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¿Qué son los marcadores moleculares?

Laura Yesenia Solís Ramos y Antonio Andrade Torres*

Cada vez se hace más común que en nuestra vida diaria incorporemos el uso de términos como gen, ADN, diversidad genética, genoma, marcadores moleculares, prueba del ADN y otros; dada la importante aplicación que tienen en la actual idad en diversas áreas (medicina, botánica, conservación, agricultura, etc.), estos términos se pueden ya leer o escuchar en las noticias. Sin embargo, muy poca gente sabe el significado real o las implicaciones que tienen estas palabras, e incluso muchos estudiantes de carreras universitarias, en el mejor de los casos, sólo tienen una idea vaga de lo que significan.

Todo comenzó cuando a mediados del siglo pasado los científicos James D. Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins hicieron públicos sus hallazgos sobre la estructura y función del ácido desoxirribonucleico (ADN), al que identificaron como la molécula de la herencia, es decir, la unidad responsable de la transmisión de características de una generación a la siguiente. Tales estudios los hicieron merecedores del premio Nobel, pues dieron origen a lo que hoy conocemos como biología molecular y provocaron un vertiginoso desarrollo en las ciencias biológicas, permitiendo, entre otras cosas, que la biotecnología moderna incluyera la genómica, la ingenieria genética, la proteómica y los marcadores de ADN.

¿Qué es un marcador?

Un marcador es un carácter o un gen que debido al ligamiento puede usarse para indicar la presencia de otro gen; es decir, cualquier característica A (sea un gen, una proteína, tipo de hoja, etc.) que esté asociada a la presencia o expresión de una característica B (como vigor, altura, resistencia
a enfermedades, etc.) puede considerarse como un marcador, pues la presencia de A necesariamente implica la de B.

La importancia de los marcadores radica en que ofrecen la posibilidad de estudiar poblaciones de organismos y seleccionar aquellos que presentan rasgos de interés para el hombre. En ocasiones, el uso de marcadores permite seleccionar los individuos aun antes de que expresen el rasgo de interés. Gracias al empleo de marcadores ha sido posible mejorar muchas especies que son la base de la alimentación del mundo. Hay dos tipos principales de mar - cadores: los marcadores morfológicos y los marcadores moleculares.

Marcadores morfológicos

Los marcadores morfológicos fueron el primer tipo de marcadores que el hombre utilizó. Se consideran marcadores morfológicos a los caracteres de un individuo que se expresan en un ambiente específico y que el hombre identifica con un objetivo determinado. Por ejemplo, en los árboles de pino podemos usar como marcadores morfológicos el peso o tamaño de la semillas, pues se ha visto que dicha característica se asocia en la mayoría de las poblaciones con la supervivencia, el crecimiento y la reproducción .

Este tipo de marcadores son muy utilizados para estimar la variación morfológica existente en una población. Sin embargo, hay varias limitaciones para su uso, de las que la principal es precisamente que se basan en las características morfológicas o expresadas en el individuo (fenotipo), las cuales son fuertemente influidas por el ambiente en que se desarrollan, además de que generalmente sólo se pueden identificar y medir en individuos completos o adultos.

Marcadores moleculares

Los marcadores moleculares corresponden a cualquier gen cuya expresión permite un efecto cuantificable u observable (características fenotípicas), que además puede detectarse fácilmente. Este tipo de marcadores pueden evaluarse desde que los individuos están en sus primeros estadios de desarrollo, y se pueden aplicar usando a todo el individuo o sólo parte de él. Se habla de marcadores genéticos cuando se transmiten según las leyes básicas de la herencia mendeliana, por lo que es importante destacar que no todos los marcadores moleculares pueden considerarse como genéticos. Existen dos tipos de marcadores moleculares: los marcadores bioquímicos y los marcadores de ADN.

Marcadores bioquímicos

Los marcadores bioquímicos incluyen a las proteínas y las isoenzimas o aloenzimas y constituyen la primera generación de marcadores moleculares. Las proteínas son los productos primarios de los genes y se forman mediante los procesos de transcripción y traducción, por lo que se ven menos influidos por el ambiente. Las isoenzimas fueron descubiertas por Hunter y Markert en 1957 y son diferentes variantes moleculares de una misma enzima presentes en una especie, las cuales desempeñan la misma actividad pero pueden tener diferentes propiedades.

Las isoenzimas se identifican mediante el proceso denominado “electroforesis”, que consiste en colocar un extracto proteico del material a analizar en los pocillos de un soporte (papel de celulosa o un gel hecho de agarosa o poliacrilamida) que se somete a un campo eléctrico durante varias horas para que se separen las proteínas de acuerdo con su tamaño o carga eléctrica. Una vez concluida la emigración de las proteínas por medio del frente de corrida denominado Kohlrasusch, el gel es colocado en una solución que contiene los compuestos químicos necesarios (colorantes) para que se lleve a cabo una reacción y se puedan observar posteriormente las isoenzimas en forma de bandas de color en el soporte o gel. Las diferencias en la movilidad electroforética de las isoenzimas son resultantes de las diferencias en las secuencias del ADN que codifican tales enzimas.

Estos marcadores tienen la ventaja de que la técnica es relativamente barata, accesible y no destructiva debido a que utiliza pequeñas cantidades de material. Además, el control genético de la mayoría de las isoenzimas es bien conocido, por lo que es posible realizar inferencias genéticas a partir de los patrones de bandas observados en los geles. Por otro lado, las isoenzimas tienen base genética codominante (es decir, que en un individuo diploide es posible visualizar la expresión de ambos alelos); son selectivamente neutrales y están libres de efectos deletéreos (cuando los alelos tienen efectos negativos que imposibilitan la reproducción del genotipo que los posee), efectos pleiotrópicos (cuando un gen controla la expresión de más de un carácter en un individuo) y/o epistáticos (dominancia de un gen sobre otro).

Desde su descubrimiento, las isoenzimas han jugado un papel importante en muchas áreas de la biología; sin embargo, su utilización ha sido muy limitada debido a ciertas desventajas: 1) presentan problemas técnicos; 2) no permiten cubrir todo el genoma, pues sólo representan una estrecha fracción del contenido genético; 3 ) ú n icamente detectan la variación de los genes que codifican para la expresión de una característica del individuo; 4 ) se dificulta la precisión de los datos obtenidos debido al polimorfismo en el tejido de las isoenzimas (por ejemplo, el polimorfismo detectado en una hoja no es el mismo que el que se obtiene usando la semilla del mismo individuo). También tienen polimorfismo ontogenético, lo cual implica que los resultados obtenidos serán muy diferentes al trabajar con material vegetal proveniente de un árbol joven y de otro adulto; además, las isoenzimas son especificas para determinados sustratos.

Marcadores de ADN

Los marcadores de ADN constituyen la nueva generación de marcadores moleculares y solucionaron el problema de la carencia de marcadores que tenían las isoenzimas, pues son capaces de generar una cantidad virtualmente infinita de marcadores. Existen varias técnicas para identificar marcadores de ADN, las que se pueden agrupar en tres categorías: las de hibridación tipo Southern, las de reacción de polimerización en cadena (PCR) y las que combinan PCR o sus productos de ADN con la hibridación tipo Southern.

La hibridación consiste en la formación de una molécula de doble cadena mediante el apareamiento o unión de bases complementarias de dos moléculas de una sola cadena. La hibridación tipo Southern explora las variaciones en la longitud o tamaño de los fragmentos de ADN ocasionadas por la restricción del genoma mediada por una enzima particular (endonucleasa). Esta técnica comprende las siguientes etapas: primero se extrae el ADN del material que deseamos estudiar; luego se le adicionan enzimas de restricción (endonucleasas), las cuales cortan el ADN en fragmentos de diferente longitud; estos fragmentos son separados en geles de agarosa, para después realizar por capilaridad o al vacío la transferencia de los fragmentos a una membrana de papel de nitrocelulosa o de nylon (transferencia tipo Southern). Finalmente, se hibridizan los fragmentos de la membrana con sondas marcadas (radiactiva o no radiactivamente) para visualizar y detectar las bandas hibridadas.

Dentro de esta técnica se encuentran los marcadores RFLP (polimorfismo de la longitud de los fragmentos de restricción) y los VNTR (secuencias adyacentes que se repi ten en número variable).

La técnica de PCR, o reacción en cadena de la polimerasa, es una tecnología utilizada para multiplicar (sintetizar) in vitro fragmentos específicos de ADN con la finalidad de detectar una secuencia o gen de interés en el genoma del individuo en estudio. Se basa en la amplificación de fragmentos de ADN a partir de secuencias de nucleótidos denominadas “cebador” (primer), que son capaces de reconocer una secuencia blanco para la cual es complementaria.
En forma general, los principales pasos del PCR son los siguientes: se extrae el ADN del material a analizar, se separa la molécula del ADN en dos hebras (desnaturalización), se induce el alineamiento o reconocimiento del cebador con las secuencias blanco complementarias o molde del ADN, y por medio de la enzima Taq polimerasa se lleva a cabo la extensión o alargamiento de la molécula iniciadora (cebador). Este proceso se realiza en un termociclador, que se encarga de realizar los cambios de temperatura necesarios para que se desarrollen las etapas o ciclos anteriormente mencionados. Los ciclos se repiten la cantidad de veces que sea necesario, hasta obtener la cantidad de copias de ADN que se requieran.

Dentro de esta metodología se encuentran los marcadores llamados RAPD (ADN polimórfico amplificado al azar), PCR iniciada con microsatélites (MP-PCR), AFLP (polimorfismo de longitud de fragmentos amplificados) y DAF (amplificación de huellas del ADN), entre otros.

Finalmente, dentro de las metodologías que combinan la PCR o sus productos de ADN más la hibridación tipo Southern, están los RAHM y RAMPO (amplificación aleatoria del polimorfismo de microsatélites).

Ventajas y aplicaciones de los marcadores de ADN

Son muy ventajosos los marcadores de ADN ya que no son afectados por el ambiente, están presentes en cualquier estadio del individuo, permiten una detección temprana, son universales, muy abundantes, se requiere poca cantidad de ADN para los análisis y el ADN es muy estable y específico para cada individuo (huella génica). Sin embargo, son relativamente costosos, necesitan personal entrenado, equipos sofisticados y un estricto control de la contaminación.

El uso de marcadores moleculares en los análisis genéticos y en el mejoramiento de las plantas ha tenido una difusión extremadamente rápida. Las principales aplicaciones incluyen la obtención de “huellas genéticas” (fingerprinting) genómicas de individuos, variedades y poblaciones; el análisis de la estructura y diversidad genética en poblaciones naturales y de mejoramiento y bancos de germoplasma; el establecimiento de relaciones filogenéticas entre diferentes individuos y especies; la construcción de mapas genéticos de alta cobertura genómica y la localización de genes de interés económico, mapeo de características de herencia cuantitativa QTL (Quantitative Trait Loci ) y selección MAS auxiliada por marcadores (Marker Asisted Selection).

¿Qué marcador utilizar?

La selección de la metodología para obtener los marcadores moleculares no es cosa de moda; depende más bien de los objetivos y necesidades del trabajo. Por ejemplo, para determinar la variación de una población, quizás con un simple análisis de isoenzimas se pueda obtener la información necesaria, por lo que no es recomendable emplear una técnica más costosa o complicada. No obstante, si se requiere elaborar el mapa genético de una especie, la cantidad y precisión de la información requerida es mayor, por lo que necesariamente se debe recurrir a los marcadores de ADN.

También se debe considerar el costo en sí de la técnica que se va ha desarrollar, la necesidad de personal capacitado, el equipo, los reactivos y las instalaciones de laboratorio y condiciones de seguridad que requiere cada técnica (por ejemplo, en el caso de RFLP se necesita un depósito de desechos radiactivos). Es siempre recomendable analizar qué tanto trabajo previo es necesario para llevar a cabo una técnica (por ejemplo, las sondas en los RFLP). Finalmente, aunque no siempre es bueno limitarse, se debe ser realista y desarrollar las técnicas moleculares más adecuadas para nuestro estudio, que además se puedan realizar bajo las condiciones del laboratorio que disponemos.

*Laboratorio de Biotecnología y Ecología Aplicada de la Universidad Veracruzana, Apartado Postal 250, 91001 Xalapa, Ver., México. Correo electrónico: catleyasp@hotmail.com y aandrade@uv.mx.

Para el lector interesado

Nuez, F. y Carrillo, J.M. (2000). Los marcadores genéticos en la mejora vegetal. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia.
Valadez, E. y Günter, K. (2000). Huellas de ADN en genomas de plantas (teoría y protocolos de laboratorio) . México: Universidad Autónoma de Chapingo/Mundi Prensa.