Genomas

El genoma de un individuo es el conjunto completo de su información gené- tica, que incluye a todos sus genes y también sus zonas reguladoras e intergéni-

cas. En otras palabras, es la secuencia de todo su ADN. Generalmente, cuando se habla del genoma de un organismo eucariota, se refiere únicamente al ADN nuclear. La secuencia del ADN circular de los orgánulos celulares (mitocondrias y cloroplastos) se conoce como genoma mitocondrial y genoma del cloroplas-

to respectivamente.

Las células de un organismo pluricelular pueden tener morfología y función muy diversa pero todas ellas tienen el mismo genoma. La diferenciación celular se consigue por procesos epigenéticos a partir de la misma información del ADN. La totalidad de las células del individuo se han originado a partir del ci- goto por sucesivas rondas de mitosis y, por tanto, son portadoras de la misma información genética. No obstante, en algunas divisiones mitóticas puede origi- narse alguna mutación, dando lugar a clones de células portadores de estos li- geros cambios. La mayoría de estas mutaciones no se manifiestan en el fenotipo y pasan totalmente desapercibidas (muchas corresponderán a regiones intergé- nicas o intrones o pueden ser cambios sinónimos). Otras mutaciones somáticas sí que conllevan un cambio fenotípico aparente de las células del clon resultan- te que en ocasiones es totalmente inocuo, como en el caso de muchos lunares de la piel, pero en otros casos puede ser patológico, como en el caso de muchos tumores.

El genoma secuenciado y publicado de una especie es un genoma patrón o de referencia. A menudo no corresponde a un único individuo sino que en su secuenciación se ha utilizado ADN de diversos individuos. Así, por ejemplo, el genoma humano es la secuencia mosaico del ADN de numerosos donantes anónimos, entre los que figuran individuos de distintas etnias, tanto hombres como mujeres. Por otro lado, aunque el organismo sea diploide (con 2 copias para cada gen), el genoma patrón sólo representa la secuencia de una de las dos copias.

6.1.2. Genomas secuenciados

En los años 80 del siglo XX se iniciaron diversos proyectos genoma. En cada uno de estos proyectos participaron numerosos investigadores y laboratorios que unieron esfuerzos para determinar la secuencia del genoma de uno o más organismos. La idea era proporcionar, a la comunidad científica mundial, una herramienta básica que permitiría acelerar considerablemente muchas investi- gaciones.

El Proyecto Genoma Humano24 _{se inició en 1990 para obtener la secuencia}

del genoma humano, identificar todos sus genes, almacenar la información en una base de datos, mejorar las herramientas de análisis y tratar las cuestiones éticas, legales y sociales que pudieran surgir durante el desarrollo del proyecto. Como parte del Proyecto Genoma Humano se abordó también la secuenciación del genoma de algunos organismos modelo como la bacteria Escherichia coli, la levadura Sacharomyces cerevisae, el nematodo Caenorhabditis elegans, la mosca del vinagre Drosophila melanogaster y el ratón Mus musculus. Los genomas de estos organismos también son de gran interés para la comunidad científica y, dado su menor tamaño, resultaron ser un perfecto banco de pruebas de las técnicas ne- cesarias para abordar la secuenciación de un genoma. Así, cuando a principios de 2001 se publica el genoma humano ya se dispone del genoma de diversos organismos modelo (Tabla 6.1). En la actualidad se dispone del genoma comple- to de unas 1000 especies y el número va aumentando rápidamente. Con el de- sarrollo de las técnicas de secuenciación de nueva generación que suponen ma- yor rapidez y menor coste, las previsiones son de que el número de genomas secuenciados siga aumentando a mayor ritmo.

Diversos consorcios han abordado la secuenciación de otros muchos organis- mos. La Tabla 6.1 destaca la obtención de algunos otros genomas de organismos modelo como la planta Arabidopsis thaliana, el hongo Neurospora crassa y la rata (Rattus norvegicus). También cabe destacar la obtención del genoma del chim- pancé (Pan troglodytes) cuya proximidad con el hombre permitirá comprender mejor la evolución en los homínidos. También ha supuesto un hito destacable la publicación del genoma de 12 especies de Drosophila que ya han permitido realizar un gran número de estudios de genómica comparada entre especies muy cercanas.

También se ha abordado la secuenciación del ADN de especies extintas. En 2008 se publicó el genoma del mamut (Mammuthus primigenius) y en febrero de 2009 se anunció que ya se disponía de un primer borrador del genoma del Neandertal (Homo neanderthalensis). La secuenciación del genoma de estas espe- cies presenta dificultades añadidas. La recuperación de ADN antiguo es escasa y generalmente ha experimentado inicios de degradación, como fragmentación o modificaciones moleculares. Por todo ello, es fácil que aparezca contaminación por ADN exógeno. En el caso del mamut, se ha podido extraer ADN del pelo de

24. El Proyecto Genoma Humano involucró el esfuerzo de laboratorios de 18 países. (http://www. ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/hg5yp/index.shtml).

Tabla 6.1. Algunos genoma secuenciados que han supuesto grandes hitos de la Genómica

Organismo Dom. kb ORF Publicación

Homo sapiens E 3080436 38612 15/02/2001 Nature 409:860-921 Primer Genoma secuenciado de cada Dominio

Haemophilus influenzae B 1830 1774 28/07/1995 Science 269:496-512

Methanocaldococcus

jannaschii A 1664 1878 23/08/1996 Science 273: 1058-1073 Saccharomyc es cerevisae E 12069 5860 25/10/1996 Science 274: 546-567

Principales Organismos Modelo

Escherichia coli B 4639 4612 5/09/1997 Science 277: 1453-1474

Caenorhabditis elegans E 100272 23209 11/12/1998 Science 282: 2012-2018

Drosophila melanogaster E 137000 14100 24/03/2000 Science 287: 2185-2195

Arabidopsis thaliana E 119707 26735 14/12/2000 Nature 408: 796-815

Mus musculus E 2644093 39625 5/12/2002 Nature 420: 520-562

Neurospora crassa E 37097 10082 24/04/2003 Nature 422: 859-868

Rattus norvegicus E 2750000 21166 1/04/2004 Nature 428: 493-521

Pan troglodytes E 3100000 48910 1/09/2005 Nature 437: 69-87 Otros Genomas

12 DROSOPHILA 8/11/2007 Nature 450: 203-218

Mammuthus primigenius 20/11/2008 Nature 456: 387-390

Homo sapiens (J.C. Venter) 21/09/2007 PLoS Biology 5, e254 Homo sapiens (J.D. Watson) 17/04/2008 Nature 452: 872-876 Homo sapiens (Nigerian male) 6/11/2008 Nature 456: 53-59 Homo sapiens (YanHuang No.1) 6/11/2008 Nature 456: 60-65 Homo sapiens (S.J. Kim) 24/06/2009 Genome Research 456: 53-59 Homo sapiens (Kore an male) 20/08/2009 Nature 460:1011-1015 A 5/09/2009 se disponía de la secuencia completa de 1094 genomas (Archaea: 67; Bacteria: 911; Eukaria: 116) Según GOLD: Genomes OnLine Database (http://www.genomesonline.org/).

Dom., dominio taxonómico al que pertenece el organismo en cuestión: A: Arqueas; B, Bacterias; E: Eucariotas; kb, tamaño del genoma secuenciado en kilobases; ORF, número de Open Reading Frames anotados; Publicación, fecha y revista en que fueron publicados.

especímenes encontrados congelados en Siberia que datan de 18.500 años. Tras la secuenciación se han realizado comparaciones con el genoma del elefante (la especie viva más cercana) y se ha comprobado una gran homología, descubrien- do sólo unos niveles muy bajos de contaminación por genomas bacterianos. En el caso del Neandertal, el ADN proviene de huesos que han estado expuestos a los agentes físicos y las bacterias del suelo durante miles de años. Además, en- contrar homología con el genoma humano no supone ninguna garantía ya que podría ser debida a la contaminación involuntaria por los investigadores al ma- nipular los huesos en el yacimiento o al obtener el ADN en el laboratorio. Por ello, deben tomarse precauciones especiales en la manipulación de las muestras y, en general, sus partes más superficiales no se utilizan para extraer ADN.

La disponibilidad del genoma de una especie facilita enormemente la obten- ción del genoma de otros individuos de la misma especie (resecuenciación del

genoma). De momento, se han publicado 6 nuevos genomas humanos: 3 de

personas identificadas (J.C. Venter, uno de los padres del Proyecto Genoma Hu- mano; J.D.Watson, uno de los codescubridores de la estructura del ADN; y S.J. Kim, un investigador coreano), y otros 3 de individuos anónimos (un hombre nigeriano, un hombre chino, y un hombre coreano). También se ha publicado la secuenciación de dos genomas completos de una misma mujer: uno de células sanas y otro de células cancerosas (Ley et al., 2008). Todo ello ha creado gran expectativa sobre la posibilidad de la obtención del genoma personal que podría abrir las puertas a una medicina personalizada pero que también suscita mucha polémica de tipo ético.

Otro tipo de estudios que se ha iniciado son los de metagenómica. En estos estudios, se toma una muestra de un sistema y se secuencia todo el ADN presen- te. Básicamente se refiere al ADN de microorganismos presentes en un medio. Por ejemplo se ha secuenciado el metagenoma de sistemas tan dispares como pueden ser: las aguas residuales, las fuentes sulfurosas, el rumen de la vaca, la flora bacteriana de la boca humana, el agua de distintos mares, o los filtros de aire del interior de viviendas.