¿Qué es lo que nos hace humanos? El lunes 26 de junio del 2000, los científicos anunciaron que ya lo habían encontrado. Después de casi una década de duro trabajo habían logrado producir un borrador de la secuencia del genoma humano: ¡la receta para hacer un ser humano! Sin embargo, reconociendo que el avance ha sido revolucionario, hay que considerar que aún estamos muy lejos de poseer la receta completa para tan ambiciosa meta.

El término "genoma" es una combinación de dos palabras: gene y cromosoma, y se define como todo el material genético o DNA que contiene una célula. El principal objetivo del Proyecto del Genoma Humano, lanzado en el año 1990, era lograr una secuencia completa de los 3 mil millones de pares de bases que comprende el genoma humano, obtenido de un pulí de donadores anónimos voluntarios, pertenecientes a una variedad de grupos étnicos diferentes. Esto ha sido una tarea de monstruosas proporciones. Si la secuencia se escribiera, llenaría 200 volúmenes del tamaño de una guía de teléfonos, y sólo leerla en voz alta, demoraría nueve años. Los científicos esperan que en el año 2003 se pueda perfeccionar el borrador que entregaron. Ello ocurriría 50 años después que Francis Krick publicó su notable trabajo con la estructura de doble hélice del DNA.

La mayor parte de los genes codifican para secuencias de aminoácidos, que son los constituyentes de las proteínas, y el mayor interés de la secuencia del genoma humano radica en llegar a identificar y caracterizar todos los genes humanos. Esta tarea mantendrá a los biólogos ocupados por décadas. Desde ya hay que señalar que dentro del genoma, los genes constituyen sólo el 3% (figura 1). El restante 97% de los datos producidos por el Proyecto del Genoma Humano, sólo constituye DNA que "no codifica", es decir, que no comanda codificación de proteínas.

¿Por qué los científicos se prepararon para invertir tanto tiempo en secuenciar todo el DNA, sabiendo que la mayor parte de él no codificaba, y que algunos incluso habían llegado a denominar "DNA basura? La razón es que no es simplemente una basura. Existen diferentes tipos de DNA que no codifica, pero que muchos de ellos juegan importantes roles en la estructura, funciones y la evolución del genoma.

En los genes de las células eucarióticas (células con núcleo), hay que distinguir los intrones y los exones. Los intrones son segmentos de secuencias de DNA no codificador, que están ubicados interrumpiendo las zonas codificadoras de los genes, los que se llaman "exones" (figura 1). Para hacer una proteína, la maquinaria celular primero produce un RNA, que es una copia exacta de la secuencia de las bases del DNA que constituyen un gene. Existen enzimas que retiran los intrones, para llegar a tener un RNA mensajero (mRNA), en un proceso llamado "desplazamientos". El mRNA es el impreso molecular necesario para hacer la proteína. ¿Pero por qué la célula hace la cosa tan complicada? Es que los intrones tienen un importante rol como elementos "espaceadores" inertes. Las quiebras del DNA pueden ocurrir dentro de los intrones, sin alterar la codificación de una región que codifica un gene, permitiendo así a los exones cambiar de lugar en la secuencia. Estos "exones barajados" pueden alterar más rápido la estructura de la proteína resultante que por la gradual acumulación de mutaciones en las bases individuales. Los intrones ayudan a evolucionar rápidamente a los genes, permitiendo a las especies adaptarse más fácilmente a los cambios ambientales.

Pero tal vez, lo que es más incomprensible es la existencia de vastas cantidades de DNA no codificador que está entre los genes, muchos de los cuales se presentan como bloques de secuencias repetidas. Algunas secuencias repetitivas son importantes para mantener la estructura cromosómica, como por ejemplo los centrómeros y telómeros de los cromosomas eucarióticos. Los "centrómeros" actúan como estructuras sostenedoras para que las células guíen la copia de los cromosomas cuando ésta tiene que duplicarse para formar dos células hijas. Los "telómeros" son secuencias de DNA que están en la extremidad de los cromosomas y que aseguran la correcta replicación del DNA en el final del cromosoma. Los telómeros normalmente se van acortando con las sucesivas divisiones, y si llegan a desaparecer completamente, el resto del cromosoma se corroe y la célula muere. Una enzima llamada "telomerasa" reconstruye los telómeros, y normalmente se encuentra sólo en las células germinales, que necesitan dividirse continuamente para producir espermios y óvulos. Con todo, algunas células cancerosas también contienen telomerasa, lo que significa que ellas pueden continuar dividiéndose indefinidamente, llegando así a ser inmortales. Una clase de DNA repetitivo, que se conoce con el nombre de "DNA minisatélite", se encuentra principalmente en los telómeros y es usado por los científicos en caracterizaciones genéticas.

Otras secuencias no codificadoras regulan la expresión de los genes, cuando éstos necesitan estar activos. Así por ejemplo existen trozos de DNA "promotores" y "potenciadores", que están asociados con muchos genes, y determinan qué células en un determinado momento expresan genes y a qué nivel. Pero aun teniendo en cuenta estas funciones, queda sin entenderse el rol de la mayor parte del DNA no codificador. Tal vez simplemente se han ido acumulando a lo largo del proceso de la evolución, como se acumulan trastos viejos en el ático. Sin embargo, el proceso de copiado durante la división celular gasta una valiosa energía, por lo que si se realiza cabe suponer que este DNA no codificador, debe tener roles que aún no han sido descubiertos.

Tratar de entender cómo el genoma humano define un ser humano, es como tratar de ensamblar un motor de un automóvil usando sólo una lista de las numerosas partes que lo constituyen, pero sin nombres ni descripciones. Previamente se requiere desarrollar un proceso que se ha denominado "anotación" cuyo objetivo es llegar a la identificación del comienzo y fin de cada gene, con su estructura intron-exon, sin incluir el DNA basura. La anotación completa, no sólo incluye el catalogar todos los genes del genoma humano, sino también llegar a entender qué es lo que hace cada uno. Los científicos tratan de encontrar qué es lo que hace un gene, buscando donde hay una secuencia de bases similar u "homóloga" a otros genes humanos cuya función ya es conocida. También es muy informativo para ellos comparar una secuencia de DNA humano con la secuencia de un organismo que se usa como modelo, como puede ser una rata o una mosca. Con tal objeto, los investigadores usan complejos programas computacionales desarrollados por "bio-informáticos", especialistas en desarrollar estas tareas. Pero el proceso es complicado y no siempre funciona correctamente. Mejorarlos y usarlos para la anotación de los datos de secuencias humanas, va a ser el mayor desafío de la investigación biológica de las próximas dos décadas.

Por ahora, disponiendo sólo del borrador y no de la secuencia completa, los científicos están usando varios métodos para estimar cuántos genes contiene el genoma humano. Las estimaciones que se han hecho son sorprendentemente variables, oscilando entre 35.000 a 100.000. El problema ha sido tan debatido, que los científicos han hecho una apuesta con un premio de un dólar para el que ande más cerca.

Los que son partidarios de las mayores cifras, argumentan que mientras más complejo es un organismo, más genes debiera tener, ya que sólo aceptando la existencia de un gran número de genes se puede entender la complejidad de la especie humana. Pero los científicos que están por las cifras más bajas, afirman que la complejidad no estaría dada por el número de genes que existan, sino de cuántos genes son regulados o expresados. Ellos hacen notar que la mosca de la fruta (drosophila) tiene alrededor de 5.000 genes, pocos más que el simple gusano de tierra, el "Caenorhabditis elegants". Para calcular cuántos genes habría, los investigadores han usado análisis computacionales con el objeto de determinar el número de genes de un cromosoma (el cromosoma número 22), y tomando éste como base, calcular cuántos constituirían el resto. De acuerdo a ello, el total resultante sería cercano a 35.000. La pregunta quedará abierta hasta el año 2003, esperando que para esa fecha haya avanzado la investigación y se pueda anunciar cuántos son los genes humanos y quién es el ganador.


Que hacen los genes

Casi todos los genes codifican proteínas, y son éstas las que interactúan en forma muy compleja para llegar a producir un organismo vivo. Dentro del total de genes, algunos genes son "esenciales". Así por ejemplo, el gene que codifica para la proteína receptora de la insulina, juega un rol esencial en el metabolismo. Por el contrario, los genes que definen el color de los ojos o del cabello, "no son esenciales". Con todo, hay tantos genes en el genoma humano, que algunas veces productos proteicos de varios genes son capaces de desarrollar los mismos roles biológicos. Estos se llaman "genes redundantes" y ellos a menudo tienen secuencias similares. Los genes redundantes proveen mecanismos protectores de "cinturón y apoyo" contra mutaciones dañinas. Si una mutación afecta a un gene redundante, otro gene puede compensarla. Este mecanismo significa que los genes redundantes constituyen una poderosa fuerza evolucionaria, ya que están libres para mutar y cambiar sus funciones sin dañar al organismo.

¿Qué genes son esenciales para la vida? ¿Existe un conjunto de proteínas comunes a todos los organismos? Los científicos han comenzado a buscar respuesta a estas interesantes preguntas, comparando los genes que tienen diferentes bacterias, que son las células más simples. Así por ejemplo, el bacterio "Mycoplasma genitallium" tiene 480 genes que codifican proteínas, siendo la célula que tiene menos genes de todas las que son capaces de replicarse. Un equipo liderado por Craig Vender, director del "Celera Genomic", ha estado trabajando, inhibiendo la función de algunos de estos genes en un determinado momento, y de este modo ha encontrado que entre 265 a 350 genes son realmente esenciales para que la bacteria pueda crecer en el laboratorio.

Este descubrimiento abre las puertas para construir un organismo vivo artificial. En teoría, los científicos podrían hacer un cromosoma bacteriano artificial que contenga sólo estos genes esenciales. En una bacteria que se ha desnudado de su genoma natural, pueden colocar estos genes, con el objeto de ver si son suficientes como para construir una célula viva. Sin embargo este experimento no sólo es técnicamente difícil de realizar, sino que también plantea cuestiones de ética y seguridad. Vender ha detenido la experiencia hasta obtener una respuesta de un grupo de 20 líderes de teología, abogados y filósofos. Ellos actualmente están debatiendo si el proyecto es moral y éticamente aceptable.

El genoma de cada persona, es idéntico en un 99.8% al de otra persona. El análisis detallado de la secuencia de una determinada persona, tiene un enorme impacto biológico para la investigación médica. Sin embargo esto es sólo parte de la historia, ya que cada ser humano es único. Como lo demostró Gregor Mendel usando semillas de arvejas en los años 1860s, las variaciones genéticas dentro de una misma especie, pueden llevar a características físicas muy diferentes.

Versiones distintas del mismo gene homólogo, se llaman "alelos". Los alelos se crean por varios tipos de cambios en la secuencia del DNA, dentro del cromosoma, como delecciones, inserciones, rearreglos o por simples cambios en un par de sus bases. Algunos investigadores están estudiando estos cambios en un simple par de bases ("Polimorfismo de Nucleodido Simple" o SNPs), como parte de un enfoque más amplio del proyecto del genoma Humano. Los SNPs, se producen en alrededor de 3 millones de sitios en el genoma, y pueden afectar la función de los genes, dependiendo de la base exacta que se cambia y cuándo ocurre este cambio. Esto es muy interesante para los Investigadores, ya que es eso lo que condiciona que cada individuo sea único.

La variación genética entre individuos de una especie es esencial para la evolución; sin ella, una especie no podría ser capaz de evolucionar para adaptarse a los cambios del medio ambiente. Sin embargo, no todas las variaciones genéticas (mutaciones) son beneficiosas. Los investigadores han estudiado el SNPs en un gene específico, llamado LPL, que codifica una enzima que tiene que ver con el metabolismo de las grasas, y han encontrado que algunas de estas variaciones genéticas pueden indirectamente predisponer a quienes la posean, a padecer de enfermedades cardiacas (figura 2). Pero otras variaciones genéticas pueden alterar gravemente la función del gene, y producir directamente la enfermedad. Esos cambios cualifican como mutaciones dañinas.

Algunas enfermedades genéticas, como la fibrosis quística o la distrofia muscular, son causadas por mutaciones en un solo gene, y se conocen como "enfermedades monogenéticas". Durante las últimas dos décadas, por diferentes trucos tecnológicos, ha sido posible aislar y caracterizar genes responsables para más de cien enfermedades monogenéticas. El método usado es la "clonación posicional". Los investigadores estudian familias afectadas y analizan cómo se hereda la enfermedad a través de generaciones. Toman muestras de DNA de los miembros de la familia y buscan en cada genoma, secuencias de secciones de DNA, conocidos como marcadores moleculares. Viendo qué secuencia de marcadores se encuentran más a menudo en los miembros de esas familias afectadas por la enfermedad, pueden llegar a ubicar en qué cromosoma está el gene responsable de la enfermedad, y su probable posición en ese cromosoma, un método que se ha llamado "mapeo genético".

En el pasado, los investigadores tenían que realizar una tarea muy laboriosa, secuenciando a lo largo del cromosoma, partiendo de secuencias localizadas cerca del área de interés, hasta que aislaban el gene correcto, proceso que se conoce como "mapeo físico" (figura 3). Ahora el Proyecto del Genoma Humano está revolucionando la técnica, ya que el investigador puede simplemente buscar secuencias en la base de datos del computador, en la región relevante del cromosoma.


Métodos revolucionarios

Aun cuando los investigadores han sido capaces de ubicar los genes precisos de muchas enfermedades monogenéticas, no les ha sido tan fácil llegar a desarrollar tratamientos efectivos para ellas. Por ahora la terapia génica, que significa la administración como droga de la copia funcional del gene defectuoso, parece promisoria, pero se ha encontrado con una cantidad innumerable de dificultades técnicas.

Si bien es cierto que las enfermedades monogenéticas son devastadoras dentro de una familia, ellas son poco frecuentes en la población total. En cambio, enfermedades como la diabetes, la hipertensión, el asma, los cánceres comunes y la mayor parte de los trastornos psiquiátricos son problemas de salud mucho más graves. Este tipo de enfermedades se hereda en forma mucho más compleja, identificar sus causas genéticas constituye un desafío mucho mayor para el investigador.

Mendel descubrió sus leyes de la herencia estudiando variedades de arvejas, que diferían unas de otras por una mutación de un simple alelo. En ese caso, cada alelo producía fenotipos muy obvios, como plantas altas o chicas, lo que hizo fácil para Mendel interpretar sus resultados. No habría podido lograr sus conclusiones si hubiese trabajado con plantas genéticamente diversas de su jardín. A este respecto, las personas son más como plantas diferentes, que simplemente como las semillas de arvejas. La gran mayoría de las características genéticas, que por lo menos son definidas parcialmente por los genes (como por ejemplo, la altura, la actividad metabólica y la inteligencia), como también lo son la mayor parte de las enfermedades comunes, no siguen las simples leyes de herencia de Mendel.

Estas son las llamadas "enfermedades poligenéticas", ya que resultan de la combinación del efecto de muchos genes. También los factores ambientales afectan la aparición de esas enfermedades, y por esta razón, ellas también se llaman de "rasgos complejos". Los laboratorios que trabajan con animales, pueden con fines de investigación, realizar todo tipo de cruzamientos genéticos, lo que evidentemente no se puede realizar con los seres humanos. Por otra parte, tampoco se puede controlar en forma precisa el medio ambiente. Por esto se hace difícil en estas enfermedades evaluar la contribución de factores ambientales con relación a los factores genéticos. Por todas estas razones, el progreso en la identificación de genes que contribuyan en algunas de estas enfermedades, ha sido más lento de lo esperado.

Los investigadores han utilizado métodos de posición clonar, similares a los usados en las enfermedades monogenéticas, pero por diversas razones en este caso es más difícil identificar los genes relevantes. En primer término, ellos no saben si los genes que están buscando se han heredado en forma dominante o recesiva. En segundo término, son muchos los genes que contribuyen a la enfermedad, haciendo más difícil estar seguro que un determinado gene está o no comprometido. En tercer término, a menudo los genes que contribuyen a las enfermedades son diferentes de una familia a otra. Para contrarrestar esto, y poder seguir las huellas de los genes que producen enfermedades, se hace necesario estudiar un gran número de individuos y desarrollar complicados análisis estadísticos, hasta llegar a tener cierta seguridad que un determinado gene está realmente contribuyendo al desarrollo de la enfermedad.

A pesar de la complejidad, se ha logrado identificar el componente genético de algunas enfermedades poligenéticas. El algunos casos, la herencia de un alelo particular tiene un efecto mayor en el desarrollo de la enfermedad. Sin embargo, la presencia de otros genes influye también en el desarrollo de esa misma enfermedad. Así por ejemplo, se pudo determinar que el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer de comienzo tardío, estaba condicionado por la presencia del alelo del gene de la "apoproteina E", pero ahora los investigadores comienzan a encontrar evidencia que también otros genes juegan un rol importante. Son éstos los que ahora tratan de identificar.

Pero mucho más difícil que identificar los genes, es encontrar terapias efectivas para este tipo de enfermedades. Si bien es cierto que a través del estudio de los genes ha llegado a ser posible predecir cuán probable es que una persona desarrolle una particular enfermedad, aún no se dispone de un tratamiento efectivo para ella. Así por ejemplo, ha sido posible determinar una alta predisposición genética para un tipo de cáncer de la mama, y la única terapia preventiva de que se dispone, es la mastectomía para las mujeres jóvenes afectadas por esa predisposición genética. Se espera que en el futuro se llegue a disponer de drogas para tratar muchas enfermedades complejas.

Hay que reconocer que los investigadores han hecho grandes progresos para identificar genes culpables de enfermedades, pero más difícil ha sido llegar a conocer la interacción de unos genes con otros. La vida de las criaturas no está condicionada por genes claves que actúan individualmente, sino más bien por una compleja interconexión de un vasto número de genes.

Dos nuevas tecnologías están ahora permitiendo a los científicos tener una impresión de esta complicada historia. La nueva técnica, de microselección (microarray) y proteonomic, permite tener una "instantánea" de todos los genes que una célula, o un tejido se expresan bajo diferentes condiciones ambientales. Ella permite el análisis simultáneo de la expresión de miles de moléculas de RNA mensajero y proteínas respectivamente.

"La tecnología de microselección", como muchas tecnologías fundamentales en biología celular, se basa en el principio de hibridación. Si una hebra simple de una molécula de DNA o RNA se calientan juntas a una temperatura de 65 °C, cualquiera hebra que contiene la secuencia complementaria se pega a la otra ("hibridasa"). De este modo, si los investigadores marcan con sustancias fluorescentes o radioactivas moléculas de DNA o RNA conocidas, pueden usarlas para captar hebras con secuencias similares en su DNA o RNA que se estén investigando. Las técnicas basadas en hibridación pueden usarse para encontrar interesantes secuencias de DNA, y de este modo, en una muestra, identificar genes que se están expresando activamente.


Era de esperanzas genéticas

Los métodos tradicionales de hibridación funcionan bien, pero como en cada experimento se analiza sólo un gene, ellos son largos y tediosos. Por el contrario, con estas nuevas técnicas de microselección, se pueden analizar hasta un millón de genes o fragmentos de genes simultáneamente en un simple experimento de microselección. Ello es posible porque la microselección trabaja en una escala microscópica. La microselección (microarray) se hace en portaobjetos en el que pequeñas gotitas de DNA que contienen hebras de secuencias conocidas, han sido depositadas por un robot. Las gotitas de DNA colocadas en el cubreobjeto son hibridizadas con moléculas de RNA mensajeros extraídas de las células, de modo que se pueden identificar todos los genes extraídos de esas células en un solo experimento (fig. 4).

La microselección se usa especialmente para este tipo de "perfil de transcripción" comparando diferencias de expresión de gene a gene entre dos tejidos. Por ejemplo, un gene que se expresa sólo en el páncreas, es poco probable que esté comprometido directamente en la enfermedad de Alzheimer. También puede dar información comparando la expresión en diferentes estados del mismo tejido. Desarrollando estos perfiles de transcripción en el músculo esquelético de ratas jóvenes, comparadas con músculos esqueléticos de ratas viejas, los científicos han descubierto más de 100 genes implicados en el envejecimiento. Otros estudios han permitido identificar genes que están más activos en tumores, en relación con tejidos normales.

La microselección también ha acelerado el desarrollo de drogas efectivas, haciendo más fácil escoger genes apropiados sobre los cuales actuar. Las drogas que se usan contra un simple gene que se expresa sólo en unos pocos tejidos, podrían tener muchos menos efectos colaterales que los genes que se expresan en diferentes partes del organismo. Estudios de los cambios en la expresión de genes, cuando se administra una nueva droga, pueden llegar a explicar cómo trabaja esa droga, y en los ensayos clínicos puede entregar una indicación temprana si la droga es efectiva o si tiene efectos tóxicos.

En el futuro se desarrollarán drogas adecuadas a cada paciente, y aquí también pueden ayudar las técnicas de microselección. Algunas veces, por razones genéticas, una enfermedad puede producir síntomas similares en diferentes pacientes, sin embargo por causas genéticas pueden ser completamente diferentes. Así por ejemplo, dos formas de leucemia, conocidas como AML y ALL, producen síntomas muy similares, pero el tratamiento efectivo para cada una es muy diferente. Usando un tipo de microselección llamado "gene ship", los científicos han encontrado 50 genes que se expresan diferentemente en las dos formas. Como resultado de esto, ahora pueden diagnosticarse nuevos casos de leucemia con mayor precisión y por lo tanto pueden tratarse más apropiadamente.

Imagínese que su médico pudiera preparar su receta de acuerdo a su información genética. Este es ahora el objetivo de los científicos que pretenden catalogar su propio polimorfismo de nucleótido simple, para saber cómo diferentes personas responden a una misma droga.

Mientras los experimentos de microselección tienen un amplio rango de aplicaciones, ellos sólo investigan el RNA mensajero. Esta es sólo una etapa intermedia en la expresión genética: el producto final de los genes son las proteínas.

El "proteoma" es el conjunto de todas las proteínas que expresa el genoma, y difiere fundamentalmente de éste. El genoma es prácticamente estático, mientras que el proteoma cambia en respuesta a influencias externas e internas. Así por ejemplo, todas las células de un organismo contienen genomas idénticos, sin embargo durante su desarrollo se van diferenciando en tejidos diferentes, porque expresan proteomas característicos para cada uno. Más aún, muchos factores, de cómo los exones se desplazan, hacen que a partir de un mismo gene se produzcan diferentes proteínas. De este modo se ha establecido que hay 10 veces más proteínas que genes.

La información genómica sola, no nos puede dar el cuadro completo de lo que sucede en el interior de la célula. Así por ejemplo, a pesar de que se han identificado completamente los 480 genes que codifican proteínas en el "Mycoplasma genitalium", aun no entendemos la función de estas proteínas y las interrelaciones entre ellas.

Los "proteonómicos" (las investigaciones en gran escala de cómo se expresan las proteínas en la célula), por dos razones han pasado a ser ahora un área de estudio muy importante. En primer término la "espectroscopia de masa biológica" se ha perfeccionado tanto hasta llegar a ser un poderoso método de identificación de proteínas. En segundo término, el conocimiento de la codificación completa humana, significa que ahora a los científicos les basta caracterizar sólo unos pocos aminoácidos de la proteína y luego identificar la proteína completa en una base de datos. Es así como entre proteonómicos y experimentos de microselección, se están produciendo una enormidad de datos útiles.

La biología molecular ya ha revolucionado completamente la biología, pero las nuevas tecnologías están cambiando completamente nuestra comprensión de cómo funciona la vida. Las poderosas técnicas como son la microselección y los proteonómicos, nos permitirán entender la complejidad de cómo los genes y las proteínas hacen posible la vida de una criatura. La información genómica de una amplia gama de organismos va a beneficiar en mucho la investigación médica y biológica, llegando en definitiva a descubrir nuevas y variadas formas de tratamiento de enfermedades. La jornada que comenzó con la secuenciación del genoma humano, es sólo el comienzo.