Medicina molecular: Presente y
futuro

Molecular medicine: Present and
future

Silvana Zanlungo M, Marco Arrese J, Attilio Rigotti R.

The genetic background of individuals is recognized as an important clue in the analysis of classical hereditary and multifactorial acquired diseases. This new concept derives from the development and increasing use of molecular genetics in clinical medicine. The application of molecular biology techniques in biomedical investigation has encompassed the identification of the pathogenesis and etiology of diseases, prenatal diagnosis the production of new therapeutic agents, gene therapy and the development of pharmacogenetics. The impact on the fundamentals and practice of clinical medicine that will have the use of molecular biology is analyzed in this review.
(Key Words: Epidemiology, molecular; Genetics, biochemical; Molecular biology)

Recibido el 4 de mayo, 1999. Aceptado el 27 de mayo, 1999.
Este artículo es parte de una serie preparada por invitación de los Editores de la
Revista Médica de Chile
Departamento de Gastroenterología, Facultad de Medicina, Pontificia Universidad
Católica de Chile, Santiago de Chile.

Todas las enfermedades humanas pueden ser consideradas como el resultado de una interacción entre la constitución genética de un individuo y el medio ambiente. Dentro de este concepto de enfermedad, el rol de la individualidad genética del organismo huésped resulta trascendental, no sólo para las enfermedades primariamente de origen genético, como en los casos de enfermedades mendelianas clásicas, sino que también en enfermedades multifactoriales con alta frecuencia, como las enfermedades crónicas del adulto.

Este concepto de enfermedad genera una nueva perspectiva en la medicina, derivada del desarrollo y la utilización creciente de la genética molecular en la actividad clínica. En particular, las consecuencias de la aplicación de las técnicas de biología molecular en la investigación biomédica han sido inmensas y sin duda que su aplicación, cada vez más difundida en la actividad clínica, permite vislumbrar un enorme impacto en los fundamentos y en la práctica diaria de la medicina del presente y del futuro (Tabla 1).

Tabla 1. Aplicaciones de la medicina molecular en el estudio y manejo de las enfermedades

• Identificación de la etiología genética

• Estudio de patogenia

• Diagnóstico prenatal, pre-mórbido y mórbido

• Producción de nuevos agentes terapéuticos

• Terapia génica

• Desarrollo de la farmacogenética

• Prevención

El propósito de este artículo es analizar las implicancias de la genética molecular en el conocimiento biomédico y en la práctica de la medicina. El análisis de las repercusiones de la biología molecular en las diferentes especialidades de la medicina, será materia de futuros artículos de esta serie de Medicina Molecular de la Revista Médica de Chile.

Identificación y aislamiento de genes relacionados a enfermedades. Corresponde a la aplicación de la biología molecular al descubrimiento de genes, que contribuyen al desarrollo de enfermedades.

Se lleva a cabo básicamente a través de dos aproximaciones experimentales, conocidas como clonamiento funcional y clonamiento posicional, las cuales fueron analizadas en el artículo previo de esta serie. Mediante el uso del clonamiento funcional se han identificado los genes asociados a la ß-talasemia, el síndrome de Lesch-Nyhan, la fenilcetonuria y la deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. Por otro lado, el clonamiento posicional ha permitido descubrir los genes causantes de la fibrosis quística, la distrofia muscular de Duchenne, la obesidad, el corea de Huntington, la poliposis colónica y el cáncer mamario.

Para cualquiera de las estrategias de clonamiento de genes asociados a enfermedades, en la fase final siempre debe tenerse en cuenta la discriminación entre variantes no relevantes en la secuencia de ácido desoxiribonucleico (ADN) (las cuales pueden estar solamente asociadas, pero no ser causa directa de la enfermedad) y mutaciones de real significado patogénico (las cuales causan directamente la enfermedad). La posible relevancia etiopatogénica de una mutación, puede revelarse cuando la supuesta mutación cambia la secuencia aminoacídica en una región clave del producto proteico codificado por el gen candidato. Sin embargo, la prueba final que un gen candidato está realmente determinando la enfermedad en estudio, requiere tener evidencias de que el gen normal no mutado corrige el fenotipo anormal y/o que la forma mutante del gen produce el fenotipo anómalo. Una vez identificado el gen responsable de una enfermedad se abren amplias perspectivas para la comprensión de sus mecanismos patogénicos, diagnóstico, tratamiento y prevención.

Estudio de la patogenia de las enfermedades. En el contexto de una enfermedad con base genética, se puede afirmar que su origen radica en el ADN y en una mutación del mismo. El gran desafío consiste en comprender los mecanismos asociados que determinan el fenotipo anormal, en un sistema biológico complejo como el cuerpo humano. El poder de la medicina molecular también se manifiesta en el estudio de los mecanismos, que permiten que el genotipo se traduzca en el fenotipo anormal de una enfermedad. Esta aplicación de la medicina molecular se ha denominado genética funcional o patogenética y tiene importancia no sólo para entender los mecanismos de una enfermedad sino también para el desarrollo de nuevos tratamientos.

Con frecuencia las causas genéticas de muchas enfermedades se conocen con gran detalle, hasta el nucleótido específico que está mutado, el aminoácido alterado o ausente y la alteración que esto produce en la estructura y función de una proteína. Sin embargo, suele existir un enorme desconocimiento de cómo el gen o la proteína defectuosa producen los síntomas y signos en el paciente enfermo. La comprensión de la patogenia de una enfermedad de origen genético es muy compleja, debido a que entran en juego diferentes factores como la naturaleza misma (deleción, inserción, mutación sin sentido, etc) y funcional (pérdida, ganancia o cambio de función o cambios en el nivel de expresión) de la alteración genética, la naturaleza del producto génico (enzima, transportador, proteína estructural, proteína reguladora, factor de transcripción, etc) y el tipo de sistema metabólico y biológico en el cual funciona. Por otro lado, el estudio de la patogenia de una enfermedad de origen genético en humanos, tiene una complejidad intrínseca derivada de la baja frecuencia de los casos índices, la heterogeneidad genética de los casos, la variabilidad en las manifestaciones clínicas, la dificultad en el desarrollo de estudios fisiopatológicos y en la obtención de muestras de tejidos en diferentes estadíos del proceso patológico.

La aplicación de la genética molecular en el diseño de modelos animales de enfermedades humanas, ha permitido un importante avance en el conocimiento de la patogenia de condiciones patológicas generadas por un gen defectuoso. La capacidad de generar cepas de animales manipuladas, genéticamente, ha tenido un enorme impacto en biomedicina y hoy día un nœmero cada vez mayor de fisiopatólogos tradicionales, biólogos del desarrollo, biólogos celulares, morfólogos y fisiopatólogos están utilizando esta estrategia experimental en el estudio de la patogenia de las enfermedades. Los modelos animales constituyen una interesante alternativa de estudio, ya que pueden permitir comprender cómo un defecto genético molecular específico llega a traducirse en un fenotipo particular, en un sistema vivo integrado y complejo. Además de la existencia de diferentes especies que presentan mutaciones espontáneas que sirven como modelos naturales de enfermedades con base genética, la preparación de cepas de animales genéticamente manipulados, particularmente ratones transgénicos (que sobreexpresan) y knockout (que no expresan) para un gen de interés, han contribuido enormemente en la identificación, el análisis de la secuencia temporal y de la interrelación de los diferentes fenómenos patogénicos derivados de la función anormal de dicho gen, los que llevan al desarrollo de un fenotipo equivalente a la enfermedad humana. El impacto de la utilización de estos modelos experimentales animales se ha manifestado en el estudio de enfermedades monogenéticas (fibrosis quística, enfermedad de Gaucher, síndrome de Lesh-Nyhan) y de enfermedades multifactoriales con base genética (aterosclerosis, cáncer, obesidad, diabetes mellitus, hipertensión arterial).

Diagnóstico molecular presintomático y sintomático de las enfermedades. Como en cualquier especie, el genoma humano no es una entidad estática, sino que está sujeta a mutaciones, las cuales pueden definirse como cambios hereditarios en la estructura del ADN. Estos cambios del genoma pueden ocurrir a gran escala, como aberraciones cromosómicas, o a menor escala, como mutaciones más simples que generan deleciones, inserciones o sustituciones de una o varias bases nucleotídicas. Las mutaciones tienen importancia etiopatogénica cuando la secuencia alterada está asociada a un gen, ya sea a nivel de la secuencia codificante del gen (donde se encuentran la mayoría de las mutaciones de relevancia patogénica), de la secuencia intragénica no codificante (secuencias intrónicas necesarias para la correcta expresión génica) y de secuencias reguladoras fuera de la región codificante (que regulan los niveles de expresión) de un gen.

Una de las principales aplicaciones clínicas actuales de la genética molecular humana, es el diagnóstico de mutaciones genéticas que contribuyen al desarrollo de enfermedades. Este uso de la genética molecular puede realizarse tanto para el diagnóstico prenatal, para la identificación de sujetos presintomáticos (basado en antecedentes familiares), para la confirmación del diagnóstico de una enfermedad, planteado sobre un cuadro bioquímico y/o clínico definitivo, o para fundamentar el diagnóstico cuando existe un cuadro clínico sospechoso.

El principio utilizado para la detección de mutaciones genéticas con aplicación diagnóstica es el mismo que una prueba diagnóstica tradicional, es decir, la detección de diferencias relevantes entre el gen analizado en un paciente particular comparado con el ADN normal. Los métodos disponibles actualmente permiten detectar virtualmente cualquier mutación en la secuencia del ADN, ya sea una mutación puntual, en la cual un base nucleotídica es sustituida por otra, o cambios más sustanciales como deleciones, inserciones, duplicaciones o aumentos variables en las secuencias repetitivas de ADN.

Los métodos de análisis de mutaciones para el diagnóstico clínico son muy variados y la selección específica de ellos, para cada caso particular de enfermedad genética, depende de la heterogeneidad de las mutaciones y de la naturaleza de las mutaciones mismas que presenta un gen relacionado a una enfermedad en particular. Por lo tanto, el diagnóstico genético-molecular de grandes deleciones en genes pequeños, como el gen de ß-globina (2.000 pares de bases), que causan la ß-talasemia, es significativamente diferente en comparación con la bœsqueda de mutaciones puntuales a lo largo de todo un gen de mucho mayor tamaño, como el gen que codifica el factor VIII de coagulación (186.000 pares de bases) que causa la hemofilia A. Como consecuencia, los laboratorios de diagnóstico molecular cuentan actualmente con tests diseñados selectivamente para cada enfermedad con base genética, los cuales con gran frecuencia combinan técnicas moleculares (RPC, Southern blot, hibridación con oligonucleótidos mutación-específicos, secuenciación), buscando desarrollar técnicas que sean relativamente simples, confiables, aplicables a escala y de bajo costo.

A pesar de que las técnicas diagnósticas de biología molecular son poderosas y entregan información muy precisa, la experiencia y los controles de calidad de los laboratorios que las aplican pueden ser muy variadas. Por otro lado, la interpretación de los resultados de un análisis molecular en el contexto clínico o epidemiológico puede ser muy complejo y no siempre existe una relación estricta entre genotipo y fenotipo. Por lo tanto, es esencial que los clínicos que se enfrentan a estos nuevos métodos diagnósticos, estén familiarizados con la calidad de los laboratorios que proveen estos servicios y sean extremadamente cuidadosos en la interpretación de los datos moleculares en el contexto global de cada situación clínica particular.

Producción de agentes terapéuticos, terapia génica y farmacogenética. Desde un punto de vista conceptual, el tratamiento de una enfermedad se puede focalizar desde el manejo del fenotipo clínico, pasando por el fenotipo metabólico y proteico hasta la terapia génica propiamente tal. La utilidad de la medicina molecular en una terapia dirigida al fenotipo clínico se deriva de su aplicación en el diagnóstico específico de la enfermedad, permitiendo instaurar medidas médicas tradicionales para la condición fisiopatológica encontrada. Sin embargo, lo más novedoso e importante de la implicancia de la genética molecular en el tratamiento médico son las aplicaciones en la producción de agentes terapéuticos, en la terapia génica y en la farmacogenética.

Producción de agentes terapéuticos. El mayor impacto terapéutico de la biología molecular se ha manifestado en el manejo del trastorno fenotípico metabólico y proteico, derivado de la aplicación de la tecnología de ADN recombinante en la preparación de proteínas, que pueden usarse exitosamente para el tratamiento de las manifestaciones fenotípicas de una amplia variedad de enfermedades. Esta estrategia de obtención de proteínas de uso terapéutico tiene como ventajas la facilidad en la obtención de grandes cantidades del producto, así como la protección frente al riesgo de contaminación con agentes patógenos que se generaba cuando el producto proteico era obtenido de fuentes naturales. Como ejemplos de la aplicación e impacto de esta estrategia terapéutica derivada de la biología molecular, se puede destacar el uso de la insulina (el primer producto comercial producido por la empresa biotecnológica para uso en humanos) en la diabetes mellitus, la eritropoyetina en la anemia de la insuficiencia renal crónica, la estreptoquinasa y el activador tisular del plasminógeno en el infarto agudo del miocardio, los factores estimulantes de la formación de leucocitos en disfunciones hematológicas, el factor VIII de la coagulación en hemofilia clásica, el interferón en las hepatitis virales crónicas, etc. Por lo tanto, la tecnología de ADN recombinante está permitiendo la obtención de productos proteicos para el tratamiento de una gama cada vez mayor de enfermedades, desde patologías genéticas mendelianas clásicas hasta enfermedades de origen multifactorial como cáncer, alergias, enfermedades autoinmunes, trastornos neurológicos, infecciones y heridas.

La aplicación de la tecnología de ADN recombinante también se ha considerado en el desarrollo de vacunas contra las enfermedades infecciosas. A pesar de la efectividad de las vacunas producidas mediante inactivación o atenuación de los agentes patógenos, siempre existe el riesgo de contaminación con patógenos activos o el problema generado por la dificultad en el cultivo de los agentes patógenos. La estrategia de ADN recombinante permite la producción selectiva de proteínas presentes en la superficie de los agentes infecciosos, las cuales pueden usarse como antígeno no infeccioso en vacunación para generar respuesta inmune. El primer ejemplo de una vacuna generada mediante el uso de la estrategia de ADN recombinante es la vacuna contra el virus de la hepatitis B.

Terapia génica. Muchas enfermedades de origen genético se traducen en defectos en la expresión de proteínas, las cuales son difíciles de administrar o modificar mediante técnicas farmacológicas ya sea por su tamaño, complejidad o inaccesibilidad celular. Una de las aplicaciones futuras más promisorias de la genética molecular en el tratamiento de las enfermedades es la implementación de la terapia génica, la cual puede ser definida como la administración e introducción de material genético en un tipo celular o tejido apropiado para afectar la expresión génica con el fin de obtener un efecto terapéutico deseado, superando las barreras de una terapia farmacológica convencional.

El éxito de cualquier protocolo de terapia génica exige la existencia de un gen susceptible de manipulación terapéutica, un vector que facilite la entrega del material genético en las células apropiadas y un método que permita el acceso de ese vector al tejido correspondiente. El material genético utilizado puede ser ADN, ácido ribonucleico (ARN), oligonucleótidos sintéticos o ribozimas (ARN catalíticos). Los métodos disponibles para la introducción del ADN en las células deseadas son variados e incluyen vectores virales (adenovirus, retrovirus deficientes en replicación, virus herpes, etc) y vectores no virales (liposomas, conjugados ADN-proteína). La administración del ADN a las células somáticas se puede hacer ex vivo (el vector con ADN se introduce en las células de interés en cultivo y se administran al paciente) o in vivo (donde el ADN asociado al vector se administra directamente al individuo, empleando métodos que permitan su llegada al tejido o célula blanco). Actualmente, la mayoría de los protocolos en desarrollo utilizan vectores virales para introducir ADN en células o tejidos y se espera que una mejoría significativa en la eficiencia y la selectividad de los vectores sea clave en el futuro desarrollo y difusión de la terapia génica.

La terapia génica en humanos se hizo realidad en 1990, cuando se inició el primer protocolo clínico financiado por los Institutos Nacionales de Salud, de Estados Unidos, para el tratamiento de dos pacientes con deficiencia de adenosina deaminasa. Actualmente existen más de 100 protocolos en curso, que involucran a más de 1.500 pacientes en centros de investigación biomédica de todo el mundo. Aunque inicialmente la terapia génica estuvo restringida a enfermedades monogénicas, la lista de enfermedades candidatas para terapia génica ha crecido progresivamente, incluyendo enfermedades de etiopatogenia diversa y multifactorial como cáncer, SIDA, aterosclerosis y enfermedades autoinmunes.

Farmacogenética. Otra importante implicancia terapéutica de la medicina molecular se relaciona con la farmacogenética, disciplina que estudia la variabilidad de la respuesta farmacológica derivada de influencias genéticas individuales. Como consecuencia de nuestros sistemas endógenos de defensa ante agentes químicos, los cuales son variables de sujeto en sujeto y de raza en raza por factores genéticos, existe una amplia variabilidad en la respuesta a la administración farmacológica. Dentro de los mecanismos metabolizadores de drogas conocidos por su variabilidad de origen genético están las enzimas de la familia de las esterasas (como la butirilcolinesterasa, que controla la duración de la acción de relajante muscular de la succinilcolina), transferasas (como la tiopurina-metiltrasferasa, cuya deficiencia genetica puede ser fatal en el tratamiento de neoplasias o de enfermedades autoinmunes con tiopurina), deshidrogenasas (como la alcohol-deshidrogenasa, que metaboliza el etanol), oxidorreductasas (como la monoamino-oxidasa, que metaboliza fármacos psicotrópicos) y de los citrocromos P450 (como la debrisoquinahidroxilasa, que es codificada por un gen altamente polimórfico lo que determina gran variabilidad en la metabolización y por consiguiente en el efecto farmacológico de mœltiples drogas como antiarrítmicos, ß-bloqueadores adrenérgicos, neurolépticos y antidepresivos tricíclicos). El descubrimiento y la identificación de los genes y sus respectivas variantes que controlan la metabolización de drogas puede tener importantes consecuencias en la práctica clínica durante la selección de una terapia farmacológica, evitando efectos colaterales indeseables, junto con prevenir la morbilidad y mortalidad asociadas al uso de fármacos convencionales. Las implicancias de la farmacogenética también son enormes para el desarrollo de nuevas drogas y para la toxicología.

Prevención y epidemiología genética. En la práctica clínica es cada vez más importante reconocer que existen enfermedades que tienen una importante contribución de un gen œnico o, lo que es más frecuente, que muchas enfermedades complejas y multifactoriales tienen un significativo componente genético. El reconocimiento de esta realidad derivada del desarrollo de la medicina molecular, trae consigo importantes implicancias de manejo y consejo clínico para sujetos y/o poblaciones sometidas a análisis genético molecular, cuya utilización en este contexto es del todo homologable al screening de enfermedades con métodos no moleculares.

La identificación de mutaciones genéticas específicas causantes de enfermedades como estrategia de screening puede ser aplicada en el diagnóstico presintomático de la enfermedad con perspectivas de intervención, en el screening de portadores para ofrecer consejo reproductivo y en el diagnóstico prenatal. En cualquiera de estos casos de aplicación del screening genético, la medicina molecular debiera estar estrechamente asociada a un consejo genético apropiado, el cual a su vez requiere un diagnóstico molecular correcto y un conocimiento acabado del riesgo relativo y de la variabilidad y severidad de la expresión clínica del fenotipo anormal. Esta información permite instaurar medidas médicas convencionales (educación, intervención farmacológica, cirugía) que prevengan, mejoren o reviertan parcialmente las manifestaciones clínicas deletéreas que pueden llegar a producirse como traducción fenotípica de la mutación génica.

La identificación de la variabilidad genética mediante el análisis de polimorfismos también tiene importancia como otra alternativa de screening molecular. Un polimorfismo genético corresponde a una variación en la secuencia de ADN que ocurre con una frecuencia mayor a 1% en la población general. Estos polimorfismos constituyen la base molecular de la diversidad de nuestra especie y pueden tener importantes implicancias en términos del riesgo para el desarrollo de enfermedades. La implementación de la epidemiología molecular ha logrado combinar el poder de las técnicas de biología molecular con el análisis estadístico poblacional, lo que ha permitido medir el efecto de la variabilidad de determinadas regiones génicas sobre rasgos fenotípicos clínicamente relevantes para el desarrollo de enfermedades multifactoriales crónicas tales como: hipertensión arterial, diabetes mellitus, aterosclerosis, enfermedad de Alzheimer, cáncer y enfermedades autoinmunes y psiquiátricas. La utilización del screening de polimorfismos genéticos puede llegar a ser una importante herramienta de medicina preventiva, haciendo posible intervenciones farmacológicas o de estilo de vida sobre los individuos con riesgo genético aumentado para el desarrollo de una enfermedad.

A pesar del gran poder de la aplicación del screening genético de mutaciones y polimorfismos, es importante reconocer que su utilidad no es siempre segura, especialmente cuando la especificidad del test es baja y el riesgo potencial y la posibilidad de intervención es incierta.

Proyecto Genoma Humano. El Proyecto del Genoma Humano es un esfuerzo colaborativo internacional iniciado a mediados de los años 80, cuyo objetivo es establecer la secuencia completa del ADN genómico humano. La meta del proyecto es identificar la secuencia de los 3 billones de pares de bases nucleotídicas que constituyen la base química del genoma humano. El conocimiento de esta secuencia va a permitir identificar 50.000 a 100.000 genes presentes en la especie humana y las regiones génicas que regulan la expresión de los mismos. Técnicamente, el desarrollo del proyecto se basa fundamentalmente en la utilización de una amplia gama de métodos de biología molecular y constituye la aplicación más compleja e integrada del análisis molecular al estudio del patrimonio genético de una especie.

Además de permitirnos conocer mejor los mecanismos biológicos básicos que ocurren en la especie humana, el proyecto del genoma humano debiera traducirse en un gran avance en el conocimiento de las enfermedades que presentan alguna base genética, ya sean de origen monogénico o multifactorial. La información genética derivada de este proyecto va a contribuir enormemente en la prevención, el diagnóstico y el tratamiento del hombre enfermo.

Riesgos del uso de la Medicina Molecular. La información derivada de estudios genético-moleculares es diferente de otros tipos de información médica, porque tiene un valor predictivo y no es sólo un mero dato histórico de la salud de una persona. En forma adicional, el conocimiento del genotipo de una persona automáticamente proporciona información de sus familiares, con o sin su consentimiento o participación activa. Por estas razones, la información genética de un individuo debiera ser mantenida bajo máxima confidencialidad, usada prudentemente y mantenida fuera de registros médicos hasta que se desarrollen sistemas de seguridad, que garanticen que la información genética diagnóstica y/o predictiva de un sujeto y su grupo familiar correspondiente no pueda ser utilizada inapropiadamente.

La información genética obtenida por el desarrollo de la medicina molecular debe ser usada sólo para el beneficio del sujeto en estudio, con su consentimiento informado dentro de un intento por responder una pregunta de índole personal y privada. Por lo tanto, resulta imperativo que los individuos no sean discriminados arbitrariamente por su constitución genética y es un desafío tanto para la comunidad médica como para la sociedad en general, que prevalezcan los beneficios por sobre los riesgos de la aplicación cada vez más creciente de la biología molecular en medicina.

De acuerdo a lo revisado en este artículo, la medicina molecular trae consigo, sin lugar a dudas, innumerables ventajas y beneficios para un mejor conocimiento de las enfermedades y el manejo del sujeto enfermo. Sin embargo, debemos estar alertas ante su uso indebido, el cual puede traer aparejado serios inconvenientes éticos, sociales y legales.

Agradecimientos
La preparación de este artículo fue parcialmente financiada por los proyectos FONDECYT 1981048 y 1990519.

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