Por Oswaldo Báez Tobar
¿Qué es el genoma?
El término genoma tiene especial trascendencia y significado en ciencias biológicas y biomédicas. La palabra genoma resulta de la síntesis de las palabras: gen o gene y cromosoma que se refieren a dos entidades muy importantes en biología. Como se conoce, los genes son las unidades portadoras de los caracteres hereditarios de los seres vivientes y se hallan alineados en los cromosomas de las células; se transmiten de progenitores a descendientes, conforme a las leyes de la herencia. A mediados del siglo pasado se descubrió la constitución bioquímica de los genes, del ADN y del mecanismo para la síntesis de proteínas: biomoléculas esenciales en la estructuración y funcionamiento de todos los seres vivos; con todo ello se abrió la puerta para el estudio del genoma.
El genoma incluye todo el material genético de una célula o de un organismo, tanto el componente nuclear como el citoplasmático, la información hereditaria codificada en el ADN (o ARN), en los genes y en secuencias no codificantes.
Las investigaciones del genoma humano dieron soporte a una nueva línea del conocimiento biológico: la genómica, que ha tenido notable desarrollo en años recientes, ha ejercido gran influencia en varios ámbitos de la biología y en las ciencias de la salud, con el surgimiento de la nutrigenómica, farmacogenómica y medicina genómica. (1)
Genoma nuclear
La información contenida en el genoma se halla en varias capas o ámbitos diferenciados:
- Los genes tradicionales o secuencias de ADN que codifican para proteínas.
- El ADN intergénico que no codifica para proteínas, pero se transcribe en ARN, el cual cumple diversas funciones en las células. A esta capa de información se le dio el nombre de genoma oculto o “chatarra”.
- Las marcas epigenéticas que se unen al ADN para modificar la expresión de los genes, activarles o desactivarles. (a)
La mayor parte del genoma está en el núcleo de las células, específicamente en los cromosomas. El genoma nuclear o cromosómico –se conoce ahora-, está conformado por secuencias de ADN que codifican proteínas y por secuencias redundantes o altamente repetidas que no codifican, a este último se le denominó genoma “oculto”, porque no se conocía su función.
Un hito importante en la biología molecular constituyó el conocimiento del mecanismo de expresión de los genes que conforman el genoma, es decir: trascripción de la molécula de ADN, en ARN mensajero –ARNm-, el cual traduce el código genético que se expresa en una proteína específica; lo que se convirtió en el “dogma central” de la biología, este se resumía en la expresión “un gen, una proteína” es decir que el gen portaba la información codificada para sintetizar una proteína estructural o una enzima, en forma lineal.
Este mecanismo de expresión de los genes se consideró por varias décadas como la forma universal y válida para todos los seres vivos, desde las bacterias hasta los seres humanos; pero nuevas investigaciones llevaron a descifrar los secretos guardados en el interior de las células. Ahora se sabe que este sistema lineal y unívoco: ADN, ARNm y síntesis de proteínas, solo opera en las bacterias: son microorganismos muy sencillos que carecen núcleo estructurado; por eso se les clasifica entre los procariontes.
En los organismos más avanzados como las plantas y los animales, por tanto el ser humano -que son catalogados entre los eucariontes-, la expresión de los genes ocurre por procesos más complejos. Una parte del genoma codifica para la síntesis de proteínas; la otra parte lo conforma el ADN intergénico, que está formado por largas secuencias no codificadoras que interrumpen y separan los genes codificadores para la síntesis de proteínas.
El ADN intergénico fue desestimado porque se le consideraba irrelevante para la transmisión de la herencia; empero, nuevas investigaciones permitieron descifrar el rol que cumplen en la estructura y funcionamiento de los organismos, principalmente en la regulación génica y en la diferenciación de los individuos de una especie y de especies distintas, y se ha conservado en el curso de la evolución por millones de años. El concepto erróneo del genoma “basura o chatarra” fue descartado, y con ello se abrió un nuevo espacio para la comprensión integral del genoma. (2)
Hace algunos años se creía que el genoma humano estaba constituido de unos 100.000 genes; según estimaciones recientes, el genoma humano contiene entre 26.000 y 31.000 genes; pero estas cifras solo se consideraba a los genes codificadores de proteínas, que corresponde al 3% del genoma total, por lo mismo, la mayor parte del genoma, es decir el 97%, al no ser codificante, habría sido genoma “basura o chatarra”. Este error conceptual dejaba sin explicación el rol de la mayor parte del genoma, y se daba por aceptado que la evolución, en millones de años, habría producido basura genética; algo insostenible por ilógico.
Del ADN a la nueva visión del ARN y del gen
Por varias décadas la genética molecular dio atención preponderante al conocimiento del ADN, en tanto que al ARN se le consideraba solo como accesoria; ahora se conoce que el ARN tiene tanta importancia como el ADN; pues, el genoma se transcribe en ARN: ARN mensajero ARNm, ARN de transferencia, ARNt, ARN ribosómico, ARNr los cuales tienen roles definidos en la síntesis de proteínas. Pero, fue descubierto el ARN no codificante, (ARNnc) que no se traduce en proteínas, comprende varios tipos de moléculas de ARN cuya función principal es reguladora de la expresión de otros genes, lo que ahora empieza a ser descifrada. (b) En la biología molecular moderna el ARN tiene tanta importancia como el ADN porque permite explicar procesos biológicos poco conocidos hasta hace poco tiempo.
Nueva conceptualización del gen
El concepto del gen ha cambiado en forma considerable en la historia de la biología: según la genética clásica el gen era definido como la unidad de transmisión de caracteres biológicos en plantas y animales. Desde la óptica citogenética, el gen era una porción del cromosoma que determinaba una característica fenotípica visible como el color de los ojos. La biología molecular define al gen como el segmento de ADN que codifica un producto con función estructural o reguladora: una proteína o un ARN. Un gen es, pues, una unidad de información genética que se presenta en dos formas: el gen codificante (que se transcribe en ARNm y se traduce en proteínas), y el gen no codificante, que no produce proteínas, sino otras moléculas de ARN, con función reguladora de otros genes. (3)
En resumen, el gen dejó de ser la unidad individual de transmisión de los caracteres biológicos de los seres vivientes, en forma independiente de otros genes, ya que los genes interactúan en el genoma. “El gen unitario es una abstracción obsoleta. El nuevo concepto del gen es relacional y su papel es entorno dependiente”. (4) Esta es la conceptualización actual del gen; muy diferente a la definición mendeliana que fuera tradicionalmente aceptada en biología.
Genoma mitocondrial
Las mitocondrias son organelos que se hallan ubicados en el citoplasma de las células, tienen como función generar energía metabólica para todas las funciones de las células y por lo tanto de los organismos. Para el objetivo de este ensayo, cabe precisar que en las mitocondrias contienen pequeñas moléculas de ADN de forma circular: este es el genoma mitocondrial; pues los genes que lo conforman tienen función codificante, es decir, intervienen en la traducción de proteínas mitocondriales, que cumplen funciones específicas en las células.
Se conoce también que los genes mitocondriales (que son apenas el 0.1% del genoma humano) determinan caracteres normales o producen enfermedades más o menos graves, como la diabetes tipo 2; producen polimorfismos que dan la individualidad humana, estatura o duración de la vida y otros como los antígenos de la histocompatibilidad humana, HLA que se encuentran en la membrana de todas las células y que se encargan de diferenciar lo propio de lo ajeno, con lo cual el organismo acepta o rechaza un órgano o tejido trasplantado. Los HLA son determinados por lo genes mitocondriales y tienen alta variabilidad, por lo mismo son empleados en estudios forenses, antropológicos y evolutivos: identificación biológica de personas, en procesos judiciales (c), en la construcción de árboles filogenéticos de familias y grupos étnicos para la determinación de linajes evolutivos.
La herencia de los genes mitocondriales no se transmite según el modelo mendeliano, es decir de cada uno de los dos progenitores, sino en forma uniparental: exclusivamente por vía materna (de madres a hijos); pues en la formación del cigoto se transmiten las mitocondrias maternas que aporta el óvulo, lo que tiene una especial importancia en estudios de evolución, pues, mediante la construcción del árbol genealógico mitocondrial se puede llegar a la “Eva mitocondrial”.(5) Todo indica que el ADN nuclear y el ADN mitocondrial tienen mecanismos distintos de transmisión y han evolucionado en forma independiente.
Proyecto Genoma Humano
El interés por conocer la composición genética del ser humano dio origen al Proyecto Genoma Humano (190-2003) con el objetivo de elaborar el mapa del genoma humano, con la localización de todos los genes contenidos en los 23 pares de cromosomas y la secuenciación del ADN humano. Fue el proyecto mayor de la comunidad científica internacional, en el cual participaron universidades de EE.UU., Inglaterra, Francia, Alemania, Japon y China; y luego intervino la empresa privada Celera Genomics que dio un notable impulso al proyecto al incorporar nuevas tecnologías, lo que le llevo a tomar la delantera del PGH original, que tuvo un carácter estatal. El 14 de abril de 2003 se dio a conocer el primer borrador del genoma humano. La iniciativa estatal estimo 31.000 genes codificantes en el genoma humano, en tanto que Celera Genomics 26.000 genes. Si bien el PGH tuvo como propósito inicial descifrar el genoma de la especie humana, pronto se incluyeron otras especies de animales y plantas. El PGH abrió la puerta grande a “era genómica” una verdadera revolución en la biología moderna.
Proyecto Genoma de Vertebrados
Varias fuentes de información acaban de difundir una noticia muy importante: un consorcio internacional formado por 50 instituciones de 12 países ha acordado trabajar en forma conjunta para lograr descifrar los genomas de todas las especies de vertebrados. Después de una década de trabajo los investigadores de la Universidad Rockefeller de Nueva York, han dado a conocer, en un número especial de la revista “Nature “y otras revistas científicas, los genomas de 16 especies de vertebrados. Con nuevas técnicas se espera conseguir genomas de mayor calidad y en menor tiempo que las técnicas tradicionales. (www.abc.es/ciencia) abci-secuenciaremos-genomas-de-todos-los-vertebrados-de-la-Tierra-en-una-decada. ABC, abril 2021. (6).
Amplificación genómica
Los avances en el conocimiento del genoma de los organismos ofrecen nuevos elementos para la comprensión de la vida. Según la visión clásica el genoma era el “programa genético” de la vida que operaba como un sistema lineal, estable e inmutable; empero, nuevas investigaciones cuestionaron el modelo clásico y aportaron una visión muy dinámica del genoma.
De la comparación de los genomas de especies diferentes se concluye que las duplicaciones genómicas y las secuencias repetidas son la materia prima para nuevos genes, los cuales pueden asumir nuevas funciones y juegar un papel importante en la evolución de la vida.
El genoma de plantas y animales tiene dos juegos de cromosomas (2n), pero en la naturaleza ocurre amplificación genómica, que consiste en el aumento de genomas completos: 4n, 6n, 8n, 10n… lo que se conoce como poliploidización: uno de los mecanismos de formación rápida de nuevas especies, opera por procesos endógenos de los propios organismos. Se consideraba exclusivo de los vegetales, pero ahora se sabe que se produce también en animales; la reorganización genómica puede ser inducida por agentes externos y los genes no se expresan en forma aislada sino están organizados en módulos interactuantes.
El conocimiento de la evolución cromosómica, evolución genómica y molecular están ejerciendo una fuerte influencia en los principios y conceptos de la evolución. La genómica ha producido una genuina revolución del conocimiento y sus implicaciones se extienden en diversas áreas de la biología. (7)
Notas.
(a) Las marcas epigenéticas que se unen al ADN para modificar la expresión de los genes, activar o desactivar genes, pero no se transmiten a la descendencia; pues las señales epigenéticas no son estables ya que se asientan en las moléculas de ADN, cumplen su rol, se borran pero reaparecen. Este cae en el ámbito de la epigenética. (Este es un ámbito nuevo de la genética molecular y una importante capa de información genómica que solo queda enunciada en este ensayo, ya que requiere un análisis especial).
(b) ARN no codificante, ARNnc: ARNantisentido, microARN, ARNmc; cada uno tiene funciones en la activación o desactivación de genes.
(c) Ver nuestro ensayo: Aporte de la genética en la investigación de la identidad biológica humana. En: www.periodicoopcion.com /Ciencia, marzo 2021.
Referencias
1.Gibbs, W. W. 2004. El genoma oculto. Investigación y Ciencia.
2.Ibid..
3.Rodríguez-Tarduchy Segovia, G., & Martínez del Pozo, A. 2016.
¿Por qué somos como somos? España, Ediciones Bonalletra Alcompas, SL.
.Gallardo, M. 2011. Evolución el Curso de la Vida. Buenos Aires, Editorial Medica Panamericana.
.Rodríguez-Tarduchy Segovia, G., & Martínez del Pozo, A. Op.cit.
. (www.abc.es/ciencia) abci-secuenciaremos-genomas-de-todos-los-vertebrados-de-la-Tierra-en-una-decada. ABC, abril 2021.
.Gallardo, M. 2011. Op. cit.
Quito, 24 de m