Parlem de Genètica

Què és la Genètica?

La Genètica es defineix com aquella branca de la Biologia dedicada a comprendre l'herència de les característiques que ens defineixen i a estudiar com varien les espècies al llarg del temps. La Genètica ens explica per què som com som. Per què hi ha persones que neixen acompanyades d'un bessó i jo vaig néixer sol? I per què alguns dels bessons són idèntics i d'altres no s'assemblen ni en pintura? Per què jo puc enroscar la llengua i el meu company no podrà, per més que ho intenti mentre posa cara de mico? Per què es diu que els gats tricolor són femelles? És veritat que s'han creat animals fluorescents?

Cadascú, i de fet cada organisme viu d'aquest món, neix amb un llibre d'instruccions personal i intransferible "sota el braç" o, més ben dit, a dins de cadascuna de les seves cèl·lules. Són llibres d'instruccions molt complexos, amb molta i molta lletra i només alguns paràgrafs útils per construir-nos. Sort que el nostre cos, tot solet se'n carrega, perquè estaríem ben llestos si haguéssim de seguir les instruccions com en els catàlegs d'IKEA. Aquest llibre indica com hem de ser; més alts, més baixos, rossos o castanys, més intel·ligents per les matemàtiques o per les socials, més tranquils o més nerviosos..., i tot això ho explica la Genètica. És clar que, si bé el 50% del que som ho explica la Genètica, l'altre 50% té molt a veure amb tot allò que ens envolta; l'ambient. No serem iguals si vivim a un petit poble dels Pirineus o a una ciutat amb moltes fàbriques, si fumem o no durant la vida, si ens alimentem millor o pitjor, etc. 

Primer de tot, per poder entendre com funciona la Genètica, hem de comprendre "on caram es troba", "què és" i "què fa". Per a entendre-ho, cal que repassem com estem organitzats, els éssers vius:

La informació Genètica d'una persona es recull en el seu material genètic o genoma. Aquest, es troba a dins del nucli de cadascuna de les cèl·lules que formen el nostre cos. TOTES LES CÈL·LULES tenen EL MATEIX material genètic. Però, és evident que no totes les cèl·lules són iguals, sinó que es troben especialitzades en funcions diferents, i això permet l'agrupació en teixits, en òrgans, en aparells o sistemes i en un organisme sencer capaç de fer un munt de funcions. Però, si totes tenen la mateixa informació genètica, per què són tant diferents? Doncs resulta que, segons si es tracta d'una cèl·lula o d'una altra (posem per cas una cèl·lula de l'ull, encarregada de rebre la llum, o una cèl·lula del cor, que ha de poder contraure's), s'activaran o s'utilitzaran unes o altres porcions d'entre tota la informació genètica; només les necessàries perquè la cèl·lula dugui a terme aquella funció en què està especialitzada. Aquestes porcions del genoma són els gens. Es calcula que els humans tenim un total de 21.000 gens.

Però..., com funcionen els gens? Què fan? Per a què serveixen? 

Segur que heu vist un munt de cops l'esquema típic de l'estructura d'una cèl·lula:

Ara ens imaginarem que l'interior de la cèl·lula, el citoplasma on es troben immersos els orgànuls, es tracta d'una ciutat:

Com tota ciutat, aquesta té un ajuntament, una escola, les cases dels seus ciutadans, uns grans magatzems, una font d'energia per subministrar corrent elèctric, una brigada de neteja per deixar els carrers ben nets i una gran biblioteca. Sabries dir a quin orgànul cel·lular equival cada element de la ciutat i quina semblança presenten les seves funcions en el conjunt cèl·lula/ciutat? Encara que pugui semblar que l'ajuntament és l'element més important d'una ciutat, no és així. El més important és, sens dubte, la Biblioteca. Com si no, els ciutadans podrien arribar a ser grans regidors? Comerciants? Advocats? Investigadors? Cuiners? Astronautes? La biblioteca conté, sens dubte, tota la informació necessària per a què la ciutat rutlli com cal. Imaginem que, a més a més, els llibres d'aquesta biblioteca són exemplars únics, exclusius, que no es troben a cap altre lloc de la ciutat. Un d'aquests llibres tan excepcionals és un recull de receptes escrites a ma per la iaia del poble que va viure fa 200 anys. Era ella qui feia aquell pastís de xocolata tan i tan bo que només pot repetir-se seguint, minuciosament, la seva recepta. Si jo volgués fer aquest pastís de xocolata, què hauria de fer? 

És lògic que d'una biblioteca puc endur-me'n prestats els llibres. Però, si m'enduc el llibre de receptes de la iaia i mentre faig la recepta el grapejo amb les mans plenes de xocolata... Mal assumpte! L'única opció per conservar intacte el el llibre és fer-ne una fotocòpia, a dins la biblioteca, endur-me-la a casa, i fer el pastís. D'aquesta manera no patirem per la integritat del llibre de receptes de la iaia. Resulta que la nostra informació genètica funciona igual. El nostre genoma està format per un conjunt de molècules d'ADN (àcid desoxiribonucleic). Aquestes molècules informen a la cèl·lula sobre quin tipus de proteïnes i en quina quantitat s'han de produir. Les proteïnes són essencials per a la composició i la funcionalitat de la cèl·lula i, per això, l'ADN "informa" sobre com ha de ser la cèl·lula i com ha de funcionar. Les proteïnes es sintetitzen al citoplasma, però l'ADN es troba dins del nucli... Si l'ADN hagués de sortir del nucli, "donar la informació" per produir una proteïna i tornar a entrar al nucli per estar-hi ben protegit..., possiblement, en algun moment, la molècula es trencaria, perdria l'a integritat i, com amb el llibre de receptes de la iaia, l'hauríem fet grossa. Per això, igual que passava en l'exemple, l'ADN s'ha de copiar, aquesta fotocòpia pot sortir al citoplasma i allà guiar la producció d'una proteïna. Aquesta fotocòpia és una molècula de ARN (àcid ribonucleic). 

Per tant, l'ADN és una biomolècula, és a dir, una molècula amb funció biològica. Concretament, l'ADN és una macromolècula formada per la unió de moltes molècules, els nucleòtids, que són la unitat bàsica del material genètic. Els nuclèotids equivalen a "les lletres" del llibre de receptes. N'existeixen quatre de diferents (A, T, C, G) o cinc, perquè en l'ARN la T és substituïda per una U. Aquestes lletres conformen les típiques seqüènciques que mostren als telenotícies quan expliquen algun avenç en l'àrea de la genètica (per exemple: AAAATGCTGCTATTACCCGT), de les quals no entenem ni un borrall. Què signifiquen totes aquestes lletres?

Aquestes unitats o monòmers de les quals està constiutït l'ADN són molècules formades d'àtoms de carboni, oxigen, hidrogen i nitrogen. Tenen sempre una part constant i una part variable; de la qual depèn que es tracti d'una A, una T, una C, una G o una U. La part constant, conté sempre un anell central que és una ribosa (un sucre amb 5 àtoms de carboni) unida a un grup fosfat. La part variable és la base nitrogenada, que s'uneix també a la ribosa i n'hi ha 5 de diferents (A, C, T, G, U) i, per tant, en funció de la base nitrogenada que contingui el nuclèotid, parlarem d'una o altra lletra.  

Quan els nucleòtids s'uneixen, un rere l'altre, formen una molècula d'ADN. Aquesta molècula, per les seves propietats químiques, té forma d'hèlix.

L'ADN i l'ARN no són diferents només pel fet de tenir una T (ADN) o una U (ARN), sinó que a més, l'ADN que es troba dins del nucli està format per dues cadenes de nucleòtids mentre que l'ARN només està compost per una sola cadena. En l'ADN, doncs, dues hèlixs ben llargues, formades per la unió de nucleòtids, interaccionen formant una doble hèlix. Aquesta unió de les dues cadenes no és a l'atzar; resulta que quan una A troba una T (o U), hi interacciona i el mateix passa quan una C troba una G, i viceversa. Per tant, per poder-se unir, les dues cadenes han de ser complementàries.

A - T

T - A

C - G

G - T 

Per posar un exemple, sabries dir en quina de les dues seqüències següents les dues cadenes són complementàries?

               A A T C G G C A T T C C                            A A T C G G C A T T C C

               T T C G C C C A A A G C                           T T A G C C G T A A G G

De models de l'estructura de l'ADN en trobareu un munt. Cap és real, és a dir, es tracta d'aproximacions de la realitat (potser unes més aconseguides que d'altres) que miren de representar-la:

 Per exemple, aquest model representa l'ADN amb peces de Lego. És evident que dins de les nostres cèl·lules no hi tenim peces de lego..., però sí que és una bona representació per entendre que existeixen 4 nucleòtids diferents que composen l'ADN (A, T, C, G), que aquest està format per dues cadenes complementàries (A - T i C - G) i que, a més, aquestes cadenes són antiparal·leles, que significa que una està a l'inrevés de l'altra. 

Un altre model podria ser aquest:

  
Però, evidentment, tampoc tenim globus de colors a dins de les nostres cèl·lules, tot i que, com a mínim,  és un model molt bufó.

Segur que saps que les cèl·lules es divideixen. Uns tipus cel·lulars més freqüentment que d'altres, però es divideixen. En general, diem que la cèl·lula o bé està duent les seves funcions vitals, està creixent, etc., o bé s'està preparant per dividir-se fins que es divideix. Què té a veure això amb la Genètica? Doncs resulta que l'ADN no presenta la mateixa organització quan la cèl·lula està en fase de creixement que quan està en fase de divisió. Quan la cèl·lula està creixent, l'ADN es troba descompactat, és a dir, més lliure i desorganitzat. 

Pots imaginar què és el que es veu a la imatge? Es tracta de l'ADN d'un bacteri, d'Escherichia coli que s'ha lisat o trencat per alliberar-ne el material genètic. Els bacteris són éssers vius d'una sola cèl·lula, a diferència de nosaltres, que tenim uns deu bilions de cèl·lules (10.000.000.000.000). A més, tan sols tenen una molècula d'ADN o cromosoma, que és circular, a diferència de nosaltres, que tenim 23 parells de cromosomes. Per tant, aquest manyoc de fils de la diapositiva, es tracta d'una sola molècula de DNA descompactada, és a dir, relaxada, en l'estat normal de la cèl·lula. Però, què passa quan la cèl·lula s'ha de dividir?

Quan la cèl·lula s'ha de dividir, en primer lloc, duplica tot el seu material genètic, per poder-lo repartir entre les dues cèl·lules filles. Ara bé, imaginem que aquest manyoc desorganitzat d'ADN, multiplicat per dos, l'haguéssim de repartir en dues porcions. Seria molt difícil! Es farien nusos i es trencaria. Per això, el més fàcil és condensar les dues molècules, de manera molt organitzada, obtenint una estructura molt compacta i fàcilment manejable per poder-les repartir en dues noves cèl·lules.

Per fer-ho, les cèl·lules tenen un mecanisme de compactació de l'ADN molt minuciós que permet entaforar una llarga molècula desordenada en una estructura molt compacta.  Per fer-ho, l'ADN en primer lloc s'enrosca al voltant d'unes proteïnes, les histones, i mitjançant diversos plegaments posteriors, s'acaba obtenint el que s'anomenen els cromosomes.

 Els cromosomes els podem observar mitjançant la obtenció d'un cariotip. El cariotip és el conjunt de cromosomes d'una espècie, per exemple, els que observem aquí sota:

Per obtenir i poder veure els cromosomes, s'utilitzen tècniques de laboratori que permeten fer entrar les cèl·lules en divisió, fer que s'inflin en un medi hipotònic (que vol dir que és un medi que té menys concentració de sal; les cèl·lules tendeixen a captar aigua per igualar la concentració de sals amb l'exterior i d'aquesta manera s'inflen) i finalment es fan "explotar" sobre un portaobjectes de manera que les membranes rebentin i els cromosomes quedin dispersos sobre el suport. Així, es poden tenyir i fotografiar els cromosomes, i fer servir aquestes imatges per estudiar diverses característiques genètiques de l'individu a qui se li ha fet el cariotip.
 
Els de la imatge es tracten de cariotips humans que presenten, com és habitual, 23 parells de cromosomes. Parlem de parells de cromosomes perquè de cadascun dels cromosomes (de l'1 al 23, en tenim una còpia que ens va transmetre el nostre pare i una còpia que ens va transmetre la nostra mare; un parell de cromosomes). Del parell 1 al 22 es tracta dels cromosomes autosòmics, i el parell número 23 correspon als cromosomes sexuals.  Aquests últims, com indica el nom, determinen el sexe d'una persona i, per tant, si és dona o home. De cromosomes sexuals n'hi ha de dos tipus: X i Y. El cromosoma X és més llarg, és a dir, presenta dos braços i, per tant, quan es troba duplicat té forma de X. En canvi, el cromosoma Y té un dels dos braços més curt, i per tant quan està duplicat presenta una morfologia més semblant a una Y. Les dones, tenen dos cromosomes X (un X dela seva mare, i un X del seu pare) mentre que els homes tenen un cromosoma X i un cromosoma Y (un X de la seva mare i un Y del seu pare). 

Els experts són capaços de veure un cariotip i analitzar-lo in situ, és a dir, veure si hi ha anormalitats respecte al què és normal. Per exemple, a vegades es donen inversions (de manera que un tros de cromosoma es troba del revés), translocacions (quan dos cromosomes s'intercanvien porcions dels seus braços), duplicacions (quan hi ha una o vàries còpies extra d'un cromosoma o d'un tros)  delecions (quan s'ha eliminat un tros de cromosoma o un cromosoma sencer). 

Sabries dir quina anomalia respecte a un cariotip normal presenta el de la imatge de sota? (Tingues en compte que, a diferència dels cariotips anteriors, en aquest només es presenta una sola còpia de cadascun dels parells de cromosomes, però això no és una anormalitat): 

 

Efectivament, aquest cariotip presenta una còpia extra del cromosoma 21. Per tant, aquest individu presenta una trisomia del parell 21. Concretament, es tracta d'un cariotip d'una persona amb síndrome de Down, un trastorn genètic que pot observar-se , inclús abans del naixement, fent ús de la tècnica del cariotipat. 

Els cromosomes, doncs, són molècules d'ADN compactades. Cadascun dels parells de cromosomes és diferent repsecte als altres parells, ja que duu informació genètica diferent. És a dir, cada cromosoma té una llarga seqüència de lletres (ATTGCTGCTACTCA...) diferent de la d'un altre cromosoma. Ara bé, d'entre totes les lletres que conté un cromosoma, algunes porcions dónen informació per la síntesi d'una proteïna en concret (per exemple, la proteïna que donarà color als nostres ulls, o la proteïna que farà de receptora de la llum) i això són el que anomenem gens. Com ja hem dit, es calcula que els humans tenim 21.000 gens, repartits entre els 23 cromosomes. 

És molt important entendre la diferència entre gen i al·lel. Pensem, per exemple, en el cromosoma 1. El cromosoma 1 conté una sèrie de gens, d'entre tota la seva seqüència de lletres. De cromosomes 1 en tenim dos, un que ens ve del nostre pare i un que ens ve de la mare. ELS DOS cromosomes 1 que tenim contenen ELS MATEIXOS GENS, però poden tenir DIFERENTS AL·LELS. Quina és la diferència?

Pensem en el gen que ens permet enroscar la llengua a uns, i que al meu company que posa cara de mico mentre ho intenta, no li permet fer-ho. El GEN és la característica; "el gen d'enroscar la llengua", mentre que els AL·LELS són totes les variants que pot presentar aquest gen; "poder enroscar la llengua" i "no poder enroscar-la".  Per exemple, amb el color dels ulls podríem dir que el GEN és "el gen del color dels ulls", mentre que els al·lels són "marró", "negre", "blau", "verd"... Com pots imaginar, davant de tanta varietat és possible que les coses siguin molt més complexes però, a grans trets, funciona així.

I què determina que jo pugui enroscar la llengua i el meu amic no? Fixa't en la figura. Imagina que has rebut un cromosoma de la mare que conté els gens a, b i c i el cromosoma del pare que conté, també, els gens a, b i c. Tanmateix, ambdós cromosomes no presenten els mateixos al·lels. La mare t'ha passat els al·lels A, B i c (fixa't en les majúscules i minúscules per diferenciar-los) i, el pare, A, b i c. Centrem-nos en el gen b i imaginem que es tracta del gen d'enroscar la llengua i que B = enroscar-la i b = no enroscar-la. La mare t'ha transmès B i el pare, b. Això vol dir que tu seràs un heterozigot (que vol dir, que tens un al·lel de cada per aquest gen). Imagina't que sabem que el fet d'enroscar la llengua domina sobre no enroscar-la, que vol dir que el gen B domina sobre el gen b i, per tant, només que tinguis una còpia de B (o dues) ja podràs enroscar la llengua, però si no en tens cap (i per tant tens dues còpies de b), no la pots enroscar. En definitiva, com que tu has rebut una b i una B, pots enroscar la llengua, perquè B > b.

Però, amb tot això que hem vist... l'ADN ha de ser molt llarg, oi?

Fixa't en la seqüència següent:

La teva primera sensació segur que ha estat un: UF! Però, et sembla que es tracta d'una porció molt gran de tot el genoma? Si t'ho sembla, estàs molt equivocat! Concretament, aquest tros de genoma (que és una porció d'un gen) equival a un 0,00004% de tot el genoma, és a dir, misèria. El genoma humà té uns 3.200.000.000 nucleòtids (o bases) i aquesta seqüència en té només 1.317. De fet, el genoma d'una persona és tan llarg que, escrit en paper, ocupa la quantitat de volums que veus a la imatge. Necessitem un prestatge sencer per tenir-hi emmagatzemat tot l'ADN d'una sola cèl·lula!

Imagina que agafes l'ADN d'una cèl·lula, estires els cromosomes i els poses tots l'un rere l'altre en horitzontal. Fas el mateix amb totes i cadascuna de les cèl·lules del teu cos. Sent així, quina distància creus que fa tot l'ADN que conté el teu cos posat en línia recta? Calculem-ho:

 

No trobes que és una bestiesa aquesta distància? Si algun dia et diuen que ets baixet, no dubtis a dir-los que, en realitat, si volguessis podries ser tan alt com la distància d'anar i tornar del Sol 4 vegades.

I de què em serveix a mi saber de Genètica?

Entendre "com funciona" la Genètica és essencial per entendre's a un mateix. La Genètica pot donar explicació amb moltes de les coses que fem i que som. La Genètica pot utilitzar-se per analitzar anomalies, com hem vist amb trastorns genètics com la síndrome de Down, o inclús pot permetre'ns resoldre casos que, per la via judicial podrien semblar totalment contraris... 

Per posar un exemple, ens centrarem en el cas de la Lydia Fairchild, una dona que es va trobar amb un cas molt misteriós que va poder-se resoldre gràcies a la Genètica. 

Resulta que la Lydia, aleshores mare de dos fills i embarassada del tercer, va sotmetre's a un test de paternitat (és a dir, una anàlisi genètica que compara els gens de la mare amb els dels fills, per demostrar que es tracta realment de la mare de les criatures) necessari si volia obtenir una ajuda econòmica destinada als seus fills. En principi, aquest test havia de tractar-se d'un pur tràmit, però va acabar convertint-se en el pitjor dels seus inferns. El metge, sorprès dels resultats de les anàlisis, la va trucar i va demanar-li que acudís a la clínica urgentment. "Lydia, els tests indiquen que no ets la mare dels teus fills", li va dir, consternat. 

La Lydia, indignada pels fets, perquè ella (lògicament) estava convençuda de ser la mare dels seus fills, va aportar totes les proves necessàries per demostrar-ho; fotografies, certificats..., però els jutges van tactar-la de mentidera argumentant que havia estat, en tots els casos, una mare de lloguer, és a dir, una dona a qui se li implanta un òvul fecundat procedent d'una altra dona i que s'ocupa de la gestació fins al moment del part. A la Lydia se li va retirar la custòdia dels seus fills i, inclús va ser vigilada durant el naixement del tercer, per tal que, tan sols néixer, es prengués una mostra de sang del nadó i es comparés el seu genoma amb el de la Lydia. Altre cop, la Lydia no podia ser la mare dels seus fills, segons indicava la informació genètica de tots ells.

Pots imaginar què estava passant? Per què els testos genètics indicaven que la Lydia no era la mare dels seus fills si ella estava segura de ser-ne la mare? És que mentia, o hi ha alguna explicació que se'ls escapava als jutges?

La Lydia va resultar ser una QUIMERA. Una quimera és una criatura mitològica formada per parts de diferents animals i, per tant, formada per cèl·lules amb genomes de diferents espècies (encara que els antics no deurien haver creat aquesta icona pensant en els gens, segurament). Per tant, la Lydia contenia cèl·lules amb genomes diferents, era una espècie de mescla. Però... una mescla de què?

Pensa en la generació de dos persones bessones. Existeix la possibilitat que els bessons siguin univitel·lins, és a dir, els que són idèntics, i els bivitel·lins, és a dir, els que són tan semblants com dos germans que han nascut en temps diferents. 

Els bessos univitel·lins es generen a partir d'un sol òvul fecundat per un sol espermatozoide. Després de la fecundació, la cèl·lula comença a dividir-se fins que arriba un estadi que, espontàniament es divideix en dues masses de cèl·lules i cadascuna progressa independentment de l'altre, donant lloc a dues persones idèntiques. Són idèntiques perquè comparteixen exactament la mateixa informació genètica, és a dir, la que contenia l'òvul i l'espermatozoide inicials. 

En el cas dels bessons bivitel·lins, la mare ha produït dos òvuls, i cadascun d'ells és fecundat independentment per un espermatozoide diferent. Per tant, cadascuna de les cèl·lules fecundades progressa, donant lloc a una massa de cèl·lules independent, i es va desenvolupant fins a donar lloc a un individu també independent de l'altre. Per tant, es tractarà de dos individus diferents, que poden inclús ser de sexes diferents, que comparteixen la mateixa informació genètica que dos germans nascuts en èpoques diferents. 

Ara bé, hi ha una tercera possibilitat, que és el cas de la Lydia. Imagina't que s'han fecundat dos òvuls independents, i cadascuna de les cèl·lules fecundades ha anat dividint-se fins a formar una massa de cèl·lules. Les dues masses de cèl·lules resultants, espontàniament podrien unir-se i formar una sola massa de cèl·lules "híbrida", és a dir, formada per cèl·lules amb genomes diferents. Si aquesta massa de cèl·lules prospera, donarà lloc a un individu, un de sol, i no dos. Aquesta persona tindrà cèl·lules procedents del primer òvul fecundat, és a dir, amb un ADN, i d'altres procedents del segon, és a dir, amb un altre ADN. És el cas de la Lydia. Resulta que les cèl·lules de la saliva que se li estaven extraient no contenien el mateix ADN que les cèl·lules reproductores que van donar lloc als seus fills i, per tant, no tenien res en comú. Quan es va fer el test amb un altre tipus cel·lular es va demostrar que, efectivament, Lydia Fairchild era la mare dels seus tres fills. Per remarcar aquesta idea, Lydia va tenir un quart fill al cap d'uns anys.

 

És molt important entendre que, tot i que els gens determinen com som, no només som gens, sinó que també som l'ambient que ens envolta. Podem dir que l'ambient en el qual ens movem (el propi ambient, la nostra alimentació, l'activitat física que duem a terme,...) condicionen l'entorn cel·lular i aquest, al seu torn, condiciona els gens. Segons l'entorn, els gens experimenten modificacions al llarg de la vida, que canvien els patrons d'expressió i ens fan ser diferents del què "estava programat". La prova més clara d'aquestes modificacions són els bessons univitel·lins. Ja hem vist que, al néixer, comparteixen al 100% la seva informació genètica, perquè provenen d'una mateixa fecundació. Quan veiem bessons recent nascuts, és gairebé impossible distingir-los. Però, a mesura que es van fent grans, les diferències van sent cada cop més notables. Fixa't en les imatges de sota. Els bessons joves són molt i molt semblants (encara que no idèntics, perquè ja han viscut uns anys), però els bessons adults presenten diferències molt significatives en l'aspecte, l'alçada, etc. 

Si has arribat fins aquí, segur que ja tens una idea general de com funciona això de la Genètica. Segur que, d'altra banda, tens un munt de preguntes. Per què tens els ulls del color que els tens si el teu germà, pare o mare potser els té d'un altre color? Quin número tens d'heretar una malaltia que corre per la família des de fa generacions? Què fa la ciència amb tots aquests coneixements sobre Genètica? No et quedis amb els dubtes i... investiga!!!!