En genética molecular, los microsatélites (SSR o STR por sus acrónimos en inglés para simple sequence repeat y short tandem repeat) son secuencias de ADN en las que un fragmento (cuyo tamaño va desde dos hasta seis pares de bases) se repite de manera consecutiva. La variación en el número de repeticiones, y no la secuencia repetida, crea diferentes alelos.
Generalmente se encuentran en zonas no codificantes del ADN. Son neutros, co-dominantes y poseen una alta tasa de mutación, lo que los hace muy polimórficos. Son utilizados como marcadores moleculares en una gran variedad de aplicaciones en el campo de la genética, como pueden ser parentescos y estudios de poblaciones, pruebas de paternidad o incluso identificación de criminales. Esto se debe a su capacidad para generar una huella genética personal o perfil genético a partir de una simple muestra de sangre, sudor, saliva o incluso pelos.
Cabe destacar que, para cada uno de los STRs que podemos encontrar en el genoma, se establecen en la población frecuencias en el número de repeticiones, es decir, que para cada STR existe un determinado rango en el número de repeticiones "normal" dentro de la población (por ejemplo, entre 10 y 13 repeticiones para un STR concreto), mientras que hay otros números de repeticiones que se establecen con menos frecuencia en ese marcador.
Constitución Un microsatélite esta típicamente conformado por un motivo repetitivo, en el cual se encuentra contenido la secuencia repetida, y dos regiones flanqueantes, las cuales se encuentran a ambos lados del motivo repetitivo. Sin embargo, hay casos en los que puede haber dos motivos repetitivos o más dentro de un microsatélite. Para que un microsatélite sea considerado útil como marcador molecular, toda la variación de la secuencia o polimorfismo debe hallarse dentro del motivo repetitivo, mientras que las regiones flanqueantes deben estar altamente conservadas, al punto de no presentar ninguna variación de secuencia.
Para poder diferenciar dos microsatélites que se diferencien sólo en su número de repeticiones, necesitamos hacer una PCR. Para ello, se diseñan primers o iniciadores (también llamados cebadores), que son pequeños fragmentos de ADN complementarios a las regiones flanquentes, y que permiten amplificar (o producir un alto número de copias) nuestro microsatélite.
Los fragmentos así producidos son separados de acuerdo a su longitud en pares de bases a través de una electroforesis en gel de agarosa. Partiendo de la hipótesis de que en un microsatélite sólo varía el número de repeticiones dentro del motivo repetitivo, podemos saber cuántas repeticiones tiene nuestro microsatélite por el tamaño que alcanza la banda. Una vez hecha la electroforesis, podemos comparar unos microsatélites con otros, siempre y cuando sean alelos de un mismo motivo repetitivo.
Estos alelos se heredarían de manera codominante, es decir, que en cada locus un individuo podría presentar uno o más alelos, dependiendo del número de juegos de cromosomas que posea. Por ejemplo, los humanos somos diploides, es decir, poseemos dos juegos completos de cromosomas y por lo tanto para un locus de un microsatélite, podemos presentar un alelo (si ambos progenitores nos transmitieron alelos de la misma secuencia y tamaño) o dos alelos (si cada progenitor nos heredó un alelo de tamaño diferente).
Se ha probado que los microsatélites son versátiles marcadores moleculares, particularmente para los análisis poblacionales, pero no por ello se encuentran ausentes de limitaciones. Los microsatélites desarrollados para unas especies particulares pueden con frecuencia ser aplicadas a especies emparentadas, pero el porcentaje de loci que se amplifican satisfactoriamente puede disminuir cuando aumenta la distancia genética. Es por ello que los microsatélites son herramientas cruciales en la genética de la conservación, ya que permiten analizar la diversidad genética, identificar poblaciones aisladas, y estudiar patrones de flujo génico entre especies.
Otras de sus limitaciones, mucho más prosaicas, se deben a contaminación de las muestras, que puede dar lugar a falsos perfiles, sustancias que sean inhibitorias de la reacción de PCR y que no nos permitan conocer el perfil genético del material encontrado, la degradación del ADN, que se produce espontáneamente por las condiciones del medio y las enzimas de otros organismos y que puede dar lugar a perfiles parciales, distintos artefactos que alteren la lectura de los resultados, así como alelos nuevos no caracterizados con anterioridad y que precisan ser incorporados a las bases de datos para permitir su detección en el futuro.
Clasificación Los microsatélites se clasifica de acuerdo al número de nucleótidos que posea el motivo de repetición como: mono, di, tri, tetra, penta o hexanucleótido.
La clasificación también incluye el patrón de orden de los motivos:
Puro o perfecto: Un solo motivo repetido n veces en serie. ej: (AC)9 Puro interrumpido: Un solo motivo repetido n veces, donde se intercalan nucleótidos entre las distintas repeticiones. ej: (CA)2AA(CA)12 Compuestos: Dos o más motivos repetidos en serie. ej: (GT)2(TG)10 Compuestos interrumpidos: Al menos uno de sus motivos presenta nucleótidos intercalados. ej: (CT)4(GT)2CTAT(GT)15 Complejos: Combinaciones entre cualquiera de las clases anteriores, sin ningún patrón de orden definido. ej: (ACC)8+TG+(GA)12+(TTA)5+GC+(TTA)4
Efectos biológicos de las mutaciones de microsatélites Muchos microsatélites se encuentran en el ADN no codificante y son biológicamente silenciados. Otros se encuentran en ADN regulador o incluso codificante - mutaciones de microsatélites en tales casos puede conducir a cambios fenotípicos y enfermedades. Estudios recientes proporcionan evidencia de que los microsatélites pueden actuar como potenciadores de genes reguladores relevantes de la enfermedad.
Efectos sobre las proteínas En los mamíferos, 20% a 40% de proteínas contienen secuencias de repetición de aminoácidos codificados por repeticiones de secuencia corta. La mayor parte de la secuencia corta que se repite dentro de las porciones codificantes de proteínas del genoma tienen una unidad de repetición de tres nucleótidos, ya que la longitud no causará cambio del marco de lectura al mutar. Cada trinucleótidos repetir secuencia se transcribe en una serie repetitiva de los mismos aminoácidos. En levaduras, los aminoácidos repetidos más comunes son glutamina, ácido glutámico, asparagina, ácido aspártico y serina.
Las mutaciones en estos segmentos que se repiten pueden afectar a las propiedades físicas y químicas de las proteínas, con el potencial de producir cambios graduales y previsibles en la acción de la proteína. Por ejemplo, los cambios de longitud en tándem de regiones repetidas en el gen Runx2 conducen a diferencias en la longitud facial en perros domésticos (Canis familiaris), con una relación entre largas longitudes de secuencia y las caras largas.Fondon, John W., III; Garner, Harold R. (2004). "Molecular origins of rapid and continuous morphological evolution". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101 (52): 18058–18063. Bibcode:2004PNAS..10118058F. doi:10.1073/pnas.0408118101. Esta asociación también se aplica a una gama más amplia de especies carnívoras. Los cambios de longitud en los tractos polialanina dentro del gen HOXA13 están vinculados consíndrome mano piel-genital, un trastorno del desarrollo en los seres humanos.Pearson C. E.; et al. (2005). "Repeat instability: mechanisms of dynamic mutations". Nature Reviews Genetics. 6 (10): 729–742. doi:10.1038/nrg1689. Estos cambios están vinculados a más de 40 enfermedades neurológicas en los seres humanos. Los cambios evolutivos de la replicación deslizamiento también se producen en los organismos más simples. Por ejemplo, cambios en la longitud de microsatélites son comunes dentro de las proteínas de superficie de membrana en la levadura, que proporciona una rápida evolución de las propiedades de células.Bowen S., Wheals A. E. (2006). "Ser//Thr-rich domains are associated with genetic variation and morphogenesis in Saccharomyces cerevisiae". Yeast. 23 (8): 633–640. doi:10.1002/yea.1381. PMID 16823884 En concreto, los cambios de longitud en el control del gen FLO1 el nivel de adhesión a los sustratos.Moxon E. R.; et al. (1994). "Adaptive evolution of highly mutable loci in pathogenic bacteria". Curr. Bio. 4: 24–32. doi:10.1016/S0960-9822(00)00005-1. Las secuencias cortas que se repiten también proporcionan un rápido cambio evolutivo a las proteínas en bacterias patogénicas; esto puede permitir mantenerse al día con los cambios inmunológicos en sus anfitriones.
Efectos sobre la regulación de genes Los cambios en la longitud de microsatélites dentro de los promotores y otras regiones cis-regulador también pueden cambiar la expresión de genes de forma rápida, entre las generaciones. El genoma humano contiene muchas (> 16000) secuencias cortas repetidas en regiones reguladoras, que proporcionan pequeños ajustes en la expresión de muchos genes.
Los cambios en la longitud de los SSR bacterianas pueden afectar a la formación de fimbrias de Haemophilus influenzae, alterando el promotor. Los minisatélites también están relacionados con abundantes variaciones en las regiones de control de cis-regulador en el genoma humano. Y los microsatélites en regiones de control del gen del receptor de vasopresina 1a en hongos influyen en su comportamiento social, y el nivel de la monogamia.
Efectos dentro de intrones Los microsatélites dentro de intrones también influyen en el fenotipo, a través de medios que no se entienden actualmente. Por ejemplo, una expansión de triplete GAA en el primer intrón del gen X25 parece interferir con la transcripción, y provoca Ataxia de Friedreich. Repeticiones en tándem en el primer intrón del gen de la sintetasa de asparagina están relacionados con leucemia linfoblástica aguda. Un polimorfismo de repetición en el cuarto intrón del gen NOS3 está vinculada a la hipertensión en una población de Túnez. La reducción de longitudes de repetición en el gen EGFR están vinculados con los osteosarcomas.
Una forma arcaica de corte y empalme conservado en pez zebra se conoce el uso de secuencias microsatélites dentro de mRNA intrónica para la eliminación de intrones en ausencia de U2AF2 y otra maquinaria de empalme.
Efectos dentro de transposones Casi el 50% del genoma humano está contenida en diversos tipos de elementos de transposición (también llamados transposones, o "genes saltarines"), y muchos de ellos contienen ADN repetitivo.Scherer S. (2008). A short guide to the human genome. New York: Cold Spring Harbor University Press. Es probable que corta secuencia se repite en esos lugares también están involucrados en la regulación de la expresión génica.
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