Mapa genético
Esta exploración genética que presenta la disposición de los cromosomas dentro de una célula ayuda a los especialistas a examinar más de cerca la constitución genética de cada individuo. Al término del Proyecto Genoma Humano los genetistas esperan haber compilado un mapa que recoja la posición de todos los genes del organismo humano.
Proyecto Genoma Humano, programa internacional de colaboración científica cuyo objetivo es obtener un conocimiento básico de la dotación genética humana completa (véase Genética). Esta información se encuentra en todas las células del cuerpo, codificada en el ácido desoxirribonucleico (ADN). El Proyecto Genoma Humano ha identificado los aproximadamente 25.000 genes presentes en el núcleo de las células humanas y ha establecido la localización que ocupan estos genes en los 23 pares de cromosomas del núcleo.
Los datos obtenidos a partir de la secuenciación y cartografiado del genoma humano ayudarán a los científicos a relacionar las enfermedades hereditarias con genes concretos situados en lugares precisos de los cromosomas. Estas investigaciones proporcionarán un conocimiento sin precedentes de la organización esencial de los genes y de los cromosomas. Muchos científicos creen que la identificación de la dotación genética humana revolucionará el tratamiento y prevención de numerosas enfermedades humanas, ya que penetrará en los procesos bioquímicos básicos que las sustentan.
Francis Collins y Craig Venter
Francis Collins, director del Proyecto Genoma Humano, y Craig Venter, presidente de la empresa Celera Genomics, se dan la mano en la conferencia de prensa en la que anunciaron la secuenciación del genoma humano, el 12 de febrero de 2001.
La idea de iniciar un estudio coordinado del genoma humano surgió de una serie de conferencias científicas celebradas entre 1985 y 1987. El proyecto tomó impulso en Estados Unidos en 1990 con la ampliación de la financiación de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y del Departamento de Energía (DOE). Uno de los primeros directores del programa en Estados Unidos fue el bioquímico James Watson, que en 1962 compartió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con los biofísicos británicos Francis Crick y Maurice Wilkins por el descubrimiento de la estructura del ADN. Varios países pusieron en marcha programas oficiales de investigación como parte de esta colaboración, entre ellos Francia, Alemania, Japón, Reino Unido y otros miembros de la Unión Europea. En 1999 Celera Genomics, una empresa privada fundada por el científico Craig Venter, inició, utilizando una metodología distinta, la secuenciación del genoma humano. Tanto el consorcio público como Celera Genomics completaron la primera fase del proyecto y, en febrero de 2001, publicaron, de manera simultánea aunque en revistas distintas, los primeros borradores del mapa genético de los seres humanos. En mayo de ese mismo año Francis Collins, John Sulston, Jean Weissenbach, Craig Venter y Hamilton Smith, cuyos equipos lideraron la investigación mundial sobre el genoma humano, recibieron el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica. En abril de 2003, científicos del consorcio público completaron la secuenciación del genoma humano, dos años antes de la fecha original de finalización del proyecto.
| ESTRUCTURA DEL ADN |
El elemento más importante del cromosoma es la molécula continua de ADN. Esta molécula de doble cadena con forma de escalera retorcida está formada por compuestos químicos enlazados llamados nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres partes: un azúcar llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una de cuatro posibles bases: adenina, timina, guanina o citosina. Estos componentes están enlazados de manera que el azúcar y el fosfato forman los lados paralelos de la escalera de ADN; las bases de ambos lados se unen por parejas para formar los travesaños; la adenina se enlaza siempre con la timina, y la guanina siempre con la citosina.
El código genético viene determinado por el orden que ocupan las bases adenina, timina, guanina y citosina en la escalera de ADN. Por lo general, cada sección de esta escalera tiene una secuencia única de pares de bases. Como un gen no es más que una de estas secciones, posee también una secuencia única, que puede utilizarse para diferenciar unos genes de otros y fijar su posición en el cromosoma.
| EL GENOMA HUMANO |
Se llama genoma a la totalidad del material genético de un organismo. El genoma humano tiene unos 20.000 o 25.000 genes distribuidos en los 23 pares de cromosomas de la célula. Un cromosoma humano puede contener más de 250 millones de pares de bases de ADN, y se estima que el genoma humano está compuesto por unos 3.000 millones de pares de bases.
El ADN analizado en el Proyecto Genoma Humano procede, por lo general, de muestras de sangre o de tejido obtenidas de varias personas anónimas. Celera Genomics, por su parte, ha utilizado el ADN de 6 individuos de distintos grupos étnicos. La diferencia entre el genoma de dos individuos se ha estimado entre el 0,05 y el 0,1 por ciento. Esto significa que aproximadamente 1 de cada 1.000 o de cada 2.000 nucleótidos son distintos entre una persona y otra. Por lo tanto, las diferencias entre muestras de ADN de distintos individuos son muy pequeñas en comparación con sus similitudes.
| CARTOGRAFÍA Y SECUENCIACIÓN |
Reacción en cadena de la polimerasa
La reacción en cadena de la polimerasa (RCP) utiliza una enzima llamada polimerasa para multiplicar rápidamente un pequeño fragmento de ácido desoxirribonucleico (ADN), una molécula de doble cadena en forma de escalera que transporta el material hereditario en todos los seres vivos. Cada ciclo de RCP consta de tres fases. En la primera, llamada desnaturalización, se calienta el ADN para separar las dos cadenas que lo forman. En la segunda, llamada templado, la temperatura de la mezcla se rebaja para que los cebadores o fragmentos iniciadores del ADN se enlacen con las cadenas separadas de esta molécula. En la tercera o polimerización se eleva de nuevo la temperatura para que la enzima polimerasa copie rápidamente el ADN. En cada ciclo de RCP se duplica todo el ADN presente en la reacción, de manera que en unas pocas horas se obtienen más de mil millones de copias de un solo fragmento.
Hay dos categorías principales de técnicas de cartografía genética: ligamiento o cartografía genética, que identifica sólo el orden relativo de los genes a lo largo del cromosoma; y cartografía física, un conjunto de métodos más precisos que permite determinar las distancias entre genes dentro del cromosoma. Ambos tipos de cartografía utilizan marcadores genéticos, que son características físicas o moleculares detectables que se diferencian entre los individuos y se transmiten por herencia.
La cartografía mediante ligamiento se desarrolló a principios de la década de 1900 gracias al trabajo del biólogo y genetista estadounidense Thomas Hunt Morgan. Al observar la frecuencia con que determinadas características se heredaban unidas en numerosas generaciones de moscas del vinagre, llegó a la conclusión de que estos rasgos que con frecuencia se heredan juntos debían estar asociados con genes próximos en el cromosoma. Basándose en sus investigaciones, Morgan logró elaborar un mapa aproximado que recogía el orden relativo de estos genes asociados en los cromosomas, y en 1933 recibió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina por su trabajo.
Los mapas de ligamiento humanos se han elaborado sobre todo siguiendo las pautas de herencia de familias numerosas a lo largo de muchas generaciones. Inicialmente, estos estudios se limitaban a los rasgos físicos heredados, fácilmente observables en todos los miembros de la familia. Pero actualmente hay técnicas de laboratorio muy refinadas que permiten a los investigadores crear mapas de ligamiento más detallados comparando la posición de los genes diana en relación con el orden de los marcadores genéticos o de segmentos específicos y conocidos del ADN.
La cartografía física determina la distancia real entre puntos diferenciados de los cromosomas. Las técnicas más precisas combinan robótica, uso de láser e informática para medir la distancia entre marcadores genéticos. Para realizar estos mapas se extrae ADN de los cromosomas humanos y se rompe aleatoriamente en numerosos fragmentos. A continuación, éstos se duplican muchas veces en el laboratorio para analizar en las copias idénticas así obtenidas, llamadas clones, la presencia o ausencia de marcas genéticas específicas distintivas. Los clones que comparten varias marcas proceden por lo general de segmentos solapados del cromosoma. Las regiones de solapamiento de los clones pueden a continuación compararse para determinar el orden global de las marcas a lo largo del cromosoma y la secuencia exacta que ocupan inicialmente los segmentos de ADN clonados.
Para determinar la secuencia real de nucleótidos hacen falta mapas físicos muy detallados que recojan el orden exacto de las piezas clonadas del cromosoma. En el Proyecto Genoma Humano se ha utilizado primordialmente un método de secuenciación, desarrollado por el bioquímico británico y dos veces premio Nobel Frederick Sanger, que consiste en replicar piezas específicas de ADN y modificarlas de modo que terminen en una forma fluorescente de uno de los cuatro nucleótidos. En los modernos secuenciadores automáticos de ADN, diseñados por el biólogo molecular estadounidense Leroy E. Hood, el nucleótido modificado situado al extremo de una de estas cadenas se detecta con un haz de láser y se determina el número exacto de nucleótidos de la cadena. A continuación se combina esta información en un ordenador para reconstruir la secuencia de pares de bases de la molécula original de ADN.
Duplicar el ADN con precisión y rápidamente tiene una importancia crítica, tanto para la cartografía como para la secuenciación. Inicialmente los fragmentos de ADN humano se replicaban mediante clonación en organismos unicelulares que se dividen rápidamente, como bacterias o levaduras. Esta técnica exige mucho tiempo y mucho trabajo. A finales de la década de 1980 se generalizó el uso de un método revolucionario de replicación de ADN llamado reacción en cadena de la polimerasa (RCP). Esta técnica es fácil de automatizar y puede copiar una sola molécula de ADN varios millones de veces en unas pocas horas. En 1993, el bioquímico estadounidense Kary Mullis recibió el Premio Nobel de Química por desarrollar esta técnica.
Los biólogos moleculares estadounidenses Craig Venter y Hamilton O. Smith desarrollaron una metodología distinta, denominada shotgun, para determinar el orden de los genes a lo largo del cromosoma prescindiendo de la laboriosa fase de cartografiado. Esta técnica consiste en cortar el ADN en muchos fragmentos que se secuencian por separado. Posteriormente, y con la ayuda de potentes computadoras, se van ordenando los fragmentos que se superponen para, así, completar la secuencia. Desde 1995 su metodología ha servido para determinar el genoma de diversas bacterias, de la mosca del vinagre Drosophila melanogaster y del genoma humano.
| BIOINFORMÁTICA |
La secuenciación del genoma humano ha generado un amplio catálogo de los aproximadamente 31.000 genes humanos; mapas de alta resolución de los cromosomas, incluyendo cientos de miles de puntos significativos; y miles de millones de informaciones sobre secuencias de pares de bases. Para ayudar a los investigadores a determinar el sentido de este aluvión de datos han hecho falta muchos instrumentos informáticos, como sistemas de información y gestión de laboratorios, robots, sistemas de gestión de bases de datos e interfaces gráficas de usuario.
Se ha desarrollado un nuevo campo de investigación llamado bioinformática para satisfacer las exigencias planteadas por el programa. Los investigadores de bioinformática han creado bases de datos públicas conectadas a Internet para poner los datos del genoma a disposición de los científicos de todo el mundo. La información de secuenciación del ADN se encuentra en varias bases de datos, entre ellas GenBank del NIH, Base de Datos de Secuencias de Nucleóticos del Laboratorio Europeo de Biología Molecular y DNA Databank de Japón.
| SITUACIÓN DEL PROYECTO |
En febrero de 2001, con el 90% del genoma secuenciado, se publicó un primer borrador del mapa genético de los seres humanos. Los investigadores completaron el desciframiento del genoma en abril de 2003.
La secuenciación del genoma humano, uno de los acontecimientos científicos más relevantes de la historia de la humanidad, puso de manifiesto que los seres humanos cuentan con unos 31.000 genes. Esto supone que, contrariamente a lo que se había pensado en un principio, el genoma humano apenas cuenta con el doble de genes de los que tiene la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster).
Los primeros cromosomas descifrados fueron el 22, en 1999, el 21, en 2000, y el cromosoma número 20 en diciembre de 2001. Los científicos han secuenciado también el genoma de numerosos organismos como la bacteria Escherichia coli, la levadura Saccharomyces cerevisiae, el nematodo Caenorhabditis elegans o la mosca del vinagre. Estos estudios son importantes para conocer las similitudes que existen entre los genes humanos y los genes de otros organismos y para entender mejor las funciones de los genes.
Aunque ya se habían identificado los genes asociados a ciertas enfermedades hereditarias, como la fibrosis quística, la distrofia muscular o la enfermedad de Huntington, la publicación del mapa del genoma humano impulsará las investigaciones en este campo, posibilitando el desarrollo de pruebas mejores de selección genética, de nuevos medicamentos y de mejores tratamientos para combatir estas patologías. Por otro lado, la identificación de las alteraciones existentes en el ADN permitirá mejorar la técnica de biochips que se utiliza para identificar las alteraciones genéticas que porta un individuo; esto ayudará a los especialistas a reconocer si alguien es más propenso a padecer alguna enfermedad y a decidir qué clase de fármacos pueden ser más eficaces en el tratamiento. Además, con la secuencia del genoma completa, los científicos están dirigiendo su atención hacia el estudio de las proteínas codificadas por los genes. Esta nueva disciplina, que ha recibido el nombre de proteómica, se encarga del análisis y caracterización del proteoma (el conjunto de las proteínas expresadas por un genoma). En julio de 2001 se publicó la secuencia completa del primer proteoma de un ser vivo: el de la levadura Saccharomyces cerevisiae, cuyo genoma fue uno de los primeros secuenciados.
El conocimiento del genoma humano tiene también diversas implicaciones éticas, jurídicas y sociales. El desciframiento completo del genoma ha estimulado un debate internacional sobre la conveniencia o no de patentar para uso comercial secuencias de genes humanos, de poner la información sobre genética humana a disposición de empresas de seguros, así como de corregir los defectos genéticos de forma que podrían transmitirse de generación en generación.
