Ciencia : Diez años genoma humano. Araxi Urrutia Odabachian

Diez años genoma humano

Araxi Urrutia Odabachian

Promesas rotas y hallazgos inesperados En febrero de 2001, en conferencia de prensa televisada alrededor del mundo, Bill Clinton, entonces presidente de los Estados Unidos, anunció en persona la finalización de la primera fase del proyecto de secuenciación del genoma humano, esto es, del conjunto de toda la información genética de un ser humano. Clinton vaticinó que la lectura de nuestro libro de la vida permitiría encontrar la cura para todas las enfermedades que aquejan a los seres humanos y que en menos de una década la medicina personalizada sería una realidad.

El décimo aniversario de esa fecha está por cumplirse y muchos nos preguntarnos ¿por qué tantas personas siguen enfrentando diariamente devastadores diagnósticos de cáncer? ¿Por qué aún sabemos tan poco acerca de muchos padecimientos que tienen un fuerte componente hereditario, como la esquizofrenia? ¿Cuándo veremos los beneficios prometidos con la publicación del genoma humano?

La secuenciación del genoma humano (es decir, la lectura de cada uno de los casi 3 000 millones de "letras" químicas que componen las largas cadenas de ADN que lo forman) fue la culminación de años de planeación y una década de cooperación entre científicos y gobiernos en Asia, Europa y América pa ra descif ra r los secretos de nuestro genoma. En la ceremonia en que se presentó públicamente se anunció también una segunda secuencia completa del genoma obtenida por el investigador Craig Venter, quien participó en el proyecto de secuenciación llevado a cabo por un consorcio de instituciones públicas y que, desencantado con la lentitud de sus avances (ver ¿Cómo ves? Nos. 21 y 37) decidió fundar una empresa privada para el mismo fin.

Si bien la competencia directa de Craig Venter a través de la compañía Celera al esfuerzo público fue controvertida y criticada por numerosos científicos, muchos reconocen que las tecnologías implementadas por Celera (que incluían métodos para automatizar el análisis del ADN y poderosas técnicas computacionales para procesar la información obtenida) fueron de gran ayuda para concluir la secuencia del genoma, que hasta entonces procedía con extrema lentitud.

Pero ¿por qué la secuenciación del genoma no ha permitido curar todas las enfermedades que aquejan a la humanidad? Si bien el genoma contiene las instrucciones necesarias para construir todas las proteínas del cuerpo humano, tanto las que son componentes estructurales como las enzimas —catalizadores que facilitan las reacciones químicas dentro de nuestras células—, leer estas instrucciones y saber cómo sus cambios producen enfermedades ha sido más difícil de lo que originalmente se pensó. 

Obstáculos para leer el libro de la vida

Los problemas para leer y entender el genoma son múltiples. Para empezar, la secuencia publicada hace 10 años estaba incompleta debido a que algunas regiones, donde hay mucha información repetida, dificultan ordenar correctamente los fragmentos de secuencia genética descifrada. La secuencia completa solo fue publicada tres años después, y regularmente se reportan modificaciones menores.

Una vez que se tiene la secuencia, identificar los genes —las unidades funcionales básicas dentro del genoma que contienen la información para fabricar todas las proteínas— ha sido un reto, ya que, a diferencia de los genomas de organismos unicelulares e invertebrados, una parte significativa del genoma humano está constituido por secuencias repetitivas que no contienen genes. Encontrar genes a lo largo de la secuencia de los cromosomas se dificulta aún más porque estos suelen estar partidos en pequeños componentes llamados exones. Algunos exones son muy cortos, y pueden estar a gran distancia del siguiente exón. Aun los mejores algoritmos para el análisis computacional de secuencias de ADN son incapaces de identificar con certeza todos los genes, por lo que muy probablemente el catálogo del genoma humano continúa siendo incompleto.

Los genes descubiertos a lo largo de la secuencias de ADN, nos dicen poco por sí solos acerca de la manera en la que las proteínas que producen interactúan con otras proteínas y demás moléculas en el organismo. La función de una proteína y su localización en el interior de las células depende de cuándo y en qué cantidad es fabricada, de su estructura tridimensional y de sus propiedades químicas. Cada una de nuestras células contiene el mismo material genético. Lo que diferencia a una célula del hígado de una fibra muscular en el corazón, o cualquiera otra de los más de 200 tipos celulares de nuestro cuerpo, es el conjunto particular de genes a partir de los que se sintetizan las proteínas. Esta síntesis es un proceso controlado en muchos niveles, y difícil de predecir a partir de la simple secuencia genómica. 

Ventana al pasado
El genoma contenido en cada ser humano lo liga a cada uno de los demás seres humanos vivos, y a sus antepasados más allá de los confines de nuestra especie, hasta llegar al antepasado común de todos los organismos que existen y han existido a lo largo de miles de millones de años. El genoma es transmitido de una generación a otra; en las especies con reproducción sexual la mitad del genoma nuclear proviene de la madre, y la otra mitad, del padre. Pero este proceso no es perfecto, y con el paso del tiempo se van acumulando errores, que llamamos mutaciones. Comparando las secuencias de varios individuos de una misma especie, o entre distintas especies, es posible reconstruir las relaciones evolutivas entre ellos, así como calcular el tiempo que ha transcurrido desde que cada par de grupos o especies compartió un ancestro común.

La comparación de secuencias de proteínas y genes individuales de una variedad de organismos se ha usado desde hace varias décadas para reconstruir las relaciones entre grupos humanos, y de nuestra especie con otros organismos. Sin embargo, la secuenciación del genoma humano, en la que se usó material genético de individuos de distintos continentes, permitió por primera vez concluir inequívocamente que la especie humana moderna es muy joven, evolutivamente hablando, y es originaria de África. Las diferencias raciales son de origen reciente, y superficiales en términos genéticos: cada ser humano que puebla el globo comparte mas del 99.9% de su genoma con cualquier otro.

Caracterizar los perfiles de las diferencias genómicas entre grupos étnicos ha permitido construir un mapa cada vez más refinado de las migraciones humanas en sus rutas desde África a todos los rincones del mundo, a lo largo de 60 000 años. Incluso, se han podido reconstruir patrones de colonización, como la llegada de los españoles a América, o estructuras sociales rígidas, que dejan marcas indelebles en los genomas de las poblaciones humanas. Por ejemplo, el sistema de castas de la India, donde los individuos deben casarse con miembros de su propia casta, deja marcas genómicas. Estudios de genoma mitocondrial (que se hereda solo por la vía materna) y del cromosoma "Y" (que solo se hereda por la vía paterna) en poblaciones de América muestran un patrón de mestizaje asimétrico, donde la incidencia de cromosomas "Y" europeos es mucho mayor a la incidencia de mitocondrias europeas.

El genoma humano y los avances tecnológicos que se derivaron de su secuenciación han permitido estudiar un número cada vez mayor de genomas completos de distintos grupos, incluyendo los de plantas, hongos, bacterias y animales vertebrados e invertebrados. Esto ha permitido crear árboles genealógicos que nos ligan sucesivamente con otros primates, mamíferos, vertebrados, hongos, los demás organismos eucariontes y todos los organismos vivos que han poblado la Tierra a lo largo de al menos 3 500 millones de años.

 

Relaciones vitales Muchos hemos oído hablar del genoma, los genes y las proteínas, pero la manera en que se relacionan unos con otros no es tan conocida. El genoma es el conjunto de cromosomas (los humanos tenemos 23 pares) en el núcleo celular. Estos cromosomas son a su vez largas cadenas de ADN. Cada una de nuestras células, con excepción de los glóbulos rojos en la sangre, contiene una copia del genoma. Lo que conocemos como genes son secciones a lo largo de estas cadenas de ADN y contienen las instrucciones para producir una molécula funcional de ácido ribonucleico (ARN). Estas moléculas de ARN son muy parecidas al ADN pero en vez de formar estructuras de doble hélice como es el caso del ADN, suelen tener una sola cadena. Las cadenas de ARN pueden cumplir funciones en la célula o guiar el ensamblado de la proteína en formación. Todos los seres vivos producen proteínas a partir la información contenida en sus genes usando cadenas de ARN como moléculas intermediarias. Cuando ingerimos proteínas de otros organismos (vegetales o animales), estas se rompen en sus componentes originales, aminoácidos. Los aminoácidos pueden ser a su vez aprovechados en la producción de proteínas en el interior de nuestras células.

Una caja de sorpresas

En última instancia, todo lo que somos está determinado por nuestros genes y nuestra interacción con el ambiente, que modifica los patrones de fabricación de las proteínas codificadas en el genoma. Si bien el impacto de la secuenciación genómica en el tratamiento de muchos de los padecimientos más comunes y devastadores es hoy desafortunadamente limitada, la era postgenómica sí ha revolucionado la manera en que entendemos el funcionamiento de los genes y el genoma en general.

Antes de la secuenciación del genoma humano, el consenso era que el genoma era un repositorio relativamente pasivo de genes que codifican proteínas, cuya actividad era controlada por genes regulatorios cercanos. Pero diversos estudios pronto demostraron que el genoma se encuentra altamente estructurado, y el orden y posición de los genes a lo largo de los cromosomas no es aleatorio, sino que maximiza la adecuada actividad génica para la síntesis de las proteínas.

La era genómica ha influido en todas las áreas de estudio de las ciencias de la vida. El uso de tecnologías para medir la actividad de genes a escala genómica es hoy rutinario en un creciente número de laboratorios de investigación. Por ejemplo, la medición simultánea de patrones de actividad de miles de genes ha permitido inferir relaciones entre genes que no habían sido previamente halladas con los métodos experimentales tradicionales. Los estudios de datos genómicos conjuntamente con experimentos con genes y proteínas específicos han permitido identificar genes importantes durante el desarrollo, durante procesos fisiológicos normales así como en enfermedades. Esto ha llevado al desarrollo de pruebas diagnósticas, como en el cáncer de mama, donde la caracterización de los patrones de actividad de genes permite hoy en día seleccionar tratamientos más efectivos para cada mujer.

Curiosamente, así como el genoma ha demostrado la gran similitud entre todas las razas humanas —de hecho, el término "raza" es hoy casi obsoleto—, la medición de patrones de actividad génica ha demostrado extensas diferencias de género en el funcionamiento de los genes activos en el cerebro; tal vez los hombres sí son de Marte y las mujeres de Venus, como dice el famoso libro.

La era postgenómica ha revolucionado la manera en que entendemos el funcionamiento de los genes y el genoma en general.

El otro genoma Además del genoma en el núcleo celular, existe un segundo genoma de mucho menor tamaño en el interior de las células en unas estructuras llamadas mitocondrias. Se ha especulado que el genoma mitocondrial es el vestigio de cuando las mitocondrias eran organismos independientes y que la célula ancestro de todos los hongos, plantas y animales se "comió" al ancestro de las mitocondrias. El genoma mitocondrial es lo que resta de cuando las mitocondrias tenían una existencia independiente.

Mirada al futuro
El genoma humano nos ha permitido grandes avances para entender los procesos fisiológicos de nuestro cuerpo, y las bases biológicas de un sinfín de padecimientos que en algunos casos han llevado al desarrollo de procedimientos diagnósticos y tratamientos clínicos ya en uso o en pruebas. Sin embargo, estos avances no han llegado a la velocidad esperada. Hoy nos encontramos a las puertas de la era de la genómica personalizada, en la que muy posiblemente será secuenciado el genoma de una proporción significativa de la población. ¿Podemos esperar que las promesas rotas se cumplirán en esta nueva década?

Los últimos años han visto un rápido aumento en el uso de "estudios de asociación" para identificar regiones del genoma relacionadas con una variedad de padecimientos, como la diabetes, la obesidad, la esquizofrenia, la hipertensión, el mal de Alzheimer y el cáncer de mama, e incluso con características de personalidad o inteligencia. Estos estudios se basan en la comparación de millones de fragmentos de información genética que pueden variar de un individuo a otro, o entre grupos de personas con y sin una particular característica o padecimiento. Al utilizar decenas de miles de casos, los estudios de asociación pueden detectar pequeñas diferencias en la frecuencia con que se presenta en la población una variante genética asociada con una característica de interés. Las variantes identificadas de esta manera suelen tener un valor predictivo bajo; es decir, que si un individuo la presenta, su probabilidad de adquirir dicho padecimiento aumenta en menos de 1%. Sin embargo, estas regiones importantes del genoma permiten guiar futuras investigaciones y en algunos casos están permitiendo el desarrollo de medicamentos que tendrán un impacto cada vez mayor a lo largo de los próximos años. 

Aunque comiencen a estar disponibles algunas terapias derivadas de la investigación genómica a lo largo de la siguiente década, es muy posible que no proporcionen curas "milagrosas" en un futuro cercano.

El refinamiento de las técnicas de medición de la actividad génica a gran escala ha permitido identificar el origen de distintos tipos de tejidos cancerosos. Se ha encontrado que las células madre son precursoras de muchos de los tipos de cáncer más agresivos e invasivos; anteriormente se pensaba que la mayoría de las células cancerosas se derivaban de células ya diferenciadas. Asimismo, mediante la comparación de perfiles de actividad de muchas muestras provenientes de distintos tipos de cáncer y de tejidos sanos, se podrán desarrollar terapias más modernas.

La genómica personalizada posiblemente nos lleve a un entendimiento más integrado de los estados de salud y enfermedad, donde las enfermedades se entiendan como perfiles de actividad génetica aberrantes o sanos, en lugar de genes aislados. Esta visión integradora puede ser particularmente importante en el estudio de procesos complejos como enfermedades mentales y comportamiento.

Los procesos de aprendizaje y memoria en el corto y largo plazo dependen de cambios en los patrones de síntesis de proteínas. Dado que los procedimientos actuales para medir patrones de actividad de genes y síntesis de proteínas son invasivos, las aves silvestres se están convirtiendo en modelos animales ideales para estudiar patrones de comportamiento complejo. Las aves son muy diversas y presentan patrones conductuales y de organización social y familiar semejantes a los humanos, los cuales han sido estudiados por los ecólogos. La comparación de los patrones de actividad de los genes en los cerebros de aves silvestres con distintos patrones conductuales podrían proporcionar, durante la próxima década, importantes avances en la comprensión de las bases genéticas del comportamiento complejo.

Los efectos de la secuenciación genómica y sus tecnologías asociadas continuarán creciendo en importancia, tanto en investigación básica como aplicada, y es posible que sus efectos sean más palpables para el público en general. Sin embargo, mientras algunas terapias derivadas de la investigación con técnicas genómicas comenzarán a estar disponibles a lo largo de la siguiente década, es muy posible que no proporcionen curas "milagrosas" en un futuro cercano, ya que muchos padecimientos no se derivan de cambios en la actividad de un gen, sino de muchos genes en conjunto. Las intricadas interacciones entre los genes dificultan predecir la reacción del resto del sistema en respuesta a los tratamientos. Por ejemplo, algunas estrategias de terapia génica en las que se introduce un gen en el genoma con fines terapéuticos, enfrentan dificultades para lograr que el material genético nuevo se inserte en regiones particulares del genoma. No obstante, en los últimos cinco años la terapia génica se ha utilizado exitosamente en el tratamiento de dos individuos con un tipo específico de melanoma (cáncer de piel) y hay pruebas clínicas en marcha para tratar otras enfermedades causadas por una mutación.

En resumen, y aunque las promesas de la era genómica no se han cumplido a plenitud en su primera década, hay buenos motivos para esperar que pronto se presenten avances que permitan que al menos una parte de las esperanzas que se despertaron hace 10 años comiencen a volverse realidad.

Araxi Urrutia Odabachian es licenciada en Psicología por la UNAM. Hizo el doctorado en la Universidad de Bath, Reino Unido, donde actualmente dirige un grupo de investigacion en genómica evolutiva. Entre otros reconocimientos, ha recibido el premio a joven investigador de la Sociedad Bioquímica del Reino Unido y fue nombrada "mujer inspiradora" por la revista británica She.

Fuente, vìa :
http://www.comoves.unam.mx/articulo_146_02.html

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