El Genoma Humano

gráfico: cathleen escuchó

Las ciencias de la vida ocuparon un lugar central prácticamente en todo el mundo el 26 de junio. El presidente Bill Clinton, flanqueado a la izquierda por el presidente de Celera Genomics Group, J. Craig Venter, y a la derecha por National Human Genome El director del Instituto de Investigación, Francis S. Collins, anunció la finalización de «la primera encuesta del genoma humano completo». Entre otros presentes para el anuncio en el Salón Este de la Casa Blanca estaban los embajadores del Reino Unido, Japón, Alemania y Francia. El primer ministro británico, Tony Blair, asistió vía satélite.

Esa "encuesta" por supuesto, es el "borrador de trabajo" del genoma humano producido por el consorcio internacional financiado con fondos públicos Human Genome Project (HGP) y el "primer ensamblaje del genoma humano" producido por Celera Genomics de financiación privada. «Sin duda, este es el mapa más importante y maravilloso jamás producido por la humanidad», dijo. Clinton dijo del genoma humano. Continuó elogiando a Francisco…

Después del anuncio de la Casa Blanca, los programas de noticias de televisión y los medios impresos de todo el mundo proclamaron la finalización de un importante hito científico que prometía grandes cambios en el futuro de la medicina y la salud. . De hecho, fue un hito científico importante. Sin embargo, para los científicos de la vida, el hito es más un comienzo que un final.

Ahora los científicos deben descifrar el verdadero patrón, las funciones y las funciones del genoma humano. y significado El impulso de descifrar no se limitará a la mera unidad cromosómica, ni a los genes individuales. Cada vez más, los científicos se centrarán en los patrones evolutivos más amplios y las interacciones de los genes grandes y los no genes: los «metadatos» del genoma.

Los elementos de interpretación más complejos pueden tardar décadas o incluso siglos en resolverse. Pero ya, aquellos íntimamente involucrados dicen que va más allá de identificar las interacciones de unos pocos miles de «genes de enfermedades»: genes normales cuya mutación, eliminación o reordenamiento significa la aparición de defectos de nacimiento, síndromes adultos o incluso problemas de salud subclínicos. El enfoque de la investigación avanzará rápidamente hacia las interacciones de múltiples genes, genes muy grandes en múltiples cromosomas y el análisis global de la actividad del ADN, es decir, la cantidad de moléculas de ARN transcritas de cada gen en tipos de células particulares y la naturaleza de la productos proteicos codificados. Los bloques de ADN humano se compararán con los de otras especies para comprender no solo las brechas de secuenciación sino también la conservación genética: qué partes del genoma se conservan durante la evolución como fisiológicamente necesarias para toda la vida. Además, los científicos observarán las interacciones del medio ambiente, la composición genética y las exposiciones tóxicas, incluida la capacidad de ciertos genes «beneficiosos» para desintoxicar el cuerpo y resistir enfermedades. Los investigadores también examinarán el papel de los elementos no codificantes del genoma, los intrones, cuyos diferentes tamaños entre las especies pueden jugar un papel directo en la modulación de los niveles de expresión génica, incluso dando forma a las diferencias humanas individuales de pensamiento, morfología y personalidad. .

“Claramente hubo un momento en que el genoma era tan ‘grande’ que las tecnologías concentraban la atención individual en un cromosoma u otro, dependiendo de la importancia de su biología”, explica Aravinda Chakravarti, James Jewell Professor. de Genética en la Universidad Case Western Reserve y miembro del Consejo Asesor del Instituto del Genoma. «Por ejemplo, estudiamos el cromosoma X para el retraso mental ligado al cromosoma X o el cromosoma 21 para el síndrome de Down. Nos hemos centrado en enfermedades relacionadas con un solo gen, como el síndrome de Pendred en el cromosoma 7. Pero ahora las personas están pasando de defectos de un solo gen y comenzar a estudiar trastornos con múltiples genes involucrados, por lo que el enfoque en los cromosomas [como una unidad] ya no es [tan] significativo».

Los científicos observarán las estructuras de los cromosomas como parte del genoma completo. misterio, afirma Chakravarti. «Por ejemplo: ¿Cómo está organizado el ADN en un cromosoma?» él pide. «Sabemos que no es aleatorio; sabemos que hay un centrómero y un telómero con secuencias definidas. Conocemos la naturaleza de las repeticiones dentro de cada banda y la densidad de genes por posición [dentro] del cromosoma. Pero si estudiamos un cromosoma, nos damos cuenta de que es una forma [estructural] en la que se ha desarrollado la evolución, no hay nada que diga que otro cromosoma seguirá exactamente las mismas reglas. Claramente, hay mucho más por entender».

El análisis y el mapeo de la secuencia del genoma ha sido un primer paso necesario en un camino más largo que identificará los puntos de referencia cromosómicos y las características de los genes, especialmente los genes grandes repartidos en cientos, incluso miles de kilobases. Hasta ahora, los científicos han identificado genes de tamaño relativamente modesto de unos 30.000 pares de bases, en la mayoría de los casos mediante clonación posicional. Se prestará mucha más atención a «grandes genes divididos en múltiples exones… las estructuras en el cromosoma [p. ej., centrómeros], y la naturaleza y posición de secuencias repetidas, que contienen una maravillosa historia y registro de la evolución». Chakravarti declara.

Papel de la serendipia

El presidente Clinton, con J. Craig Venter, a la izquierda, y Francis Collins, anuncia la finalización de «la primera encuesta de todo el genoma humano». foto: aplicación de prensa asociada

Ya, los datos de secuenciación del genoma disponibles públicamente han llevado a la identificación de «al menos 13 o 14 genes de enfermedades», dice Eric Green, jefe de la rama de tecnología del genoma de los Institutos Nacionales de la Salud y director de la secuenciación intramural de los NIH. Centro. El laboratorio de Green ha estado investigando el cromosoma 7 durante más de una década. Cuando el Proyecto del Genoma Humano público comenzó en 1990, Green eligió el cromosoma 7 «en parte debido a su tamaño intermedio, en parte porque los investigadores acababan de identificar el gen de la fibrosis quística en el cromosoma 7. Y el cromosoma en sí constituía el cinco por ciento del genoma, que era un desafío.» Pero Green admite que fue un poco de casualidad, y la ayuda del mapa detallado del cromosoma 7 humano y la secuencia que su grupo ayudó a generar, lo que lo llevó a descubrir la configuración anormal del par de bases que da lugar al síndrome de Pendred, un defecto congénito asociado con la sordera y el bocio.

«Los pacientes con síndrome de Pendred no tienen anomalías citogenéticas, pero sí tienen pequeños defectos en un gen específico en el cromosoma 7, a veces tan pequeños como un par de tres bases». eliminación, y eso está en un genoma de tres mil millones de letras», dice Green. Al examinar los mapas de secuencia y comparar los polimorfismos de los pacientes afectados por el síndrome de Pendred con los mapas genéticos de los pacientes normales, el laboratorio de Green finalmente pudo precisar el gen defectuoso (el octavo que probaron en el cromosoma 7) en poco más de un año. «Antes de los superavances de la secuencia del genoma humano, esto podría haber llevado a decenas de personas años para identificar», afirma. «Pero debido a que teníamos mapas y datos de secuencia realmente buenos, esta fue solo una de las hermosas flores que aparecieron [de la investigación]».

Complejidades del cromosoma 22

Algunos de Las asombrosas nuevas complejidades de la genética son sugeridas por el trabajo en el diminuto cromosoma 22, el primero en ser decodificado en forma de borrador en diciembre pasado por investigadores del Centro Sanger en Inglaterra, la Universidad de Oklahoma, la Universidad de Washington en St. Louis y la Universidad de Keio en Japón.

Cuando se anunció la secuencia,1 el cromosoma 22 se representó como una maraña densa de genes. A diferencia del cromosoma 21,2,3, que se consideraba genéticamente escaso y se caracterizaba por bandas oscuras, el cromosoma 22 es «pálido», lo que significa que está repleto de genes y secuencias de pares de bases repetitivas cerca del centrómero, cuyas variaciones se cree que están asociadas con al menos menos 27 trastornos humanos. Las mutaciones aquí incluyen trastornos de deleción y translocación; los tipos de enfermedades incluyen cánceres de cerebro y esquizofrenia. La secuenciación, que originalmente dejó 11 lagunas, ha revelado un total de 545 genes y 134 pseudogenes (se sospechan 300 o más genes adicionales) con un tamaño que oscila entre 1000 y 583 000 bases de ADN. Un total del 39 por ciento del cromosoma se copia en ARN, mientras que solo el 3 por ciento del cromosoma codifica proteínas. Una de las brechas en la secuencia se ha cerrado desde los anuncios de diciembre. Los científicos anticipan que podrán cerrar brechas adicionales utilizando más muestras estadísticas y nuevas químicas, enzimas y bibliotecas de clones que apuntan a las piezas faltantes de ADN a través de las brechas.

Además, los análisis por computadora revelan un total de 247 genes en el cromosoma 22 que son idénticos a genes humanos o secuencias de proteínas previamente identificados. Se descubrieron otros 150 genes con secuencias de ADN similares a genes conocidos, y 148 genes predichos contienen secuencias homólogas a marcadores genéticos conocidos, etiquetas de secuencia expresada (EST). Además, varias familias de genes parecen haber surgido por duplicación en tándem. «Las familias de genes… se intercalan entre otros genes y se distribuyen en grandes regiones cromosómicas», informa un resumen de noticias del NIH.4 el cromosoma. La existencia de tanta información de ADN repetitiva podría ayudar a explicar cómo este cromosoma reorganiza o reorganiza su ADN, lo que lleva a trastornos humanos como el síndrome de DiGeorge, que incluye una forma de retraso mental, y cómo la estructura del cromosoma cambia con el tiempo». /p>

Beverly Emanuel, jefa de la rama de genética humana y biología molecular del Children’s Hospital of Philadelphia, dice que la clonación posicional, el uso de clones grandes y otras técnicas han permitido a su departamento mapear los síndromes de deleción con mayor precisión que antes. . «En 1980 hubo dos artículos en breve que demostraron deleciones en el cromosoma 22. Pero no eran del tipo que se estudia ahora; eran deleciones que eran obvias porque faltaba una parte completa del cromosoma. Los pacientes afectados solo tenían 45 cromosomas; el resto de 22 se translocó a otro cromosoma [11]».

Emanuel, sin embargo, comenzó con la hipótesis de que debe haber «deleciones menos obvias» en el cromosoma 22 que explican las múltiples manifestaciones de defectos congénitos del síndrome de DiGeorge. En 1991 se tomó la decisión de mapear el cromosoma 22 por completo. «Las tecnologías para hacerlo comenzaron a escalar», dice ella. El laboratorio de Emanuel, en cooperación con el Centro Sanger y Bruce Roe, un destacado genetista de la Universidad de Oklahoma, fue uno de los primeros en proporcionar clones mapeados para ser secuenciados. «Generamos los primeros mapas de marcadores y mapas de cromosomas artificiales de levadura (YAC)». Los YAC son clones insertados grandes engañados para replicar los mismos patrones de pares de bases de una pieza de ADN genómico humano, explica. Mientras descifraba el rompecabezas de los fragmentos de ADN que flanqueaban las brechas del cromosoma 22, el grupo de Emanuel publicó un artículo en el que argumentaba que «el cromosoma 22, al igual que otros… tiene grandes bloques de secuencia duplicada ubicados en varias posiciones [que aparentemente] permiten que se produzcan recombinaciones ilegítimas». y deleciones que ocurrirán».5 

Las microdeleciones, analizadas a través de estudios citogenéticos moleculares y mapas secuenciados del genoma, han aparecido en la parte proximal del cromosoma 22 y el cromosoma 15. Por lo tanto, Emanuel ha podido para descartar factores ambientales o en el útero como los principales responsables de las deleciones del cromosoma 22 que ocurren en los niños que nacen con el síndrome de DiGeorge (la estimación ahora es que uno de cada 3000 a 4000 bebés tiene una deleción). En la edición del 1 de julio de 2000 de Genética Molecular Humana,6 Emanuel es coautor de un artículo que describe cómo y por qué los portadores de translocaciones de los cromosomas 22 y 11 (que son completamente normales) pueden transmitir un lote anormal de 47 cromosomas a su descendencia durante la meiosis produciendo un niño con 47 cromosomas. La concisa conclusión de Emanuel: «El cromosoma 22 está demasiado involucrado genéticamente para su tamaño». Esa participación excesiva puede tener que ver con la replicación de regiones densas de secuencias casi idénticas. Esto, junto con la infidelidad de la maquinaria de replicación del ADN, permite recombinaciones ilegítimas dentro del genoma, lo que hace que la organización genómica normal falle.

¿Podrían utilizarse estas revelaciones para desarrollar pruebas genéticas de preimplantación? Quizás, reconoce Emanuel. «Pero en muchos casos puede ser bastante difícil saberlo lo suficientemente temprano o prevenir el daño. Sin embargo, el conocimiento de estos trastornos conducirá a mejores modalidades de tratamiento, mejores diagnósticos y un enfoque hacia la prevención». En algunos casos, el diagnóstico temprano de los trastornos de microdeleción puede ayudar a los médicos y padres a manejar a los niños con nuevas terapias y prevenir algunas de las complicaciones posteriores de la enfermedad.

Los misterios de CG

Diminuto cromosoma 22 sugiere algunas de las asombrosas complejidades de la genética. gráfico: cathleen escuchó

«Hay una fracción significativa de ‘ADN basura’ que se autorreplica», según Elbert Branscomb, director del Joint Genome Institute en el Departamento de Energía (ver recuadro). El propósito de estas extrañas partes autorreplicantes del genoma, donde a menudo ocurren cambios y eliminaciones, se ha convertido en una agenda de investigación para los científicos. Muchos están fascinados por la función de los pares de bases de citosina-guanina (CG) que parecen desplazar a algunos de los telómeros cromosómicos. Según Ian Dunham, investigador principal del Centro Sanger y director del proyecto del cromosoma 22, las partes del genoma humano que tienen concentraciones inusualmente altas de pares CG también tienen la mayor cantidad de brechas y son difíciles de clonar.

«Estas secuencias son generalmente cortas pero ricas en CG, y las enzimas para la clonación no las atraviesan fácilmente; necesita usar trucos específicos… para atravesar esas secuencias. Hay un nivel adicional de puliendo la secuencia que necesita hacer para obtener una determinación precisa». A lo que se reduce es a «tomar el clon y cortar el ADN específico que está causando el problema y luego crear una pequeña biblioteca de inserción de las piezas», dice. «Si lo secuencias muchas veces, te permite pasar por la secuencia difícil [paso a paso], y eso te permite leerlo con mayor precisión, para dividir el problema en partes más pequeñas». La mayoría de las brechas en el genoma, pero no todas, se han resuelto mediante la subclonación o el uso de nuevas sustancias químicas y enzimas. Otros, incluidos los del 22, especialmente los espacios en los telómeros, siguen siendo resistentes.

Desde el punto de vista de Dunham, «creo que el cromosoma 22 es particularmente malo. Cuando observas el 21, es muy diferente porque el 22 tiene un mayor densidad de genes y niveles más altos de pares de bases de CG. Generalmente, estas regiones autorreplicantes de CG caen cerca de los telómeros, donde ocurren muchas de las deleciones».

«Puede ser que el genoma se divida donde hay lagunas», especula. Incluso puede haber genes «ocultos» en la brecha. «Existe alguna evidencia en E. coli de que

hay corridas de dinucleótido CG que no son estables», observa Dunham. «Aunque no existe una correlación clara entre los tipos de reordenamientos que ocurren en estos espacios, hasta donde sabemos, los espacios están asociados con esas repeticiones». ¿Qué podría decirnos esto sobre el papel aparente de las secuencias repetidas? Dunham no está seguro, pero la evolución puede desempeñar un papel en un proceso algo aleatorio. «Creo que hay patrones en los genes; reflejan una evolución relativamente reciente en la que se puede ver que los genes se han duplicado y son vecinos entre sí. Hay regiones de una a tres megabases donde el contenido general de bases es diferente de los demás, generalmente diferente en «Los niveles de CG, y esas áreas parecen ser especialmente ricas en genes y en genes pequeños. Obtienes una variedad diferente de genes que pueden estar haciendo cosas diferentes. Hay un procesamiento aleatorio en marcha, que tiende a impulsar las inserciones. Nosotros no sé lo que es».

Las comparaciones entre ratones y otros genomas animales pueden finalmente arrojar algunas respuestas. Pero para Roe, profesor de química y bioquímica George Lynn Cross Research en la Universidad de Oklahoma, las zonas autorreplicantes ya sugieren cierta lógica, una lógica que sustenta la función de las regiones no codificantes (el llamado ADN basura), regiones que puede contribuir directamente a la evolución de nuevas formas de vida y, en última instancia, a la individualidad genómica.

Según Roe, el cromosoma 22 ha revelado muchos secretos intrigantes. No solo es el sitio de flip-flops y translocaciones (Roe descubrió la translocación del brazo q del cromosoma 9 y el cromosoma 22, cuyo flip-flop da como resultado el «cromosoma Filadelfia» que causa las dos formas principales de leucemia), » es un dolor de secuenciar porque tiene una manada de secuencias repetidas. Cuando el ADN se replica», continúa, «la enzima polimerasa se salta las vías del tren, por así decirlo; se salta ese ciclo y se elimina esa región. Obtienes a DiGeorge y también regiones involucradas en tumores cerebrales».

El estudio de regiones no codificantes en el cromosoma puede revelar algo sobre la descendencia de un ancestro común. En opinión de Roe, un genoma primordial, quizás el 5 por ciento del tamaño del genoma humano actual, comenzó a reorganizarse y recombinarse «un billón de veces». Accidentes, mutaciones, exposición a la radiación, cometas y otros fenómenos dieron como resultado nuevos genomas y nuevas formas de vida. El genoma adquirió estructuras características para las regiones codificantes y no codificantes de proteínas. «Si observa un gen dado en humanos y maíz, las regiones codificantes son idénticas en un 40 por ciento», observa. «Pero la diferencia es que los tamaños de los intrones no codificantes en animales como humanos, ratones y monos son grandes en comparación con los del maíz. Sin embargo, los genomas son aproximadamente del mismo tamaño. Cuando observas el genoma del maíz, cada gen es más pequeño, es porque tiene intrones más pequeños», dice. El maíz puede tener solo el 10 por ciento de su genoma codificando algo; el resto son regiones no codificantes entre los genes. Un lirio, por el contrario, es 10 veces más grande que el genoma humano porque «tiene muchas cosas en las regiones no codificantes».

J. Craig Venter, a la izquierda, y Francis Collins comparten un momento de luz en la ceremonia de la Casa Blanca. foto: prensa asociada ap

Hay más. «Digamos que, olvídese de los cromosomas sexuales X e Y, usted y yo somos idénticos en un 99,8 por ciento desde un punto de vista genómico. Nuestros cromosomas son idénticos en un 99,8 por ciento; entre el 4 y el 5 por ciento son exones, regiones codificantes de esos genes. En En ese caso, tú y yo somos idénticos en un 99,999, y tu hemoglobina y la mía son idénticas. La proteína que produce la melanina es idéntica en un 99,9999 por ciento entre tú y yo, excepto que parte de mi herencia proviene del sur de Italia, por lo que la diferencia en el color de mi piel tiene que ver con los niveles de expresión génica: expreso más melanina que tú. Los genes que contribuyen a la forma y el tamaño de nuestra nariz [también son un producto de lo que se expresa más o menos], digamos, algunas narices son más largas y más delgada», dice Roe.

«Entonces, nuestras diferencias, lo que nos da nuestra individualidad, no son las regiones codificantes, sino las regiones no codificantes, que incluyen el 45 por ciento de nuestro genoma que son intrones. . .. [E]s resulta que la diferencia entre tú y yo es una en 500 t o 1.000 bases en las regiones no codificantes». Esto incluye intrones y componentes intergénicos, dice.

La conclusión de Roe: «Lo que esto significa en la vida real es que estas regiones no codificantes están modulando o regulando la expresión génica de las regiones codificantes. Lo sabíamos antes. Pensamos fueron los promotores los que hicieron el trabajo. Pero ahora resulta que lo que importa es el tamaño de los intrones». Esto podría tener un significado evolutivo: el tamaño del intrón varía de una especie a otra, aunque los significados aún son oscuros. «Nuestras diferencias se encuentran en las regiones no codificantes; esas son las diferencias que nos dan la individualidad», afirma.

Roe agrega: «Hay [montones de] polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) [en el genoma] , y nos estamos preparando para enviar un documento de todos nuestros grupos juntos que describen 11 000 SNP en el cromosoma 22 humano. La gran mayoría ocurre en regiones no codificantes; la cantidad de SNP hace que se use un codón diferente en un exón. Entonces, al secuenciar el cromosoma completo, ahora podemos hacer preguntas sobre lo que hace que los individuos sean diferentes en una escala de cromosoma completo». Roe sospecha que el papel de los intrones en la modulación de los genes puede decir algo sobre el papel de los accidentes genéticos, las mutaciones y la casualidad en el inicio de la evolución hacia nuevas formas de vida más capaces de sobrevivir. Sin embargo, su principal conclusión: los humanos son más parecidos que diferentes. «Nos parecemos en un 99,8 por ciento. Hace mucho tiempo, cuando los predicadores comenzaban sus sermones con ‘hermano y hermana’, nadie sabía cuánta razón tenían realmente».

Si bien las afirmaciones de Roe aún no se han corroborado definitivamente, ofrecen una imagen intrigante de las posibilidades de la ciencia genómica. «El estudio médico del genoma es solo la punta del iceberg», dice. «Solo conocemos alrededor de un tercio de los genes en los cromosomas. Ahora tenemos que averiguar qué hay genes adicionales, qué proteínas están produciendo y cómo se expresan en qué tejidos. Lo que da miedo es que la gente [científica] viene a presentaciones y reuniones y hace afirmaciones [que no se pueden demostrar en este momento]. Recibimos más preguntas que respuestas, pero eso es lo emocionante». S

Arielle Emmett es editora colaboradora de The Scientist.

Referencias

1. I. Dunham et al., «La secuencia de ADN del cromosoma 22 humano», Nature, 402:489-95, 2 de diciembre de 1999.

2. M. Hattori et al., «La secuencia de ADN del cromosoma 21», Nature, 405:311-9, 18 de mayo de 2000.

3. R. Lewis, «El cromosoma 21 revela contenido génico escaso», The Scientist, 14[2]:1, 12 de junio de 2000.

4. www.ornl.gov/hgmis/project/chr22.html

5. TH Shaikh et al., «Repeticiones de copias bajas específicas del cromosoma 22 y el síndrome de deleción 22q11.2: organización genómica y análisis de punto final de deleción», Human Molecular Genetics, 9:489-501, 1 de marzo de 2000.

6.H. Kurahashi et al., «Regiones de inestabilidad genómica en 22q11 y 11q23 como etiología de la t constitucional recurrente (11;22)», Genética molecular humana, 9:1665-70, 1 de julio de 2000 .

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