Ciencia para todos desde el CEBAS

Archivo para abril, 2013

Breve historia sobre el concepto de “expresión génica” y el papel del RNA en el proceso

Pedro Martínez-Gómez y Manuel Rubio, Departamento de Mejora Genética vegetal, CEBAS-CSIC

Desde que en 1869 el bioquímico alemán Friedrich Miescher descubriera en vendas empapadas en pus los ácidos nucleicos (ADN y ARN) que él llamó en principio nucleína, por hallarse estas sustancias en el núcleo, las historia de estos dos “mellizos” bioquímicos ha sido de éxito y “glamour” para el primero (ADN) y cierto ostracismo y sinsabor para el segundo (ARN).

Amén del concepto de gen esbozado a partir del redescubrimiento de las leyes de Mendel en 1900, los experimentos de Avery, McCarty y MacLeod en bacterias señalaron en 1928 al ADN como responsable de estos genes o de la herencia genética. Además en 1952 las evidencias físicas mediante marcaje radioactivo del ADN de fagos confirmaron esta teoría sobre la asociación de material genético y ADN. Pero fue el descubrimiento de la estructura del ADN en 1953 por Watson y Crick, esa hermosísima estructura de doble hélice, con la definición exacta de gen y el establecimiento (1970) de lo que se denomina el dogma central de la biología molecular: “la información genética puede ser transferida entre los ácidos nucleicos, y a partir de ácidos nucleicos a proteínas, incluyendo la replicación del ADN, transcripción de ARN y la traducción a proteína expresada en el fenotipo”, lo que hizo incrementar esta desigualdad en cuanto a éxito y atractivo en favor del ADN. El ARN era un mero lacayo del ADN.

En este momento nos encontramos en la denominada era “post-genómica”, la cual nos sitúa ante una revolución científica en cuanto a la percepción de la biología molecular. Esta era “post-genómica” se caracteriza, entre otras cosas, por un cambio de perspectiva sobre la expresión de caracteres dónde el centro de gravedad de estos procesos se pone en el estudio del ARN más que en el del ADN. Por eso en este breve artículo queremos insistir en el papel del ARN en los fenómenos de expresión génica, ayudando a que el ARN continúe recortando el terreno perdido frente al ADN, digamos que ahora somos más de ARN que de ADN.

El ARN presenta una estructura más sencilla, en principio con una cadena simple. Sin embargo, su presencia en el núcleo y en el citoplasma de la célula es variable, temporal, y sobre todo casi etérea, de ahí que la fácil degradación del ARN sea el principal hándicap para su estudio. Probablemente su aspecto más “humilde” junto con su carácter más etéreo y degradable han contribuido a ese menor encanto en comparación con el ADN.

El concepto de expresión génica (el paso del ADN a la proteína) ha ido cambiando a lo largo del tiempo. Podemos resumir la historia del papel del ARN en estos fenómenos de expresión génica como un proceso de complicación sistemática (Fig. 1).

expresion génica

Del concepto de ARN como sustancia descrita, como ya hemos comentado, por Miescher en 1869, se pasó en 1960 a un concepto de molécula diversa con al menos dos grandes variantes: un ARN mensajero que era el que producía las proteínas y otros tipos de ARN como el que formaba los ribosomas. Esta aportación de los franceses Jacob y Monod fue crucial para el planteamiento posterior de Crick y se tradujo en la primera descripción de un mecanismo de regulación transcripcional. Por eso, en 1970 se comenzó a hablar del ARN como elemento indispensable en la expresión génica (el mencionado Dogma Fundamental de la Biología Molecular de Francis Crick), aunque fuera como ya comentábamos como acólito (achichincle, como dicen en México) del ADN.

A partir de ahí la complejidad en torno al funcionamiento del ARN no ha hecho nada más que aumentar exponencialmente de la mano de la ciencia norteamericana, que ha desbancado, por desgracia, los inicios europeos en esta materia. En 1978 el bioquímico estadounidense Walter Gilbert describió el gen como una parte de ADN que se expresaba o transcribía a ARN (exón) y otra que no (el intrón). Por tanto el ARN no era un continuo que se transcribía continuamente sino que únicamente una parte de este ADN original llegaba a ARN mensajero. De ahí nace el desafortunadísimo concepto de “ADN basura” como el ADN que no se transcribía.

Para continuar complicando las cosas, en 1993 el grupo de investigadores americanos de Rosalind Lee y Victor Ambros, asombraron al mundo molecular al describir la existencia de una nueva clase de ARNs pequeños (microRNA, smallRNA, etc.) que regulaban el ARNm (de Jacob y Monod) proveniente de los exones (de Gilbert). Pero además, el también norteamericano David Brett en 2001 alertó de que había que tener en cuenta que los exones no se transcribían linealmente a ARNm si no que a veces el corte y empalme de estos (splicing) podía ser alternativo, pudiéndose omitir algunos de los exones, para complicar aún más el proceso.

Finalmente, en 2012 el proyecto ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements), conglomerado de grupos de investigación también liderado por EEUU, ha puesto en su sitio al ARN. Estos nuevos resultados inciden en la importancia de todos los tipos de ARN en la expresión final de todo el ADN (incluyendo el muy mal llamado ADN basura). Además ENCODE en cierto modo inclina por primera vez, aunque ligeramente, la balanza en favor del ARN en cuanto a necesidad de recursos para ir profundizando en estos mecanismos de la vida. Parece que el ARN come parte del terreno perdido frente a su hermano “mellizo” ADN en cuanto a glamour, éxito y presupuesto.

 

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Gestión del territorio en zonas semiáridas

J Sánchez Balibrea, G González Barberá, A Blanco Bernardeu, P López Barquero, D López, R del Campo

Los aterrazamientos consistían en la construcción de terrazas en las laderas de los montes siguiendo las curvas de nivel con una anchura mínima de 2,80 m para permitir el paso de la maquinaria. Además, tras el aterrazamiento se realizaba un subsolado del suelo para favorecer la infiltración y el desarrollo inicial del arbolado. Obviamente, la ejecución de terrazas suponía la movilización de considerables cantidades de suelo. Recientemente se han realizado propuestas para la corrección de los procesos de degradación del suelo e incremento de la biodiversidad en zonas aterrazadas, basadas en técnicas de mínima intervención.

Para los interesados, os presentamos este manual, que pretende ser un sencillo ejemplo de medidas prácticas y concretas que pueden aplicarse a las zonas afectadas por aterrazamientos o por la implantación de masas monoespecíficas de pino carrasco de cara a la integración ambiental, geomorfológica y paisajística de estos espacios, ya que no debemos olvidar que muchos de ellos se encuentran en áreas protegidas o en terrenos de titularidad pública.

Manual de gestión del territorio: Gestion-del-territorio-en-medios-semiaridos-II

Stevia, la planta que endulza sin engordar

Dr. Abel Piqueras, Grupo de Biotecnología de Frutales, CEBAS-CSIC

La Stevia  rebaudiana es una planta herbácea perenne de la familia de las asteráceas, originaria de Paraguay utilizada por los indígenas guaraníes desde la época precolombina. Ellos la llamaban  Ka´a He´e que significa hierba dulce, y la usaban principalmente para endulzar infusiones.  La Stevia y sus edulcorantes derivados son de muy reciente introducción en Europa  aunque en muchos países de extremo oriente como Japón es el edulcorante más utilizado desde finales del siglo XX. Recientemente, el  uso de la Stevia ha sido aprobado en 2011 por la Autoridad Europea de  seguridad  Alimentaria (Pande y Gupta, 2013).

Stevia de un año crecida en invernadero (piqueras@cebas.csic.es)

Stevia de un año crecida en invernadero (piqueras@cebas.csic.es)

La Stevia fue descrita por primera vez por el botánico suizo Moisés Bertoni en 1887. Algunos años más tarde, su amigo, el químico Ovido Rebaudi consiguió aislar los dos principios activos más importantes de la Stevia: el steviosido y el reubadiosido que en las etapas iniciales de su ruta biosintética comparten la  vía de síntesis del ácido giberélico. Estos compuestos  son unas 200 veces más edulcorantes que  la sacarosa y no  proporcionan calorías por lo que puede ser consumida por personas con sobrepeso, diabetes o caries (Singh and Rao, 2005).  También se han descrito otros efectos terapéuticos para los metabolitos de la Stevia como antihipertensivos, antiinflamatorios, diuréticos e inmuno-moduladores (Lemus-Moncada et al. 2012).

La producción a gran escala de Stevia se ve limitada en primer lugar por la baja germinación de sus semillas, junto con la heterogeneidad genética de las plantas que producen (Monteiro et al. 1984) y el lento proceso de producción de esquejes utilizado para su propagación vegetativa (Sakaguchi y Kan, 1982). Para superar estos problemas que limitan la implantación de este cultivo en muchas zonas se han aplicado técnicas de cultivo de tejidos vegetales para la producción vegetativa de plántulas de Stevia por micropropagación (Pande y Gupta, 2013). Recientemente, en el grupo de Biotecnología de Frutales del CEBAS-CSIC hemos iniciado una nueva línea de trabajo para la propagación clonal de plantas seleccionadas de Stevia mediante cultivo de tejidos vegetales partiendo de yemas axilares y apicales.

A) Cultivo de Stevia micropropagado en medio líquido.  B) Planta aclimatada después de micropropagación. (piqueras@cebas.csic.es)

A) Cultivo de Stevia micropropagado en medio líquido. B) Planta aclimatada después de micropropagación. (piqueras@cebas.csic.es)

En este momento disponemos de un medio de cultivo original  desarrollado en nuestro laboratorio y estamos evaluando diferentes condiciones ambientales in vitro  (en medio sólido con y sin refrigeración basal y en medio líquido) que permitan controlar la calidad del proceso de  micropropagación y aumentar la producción de plantas a gran escala para ser aclimatadas en el invernadero y posteriormente plantadas en el campo para su cultivo comercial.

Referencias:

Lemus-Moncada R. et al. (2012) Food Chemistry 132: 1121-1132.

Monteiro R (1980). Taxonomia e biologia da reproducao da Stevia rebaudiana Bert. Ph.D. thesis, Univ. Estatal de Campinas, Brazil.

Pande SS and Gupta P (2013) J. Pharmacognosy and Phytoteraphy 51 (1):26-33.

Singh SD and Rao GP (2005)  Sugar Tech 7:17-24.

GLUTATIÓN: UNA MOLÉCULA PARA TODO

 

Pedro Diaz Vivancos. Investigador contratado del CEBAS-CSIC.

Como ya hemos comentado anteriormente el glutatión (GSH) es uno de los principales compuestos antioxidantes no enzimáticos tanto en plantas como en animales (https://cienciacebas.wordpress.com/2013/01/24/mecanismos-antioxidantes-de-defensa-i-mecanismos-no-enzimaticos/).

El glutatión (GSH) es un compuesto tiólico (tiol es un compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno) no proteico muy importante en muchos organismos. El GSH es un tri-péptido no proteínico formado por los aminoácidos L-cisteína, ácido L-glutámico y glicina.

El GSH tiene múltiples funciones:

1. Es el mayor antioxidante endógeno producido por las células, participando directamente en la neutralización de radicales libres y especies reactivas de oxígeno (ROS), así como el mantenimiento de los antioxidantes exógenos, como las vitaminas C y E en sus formas reducidas (activas).

2. A través de la conjugación directa, participa en la desintoxicación compuestos extraños (xenobióticos) y agentes carcinógenos.

3. En las plantas es esencial en la regulación del desarrollo y en las respuestas al medio ambiente (defensa frente a estreses bióticos y abióticos). En animales es esencial para el correcto funcionamiento del sistema inmunológico, participando por ejemplo, en la modulación de la presentación de antígenos a los linfocitos, en la proliferación de los linfocitos, y en la regulación de los procesos de apoptosis o muerte celular programada.

4. Desempeña un papel fundamental en numerosas reacciones metabólicas y bioquímicas como: síntesis y reparación del ADN, síntesis de proteínas, transporte de aminoácidos, reacciones enzimáticas, metabolismo del azufre, etc.

Por lo tanto, las funciones del glutatión son múltiples, pero sobre todo participa en la regulación del estado redox (reacciones óxido-reducción) celular. El estado del glutatión es modulado por los oxidantes así como por factores nutricionales y otros factores tales como las respuestas de defensa frente a patógenos, etc. Por estas razones, el glutatión es considerado como una molécula señalizadora que integra la información ambiental en la red celular. Hoy en día, hay pruebas inequívocas de que el glutatión es un metabolito multifuncional en plantas y en animales, siendo fundamental en numerosos procesos celulares.

GSH

Fuentes de GSH recomendadas son los espárragos, espinacas, brócoli, ajo, col, cebollas, berros y coles de bruselas. Algunas especias como el comino y la canela también elevan modestamente los niveles de GSH. Otros alimentos que contienen glutatión en menos cantidad son melón, aguacate, pomelo, duraznos, naranjas, nueces, pavo y pollo. En resumen, los productos lácteos, los cereales y el pan son generalmente bajos en GSH, frutas y vegetales tienen cantidades moderadas o altas de GSH, y carnes recién preparadas tienen un contenido relativamente alto de GSH.

Sin embargo es muy importante mencionar que es mucho más importante enfocarse en alimentos que contienen precursores de glutatión, que glutatión en sí mismo. Esto se  debe a que el glutatión posee una estructura química que es débil al proceso digestivo. El glutatión no es un nutriente esencial, ya que puede ser sintetizado a partir de los aminoácidos L-cisteína, ácido L-glutámico y glicina. El ácido glutámico y la glicina se encuentran en casi todos los alimentos que comemos, pero la cisteína es mucho más escasa encontrándose en huevos, ajo y leche principalmente. Se recomienda el consumo de alimentos ricos en selenio, conocido por ayudar a elevar los niveles de glutatión.

 

Bibliografía empleada:

Noctor G, Queval G, Mhamdi A, Chaouch S, Foyer CH (2011) Glutathione. The Arabidopsis Book, 9(1):1-32.

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