de efecto importante. Cualquiera de la enorme cantidad de genes que contribuyen a la supervivencia podría considerarse genes de longevidad. Entre los candidatos que se han propuesto se encuentran varios loci de proteínas de choque térmico, a los que se les presta especial atención porque están muy extendidos entre los organismos, incluidos los humanos, y son respuestas de propósito general a varios tipos de estrés sistémico, como el estrés por calor, oxidantes y hambre. Se ha demostrado que algunas proteínas de choque térmico prolongan la vida en líneas transgénicas de moscas de la fruta sometidas a estas tensiones (Wang, Kazemi-Esfarjani y Benzer, 2004). No veo ninguna razón para otorgar un estatus más alto a estos genes como genes de longevidad que los genes que afectan, por ejemplo, el desarrollo de las alas, lo que también influye en la supervivencia de la mosca de la fruta en múltiples contextos (p. Ej., Ubicación de fuentes de alimentos en condiciones de inanición, movimiento a la sombra bajo estrés por calor, huida para escapar de los depredadores). Aún así, Wang et al. (2004) representa un avance en la investigación molecular sobre la longevidad porque, en lugar de ignorar el medio ambiente, manipuló experimentalmente el medio ambiente para investigar los efectos de la longevidad de genes particulares. Ewbank (2000) enumera cuatro criterios que un gen de longevidad debe tener para ser considerado como marcadores demográficamente útiles capaces de predecir la variación en la esperanza de vida: (1) asociación con las causas más comunes de muerte (2) múltiples alelos (polimorfismo genético) del gen, asociado con una variación sustancial en la mortalidad (3) una gran variación en las frecuencias de estos alelos entre poblaciones y (4) correlaciones de los alelos con características ambientales o de comportamiento que se consideran asociadas con las tasas de mortalidad. Ewbank informa que se sabe que solo un gen humano satisface todos estos criterios, el gen de la apolipoproteína E (ApoE). El gen ApoE (1) es un importante

186 ENCUESTAS BIOSOCIALES El factor de riesgo de cardiopatía isquémica y enfermedad de Alzheimer (2) tiene tres alelos comunes (ApoE-2, ApoE-3, ApoE-4), dos combinaciones de ellos (ApoE-3 / ApoE-4 y ApoE-4 / ApoE-4) asociados con un mayor riesgo de ambas enfermedades, y otros dos (ApoE-2 / ApoE-2 y ApoE-2 / ApoE-3) asociados con un menor riesgo de ambas enfermedades; estos riesgos varían tanto con la edad como con los antecedentes genéticos (Ewbank, 2000, págs. 73-74) - y con las circunstancias ambientales (contenido de grasa de la dieta Ewbank, 2000, págs. 78-79) (3) las frecuencias de los tres alelos varían geográficamente (por ejemplo, el ApoE- El alelo 4 es inusualmente común en África, donde su frecuencia es de .20) y (4) la tasa de mortalidad asociada con el genotipo se ve afectada por la dieta, un rasgo ambiental y de comportamiento de interés. No obstante, advierte Ewbank, “no es probable que un solo genotipo explique gran parte de la heterogeneidad de la mortalidad por debajo de los 80 años. . . Para poner esto en perspectiva, estimo que el genotipo APOE e4 / 4 está asociado con un riesgo relativo de muerte a los 80 años de aproximadamente 2 en relación con el genotipo más común, e3 / 3. Menos del 5 por ciento de la población tiene el genotipo e4 / 4 ”(Ewbank, 2000, p. 83). Esta conclusión muy reservada con respecto al gen que se ajusta a las características mínimas de utilidad demográfica sugiere que genes particulares no son marcadores prometedores de longevidad. Quizás se demuestre que hay genes o patrones de expresión génica que afectan la energía general o la resistencia a largo plazo. Si es así, los loros pueden ser mejores organismos modelo que los nematodos o las moscas de la fruta en la búsqueda de características genómicas asociadas con la longevidad. Para estudiar los correlatos fenotípicos más que genéticos de la longevidad con las grandes muestras necesarias, los insectos han demostrado ser más adecuados que las aves o los ratones (Carey, 2003). MARCADORES GENETICOS: CRITERIOS Y TRAMPA Criterios Siguiendo el ejemplo de Ewbank (2000), podemos enumerar los criterios que debe satisfacer un marcador genético de un solo locus confiable de un rasgo fenotípico: 1. El rasgo fenotípico cuya ocurrencia futura debe predecirse por el marcador tiene que estar uniforme y operacionalmente bien definido, por ejemplo, como un valor medible específico de un rasgo cuantitativo o un conjunto de características distintivas asociadas consistentemente de un rasgo cualitativo discreto. La inteligencia, por ejemplo, es un rasgo insuficientemente bien definido para servir como base para una búsqueda de biomarcadores. Se necesitaría utilizar algún aspecto particular de lo que llamamos inteligencia, medido por alguna prueba estandarizada bien investigada.

MARY JANE WEST-EBERHARD 187 2. Para ser útil como predictor, el marcador debe ser detectable antes de que aparezca el rasgo durante el desarrollo individual. Una secuencia de ADN en particular podría satisfacer este criterio, ya que el genotipo no cambia durante el desarrollo. Una proteína especificada por una secuencia de ADN particular es un marcador menos confiable, por las razones que se describen a continuación. 3. Debe haber múltiples alelos (polimorfismo genético) del gen marcador, altamente correlacionados con la variación medible en la expresión del rasgo. Para rasgos cualitativos (discretos), esto significa variación en si el rasgo se expresa o no, no variación en alguna característica del rasgo una vez que está presente. 4. La confianza en el marcador aumenta si se puede demostrar que su expresión está involucrada en mecanismos de desarrollo o vías que se sabe que están involucradas en el desarrollo del rasgo versus el no desarrollo de un rasgo discreto o un desarrollo menor de un rasgo cuantitativo. . Trampas potenciales Dada la estructura del desarrollo en relación con la expresión génica y la naturaleza poligénica de los rasgos complejos, es probable que aparezcan varios tipos de errores en las discusiones sobre los marcadores genéticos y su evaluación por parte de los investigadores. Error tipo 1. La suposición de que un gen (un alelo genético) comúnmente expresado en portadores de un rasgo y no expresado en no portadores del rasgo es una causa principal del rasgo. Esto es erróneo para los genes expresados ​​aguas abajo de la determinación de rasgos discretos, ya que los modificadores de forma, aunque afectan las características del rasgo, no afectan la probabilidad de su expresión durante el desarrollo. Un error de tipo 1 es similar a considerar que un síntoma (como la fiebre) es la causa de una enfermedad. Error de tipo 2. ”Extrapolación injustificada entre poblaciones. Una mutación que causa un rasgo familiar altamente heredable puede resultar un marcador genético útil en los descendientes del individuo mutante. Pero otras poblaciones con el mismo rasgo pueden tener una causa mutante diferente, como en la enfermedad bipolar (ver arriba). El mismo tipo de variación en los fundamentos genéticos podría ocurrir en diferentes poblaciones para cualquier rasgo poligénico. Error de tipo 3. Uso de una proteína expresada de manera consistente en individuos que portan el rasgo. Las proteínas a veces se utilizan como identificadores de genes, porque la forma específica de una proteína refleja la expresión de un alelo genético particular. Pero la presencia de una proteína significa que el gen ya ha sido

188 ENCUESTAS BIOSOCIALES expresaron, de modo que para servir como predictor del desarrollo futuro del rasgo, tendría que ser el producto de un modificador de la regulación conocido por afectar la probabilidad de desarrollar el rasgo, y aguas arriba de la determinación del rasgo, no un modificador de forma (que no afectaría la probabilidad de expresión del rasgo). Considere el fenotipo de una enfermedad, por ejemplo. Una proteína que es constantemente un síntoma de la enfermedad no podría servir como marcador predictivo, aunque estaría presente en todos los portadores de la enfermedad y podría estar ausente en todos los no portadores. Las proteínas que se expresan muy temprano en el desarrollo del rasgo a veces pueden ser marcadores predictivos útiles. Error tipo 4. ”Uso de un alelo genético que produce una proteína asociada con un rasgo. Por ejemplo, habiendo descubierto que una proteína en particular es consistentemente sintomática de una enfermedad y no está presente en los no portadores de la enfermedad, se podría suponer erróneamente que la presencia del alelo responsable de esa proteína en un individuo joven genotipado sería un buen predictor de la enfermedad. desarrollo posterior del rasgo. Sin embargo, es importante darse cuenta de que los genes pueden estar presentes sin que se expresen nunca, como en los gemelos idénticos no afectados de pacientes bipolares. La presencia del alelo sería una condición necesaria, pero no suficiente, para la expresión del rasgo. Es muy probable que este tipo de errores aparezcan en los frenesí farmacéutico: carreras para encontrar marcadores genéticos que permitan predecir enfermedades y permitir la identificación de procesos moleculares que pueden ser atacados por fármacos. Los debates fáciles sobre los "biomarcadores de fármacos" basados ​​en proteínas y genes desmienten la complejidad de los rasgos y los estrictos criterios que se requieren para los marcadores fiables. Un artículo sobre la investigación del cáncer en Science (Kaiser, 2004) citó a un investigador experimentado en cáncer que argumentó que, aunque solo se utilizan ampliamente unos pocos biomarcadores, la secuenciación del genoma humano y el debut de nuevas máquinas de espectrometría de masas automatizadas para detectar proteínas deja el campo listo para nuevos avances en la búsqueda de biomarcadores. Aunque el mapa del genoma humano puede ayudar a localizar genes identificados, por sí solo no proporciona información sobre la variación genética entre individuos y poblaciones del tipo crucial para la investigación de biomarcadores, ya que cada segmento del mapa es (necesariamente, por razones técnicas razones) basado en el genoma de un solo individuo (Marshall, 1996) masas de datos de proteínas generados por máquinas automatizadas tendrían que ir acompañadas de masas de datos correlacionados sobre genotipos polimórficos, fenotipos clínicamente bien definidos, etapas de la vida y ubicaciones geográficas de muestras para que sean útiles en la investigación de biomarcadores. La visión pesimista presentada aquí con respecto a los marcadores de un solo gen no necesita aplicarse a la búsqueda de marcadores genéticos en general. Pero sí sugiere que la búsqueda debe ser redirigida, lejos de genes únicos.

MARY JANE WEST-EBERHARD 189 y quizás hacia “marcadores colectivos”, conjuntos de alelos genéticos cuya expresión sumada aumenta la probabilidad de expresión de un rasgo de interés en una cantidad especificada. Al enfocarse primero cuidadosamente en los modificadores genéticos de la regulación en sentido ascendente, que son mejores marcadores predictivos que los modificadores de forma, puede ser posible construir marcadores colectivos que reflejen la naturaleza poligénica de rasgos complejos (ver, por ejemplo, Sing et al., 1992, pág. 1995). ¿MARCADORES O MARKETING? Los genes de los rasgos se han convertido en grandes dispositivos de publicidad para los científicos ansiosos por reclamar una importancia aplicada y obtener una mayor financiación para su investigación. La buena publicidad exige un lenguaje agradable y limpio, por lo que "el gen de la obesidad" o "el gen del alcoholismo" fácilmente desplaza al más preciso "un gen que influye en la obesidad" o "aumenta la probabilidad de adicción al alcohol". Se podría educar fácilmente, en las aulas y en la prensa, para ejercitar el sentido común sobre las explicaciones genéticas y darse cuenta de que muchos genes deben afectar rasgos como la obesidad, la inteligencia y el alcoholismo, cuyas causas son obviamente complejas. La gente parece preferir explicaciones sencillas y la promesa de soluciones sencillas a problemas complejos. Con demasiada frecuencia prevalece la ignorancia ilusoria, y los "genes para los rasgos" se han convertido en elixires modernos que pueden convertir la ignorancia ilusoria en oro comercial. Mi icono marcador favorito sigue siendo el gen de la obesidad, un líder lucrativo en el desfile de la era genética que sería delicioso por su absurdo si no hubiera sido tan engañoso. No es sorprendente que, dada la complejidad de la obesidad como rasgo cuantitativo, ahora se conozcan al menos 10 "genes de la obesidad", algunos de ellos con varias variantes alélicas (Perusse et al., 2005). El primero de los varios genes de la obesidad fue patentado apresuradamente y trajo millones de dólares para la investigación de la obesidad a la universidad donde fue descubierto. Incluso cuando estaba terminando este capítulo, se anunció un nuevo gen para la obesidad en Science (Herbert et al., 2006) y en el Washington Post (17 de abril de 2006, p. A6). La búsqueda de genes de obesidad es virtualmente interminable, dada la gran complejidad del rasgo y la variación en la composición genética de diferentes poblaciones de alelos que influyen en la obesidad (p. Ej., Ver Ewbank, 2000, y más arriba, sobre el gen ApoE). He escuchado a cientÃficos defender el lenguaje del gen de la obesidad como â € œsólo una forma de hablar, porque todo el mundo sabe que hay más en la obesidad que este genâ €. Es bastante común para los cientÃficos, especialmente para muchos que intentan ser exacto en las entrevistas, culpar a la prensa del lenguaje gen-por-rasgo, pero esto parece injusto si científicos eminentes utilizan la misma marca de hipérbole genética en los medios científicos y públicos. El premio Nobel David Baltimore (2001), por ejemplo, durante la euforia del genoma humano

190 BIOSOCIAL SURVEYS, escribieron en Nature que `` El análisis de polimorfismos de un solo nucleótido nos proporcionará el poder de descubrir la base genética de nuestras capacidades individuales, como la capacidad matemática, la memoria, la coordinación física e incluso, quizás, la creatividad ''. y James Watson, otro premio Nobel, proclamaron (Associated Press, 2000) que “Ahora tenemos el libro de instrucciones para la vida humana. . . .â € El proyecto del genoma humano fue el proyecto de investigación genà © tica más caro de la historia, tanto un triunfo financiero como cientÃfico. Es difícil escapar a la impresión de que una de las razones de la hipérbole genética es el deseo de los científicos de llamar la atención del público sobre su investigación y, por lo tanto, aumentar su acceso a la financiación, el espacio en revistas prestigiosas y el éxito profesional. Pero el marketing no es la única explicación para el estatus exagerado de los genes, ya que también existe una ignorancia y un malentendido genuinos entre los científicos sobre el papel de los genes individuales en el desarrollo y evolución de rasgos complejos. Además del descuido del papel en el desarrollo del medio ambiente y de la complejidad de la arquitectura genética de los rasgos que he discutido en este artículo, los rasgos descuidados de la genética evolutiva también iluminan algunos aspectos de la genética humana que de otra manera parecen misteriosos. Por ejemplo, así como los genes específicos de rasgos son difíciles de encontrar, también lo son los genes específicos de humanos, cuando se compara el genoma humano con el de otros primates (Ridley, 1999). Ambos hechos se explican por la observación, ya mencionada, de que es común encontrar que los fenotipos ancestrales y los genes subyacentes se han recombinado durante la evolución en nuevos conjuntos coexpresados ​​para producir nuevos rasgos fenotípicos. Debido a tal recombinación fenotípica o "evolutiva" (West-Eberhard, 2003), las características humanas complejas y distintivas, como muchos aspectos del lenguaje, podrían haber evolucionado, a través de la expresión génica reorganizada, con pocos genes nuevos o incluso ninguno. Patrones como estos requieren atención a organismos completos y comparaciones entre especies relacionadas que son cada vez más raras en biología y en la formación de los biólogos modernos. Aunque las ciencias sociales buscan naturalmente en la biología una guía para comprender los genes, de hecho las ciencias sociales pueden inyectar algo de sentido en las interpretaciones genéticas de los biólogos. Los científicos sociales son expertos en un organismo modelo, el Homo sapiens, que es sin duda el vertebrado mejor estudiado. Son plenamente conscientes de la influencia ambiental sobre los fenotipos y de los individuos como conjuntos integrados. El siglo actual promete ser una era apasionante para la investigación interdisciplinaria en la que los intereses relativamente holísticos de los científicos sociales y los biólogos de todo el organismo convergerán con los de los genetistas. La genética avanza hacia estudios genómicos que se preocupan cada vez más por la expresión génica y, por tanto, por el desarrollo y el fenotipo. Esto significará una mayor atención a las condiciones y mecanismos de


Interacción entre factores genéticos y ambientales

El gen (naturaleza) versus medio ambiente (nutrir) El debate representó una dicotomía equivocada y polarizante. Los factores genéticos y ambientales interactúan de formas complejas 37, pero hay dos tipos principales de violaciones de la independencia genética y ambiental: la interacción genética ambiental y la correlación genética ambiental.

Correlación ambiental gene & # x000d7 (rGE) ocurre cuando el genotipo se correlaciona (r) con la probabilidad de exposición a un factor ambiental. Los estudios de gemelos pueden abordar la existencia de rGE midiendo la & # x0201c genética del medio ambiente. & # X0201d Un ejemplo basado en genes de rGE es el efecto de CHRNA5 Asn398 para aumentar el riesgo de cáncer de pulmón. 38 Este alelo funcional está asociado con el tabaquismo intenso, lo que conduce a una mayor exposición a carcinógenos.

Interacción gen x ambiente (G & # x000d7 E) ocurre cuando el efecto de la exposición ambiental sobre un resultado es modificado por el genotipo (para una revisión, ver Ref. 39). Los factores estresantes que ocurren temprano en la vida, como la adversidad infantil, son factores de riesgo bien conocidos de adicción y condiciones comórbidas, incluido el trastorno de personalidad antisocial (ASPD), la EC, el trastorno límite de la personalidad y los trastornos de ansiedad. Sin embargo, no todas las personas expuestas a un trauma temprano desarrollan psicopatología, lo que indica diferencias en la capacidad de recuperación. Los loci funcionales que contribuyen a las diferencias interindividuales en la resistencia al estrés incluyen la monoamino oxidasa A (MAOA), 40 el transportador de serotonina (SLC6A4), 41 COMT, 42 el gen del receptor 1 de la hormona liberadora de corticotropina, neuropéptido Y, 43 FKBP5, 44 el gen del receptor de glucocorticoides (GR) (NR3C1), 45 y el gen del tipo receptor del polipéptido 1 (pituitario) que activa la adenilato ciclasa (ADCYAP1R1). 46

Fenotipos intermedios

Una estrategia para descubrir los efectos de los genes en enfermedades etiológicamente complejas como la adicción es la deconstrucción de fenotipos en elementos que son etiológicamente menos complejos. Los fenotipos intermedios acceden a mecanismos mediadores de influencias genéticas y ambientales. Los fenotipos intermedios hereditarios que están asociados a la enfermedad se denominan endofenotipos. 47

El rubor inducido por alcohol es un endofenotipo protector relacionado con el alcohol influenciado por alelos que median la variación en el metabolismo del alcohol. La baja respuesta al alcohol es un endofenotipo predictivo de riesgo de alcoholismo. 48 & # x0201350 En humanos, el nivel de respuesta se debe principalmente a la variación farmacodinámica en la respuesta 51 más que a la variación en el metabolismo. La baja respuesta al alcohol se ha asociado con una variación genética en el gen transportador de serotonina (SLC6A4) y en el gen que codifica la subunidad a6 del receptor A del ácido & # x003b3-aminobutírico (GABRA6). 52 Otros fenotipos intermedios relevantes para la adicción incluyen medidas electrofisiológicas, neuropsicológicas, neuroendocrinológicas y, más recientemente, de neuroimagen. La neuroimagen accede a los mecanismos neuronales subyacentes a la emoción, la recompensa y el deseo y, por lo tanto, ha permitido el enlace de genes con redes neuronales relevantes en la adicción (para una revisión, véase la Ref. 53). Por ejemplo, la activación de la amígdala después de la exposición a imágenes emocionales y estímulos estresantes captura las diferencias interindividuales en la respuesta emocional. 54 Como se analiza en el texto que sigue, la activación de la amígdala está influenciada por SLC6A4 y MAOA. Por otro lado, la activación de la corteza prefrontal provocada por la tarea accede a la función cognitiva prefrontal que está alterada en varias enfermedades psiquiátricas, incluidas las adicciones, y se ha relacionado con la variación genética dentro de COMT y MAOA. La activación del cuerpo estriado ventral y otras áreas del cerebro durante la recompensa positiva permite la exploración de los circuitos de recompensa 55 permitiendo la observación de que el OPRM1 Asn398Asp La variante asociada con la respuesta alterada al tratamiento con naltrexona también modula los procesos de recompensa en el cuerpo estriado ventral. 56 Los tamaños del efecto de las variantes genéticas sobre los fenotipos intermedios parecen ser mayores que los efectos sobre los fenotipos de enfermedades complejas, lo que refleja potencialmente la proximidad a la acción de los genes, las propiedades de medición y la especificidad. 43,57

Identificación de genes

Los análisis de genes candidatos y de todo el genoma se integran cada vez más para identificar las variaciones genéticas que influyen en la adicción. En el primero, los genes que se sabe influyen en la patogenia o el tratamiento de las adicciones se seleccionan, por ejemplo, en base a descubrimientos en estudios genéticos y farmacoconductuales en animales o en base a lo que se conoce sobre la farmacocinética y la farmacodinamia del fármaco. En estudios de todo el genoma, el genoma se interroga sin hipótesis.

Genes candidatos

Genes metabolizadores del alcohol: ADH1B y ALDH2

Los polimorfismos en los genes que codifican las enzimas metabolizadoras del alcohol como la alcohol deshidrogenasa IB (ADH1B) y la aldehído deshidrogenasa 2 (ALDH2) influyen en el consumo de alcohol y el riesgo de trastornos por consumo de alcohol. ADH1B y ALDH2 catalizan pasos consecutivos en el metabolismo del alcohol. En los adultos, estas enzimas desempeñan un papel importante, aunque varias otras enzimas también catalizan estos pasos metabólicos, como la catalasa, el citocromo P450 y otras enzimas de las familias de genes ADH y ALDH. ADH oxida el etanol a acetaldehído, que luego es convertido en acetato por ALDH. El acetaldehído es tóxico y se aduce tanto con proteínas como con ADN. Tanto el acetaldehído como el alcohol se reconocen como mutágenos. El acetaldehído es un potente liberador de histamina y, por lo tanto, desencadena enrojecimiento, una reacción aversiva caracterizada por dolor de cabeza, náuseas, palpitaciones y enrojecimiento de la piel. Por lo general, el acetaldehído se convierte rápidamente en acetato y los niveles de acetaldehído son muy bajos incluso después de la ingestión de alcohol. Sin embargo, si el disulfiram (un medicamento utilizado para ayudar a los alcohólicos a mantener la abstinencia) bloquea la aldehído deshidrogenasa, se observa enrojecimiento después de la ingestión de pequeñas cantidades de alcohol. La acumulación de acetaldehído puede aumentar el riesgo de cáncer del tubo digestivo alto y el riesgo de cáncer aumenta en gran medida por el bloqueo farmacológico de la aldehído deshidrogenasa o la variación genética natural. 58 Como se muestra en la figura 6, hay dos variantes enzimáticas comunes de ADH1B y ALDH2 que conducen a enrojecimiento inducido por el alcohol, que son protectoras contra el alcoholismo y que juegan un papel en el riesgo de cáncer del tracto gastrointestinal superior asociado con el consumo de alcohol (Fig. .7).

Polimorfismos funcionales en el metabolismo del etanol: ADH1B His48Arg y ALDH2 Glu487Lys. Mayor actividad de ADH1B, Conferido por Arg48, o menor actividad de ALDH2, Conferido por Lys487, conduce a la acumulación de acetaldehído después del consumo de alcohol y la reacción de enrojecimiento.

Distribuciones geográficas de ALDH2 Lys487 y cáncer de esófago. los Lys487 El alelo es muy abundante en el sudeste asiático, pero prácticamente está ausente en europeos, africanos y amerindios. El sudeste asiático también es un foco epidemiológico para el cáncer de esófago, de acuerdo con los estudios epidemiológicos genéticos que han relacionado el riesgo de cáncer de esófago con el consumo moderado de alcohol en los portadores del cáncer de esófago. Lys487 alelo. El acetaldehído es carcinógeno. 58 (Adaptado de Li H, Borinskaya S, Yoshimura K, et al. Distribución geográfica refinada de la variante oriental ALDH2 * 504Lys (nee 487Lys). Ann Hum Genet 200973 (Pt 3): 335 & # x0201345 con permiso.)

En el ADH1B His48Arg locus (rs1229984), el His48 alelo conduce directamente a una mayor eficiencia catalítica de ADH1B. De hecho, la tasa de oxidación del etanol a acetaldehído aumenta 100 veces en His48 / His48 homocigotos en comparación con Arg48 / Arg48 homocigotos. En el ALDH2 Glu487Lys locus (rs671), el Lys487 El alelo inactiva de forma dominante ALDH2. Una mayor actividad de ADH1B o una menor actividad de ALDH2 conducen a la acumulación de acetaldehído y enrojecimiento después del consumo de pequeñas cantidades de alcohol. En las poblaciones de Asia oriental en las que tanto His48 y Lys487 son muy abundantes, y en poblaciones judías en las que His48 es abundante, muchos individuos portan genotipos protectores contra el alcoholismo. Recientemente, el efecto protector del His48 ADH1B También se demostró una variante de la dependencia del alcohol en poblaciones europeas y africanas. 59 Siguiendo la conexión del acetaldehído con la mutación, tanto el ADH1B y ALDH2 Los alelos de rubor se han asociado con un mayor riesgo de cánceres de orofaringe y esófago. 58 Como se ve en la figura 7, las tasas de cáncer del tracto gastrointestinal superior son más altas en partes del mundo donde ALDH2 Lys487 El alelo es abundante.

los ADH1B y ALDH2 los polimorfismos son antiguos y se producen en haplotipos característicos y muy divergentes. Es poco probable que se haya seleccionado una variante genérica con alta frecuencia para reducir la probabilidad de alcoholismo después de la introducción del alcohol en estas poblaciones, lo que probablemente ocurrió mucho después de la propagación de los polimorfismos. Se ha planteado la hipótesis de que Arg48 y / o Lys487 se seleccionaron con alta frecuencia en las poblaciones de Asia oriental porque alteran la susceptibilidad a las infecciones intestinales por protozoos, incluida la amebiasis. 60 Estas infecciones a veces se tratan con metronidazol, que inhibe de forma potente la aldehído deshidrogenasa. 60

Monoaminas moderadoras de genes

Las monoaminas que incluyen serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT), norepinefrina (NE) y dopamina (DA) son moduladores de la emocionalidad, la cognición y la recompensa. Por lo tanto, no es sorprendente que los genes que regulan las monoaminas, como la catecol-O-metilransferasa (COMT) y el transportador de serotonina (SLC6A4) han estado implicados en la vulnerabilidad a varias enfermedades psiquiátricas, incluidas las adicciones.

COMT metaboliza la dopamina y la noradrenalina y otros catecoles. COMT juega un papel importante en la regulación de la dopamina en la corteza prefrontal, donde el transportador de dopamina se expresa menos. 61,62 COMT los ratones knockout tienen niveles elevados de dopamina en esta región del cerebro. 63,64 El COMT El gen tiene dos promotores que controlan la transcripción de dos ARNm diferentes y codifican una proteína citoplásmica soluble (S-COMT) y una forma unida a la membrana (MB-COMT) que tiene 50 residuos de aminoácidos adicionales en el N- término. La S-COMT predomina en la mayoría de los tejidos y representa el 95% de la actividad COMT total. 65 En el cerebro, donde la actividad de MB-COMT es mucho mayor, 66 esta enzima se encuentra en el cuerpo celular, los axones y las dendritas de las neuronas corticales. 67 Val158Met es una sustitución funcional común de un solo nucleótido de COMT, 68 que reemplaza metionina por valina en el codón 158 de MB-COMT y en el codón 108 de S-COMT. A través de su efecto sobre la estabilidad enzimática 69,70, el Met158 El alelo es de tres a cuatro veces menos activo. 71 Debido a su mayor actividad, el Val158 Se predijo que el alelo reduciría el nivel de dopamina en la corteza frontal. Congruente con esta hipótesis, el Val158 El alelo se ha asociado con una función ineficaz del lóbulo frontal evaluada con diferentes metodologías psicológicas y de neuroimagen. 72 & # x0201374 Además, en un estudio farmacogenético, el inhibidor de COMT tolcapone mejoró la función ejecutiva en val/val homocigotos, pero no en individuos homocigotos para el reunió alelo, lo que indica que este fármaco podría corregir la mayor actividad de COMT y, en consecuencia, el menor nivel de dopamina, de Val portadores. 75 Por otro lado, Met158, aunque se asocia con un mejor rendimiento cognitivo, se asocia con una disminución de la resistencia al estrés y un aumento de la ansiedad. Este alelo se ha asociado con un aumento de la ansiedad en las mujeres, 76 lo que podría explicarse porque COMT los promotores están regulados negativamente por los estrógenos. 77 El Reunió El alelo también se ha asociado con un aumento de la respuesta al dolor y el estrés y un umbral de dolor más bajo, 42,78 y con una mayor reactividad de la amígdala a los estímulos desagradables. 79 Resultados de estudios que exploran la asociación entre COMT y la adicción se mezclan. Algunos estudios no pudieron encontrar evidencia de una asociación 80 que algunos indican Val158 ya que los alelos de riesgo y otros indican la Met158 alelos como el alelo de riesgo. los Val158 Se encontró que el alelo estaba en exceso entre los adictos a la metanfetamina, la nicotina y las polisustancias. 80 & # x0201382 Por otro lado, en poblaciones adictas con alta frecuencia de trastornos de internalización, como los alcohólicos de aparición tardía en Finlandia 83 y los bebedores sociales finlandeses, 84 parecía conferir un mayor riesgo Met158 alelo.

SLC6A4

El transportador de serotonina (SLC6A4) regula los niveles sinápticos de serotonina, un neurotransmisor involucrado en la regulación del estado de ánimo, el apetito y el control de los impulsos. Como reflejo de estas diversas acciones, los inhibidores de la recaptación de serotonina específicos son la categoría de medicamentos recetados con mayor frecuencia para las enfermedades mentales. El gen transportador de serotonina SLC6A4 tiene una repetición en tándem de número variable común (VNTR) en su región promotora (HTTLPR) (Fig.8) que es el locus más frecuentemente estudiado en genética psiquiátrica.

La región polimórfica ligada al transportador de serotonina. El promotor del transportador de serotonina humana tiene un VNTR común denominado HTTLPR. Los principales alelos dentro de este VNTR, a saberL (largo y S (corto), difieren en el número de copias de una repetición imperfecta de 20 bpto23 bp. los L El alelo, que conduce a una mayor eficiencia de transcripción, tiene 16 copias de la repetición y el S El alelo tiene 14 copias. Además, un SNP A & # x0003e G funcional y relativamente común dentro del L alelo conduce a un LG alelo funcionalmente equivalente al S alelo. (Datos de Lesch KP, Bengel D, Heils A y col. Asociación de rasgos relacionados con la ansiedad con un polimorfismo en la región reguladora del gen transportador de serotonina. Science 1996274 (5292): 1527-31 y Hu XZ, Lipsky RH, Zhu G, et al. Los genotipos de ganancia de función del promotor del transportador de serotonina están relacionados con el trastorno obsesivo compulsivo. Am J Hum Genet 200678 (5): 815 & # x0201326.)

Los alelos principales dentro de este VNTR difieren en el número de copias de una secuencia imperfecta repetida de 20 a 23 pb. los L El alelo, que conduce a una mayor eficiencia transcripcional, tiene 16 copias de la repetición y el S El alelo tiene 14 copias. 85 Además, existe un polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) funcional A & # x0003e G relativamente común dentro del L alelo, 86 el LGRAMO siendo el alelo equivalente al S alelo en eficiencia transcripcional. 86 Respaldando aún más el efecto funcional de HTTLPR, se ha demostrado que este locus regula la expresión del transportador de serotonina en el cerebro post mórtem 87 e in vivo utilizando imágenes de tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) 88, aunque no en todos los estudios. 89 Transcripción baja HTTLPR los genotipos se han asociado de manera inconsistente con la ansiedad, la depresión y el alcoholismo. Sin embargo, los efectos de este locus sobre el comportamiento complejo parecen más fuertes si también se considera la exposición ambiental. HTTLPR moderó el impacto de los acontecimientos vitales estresantes sobre el riesgo de depresión y comportamiento suicida. 90 portadores de la transcripción baja S alelo exhibió más depresión y tendencias suicidas después de eventos estresantes de la vida que L individuos con dos copias del alelo. 90 Aunque un metanálisis no pudo apoyar esta interacción G & # x000d7 E, 91 otros metanálisis sí lo han hecho, y múltiples líneas de evidencia apoyan un papel para HTTLPR regulación de la emoción y respuesta al estrés. En particular, HTTLPR Se ha demostrado que influye en la actividad de la amígdala, una región del cerebro que regula la respuesta emocional a los cambios ambientales y que está involucrada en la patogénesis de la depresión y la ansiedad.Tanto los adultos 41 como los niños 92 que portaban el alelo s de baja actividad mostraron una mayor reactividad de la amígdala a estímulos de miedo, un volumen reducido de la amígdala, 93 y un acoplamiento funcional mejorado entre la amígdala y la corteza prefrontal ventro medial, 94 una región del cerebro que normalmente reprime la activación de la amígdala. Además, HTTLPR parece predecir la liberación de cortisol inducida por el estrés. 95 HTT También se han observado interacciones genéticas con el medio ambiente en modelos animales. El macaco rhesus tiene un polimorfismo ortólogo (rh-5HTTLPR) en la región promotora del gen transportador de serotonina. En estos animales, la exposición al estrés temprano en la vida condujo a un comportamiento descontrolado y una mejor respuesta al estrés más adelante en la vida (para una revisión, consulte la Ref. 96). De acuerdo con los hallazgos en humanos, Rh-5HTTLPR influyó en el consumo de alcohol y la respuesta al estrés, dependiendo de las condiciones de crianza. Los portadores del genotipo del transportador de serotonina de baja expresión que se separaron de sus polillas a una edad temprana mostraron una mayor reactividad al estrés y preferencia por el etanol. 97 De manera similar a los humanos, 95 el efecto combinado de rh-HTTLPR y el entorno sobre la reactividad al estrés parecía estar mediado por el eje hipotalámico-pituitario-adrenal (HPA).


ALGUNOS PENSAMIENTOS PERSONALES Y AGRADECIMIENTOS

Muchas personas contribuyeron a mi carrera científica, y me gustaría expresar mi agradecimiento a mis padres, que ya no viven, por sus sacrificios personales que permitieron mi educación a mi esposa, Toby, y a mis hijos, Rob, Jennifer y David, por su amor. apoyo (Figura 6) a Vernon Ingram y Norman Salzman (ambos fallecidos) por alentar mi independencia como investigador a los muchos estudiantes talentosos y enérgicos, becarios postdoctorales y personal de laboratorio (Figura 7), algunos de los cuales han establecido sus propios laboratorios para continuar la investigación del poxvirus, con la simpatía de la comunidad de investigación del poxvirus con mis maravillosos colegas en el Laboratorio de Enfermedades Virales del programa intramuros del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas para proporcionar un entorno extraordinario para investigación básica impulsada por la curiosidad y, por último, a los desplazamientos al trabajo en bicicleta y kayak frecuentes (Figura 8), lo que me mantiene en buena forma física y de ánimo.


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