Aplicación clínica 5
La secuencia nucleotídica del genoma humano
Bioquímica. Thomas. M. Devlin. Editorial reverté. 3º edición. 2000.
El propósito del proyecto genoma humano es la obtención de un mapa detallado del genoma humano, así como el establecimiento de las secuencias de ADN que determinan las características fenotípicas humanas y guían el desarrollo humano. Uno de los resultados previsibles del proyecto será la identificación de los genes responsables de las enfermedades humanas, lo que permitirá el desarrollo de nuevas estrategias para el diagnóstico, prevención y terapia de las mismas.
El genoma humano dispone de 70000 – 1000000 genes diferentes, los cuales determinan las características genéticas de cada célula de un individuo. El genoma humano está formado por unos 3000 millones de pares de bases de nucleótidos organizados en 23 pares de cromosomas. La disponibilidad de enzimas de restricción y el desarrollo de procedimientos efectivos para el cartografiado físico del ADN, combinados con la gran rapidez de los métodos actuales de secuenciación, han aportado un vigoroso ímpetu a la ambiciosa tarea de determinar completamente la secuencia nucleótida del genoma humano.
Ya se ha completado el cartografiado físico extensivo. Además, mediante cartografiado genético se persigue la localización de más de 500 marcadores genéticos conocidos en los cromosomas humanos. Se ha acumulado la secuencia correspondiente de más de 150 millones de pares de bases correspondientes tanto al AND humano como al de otros organismos. También se está determinando la secuencia de fragmentos contínuos de AND cuyo tamaño oscila entre uno y varios millones de pares de bases. Considerando que el tamaño de cada uno de los cromosomas humanos varía desde 263 millones hasta menos de 50 millones de pares de bases, la cifra de 150 millones de pares secuenciados hasta el momento representa ya un logro importante. Las previsiones más conservadoras indican que la secuenciación completa del genoma requerirá más de una década y media de trabajo.
Guía de taller nº 5 2nora c. Brandan – victoria Aguirre cátedra de bioquímica – guía de taller nº 5 .
Debido al carácter rutinario del trabajo dedicado a determinar las secuencias nucleótidas, algunos científicos han cuestionado la idoneidad de desviar recursos al enorme esfuerzo que supone la secuenciación del genoma humano en lugar de hacerlo hacia tareas científicas más creativas. Otros científicos han señalado que el proyecto tiene algún punto débil derivado de incertidumbres de tipo técnico. No obstante, los defensores del proyecto han indicado los grandes beneficios potenciales derivados del conocimiento de la información que determina las propiedades genéticas de la célula humana al nivel más alto posible de resolución. Hasta el presente se han identificado unas 4000 enfermedades genéticas y, muchas de ellas, que se heredan de manera mendeliana, están causadas por mutaciones de un solo gen. La búsqueda de las causas de las enfermedades humanas hasta el nivel de la secuencia de nucleótidos podría permitir el conocimiento de los estados patológicos a nivel del genoma. La determinación de la secuencia completa parece ser uno de los prerrequisitos para la comprensión de las enfermedades humanas a nivel molecular. Existen muy pocas dudas de que la secuenciación del genoma humano nos ofrecerá nuevos desafíos y oportunidades en medicina.
Grant cooper, n. (eds.), the human genome project. Mill valley, ca: university science books, 1994.
Cuestionario:
1. ¿cómo está formado el genoma humano?
Está formado por cromosomas, que son largas secuencias continuas de ADN altamente organizadas espacialmente (con ayuda de proteínas histónicas y no histónicas) para adoptar una forma ultracondensada en metafase. Son observables con microscopía óptica convencional o de fluorescencia mediante técnicas de citogenética y se ordenan formando un cariotipo.
El cariotipo humano contiene un total de 24 cromosomas distintos: 22 pares de autosomas más 2 cromosomas sexuales que determinan el sexo del individuo. Los cromosomas 1-22 fueron numerados en orden decreciente de tamaño en base al cariotipo. Sin embargo, posteriormente pudo comprobarse que el cromosoma 22 es en realidad mayor que el 21.
Representación gráfica del cariotipo humano normal.las células somáticas de un organismo poseen en su núcleo un total de 46 cromosomas (23 pares): una dotación de 22 autosomas procedentes de cada progenitor y un par de cromosomas sexuales, un cromosoma x de la madre y un x o un y del padre. Los gametos -óvulos y espermatozoides- poseen una dotación haploide de 23 cromosomas.
2. ¿cuál es el fin del proyecto genoma humano?
Desarrollar el PGH a través de dos vías independientes, pero relacionadas y ambas esenciales:
Secuenciación: se trataba de averiguar la posición de todos los nucleótidos del genoma (cada una de las cuatro posibles bases nitrogenadas típicas del ADN).
Cartografía o mapeo genético: consistía en localizar los genes en cada uno de los 23 pares de cromosomas del ser humano.
Identificación de los genes en el genoma humano
El genoma humano está compuesto por aproximadamente 30.000 genes, cifra bastante próxima a la mencionada en el borrador del proyecto, publicado en el año 2000, ocasión en la que las genes oscilaban entre 26.000 y 38.000. Otra peculiaridad del PGH es que la cifra de genes humanos es solo dos o tres veces mayor que la encontrada en el genoma de drosophila, y cualitativamente hablando, existen genes comunes a los de bacterias y que no han sido hallados en nuestros ancestros.
determinación de la secuencia de las bases nitrogenadas que forman el ADN Humano
Los humanos poseen un número similar de bases nitrogenadas - alrededor de 3 millones y cerca de 3000 megabases - similar al de otros vertebrados como las ratas e otros que también son afectados.
Mantenimiento a resguardo de la información anterior creando bases de datos de acceso público
En estos momentos son una realidad las bases de datos donde se almacena toda la información surgida del proyecto genoma humano. Si accedemos a internet podremos conocer libremente aspectos de alto interés en la comparación entre genomas de distintas especias de animales y plantas. Gracias al uso libre de este conocimiento es posible determinar la función de los genes, así como averiguar cómo las mutaciones influyen en la síntesis de proteínas.
Aprovisionamiento de herramientas multimedia para el análisis de datos
Se ha inducido un gran desarrollo tecnológico a partir de la creación de herramientas de análisis de datos generadas en el proyecto genoma humano. Este desarrollo facilitará y hará posible definir los temas de estudio futuros con vistas a las tareas pendientes. Entre las tecnologías beneficiadas gracias al PGH figuran las de manejo computacional de datos, las que permiten la generación de las anteriores, técnicas de biología molecular relacionadas con la secuenciación de trozos de ADN automáticamente y aquellas que permiten ampliar la cantidad de material genético disponible como la PCR.
Transferencia de tecnología relacionada con el tema al sector privado
Se ha producido una importante corriente de liberación de derechos que anteriormente estaban en manos del estado, en relación a la transferencia de tecnologías al sector privado. Esta medida ha suscitado aplausos y criticas. Por un lado se amplía el acceso libre a los datos del proyecto con lo que muchas más personas pueden seguir estudiando este campo, pero por otro esto puede suponer el incremento de poder de ciertos sectores que a su vez, aumentaran su influencia en la sociedad.
Supervisión de los temas éticos, legales y sociales derivados del proyecto
Para terminar, se puede afirmar que el objetivo relacionado con el estudio de la ética del pgh es un tema de gran controversia actual, y ha necesitado de grandes sumas de dinero estatales así como de un importante trabajo de laboratorios e investigadores. Todo esto ha provocado un deterioro del apoyo a otros proyectos de investigación no menos importantes, que se han visto muy afectados o incluso cancelados.
3. ¿qué métodos se utilizaron?
Existen dos técnicas de cartografía genética principalmente: ligamiento o cartografía genética, que intenta averiguar el orden de los genes; y la cartografía física, que se encarga de estudiar la distancia de los genes en el interior del cromosoma. Las dos técnicas utilizan marcadores genéticos, que son características moleculares o físicas que se heredan, detectables y distintas para cada individuo.
Thomas hunt Morgan desarrolló en la década de 1900 la cartografía mediante ligamiento al estudiar la frecuencia con la que ciertas características se heredaban unidas en moscas de la fruta. Así llegó a la conclusión de que algunos genes debían estar ligados en los cromosomas. Los mapas de ligamiento humano se han creado estudiando pautas de herencia de familias muy extensas y con varias generaciones conocidas. Aunque al principio se limitaban a los rasgos físicos heredables, fácilmente reconocibles, actualmente hay técnicas más elaboradas que permiten crear mapas de ligamiento comparando la posición de genes diana en comparación con el orden de los marcadores genéticos o de partes conocidas del ADN.
La cartografía física es capaz de medir la distancia real entre puntos de los cromosomas. Las técnicas más avanzadas combinan robótica, informática y uso de láser para calcular la distancia entre marcadores genéticos conocidos. Para conseguirlo se fragmenta el ADN de los cromosomas humanos aleatoriamente. A continuación se duplican muchas veces para estudiar en los clones, que son las secuencias duplicadas, la ausencia o presencia de marcas genéticas identificables. Los clones que comparten varias marcas provienen de segmentos solapados normalmente. Estas regiones pueden utilizarse después para determinar el orden de las marcas en los cromosomas y su secuencia. Para obtener la secuencia real de nucleótidos hacen falta mapas físicos altamente detallados que recogen el orden de las piezas clonadas con exactitud.
En el proyecto genoma humano se utiliza un método de secuenciación desarrollado por Frederick sanger, bioquímico británico y dos veces premio nobel. Este método replica piezas específicas de ADN y las modifica de modo que acaben en una forma fluorescente.
Actualmente se detecta el nucleótido modificado del extremo de las cadenas con modernos secuenciadores de ADN automáticos. Estos determinan los nucleótidos que hay exactamente en la cadena. A continuación se combina esta información de manera informatizada y así se reconstruye la secuencia de pares de bases del ADN original. Un aspecto muy importante es duplicar rápidamente y con exactitud el ADN, tanto para después cartografiarlo como para secuenciarlo. Al comienzo de la investigación en este campo se clonaba el material genético introduciéndolo en organismos unicelulares de rápida división, pero en la década de los ochenta se generalizó el uso de la PCR. Esta técnica se puede automatizar fácilmente y es capaz de copiar una sola molécula de ADN muchos millones de veces en poco tiempo. Kary mullis obtuvo el premio nobel de química por idearla, en 1993.
4. ¿qué tipos de enfermedades pueden ser mejor conocidas a partir de él?
Enfermedad de gaucher: esta enfermedad es producida por una mutación recesiva en el gen que codifica la proteína glucocerebrosidasa, que se localiza en el cromosoma 1. Esta enzima se encarga de metabolizar los glucocerebrósidos (un tipo de lípidos). En los enfermos de gaucher, estos lípidos no pueden ser descompuestos y se acumulan principalmente en el hígado, en el bazo y en la médula ósea. Los síntomas de la enfermedad de gaucher incluyen fuertes dolores, fatiga, ictericia, daños óseos, anemia y muerte. Gracias al PGH se pudo realizar la primera terapia efectiva contra esta enfermedad, inyectándose la enzima sintetizada en E. Coli en el torrente sanguíneo de los enfermos. Esto detiene el avance de los síntomas y en muchos casos los revierte.
Enfermedad de ALZHEIMER: esta enfermedad es una enfermedad degenerativa que destruye el cerebro, haciendo que los enfermos pierdan la memoria y el juicio, y que finalmente impide que se puedan valer por sí solos. El único método seguro para diagnosticar la enfermedad de Alzheimer se encuentra en la autopsia, pero se ha sabido que puede ser de origen genético en un 20% de los casos. Gracias al PGH se han localizado marcadores para el Alzheimer de origen genético en los cromosomas 1, 14, 19 y 21.
Enfermedad de HUNTINGTON: esta enfermedad es también una enfermedad degenerativa y conduce a un deterioro mental que termina en demencia. Normalmente comienza a aparecer entre los 30 y los 50 años y presenta síntomas tales como cambios en la personalidad y en el estado de ánimo, depresión y pérdida gradual del control sobre los movimientos voluntarios, causando espasmos primero y grandes movimientos al azar posteriormente. Esta enfermedad presenta una herencia autosómica dominante, es decir, si uno de los padres la posee, sus hijos tienen el 50% de probabilidad de padecerla también. La enfermedad de huntington no se salta generaciones. Si no se hereda el gen, no se puede transmitir a la descendencia. Del mismo, modo, si se hereda el gen, inevitablemente se padecerá la enfermedad, más tarde o más temprano. En 1993 se consiguió aislar el gen que provoca esta enfermedad, localizado en el cromosoma 4, y en lo que se han ido desarrollando las investigaciones posteriores, ha sido fundamentalmente en conocer las razones que hacen que la enfermedad de Huntington se manifieste de forma tardía, y muchas líneas de investigación están dirigidas a encontrar un tratamiento y una cura.
Síndrome de MARFAN: es una enfermedad congénita del tejido conectivo que afecta a numerosos órganos y sistemas, incluyendo el esqueleto, los pulmones, los ojos, el corazón y los vasos sanguíneos. Esta enfermedad se caracteriza por un crecimiento anormal de las extremidades (especialmente de los dedos), una dislocación parcial del cristalino (en el 50% de los pacientes), anormalidades cardiovasculares (la arteria aorta suele ser más ancha y más frágil que en las personas normales) y otras deformaciones. El síndrome de Marfan es también una enfermedad autonómica dominante, por lo que los descendientes de personas afectadas poseen el 50% de posibilidades de padecerla. La enfermedad está asociada al gen fbn1, localizado en el cromosoma 15. El FBN1 codifica una proteína llamada Fibrilina, que es esencial para la formación de fibras elásticas del tejido conectivo. Sin el soporte estructural de las fibras elásticas, muchos tejidos presentan una debilidad que puede conducir los síntomas comentados anteriormente.
Bibliografía
GLOSARIO
FIBRILINA-glicoproteína, esencial para la formación de fibras elásticas del tejido conectivo.
PCR-Reacción en cadena de la polimerasa
