BIOGENIC Biólogos Genetistas Colombianos

Por Mauricio Quimbaya

Introducción

Sin lugar a dudas estamos entrando al siglo de oro de la biología; si los grandes físicos del siglo pasado como Einstein o Hawking revolucionaron la ciencia con su teoría de la relatividad y con sus historias de hoyos negros y Big Bangs, éste es el siglo de los biólogos como Watson, Crick y Venter. El momento que estamos viviendo actualmente, está destinado a modificar la visión acerca de la biología de los seres vivos de una manera radical. Las últimas tecnologías de secuenciación, las técnicas más recientes para analizar la expresión de todos los genes de un determinado organismo, y el auge de nuevas tecnologías basadas en el análisis masivo de proteínas han creado una nueva dimensión para explicar fenómenos biológicos: una visión sistémica de la biología.

Con el advenimiento de las nuevas tecnologías ómicas (genómica, proteómica, metabolómica, transcriptómica, etc), actualmente los científicos estamos en la capacidad de evidenciar no solo lo que pasa con un gen específico que se encuentra sospechosamente asociado con un fenotipo particular como por ejemplo, una enfermedad, sino que al mismo tiempo podemos ver de que manera fluctúan, se alteran, modifican su expresión o se reprograman el resto de veinte mil genes que constituyen el genoma de un persona o un grupo de personas. De esta manera, es posible identificar grupos de genes que se alteran de una misma manera, o encontrar subgrupos claves de genes que influencian directamente la expresión de otros, trayendo como consecuencia el origen de dicha enfermedad. En las últimas décadas, hemos pasado de una visión mecanicista de la biología (un gen, una enzima un fenotipo), a una visión sistémica del problema, es decir, queremos averiguar, cómo se alteran las redes génicas, enzimáticas o proteicas y así tratar de entender a los sistemas biológicos como un todo en el cual hay una interconexión dinámica entre cada una de sus partes.

Distintas ventanas, que dan una nueva dimensionalidad a la forma como entendemos la biología, se han abierto gracias a los recientes avances tecnológicos en materia de investigación celular y molecular. Una de dichas ventanas, es la que denominamos los científicos como genómica comparativa, una rama de la biología emergente, que surge como consecuencia directa, de la divulgación de distintos proyectos de secuenciación de genomas completos. Aunque suene un poco a ciencia ficción, los científicos estamos ahora en la capacidad de aprender nuevas cosas, basándonos no solo en cada una de las piezas que forman el rompecabezas de la vida (los genes), sino, que ahora podemos generar un nuevo conocimiento, tomando una perspectiva más completa, analizando como una unidad informativa a todo el rompecabezas ya ensamblado, la sumatoria de cada una de las piezas (el genoma) y por comparación con otras unidades distintas (genomas diferentes) tratar de sustraer información que solo puede ser adquirida haciendo este tipo particular de comparaciones. Crees que podemos aprender algo nuevo si comparamos nuestro genoma con el genoma de una mosca, o con el de una planta?. Tal vez, pensándolo un poco a la ligera, tu primera respuesta podría ser no, pues en realidad no nos parecemos mucho a una mosca o a una planta, pero las células de nuestro cuerpo, nuestras unidades básicas como organismos, no son muy diferentes a las células de una mosca o una planta; es más, aunque suene un poco raro, biológicamente somos parientes lejanos de las moscas, y de las plantas y en la memoria genética de nuestras células persisten características básicas del ancestro común que alguna vez compartimos miles de millones de años atrás.

En el presente escrito, hablaré un poco acerca de la genómica comparativa y trataré de ilustrar con algunos ejemplos, lo que hemos podido aprender comparando genomas de distintas especies, información que ha sido invaluable para entender procesos tan básicos como la percepción sensorial, o el origen de enfermedades como el cáncer.


Comparamos para encontrar diferencias y así, entender procesos

Una de las herramientas más útiles y de mayor uso dentro del método científico es la comparación. Los científicos comparamos todo el tiempo, por ejemplo comparamos un grupo de plantas que no toleran condiciones de sequía, con plantas típicas de desierto como los cactus para saber que mecanismos y que estrategias particulares usan las plantas de desierto en condiciones tan drásticas. Comparamos grupos de pacientes que sufren una misma enfermedad con personas sanas para tratar de entender como surge dicha dolencia, o comparamos una célula normal con una célula cancerígena para tratar de entender de qué manera dicha célula, pudo dejar de cumplir su tarea específica para transformarse en una célula sin control. Pero las tecnologías modernas como las técnicas de secuenciación de última generación, han revolucionado nuestra manera de hacer comparaciones. Anteriormente cuando encontrábamos un gen, el cual creíamos que era responsable de una enfermedad, comparábamos su secuencia de nucleótidos entre pacientes sanos y pacientes portadores de la enfermedad para encontrar diferencias entre dichas secuencias y si las existían, tratar de asociarlas con la enfermedad. Ahora las nuevas técnicas de secuenciación de segunda generación y las que se aproximan de tercera y cuarta generación permiten la secuenciación de un genoma tan extenso como el genoma humano tan solo en un par de días. Para finales del presente año, el proyecto 1000 genomas espera tener la secuencia del genoma completo de 1000 personas, pero dicho proyecto no espera detenerse allí, para el 2011, espera aumentar esta cifra a 50000 personas y a medida que la tecnología continua avanzando, y los costos se reducen, se espera que para el 2020 un total de 25 millones de genomas personales se hallan secuenciado! [1]. Esto significa que ya no tendremos que limitarnos a comparar un gen o un par de genes que creemos están asociados con una determinada enfermedad entre un grupo reducido de pacientes, ahora podremos comparar el genoma entero de poblaciones completas de individuos y podremos saber si verdaderamente son solo las modificaciones en estos genes particulares las causantes directas de la enfermedad, o por el contrario, si existen a lo largo del genoma cientos o miles de genes que también son importantes para el desarrollo de la dolencia y que antes habíamos pasado por alto.


Pero también podemos comparar nuestro genoma con los genomas de otras especies

Los científicos que nos dedicamos a las ciencias naturales, entre otras cosas, tratamos de comprender los distintos fenómenos, mecanismos y estrategias que han originado la vida en nuestro planeta; también tratamos de entender como las distintas formas de vida que existen a nuestro alrededor se sostienen, se establecen y se perpetúan como formas de vida en si, y también nos esforzamos por averiguar los procesos que a pequeña y gran escala, han permitido que nuestro planeta sea una red dinámica de interacciones entre factores bióticos y abióticos. Sin embargo como podrán imaginar, entender la vida es algo muy complejo, por esto, para tratar de reducir todas las variables que podrían existir, a sistemas más manejables y de cierto modo, más fáciles de entender, usamos algo que llamamos organismos modelo. Es como si para entender como funciona nuestro reproductor de mp3, empezáramos por entender, cómo está constituido el radio de la abuela. Sin duda, es un aparato más sencillo, pero el entramado básico a base de circuitos, cables, tubos y baterías es común para ambos instrumentos. Trayendo este ejemplo a un nivel biológico, podríamos mencionar, que los científicos que tratan de entender como funciona el cerebro humano con sus miles de millones de sinapsis y con sus complicadas redes de neurotrasmisores, tratan de entender primero de qué manera funciona el cerebro de una mosquita, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, cuyo cerebro es miles de veces más sencillo y menos intrincado que nuestro cerebro, pero que está constituido con los mismos ladrillos biológicos, las neuronas, que constituyen el cerebro de ambos organismos.

De igual manera, los científicos que estudian las plantas, usan una hierba casi sin importancia que crece en cualquier jardín y que se corta como maleza, tal vez la hayas oído mencionar, Arabidopsis thaliana. Por la facilidad para trabajar con ella, los científicos la usan para tratar de explicar cuáles son los procesos característicos de las plantas que hacen posible que existan árboles tan grandes como las secuoyas o para tratar de entender de que manera podemos modificar genéticamente otras plantas para que podamos sembrar una mayor variedad de cultivos agronómicamente importantes y de una manera más eficiente en las condiciones actualmente cambiantes de nuestro planeta.

Actualmente y desde hace ya algunos años, el mundo ha vivido gracias al gran despliegue que se le ha dado en diversos medios de comunicación, el boom del genoma humano, pero es interesante saber que la secuencia del genoma de muchos de estos organismos modelo se conocía con anterioridad, en algunos casos hasta con décadas de antelación. Por ejemplo, el genoma del virus que causa el SIDA ya se conocía desde 1985, 16 años antes de que se publicara por primera vez el genoma humano (2). Esto se debe particularmente, a que en la mayoría de los casos, el genoma de los organismos modelo es mucho más sencillo y más pequeño que nuestro genoma lo que hace más fácil su secuenciación. Es así como un año antes de la publicación del genoma humano, en el año 2000, ya se conocía la secuencia del genoma de la mosca Drosophila (3) y de la planta modelo Arabidopsis (4); de la misma manera el genoma de la levadura necesaria para la fabricación de la cerveza Sacharomices cerevisiae ya se conocía desde 1999 (5). Otros genomas completos de organismos modelo han empezado ha aparecer con el tiempo, tal es el caso del genoma del ratón de laboratorio Mus musculus, el cual se publicaría un año después de la divulgación del genoma humano, en el 2002 (6) y el genoma del Chimpancé Pan troglodytes que aparecería en el 2005 (7). Este año salió publicado el genoma de la manzana Malus domestica (8) y para el año 2015, se espera tener la secuencia de otros mil genomas distintos [9]. Pero, ¿te has preguntado que podemos hacer con todas estas secuencias?

Genómica comparativa, comparando moscas con macacos, y plantas con seres humanos

Recuerdo que alguna vez cuando estaba aprendiendo a hacer alguna operación algebraica, mi profesor me dijo: “no señor, esos dos factores no se pueden agregar, es como si a las manzanas, les estuviera sumando papayas, recuerde, manzanas con manzanas y papayas con papayas” y aunque matemáticamente eso era, y aún es totalmente cierto, biológicamente de vez en cuando es ventajoso, tratar de comparar lo que en un principio no parece comparable. El uso de la información genética contenida en el genoma de cualquier organismo, sea éste modelo o no, tiene una importancia intrínseca de por sí. El conocer el genoma de la mosca de la fruta le es útil a todos aquellos científicos que trabajan con ella porque es su herramienta de trabajo y entre mejor se conozca, más eficiente es su estudio; pero hay cosas que solamente se logran saber cuando combinamos dos o varios sistemas, surgiendo éstas como propiedades emergentes. La comparación de genomas enteros de distintas especies, nos permite saber que regiones se han conservado casi invariables durante el transcurso de millones de años y de la misma manera, saber cuales han cambiado. Respectivamente, las regiones conservadas, contienen genes que son comunes a una o varias especies y que por lo tanto deben ser fundamentales para la sobrevivencia de los organismos que los contengan. Entender dichos genes nos acerca a los procesos fundamentales que sostienen la variedad de vida sobre la tierra. Las regiones distintas, representan genes característicos de una determinada especie y el estudiarlos a profundidad, puede darnos luces acerca de los elementos genéticos claves que le permiten a una determinada especie, adaptarse a su forma de vida particular. En últimas, la genómica comparativa trae a colación una nueva perspectiva evolutiva y molecular que nos ayuda a entender como el proceso evolutivo, es un proceso en el cual los genes y los genomas cumplen un papel dinámico.

Trataré de darte algunos ejemplos concisos, que sirvan para ilustrar de una mejor manera como la genómica comparativa, puede ayudarnos a entender de una mejor manera, la biología de los organismos.


Una maleza para explicar nuestro ciclo día-noche

Aunque la planta A. thaliana no es una planta agronómicamente importante, si constituye un sistema sencillo de trabajo para los científicos. Esta planta, es utilizada para entender los principales procesos que se suceden en el reino vegetal, esto de debe a que Arabidopsis, tiene un ciclo de vida corto, y se adapta fácilmente a las condiciones de laboratorio, lo que facilita hacer experimentos, entendiendo que sucede generación tras generación; además su genoma como el de nosotros los humanos, está totalmente secuenciado.

En 1993, un grupo de científicos, estudiando la respuesta a la luz de esta planta, encontraron cuatro genes fundamentales CRY1, CRY2, PER1 y PER2, los cuales posteriormente se popularizarían bajo el nombre de criptocromos (10). Estos genes son importantes reguladores de distintas respuestas fisiológicas de las plantas como la floración o el proceso de degradación del almidón durante las noches, y conectan éstas y otras respuestas con el fotoperiodo, es decir con las horas de luz y las horas de oscuridad que vive la planta. De esta manera por ejemplo, se ha visto como distintos criptocromos, son los que disparan las vías de señalización que le dicen a la planta: hay luz, es hora de fotosintetizar, o por el contrario, está oscuro, degrada el almidón almacenado para que puedas sobrevivir durante la noche (11). En 1998, otros científicos, aislaron éstos mismos genes pero en humanos y sorprendentemente, investigaciones posteriores demostrarían, que son los encargados de regular respuestas tales como la producción de ciertas hormonas, la regulación de la temperatura corporal, la síntesis de enzimas específicas y de neurotrasmisores cerebrales, que nos dicen: salió el sol, es hora de despertar, de comer y de trabajar, o por el contrario, está oscuro, es hora de dormir (12). Aunque parezca sorprendente, este grupo de moléculas homólogas se han mantenido constantes a través de la evolución, siendo claves para procesos similares, la regulación de las funciones vitales asociadas con la percepción de la luz. El principal mensaje, es que solo la comparación de ambos genomas, permitió la caracterización de este proceso particular, que resulta fundamental para la supervivencia de ambas especies.


Los organismos modelo nos hablan de la evolución de ciertas enfermedades como el cáncer

Desde la publicación del genoma humano y a medida que su secuencia se ha ido comparando con la secuencia del genoma de organismos modelos, cada vez se hace más y más evidente que un gran porcentaje de los genes cuyas alteraciones se ven reflejadas en la aparición o desarrollo de una determinada enfermedad, también se hayan representados en el genoma de dichos organismos. Es así como por ejemplo el gen que codifica el trasportador ABC que se encuentra mutado en la fibrosis cística, tiene su respectivo gen equivalente en los genomas de Drosophila y Arabidopsis. De la misma manera, el gen que se encuentra mutado en la distrofia muscular, se conserva hasta en los nemátodos cuyo organismo modelo es Caenorhabditis elegans (4). Cerca del 70% de los genes que se encuentran implicados en la aparición o progreso de algún tipo de cáncer, tienen homólogos en Arabidopsis, el 67% de los mismos se encuentran en el genoma de la mosca de la fruta y hasta en uno de los eucariotas más sencillos que existen, la levadura Saccharomyces cerevisiae, es posible encontrar un alto porcentaje de genes (cerca del 41%) que en humanos se han asociado a procesos cancerosos (13).

Pero no son las mutaciones en genes específicos, las únicas responsables de enfermedades particulares, es más, muy excepcionalmente se logra relacionar una mutación en un gen con el desarrollo de una enfermedad. En general, enfermedades como el cáncer, surgen como efecto del mal funcionamiento conjunto de decenas o cientos de genes que pueden estar implicados en una misma ruta metabólica. Para que se entienda mejor, es como si cada lucecita de la extensión de luces que solemos colocarle al árbol de navidad fuera un gen y la extensión en su totalidad, con cientos de luces interconectadas fuera la vía metabólica que permite que el árbol se ilumine en las noches. Para que al conectarla, notemos que algo no funciona apropiadamente, se necesita no solo que una lucecita no funcione, sino que sean varias, tal vez veinte o treinta, las que presentan el defecto, entonces podríamos decir que todas esas luces dañadas, están alterando nuestra ruta metabólica navideña, impidiendo que el árbol se ilumine. Llevado a un contexto biológico, podemos decir que una de las principales rutas que se alteran en cáncer es la ruta de la proliferación celular, dicha ruta está constituida por cientos de genes que como en nuestro ejemplo del árbol de navidad, son los factores que se interconectan para producir un fenotipo particular, en nuestro caso, que una célula se divida. El cáncer surge como resultado de la falta de control sobre el proceso de división celular y para que esto suceda, muchas de los genes claves, relacionados con el proceso de proliferación, tienen que alterarse de una u otra manera (14).

En todos los eucariotes que se conocen hasta hoy, incluidos las moscas, las plantas y los vertebrados, existe un conjunto de moléculas que son las encargadas de controlar el proceso de división celular, este grupo de moléculas se denominan ciclinas y kinasas dependientes de ciclinas y son las lucecitas que se interconectan para formar la vía metabólica de la proliferación celular. Se ha visto, que en la mayoría de los canceres, varios de estos genes claves tienen que estar alterados para que la célula pierda el control sobre su proceso de división (15). Surge de esta manera algo muy interesante, si bien es cierto que estas ciclinas y kinasas dependientes de ciclinas se encuentran totalmente distribuidas por los reinos naturales encontrándose desde las plantas hasta los mamíferos, y si sabemos que éstas pueden ser mutadas o alteradas tanto en plantas como en mamíferos, ¿porque éstas alteraciones repercuten directamente en la generación de cáncer en los mamíferos y no en las plantas?, en otras palabras, ¿por qué a las plantas no les da cáncer?


Conclusión

Para concluir, trataré de darle una respuesta parcial al interrogante anterior, pues no es una pregunta para nada fácil de contestar. Retomemos nuestro ejemplo de las luces del árbol de navidad. Como lo mencionaba anteriormente, cada una de las luces de nuestra serie de navidad, es o una ciclina o una kinasa dependiente de ciclina o uno de los muchos genes que son reguladas por estas; estos genes son altamente conservados entre las distintas especies, pero lo que varía es la manera en que están interconectados. Es posible que una luz roja en nuestra serie, esté seguida de una luz verde y precedida de una luz azul, pero en la serie de navidad de nuestro vecino, esa misma luz roja, esta seguida en cambio por una luz amarilla y precedida de una naranja. Biológicamente, esto quiere decir, que por ejemplo en humanos existe una determinada ciclina que regula la expresión de los genes A y B, mientras que en plantas, esta misma ciclina, regula los genes C y D y en vez de controlar la expresión del gen B, como sucede en humanos, es el gen B quien controla su expresión. Esto quiere decir que no son solamente los elementos de una red, los que regulan su comportamiento, adicionalmente resulta fundamental para una determinada respuesta de dicha red, la manera en que sus componentes están entrelazados, algo que los científicos llamamos el “wiring” o cableado de dicha red (16).

Es muy posible que a pesar de que los genes fundamentales que regulan el proceso de división celular sean básicamente los mismos en todos los organismos, sean sus interacciones, sus regulaciones específicas y los momentos en que son expresados los que cambian, produciendo una respuesta fenotípica totalmente diferente en organismos distintos. Esto significa que las plantas han logrado modificar su red de interacciones que controla el proceso de división celular, de tal manera que la perdida en el control de la proliferación, no represente un mayor problema, sin embargo el cableado de la misma red en los mamíferos es distinto y esto hace que el costo de perder el control sobre el proceso de división celular, sea el cáncer.

Cuando en el 2005, salió publicado el genoma del chimpancé, quedó claro que compartimos cerca del 98% de los genes que codifican para proteínas con nuestros primos más peludos, sin embargo, un mono es un mono y un ser humano es un ser humano. Pese a ese 98% de similitud en las unidades fundamentales de nuestro genoma, somos lo bastante diferentes sobre todo a un nivel cognitivo. La respuesta a esa diferencia, yace en la forma como esos genes comunes entre los simios y los humanos están interconectados, cómo, cuándo y bajo qué circunstancias se expresan, cómo son regulados, a qué estímulos responden, como interaccionan entre si y de qué manera se estimulan o se reprimen unos con otros. El mismo Craig Venter, expresó que luego de 10 años de la divulgación del genoma humano, su impacto en la medicina, no ha sido el esperado, esto se debe a que con la secuenciación de cualquier genoma, solo conocemos la estructura de las unidades fundamentales, los genes, el cómo son regulados, cuando y cómo se expresan y con qué otras moléculas interaccionan para formar redes moleculares, es aún desconocido y queda mucha tela para cortar para tratar de dar una explicación sistémica multidimensional y dinámica al genoma y a la vida misma. Es como si conociéramos las piezas del lego, pero sin tener muy claro, el cómo ensamblarlas para construir un destructor estelar de guerra de las galaxias. Pero actualmente, ese es el reto, eso es lo interesante y lo profundamente apasionante de la biología, tratar de entender y dar explicación a fenómenos altamente complejos pero espectaculares como la vida misma, ¿te animas a ayudarnos?