Huella genética: una mirada al interior Understand article

Traducido por Jorge J. Pérez-Maceira. En las series de detectives populares de televisión, la huella genética es generalmente usada para identificar criminales. Sara Müller y Heike Göllner-Heibült echan una mirada detrás de las escenas.

Imagen cortesía de Alex Mit /
iStockphoto

La idea de distinguir personas por sus características genéticas no es nueva. El descubrimiento en 1900, de los tipos sanguíneos ABO por Karl Landsteinerw1 fue el primer marcador genético en ser usado en ciencia forense, complementado más tarde con los grupos sanguíneos MN (1927) y el factor Rhesus (1937).

Incluso cuando analizamos los tres grupos sanguíneos simultáneamente, aún así, una de cada diez personas da resultados idénticos; esto hace que las transfusiones de sangre sean posibles. Para fines forenses, sin embargo, es una desventaja, los resultados pueden decir que la muestra de sangre no viene del sospechoso X, pero no pueden indicar con algún nivel aceptable de certeza que viene del sospecho Y.

Los avances que fueron realizados en los 70 y 80, con el análisis de diferentes formas de enzimas (isoenzimas) en glóbulos rojos y en suero sanguíneo. La certeza que la muestra realmente viniera del sospechoso dependía del número de proteínas analizadas (habitualmente cuatro); se denomina a dicha certeza poder de discriminación. El poder de discriminación que estas técnicas combinadas ofreció era todavía sólo de 1:10.000, mejor que el 1:10 del análisis de grupos sanguíneos, pero todavía no lo suficiente bueno. Para conseguir un poder mejor, necesitábamos echar un vistazo más de cerca en nuestra composición genética.

Nuestra composición genética – que somos

Desde los pares de bases
hasta el cromosoma (no a
escala): cómo el ADN es
empaquetado. Haga clic
sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de Darryl Leja,
NHGRI / NIH

El genoma humano consiste en 46 pares de cromosomas: 23 de nuestra madre, 23 de nuestro padre. Por lo tanto, tenemos dos de cada cromosoma (excepto – en el caso de los hombres – del cromosoma sexual) y así dos copias de cada gen.

El componente principal de los cromosomas es el ácido desoxirribonucleico (ADN), el cual contiene la información para construir las proteínas necesarias para la vida. Sin embargo, de nuestros 3 mil millones de pares de bases (bp) (N.T.: Un billón en el original en inglés), sólo alrededor del 4% codifica para proteínas, el resto es a menudo simplemente “de relleno” consistente en secuencias repetitivas organizadas en grupos. Si comparas el ADN de dos humanos, la mayoría es idéntico, con la variabilidad encontrada principalmente en estas secuencias repetitivas.

Diferentes personas pueden tener diferentes números de repeticiones de estas secuencias: una persona puede tener cinco repeticiones en un locus de ADN específico (sitio); otra persona puede tener siete. Utilizando muestras, por ejemplo de sangre o semen, podemos analizar las secuencias repetitivas en varios loci de ADN; este análisis se denomina huella genética (genetic fingerprint). Como las huellas dactilares, las huellas genéticas pueden usarse para distinguir individuos.

Aunque el término “huella genética” (o perfil genético (genetic profiling)) es comúnmente usado, no todo el mundo es consciente de que en realidad abarca dos técnicas muy diferentes, sólo una de las cuales se utiliza comúnmente en la ciencia forense en la actualidad.

La huella genética temprana: Polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción

Imagen cortesía de Arno
Bachert / pixelio.de

El primer método de huella genética fue inventado en 1984 por Alec Jeffreysw2, quién utilizó secuencias de ADN repetido denominadas Número variable de repeticiones en tándem (variable number tandem repeats o VNTR; por ejemplo, la secuencia D1S80, (AGGACCACCAGGAAGG)n). Estas secuencias, de 10-100 bp por repetición, pueden ser investigadas usando enzimas de restricción, los cuales trabajan como tijeras moleculares para cortar el ADN en secuencias definidas (secuencias de reconocimiento). En nuestro genoma completo, una secuencia de reconocimiento de 6bp tendrá lugar alrededor de 730.000 veces.

Esto significa que si cortas el genoma con una enzima de restricción particular, conseguirás alrededor de 730.000 fragmentos de restricción de longitudes variables. Y esto es donde las VNTR se vuelven importantes: el número de repeticiones en un grupo de VNTR particular puede varias entre individuos, lo que significa que la longitud del correspondiente fragmento de restricción variará entre individuos también (Figura 1). Denominamos a este fenómeno Polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (restriction fragment length polymorphism o RFLP).

Figura 1: Visión general sobre dos VNTR de dos individuos diferentes. Los sitios cortados por enzimas de restricción (tijeras moleculares) están indicados por una flecha. Dependiendo en el número de repeticiones VNTR, los fragmentos de ADN de diferentes tamaños son generados (ver también la Figura 2, Paso 4)
Imagen cortesía de Sara Müller

De los 730.000 fragmentos de restricción, sólo algunos diferirán entre individuos – demasiado pocos para ser detectados a ojo. En cambio, los científicos utilizan una técnica denominada Southern blotting, la cual deja sólo las secuencias de interés para ser visualizadas. Para hacer esto, separan los fragmentos de restricción según su tamaño con un gel de electroforesis, utilizando una corriente eléctrica para pasar las moléculas cargadas de ADN a través del gel. La distancia que viaja esta determinada por la medida del fragmento (Figura 2, Paso 1). Luego, transfieren el ADN a una membrana (Figura 2, Paso 2) y aplican una sonda etiquetada radioactivamente que es complementaria al(a los) VNTR(s) de interés. La sonda hibrida (engancha) con la secuencia coincidente (Figura 2, Paso 3) y la membrana se coloca sobre una película de radiografía, los científicos consiguen un imagen de las bandas etiquetas con radiactividad, cada cual representa una longitud diferente de fragmento (Figura 2, Paso 4). Esta imagen es la huella genética.

Así que, ¿Cuántos VNTR necesitan ser comparados para distinguir de forma fiable entre individuos? Si los científicos escogen VNTRs con suficiente variación (por ejemplo, D1S80, el cuál puede ser repetido cualquiera entre 15 a 41 veces), ellos sólo necesitan para comparar cuatro diferentes VNTR para tener un poder de discriminación de 1:1 millón – mucho mejor que el 1:10 ofrecido por el tipo sanguíneo ABO.

Figura 2: Análisis RFLP después de la digestión del ADN con enzimas de restricción. Haga clic sobre la imagen para ampliarla
1. Separación de los fragmentos de ADN digeridos por gel de electroforesis. Las moléculas grandes con movilidad lenta en el gel pueden ser vistas en la parte superior de la imagen; las moléculas pequeñas con gran movilidad en el gel están en el fondo
2.-3. Técnica Southern blot. El ADN separado es transferido a una membrana y posteriormente detectado en la membrana con sondas etiquetadas radioactivamente contra VNTRs A y B
4. La radiografía expuesta muestra una huella individual para cada persona (compara con la Figura 1)

Imagen cortesía de Sara Müller
Figura 3: Esquema
simplificado que muestra
cómo los fragmentos de ADN
definidos son amplificados
por PCR. Haga clic sobre la
imagen para ampliarla

Imagen cortesía de Sara Müller

La actual técnica: PCR basada en huella genética

La invención de Kary Mullis, en 1983, de la reacción en cadena de la polimerasa (Polymerase Chain Reaction o PCR) le hizo ganar el premio Nobel en Químicaw3, w4. Esta invención, junto con el descubrimiento a finales de 1980 de los polimorfismos de repeticiones cortas en tándem (short tandem repeats o STR) – secuencias repetitivas de 2-9bp, denominadas microsatélites – pavimentó la manera para una técnica de huella genética de alta velocidad que los científicos forenses utilizan hoy.

La PCR habilita para que un locus de ADN de interés (por ejemplo, el STR de 4bp denominado como D18S51, (AGAA)n), sea amplificado exponencialmente, generando mil millones de copias de una sola molécula de ADN en pocas horas (Figura 3). Para los científicos forenses, esto tiene la ventaja de hacer el análisis de incluso muestras muy minúsculas – tan sólo 30 células (ver Tabla 1 para una comparación con la huella genética basada en RFLP).

Para análisis de PCR, necesitamos STR flanqueados por secuencias que sean idénticas en todos los seres humanos (decimos que estas secuencias están conservadas). Entonces utilizamos primers – moléculas cortas que son complementarias a la secuencia conservada del flanco (genes 1134 y 1135 en la Figura 4) – para iniciar la PCR. Una vez el ADN ha sido amplificado, lo podemos separar ya sea por gel de electroforesis (Figura 5) o, en las ciencias forenses modernas, por secuenciación automatizada electroforética (Figura 6), y visualizarlo como una huella genética.

Figura 4: Vista esquemática del STR D1S80 (la nomenclatura “D1S80” indica que el STR está en el cromosoma 1, en la región 80) de dos individuos. Las flechas negras representan los primers utilizados para amplificar este STR específico. Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imagen cortesía de Sara Müller

Tenemos dos copias de cada cromosoma, así que también tenemos dos copias de cada STR. Si, para cada copia del STR, alguien tiene el mismo número de repeticiones (por ejemplo, el mismo alelo), el análisis de PCR revela sólo una medida del fragmento de ADN: la persona es homocigota para este alelo STR (flechas verdes en la Figura 5, correspondientes al individuo 2 en la Figura 4). Si los dos cromosomas llevan alelos no idénticos para este STR, vemos dos medidas del fragmento y decimos que la persona es heterocigota (flechas rojas en la Figura 5, correspondientes al individuo 1 de la Figura 4).

Figura 5: Huella genética del locus D1S80 generada por estudiantes de secundaria (canales numerados 1-16) con su propio ADN. La banda más alejada de la derecha, etiquetada M, contiene los fragmentos de ADN de tamaño conocido, usados como marcador.
El individuo indicado con la flecha verde es homocigoto para el locus D1S80 (sólo una banda es visible). El individuo marcado por la flecha roja es heterocigoto (dos bandas). Las flechas azules indican dos estudiantes que son heterocigotos y tienen el mismo número de repeticiones para cada alelo en el locus D1S80; lo que significa que no pueden ser distinguidos por esta huella. Pueden ser gemelos, pero es también probable que dos personas no relacionadas tengan el mismo número de repeticiones si sólo un STR es analizado

Imagen cortesía de Sara Müller

Si sólo analizamos un STR, la posibilidad de dos personas no relacionadas tengan la misma huella genética basada en PCR es alta – entre 1:2 y 1:100 (flechas azules en la Figura 5). Esto es porque los STR tienen menos alelos y más baja heterocigosidad que los VNTR utilizados en huellas genéticas basadas en RFLP. Para superar esta desventaja, analizamos múltiples STR simultáneamente, con 16 STR, como es común en casos forenses en Alemania, podemos conseguir un poder de discriminación de 1:10 mil millones (equivalente a una persona en la población mundial; Figura 6).

Figura 6: Electroferograma de una mujer, generado por PCR multiplex y subsiguiente secuenciación automatizada electroforética. Ocho STR (D3, TH01, D21, D18, SE33, vWA, D8 and FGA) y amilogenina (el cual indica el sexo) fueron analizados. Las curvas azules, verdes y negras representan STR amplificados (con el número de repeticiones debajo de los picos). La curva roja es el marcador (fragmentos de tamaños de ADN indicados en bp). Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imagen cortesía de Sara Müller
Tabla 1: Comparación de las huellas genéticas basadas en RFLP y PCR
Basado en Butler (2010)
   RFLP PCR

Cantidad de ADN inicial

30–50 µg

Al menos 200 pg (sobre 30 células) para un completo patrón STR

Sensibilidad

+

+++

Calidad del ADN requerida para el análisis

Genoma completo

Ningún genoma completo es necesario; los productos de degradación también son suficientes debido a las secuencias cortas implicadas (longitud total de las secuencias de un STR, incluyendo las múltiples repeticiones y las secuencias flanqueantes, aproximadamente 50– 500 bp)

Tiempo

Días a semanas

Horas

Poder de discriminación por locus

+++
(Más alelos y más heterocigosidad por locus)

+
(Menos alelos y menos heterocigosidad por locus)
Sin embargo, la amplificación multiplex PCR (PCR con más de un par de primers) y el etiquetado multi-color deja más de 16 loci para ser examinados simultáneamente, lo cual proporciona un poder de discriminación excelente

Unidad de repetición

10 bp a 100 bp

2 bp a 9 bp (en casos forenses, principalmente 4bp)

Detección automatizada

No posible

Posible el procesamiento de muestras de alto rendimiento

Número de loci validados (importante si los parientes están implicados)

Número limitado

Número grande

Riesgo de contaminación

+

+++

¿Se requieren medidas de seguridad adicionales?

Si (debido a las sondas radioactivas)

No (ninguna sonda radiactiva)

 

Applications of genetic fingerprinting

Los gemelos idénticos
normalmente tienen la huella
genética idéntica

Imagen cortesía de e3000;
fuente de la imagen: Flickr

Ahora sabemos qué es una huella genética, pero, ¿Cómo se utiliza? La huella genética basada en PCR es ampliamente aplicada en las investigaciones forenses: permite a la policía excluir o identificar sospechosos en base a material genético como un folículo capilar, piel, semen, saliva o sangre (véase la historia que puede ser descargada a continuaciónw5). Una huella genética sola, sin embargo, no es suficiente evidencia para una condena, dado que parientes cercanos pueden tener huellas muy similares (y los gemelos homocigóticos normalmente los tienen idénticos).

Y para complicar las investigaciones forenses internacionales, a pesar de que hay una recomendación europea para analizar 16 STR, cada país puede decidir cuáles STR analizar, lo cual hace las comparaciones difíciles.

Zarina Alexandra y sus
cuatro hijas. Tras la
revolución rusa, toda la
familia fue asesinada en julio
de 1918. Sus cuerpos,
encontrados en 1979 (el zar,
la zarina y sus tres hijas) y
en 2007 (el zarévich y la hija
restante, María) fueron
identificados por las huellas
genéticas

Imagen cortesía de the
Romanov Collection, General
Collection, Beinecke Rare Book
y Manuscript Library, Yale
University

El método basado en PCR es también utilizado en humanos para los test de paternidad, diagnóstico de muchas enfermedades genéticas (por ejemplo, la enfermedad de Huntingdon), identificación de víctimas de desastres, seguimiento de árboles familiares, localización de personas desaparecidas e investigación de figuras históricas (por ejemplo, el último Zar de Rusia y su familia). En otros organismos, puede usarse con propósitos de conservación (por ejemplo, para analizar el marfil confiscado), en investigaciones de fármacos (por ejemplo, para analizar plantas de cannabis incautadas), para control alimentario o de calidad de agua (por ejemplo, para identificación de microbios contaminantes), en medicina (por ejemplo, para detectar infecciones virales como VIH, hepatitis o gripe) y en investigaciones de bioterrorismo (por ejemplo, para identificar cepas microbianas).

La huella genética basada en RFLP, aunque en gran parte obsoleta debido a las muchas ventajas del método PCR (Tabla 1), es todavía usada para clasificación de plantas y animales en investigación básica. Es particularmente útil cuando hay información insuficiente sobre el genoma de la especie – recordar que para el método de PCR, necesitamos regiones que varían ampliamente entre individuos y estén flanqueadas por regiones conservadas de secuencia conocida.

Huella genética en la escuela

El aislamiento del ADN en la escuela da a los estudiantes un momento “guau” cuando se dan cuenta que están buscando en la información genética completa que codifica para un organismo – unas hebras de ADN como hilos de algodón que precipitan por alcohol. Es fácil de realizar en la escuela utilizando salivaw6 (o células epiteliales de kits comerciales disponibles), guisantes (Madden, 2006), tomates, cebollasw7 o timo de ternero (antes consultar las restricciones locales de usar timo de ternero en la escuela)w8.

La huella genética puede ser
utilizada en trabajos de
conservación, por ejemplo,
para analizar el marfil
confiscado

Imagen cortesía de Ulla
Trampert / pixelio.de

La posterior PCR de un STR específico en ADN humano, por ejemplo D1S80 o TH01, puede ser realizada en la escuelaw6, usando kits comerciales disponibles de razonable preciow9 si es necesario. Si vuestra escuela no tiene acceso a un termociclador, el termociclado puede ser llevado a cabo en tres baños de agua, a pesar de que es tedioso y muy práctico.

Si este equipamiento no está disponible, hay kits que simulan y simplifican el proceso entero de huella genéticaw10. Estos kits contienen fragmentos de ADN que simulan la amplificación de diferentes alelos de un solo STR o VNTR (De hecho, son fragmentos de restricción de ADN del ADN de un plásmido o de una fago lambda.) El ADN requiere electroforesis y posterior revelado de modo que los estudiantes son capaces de comparar las secuencias “amplificadas” de ADN de una muestra de evidencia con los de varios sospechosos. Naturalmente, esto es muy diferente de detectar amplificando STR usando la secuenciación automatizada electroforética (y ni siquiera representan con exactitud la visualización de VNTR utilizando Southern blotting, como el ADN se tiñe directamente sobre el gel), pero sin embargo demuestra los principios del proceso analítico. Cuando se utilizan estos kit de simulación, los estudiantes deben ser conscientes de que los experimentos dan la impresión de que las diferencias entre los individuos pueden ser identificadas fácilmente, lo cual no es el caso.

Agradecimientos

A las autoras les gustaría agradecer a Wolfgang Nellen sus ideas sobre el artículo y por dejar las instrucciones de Science Bridge disponibles gratis.

Además, agradecer a Shelley Goodman por su asesoramiento en el uso de kits comerciales en la escuela.

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References

Web References

  • w1 – En 1930, Karl Landsteiner recibió el premio Nobel en Fisiología o Medicina por su descubrimiento de los grupos sanguíneos humanos. Para aprender más, véase el sitio web de los premios Nobel (www.nobelprize.org) o use el enlace directo: http://tinyurl.com/7zjg2mw
  • w2 – Para aprender más sobre el descubrimiento de Alec Jeffreys, véase: www2.le.ac.uk/departments/genetics/jeffreys
  • w3 – El premio Nobel de 1993 en Química fue ganado por Kary B Mullis por su invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Para aprender más, véase la página web de los premios Nobel (www.nobelprize.org) o use el enlace directo: http://tinyurl.com/7fkh7ku
  • w4 – Para aprender más sobre PCR, véase el vídeo: www.youtube.com/watch?v=_YgXcJ4n-kQ
  • w5 – Una historia ilustrando como la huella genética es usada en casos forenses puede ser descarda en formato Word® o PDF.
  • w6 – Para instrucciones (en Inglés y Alemán) sobre la huella genética basada en PCR en la escuela, ver la página web de Science Bridge (www.sciencebridge.net) o use el enlace directo: http://tinyurl.com/89u7m53
    • La afiliación a Science Bridge es necesaria para acceder a estas instrucciones, pero los lectores de este artículo las pueden pedir gratis a sara.mueller@sciencebridge.net

  • w7 – Para instrucciones (en Alemán) para aislar ADN de cebollas o tomates, véase el sitio web de Science Bridge (www.sciencebridge.net) o use el enlace directo: http://tinyurl.com/7z56745
  • w8 – Para instrucciones (en Alema) para aislar ADN a partir de timo de ternero, véase la página web de Science Bridge (www.sciencebridge.net) o use el enlace directo http://tinyurl.com/6lwu83g
  • w9 – Para ejemplos de kits comerciales que pueden ser utilizados para análisis PCR en la escuela, véase el “crime scene investigator PCR basics kit” (kit básico de PCR para investigador de escena del crimen) en la página web de Biorad (www.bio-rad.com) y el kits avanzado de PCR en la página web de Edvotek (www.edvotek.co.uk).
  • w10 – Para ejemplos de kits escolares comerciales que simulen y simplifiquen el proceso de huella genética, véase el “forensic DNA fingerprinting kit” (kit de huella de ADN forense) en la página web de Biorad website (www.bio-rad.com) y el “DNA fingerprinting by restriction fragmentation patterns kit” (kit de huella ADN por patrones de fragmentos de restricción) (bajo “forense” y “ADN” en la página web de Edvotek (www.edvotek.co.uk).

Resources

  • Para aprender más acerca sobre el ADN repetitivo y los métodos (RFLP y PCR), véase:
    • Klug WS, et al. (2008) Concepts of Genetics 9th edition. San Francisco, CA, USA: Pearson. ISBN: 9780321524041

  • Para saber más acerca de la PCR y los STRs, así como bases de datos de ADN en todo el mundo y el trabajo en casos forenses, consulte:
    • Goodwin W, Linacre A, Hadi S (2010) An Introduction to Forensic Genetics. Chichester, UK: Wiley-Blackwell. ISBN: 978-0470710197

  • Para un juego en clase sobre la detección de ADN, véase:
  • La Universidad de Arizona, Estados Unidos, describe cómo llevar a cabo una actividad escolar con los perfiles de ADN usando STRs. Véase: www.biology.arizona.edu o use el enlace directo: http://tinyurl.com/7zteg9n
  • El sitio web de DNA Initiative Advancing Criminal Justice Through DNA Technology (Iniciativa ADN: El progreso en la justicia penal a través de la tecnología de ADN) ofrece un curso gratuito en línea sobre el análisis forense de ADN. Dirigido a abogados, ello acompañado con el estudio de casos que ofrecen una excelente introducción al tema. Véase: www.dna.gov/training/otc
  • Para investigar una base de datos real sobre STRs, visite el sitio web del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE.UU. (US National Institute of Standards and Technology): www.cstl.nist.gov/biotech/strbase
  • Para obtener más información acerca de cómo las enfermedades genéticas son diagnosticadas, véase:

Author(s)

Sara Müller estudió biología, química y educación en la Universidad de Kassel, Alemania, y recibió su título de enseñanza secundaria en 2008. En diciembre de 2011 terminó su tesis doctoral en el campo de la epigenética también en la Universidad de Kassel. Desde febrero de 2012, ha estado haciendo su formación práctica como profesora en Göttingen, Alemania. Ha sido miembro de la junta directiva de Science Bridgew6 durante los últimos siete años.

Heike Göllner-Heibült es una experta en ciencia forense de ADN con una formación en biología molecular. Estudió biología humana en la Universidad Philipps de Marburg, Alemania, pasando varios meses en la Universidad Erasmo de Rotterdam, Países Bajos, y en la Universidad de Cambridge, Reino Unido. En 2002, terminó su doctorado en biología molecular en el Instituto de Biología Molecular e Investigación en Tumores en Marburg y comenzó a trabajar en el análisis forense de ADN como experta en ADN y directora de informes (“Reporting officer”). Actualmente trabaja para el Instituto de Ciencias Forenses de La Dirección de Investigación Criminal en Berlín, Alemania.


Review

La idea de utilizar el ADN para identificar a un individuo en el mundo es alucinante. La huella genética de un individuo se basa en las secuencias que no son usadas en la codificación, pero ¿Cómo son estas huellas creadas? En este artículo se explica.
La habilidad para identificar a los criminales a partir de las bases de datos de ADN plantea preguntas importantes: ¿Es ético mantener el ADN humano en dichas bases de datos o se trata de una violación de los derechos humanos? ¿Debería haber una huella de ADN de cada persona, o simplemente aquellos que estén detenidos? ¿Cuánto tiempo debe el perfil de ADN mantenerse?

Los estudiantes tal vez deseen examinar cómo las huellas genéticas pueden ayudar a diagnosticar enfermedades genéticas, así como su aplicación en la lucha contra la caza furtiva y la extinción de las especies. Idealmente deben ser capaces de tratar la técnica por sí mismos, ya sea como un experimento real o simulado.


Shelley Goodman, Reino Unido




License

CC-BY-NC-ND