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La secuenciación del genoma humano

La genómica es una ciencia reciente, la cual ha tenido un importante auge en los últimos años, sobre todo gracias a las tecnologías avanzadas de secuenciación de ADN, a los avances en bioinformática y a las técnicas cada vez más sofisticadas para realizar análisis de genomas completos. Y de los genomas completos y su secuenciación os hablaré en este artículo, mencionando también el proyecto Genoma Humano, que permitió la secuenciación del genoma humano.

¿POR QUÉ SECUENCIAMOS?

La secuenciación es el conjunto de métodos y técnicas bioquímicas cuya finalidad es la determinación del orden de los nucleótidos (A, T, C y G). Su objetivo es obtener todos los nucleótidos ordenados del ADN de un organismo.

Los primeros organismos que se secuenciaron fueron dos bacterias, Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium en el 1995. Sólo un año después se secuenció el genoma de un hongo (Saccharomyces cerevisiae).

A partir de aquí nace el proyecto de secuenciación de eucariotas: en 1998 se secuencia Caenorhabditis elegans (nematodo), en 2000 Drosophila melanogaster (mosca de la fruta) y en 2001 el genoma humano.

Pero ¿por qué secuenciamos? En el caso del genoma humano, hay la necesidad de conocerlo para que ayude a paliar o evitar enfermedades.

Algunos de los organismos que se han secuenciado son organismos modelos, los cuales tienen:

  • Importancia médica: hay organismos patógenos y conocemos las enfermedades que pueden causar.
  • Importancia económica: los organismos que los humanos consumimos, con técnicas moleculares los podemos mejorar.
  • Estudio de la evolución: en el año 2007 se secuenciaron más de 11 especies de Drosophila y se intentó entender la relación evolutiva de los cromosomas de éstas. También se ha hecho en mamíferos (Proyecto ENCORE).

¿QUÉ ENTENDEMOS POR GENOMA SECUENCIADO?

El genoma humano tiene 46 cromosomas, es decir, 23 parejas de cromosomas (22 parejas de cromosomas autosómicos y 1 pareja de cromosomas sexuales, XX o XY dependiendo de si es mujer u hombre).

El tamaño del genoma humano secuenciado es de 32.000Mb, es decir, los 23 cromosomas más el cromosoma Y.

El genoma humano se obtuvo de la mezcla de genomas humanos para obtener una representación del genoma de toda la humanidad.

PARADOJAS QUE ENCONTRAMOS EN EL GENOMA

Una paradoja es un hecho que parece contrario a la lógica. Con los genomas encontramos dos claras paradojas.

La primera paradoja hace referencia al valor C, el valor que representa la cantidad de ADN en el genoma. Como sería de esperar, cuanto más grande y complejo sea el organismo, más grande será el tamaño de su genoma. Pero esto no es así ya que no existe esta correlación. Esto se debe a que el genoma no solamente contiene genoma codificante y proteínas, sino que también contiene ADN repetitivo. Además, los genomas más compactados se encuentran en organismos menos complejos.

La segunda paradoja hace referencia al valor G, el valor que representa el número de genes. Tampoco encontramos correlación entre el número de genes y la complejidad. Un ejemplo claro es que en el genoma humano hay alrededor de 20.000 genes y Arabidopsis thaliana  (planta herbácea) tiene 25.000 genes. La explicación se encuentra en el mundo del ARN, que es más complejo de lo que se pensaba y tiene que ver con la regulación de los genes.

EL PROYECTO GENOMA HUMANO

El proyecto de secuenciación del genoma humano ha sido el mayor proyecto de investigación biomédica de la historia. Con un presupuesto de 3 mil millones de dólares y la participación de un Consorcio Público Internacional, formado por EEUU, Reino Unido, Japón, Francia, Alemania, China y otros países, tenía como objetivo último la consecución de la secuencia completa del genoma humano.

Empezó en 1990, pero la cosa se complicó cuando, en 1999, apareció en escena una empresa privada, Celera Genomics, presidida por el científico Craig J. Venter, que lanzó el reto de conseguir la secuencia humana en un tiempo récord, antes de lo previsto por el Consorcio Público.

Al final se decidió dejarlo en tablas. El Consorcio Público aceleró el proceso y obtuvo el borrador casi al mismo tiempo. El 26 de Junio de 2000, en un acto en la Casa Blanca con el presidente Bill Clinton, se encontraron los dos máximos representantes de las partes en competición, Craig Venter por Celera, y el director del Consorcio Público, Francis Collins. Se anunció de forma conjunta la consecución de dos borradores de la secuencia completa del genoma humano (Video 1, en inglés). Fue un momento histórico, como el descubrimiento de la doble hélice o la primera vez que el hombre pisó la Luna.

Video 1. Acto del anuncio del Genoma Humano en la Casa Blanca (Fuente: YouTube)

Las publicaciones correspondientes de ambas secuencias no aparecieron hasta febrero de 2001. El Consorcio Público publicó su secuencia en la revista Nature, mientras que Celera lo hizo en Science (Figura 1). Tres años después, en 2004, el Consorcio publicó la versión final o completa del genoma humano.

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Figura 1. Portadas de las publicaciones de la secuencia borrador del genoma humano en las revistas NatureScience en febrero de 2001 (Fuente: Bioinformática UAB)

GENOMAS PERSONALES

El genoma que se obtuvo en 2001 es el genoma de referencia. A partir de aquí se ha entrado en la era de los genomas personales, con nombre y apellidos. Craig Venter fue el primero que secuenció su genoma y el siguiente fue James Watson, uno de los descubridores de la doble hélice.

Se tardó 13 años en secuenciar el genoma de referencia (HGP). Con el de Craig Venter se tardó mucho menos y con el de James Watson apenas unos meses.

APLICACIONES CLÍNICAS DE LA SECUENCIACIÓN

Sin llegar a secuenciar el genoma entero se han identificado genes causantes de enfermedades. El exoma no es el genoma entero, sino la parte del genoma que corresponde a los exones.

Un ejemplo es el caso de Nicholas Volker (Figura 2), el primer caso de medicina genómica. Este niño tenía una enfermedad inflamatoria intestinal grave e intratable de causa desconocida. Con la secuenciación del exoma se permitió descubrir una mutación en el gen XIAP del cromosoma X, que sustituye un aminoácido funcionalmente importante por otro. Un trasplante de médula de hueso le salvó la vida al paciente.

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Figura 2. Nicholas Volker con su libro One in a Billion, que cuenta su historia (Fuente: Rare & Undiagnosed Network)

REFERENCIAS

  • L. Pray. Eukaryotic genome complexity. Nature Education 2008; 1(1):96
  •  Brown. Genomes 3, 3rd edition (2007)
  • Bioinformática UAB
  • BT.com
  • E. A. Worthey et al. Making a definitive diagnosis: Successful clinical application of whole exome sequencing in a child with intractable inflammatory bowel disease. Genetics in Medicine 2011; 13, 255-262
  • Foto portada: Noticias InterBusca

MireiaRamos-castella

Anuncis

La seqüenciació del genoma humà

La genòmica és una ciència recent que ha tingut un important auge en els últims anys, sobretot gràcies a les tecnologies avançades de seqüenciació d’ADN, als avenços en bioinformàtica i a les tècniques cada cop més sofisticades per a realitzar anàlisis de genomes complets. I dels genomes complets i la seva seqüenciació és del que us parlaré en aquest article, fent esment al Projecte Genoma Humà, que va permetre la seqüenciació del genoma humà.

PER QUÈ SEQÜENCIEM?

La seqüenciació és el conjunt de mètodes i tècniques bioquímiques que tenen com a finalitat la determinació de l’ordre dels nucleòtids (A, T, C i G). El seu objectiu és obtenir tots els nucleòtids ordenats de l’ADN d’un organisme.

Els primers organismes que es van seqüenciar van ser dues bactèries, Haemophilus influenzae i Mycoplasma genitalium en el 1995. Només un any després es va seqüenciar el genoma d’un fong (Saccharomyces cerevisiae).

A partir d’aquí neix el projecte de seqüenciació d’eucariotes: el 1998 es seqüencia Caenorhabditis elegans (nematode), el 2000 Drosophila melanogaster (mosca de la fruita) i el 2001 el genoma humà.

Però, per què seqüenciem? En el cas del genoma humà hi ha la necessitat de conèixer-lo per ajudar a pal·liar o evitar malalties.

Alguns dels organismes que s’han seqüenciat són organismes models, els quals tenen:

  • Importància mèdica: hi ha organismes patògens i coneixem les malalties que poden causar.
  • Importància econòmica: els organismes que els humans consumim, amb tècniques moleculars els podem millorar.
  • Estudi de l’evolució: en l’any 2007 es van seqüenciar més d’11 espècies de Drosophila i es va intentar entendre la relació evolutiva dels cromosomes d’aquestes. També s’ha fet en mamífers (Projecte ENCORE).

QUÈ ENTENEM PER GENOMA SEQÜENCIAT?

El genoma humà té 46 cromosomes, és a dir, 23 parelles de cromosomes (22 parelles de cromosomes autosòmics i 1 parella de cromosomes sexuals, XX o XY depenent de si és dona o home).

La mida del genoma humà és de 32.000Mb, és a dir, els 23 cromosomes més el cromosoma Y.

El genoma humà es va obtenir de la barreja de genomes humans per obtenir una representació del genoma de tota la humanitat.

PARADOXES QUE TROBEM EN EL GENOMA

Una paradoxa és un fet que sembla contrari a la lògica. Amb els genomes trobem dues clares paradoxes.

La primera paradoxa fa referència al valor C, el valor que representa la quantitat d’ADN del  genoma. Com seria d’esperar, com més gran i complex sigui l’organisme, més gran serà la mida del seu genoma. Però això no és així ja que no existeix aquesta correlació. Això és degut a que el genoma no solament conté genoma codificant i proteïnes, sinó que també conté ADN repetitiu. A més, els genomes més compactats es troben en organismes menys complexos.

La segona paradoxa fa referència al valor G, el valor que representa el número de gens. Tampoc trobem una correlació entre el número de gens i la complexitat. Un exemple clar és que en el genoma humà hi ha al voltant de 20.000 gens i Arabidopsis thaliana (planta herbàcia) té 25.000 gens. L’explicació es troba en el món de l’ARN, que és més complex del que es pensava i té a veure amb la regulació dels gens.

EL PROJECTE GENOMA HUMÀ

El projecte de seqüenciació del genoma humà ha sigut el major projecte d’investigació biomèdica de la història. Amb un pressupost de 3 mil milions de dòlars i la participació d’un Consorci Públic Internacional, format per EEUU, Regne Unit, Japó, França, Alemanya, Xina i altres països, tenia com a objectiu la consecució de la seqüencia completa del genoma humà.

Va començar el 1990, però la cosa es va complicar quan, el 1999, va aparèixer en escena una empresa privada, Celera Genomics, presidida pel científic Craig Venter, que va llençar el repte d’aconseguir la seqüència humana en un temps rècord, abans del previst pel Consorci Públic.

Al final es va deixar en empat. El Consorci Públic va accelerar el procés i va obtenir l’esborrany quasi al mateix temps. El 26 de juny del 2000, en un acte a la Casa Blanca amb el president Bill Clinton, es van trobar els dos màxims representants de les parts en competició: Craig Venter per Celera i el director del Consorci Públic, Francis Collins. Es va anunciar de forma conjunta la consecució de dos esborranys de la seqüència completa del genoma humà (Vídeo 1, en anglès). Va ser un moment històric, com el descobriment de la doble hèlix o la primera vegada que l’home va trepitjar la Lluna.

Vídeo 1. Acte de l’anunci del Genoma Humà a la Casa Blanca (Font: YouTube)

Les publicacions corresponents d’ambdues seqüències no van aparèixer fins el febrer del 2001. El Consorci Públic va publicar la seva seqüència a la revista Nature, mentre que Celera ho va fer a Science (Figura 1). Tres anys després, el 2004, el Consorci va publicar la versió final o completa del genoma humà.

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Figura 1. Portades de les publicacions de la seqüència esborrany del genoma humà en les revistes NatureScience el febrer de 2001 (Font: Bioinformática UAB)

GENOMES PERSONALS

El genoma que es va obtenir el 2001 és el genoma de referència. A partir d’aquí s’ha entrat a l’era dels genomes personals, amb nom i cognoms. Craig Venter va ser el primer que va seqüenciar el seu genoma i el següent va ser James Watson, un dels descobridors de la doble hèlix.

Es va trigar 13 anys en seqüenciar el genoma de referència (HGP). Amb el de Craig Venter es va trigar molt menys i amb el de Watson només uns mesos.

APLICACIONS CLÍNIQUES DE LA SEQÜENCIACIÓ

Sense arribar a seqüenciar el genoma sencer s’han identificat gens causants de malalties. L’exoma no és el genoma sencer, sinó la part del genoma que correspon als exons.

Un exemple és el cas de Nicholas Volker (Figura 2), el primer cas de medicina genòmica. Aquest nen tenia una malaltia inflamatòria intestinal greu i intractable de causa desconeguda. Amb la seqüenciació de l’exoma es va permetre descobrir una mutació en el gen XIAP del cromosoma X, que substitueix un aminoàcid funcionalment important per un altre. Un transplantament de medul·la òssia li va salvar la vida al pacient.

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Figura 2. Nicholas Volker amb el seu llibre One in a Billion, que explica la seva història (Font: Rare & Undiagnosed Network)

REFERÈNCIES

  • L. Pray. Eukaryotic genome complexity. Nature Education 2008; 1(1):96
  •  Brown. Genomes 3, 3rd edition (2007)
  • Bioinformática UAB
  • BT.com
  • E. A. Worthey et al. Making a definitive diagnosis: Successful clinical application of whole exome sequencing in a child with intractable inflammatory bowel disease. Genetics in Medicine 2011; 13, 255-262
  • Foto portada: Noticias InterBusca

MireiaRamos-catala

Híbridos y ladrones de esperma: cleptones anfibios

En biología un híbrido es el resultado de la reproducción de dos progenitores de especies genéticamente diferentes, aunque en la mayoría de casos los híbridos o no son viables o son estériles. Pero a veces, en algunas especies de anfibios los híbridos no sólo son viables, sino que además forman nuevas especies con características especiales. En esta entrada os ponemos dos casos de híbridos de anfibios que forman lo que se conoce como un cleptón y que ponen en duda el concepto tradicional de especie.

¿QUÉ ES UN CLEPTÓN?

Un cleptón o kleptón (abreviado kl.) es una especie que depende de otra especie para completar su ciclo reproductivo. El origen de la palabra cleptón viene del griego “kleptein” que significa “robar”, ya que el cleptón “roba” a otra especie para poder reproducirse. En el caso de los anfibios, los cleptones se han originado por fenómenos de hibridación. Las potentes feromonas sexuales de los anfibios y los coros de múltiples especies en el caso de los anuros, provocan que a veces machos y hembras de diferentes especies intenten aparearse. Aun así los híbridos sólo son viables entre especies muy emparentadas.

Dentro de las diferentes especies cleptón podemos encontrar dos métodos diferentes según el tipo de concepción: los zigocleptones, en los que hay una fusión del material genético del óvulo y del espermatozoide, y los ginocleptones, en los que el óvulo necesita estimulación por parte del espermatozoide pero no incorpora su material genético.

Los diferentes cleptones de anfibios suelen estar constituidos por hembras (hay pocos machos o ninguno) que utilizan el esperma de otra especie para perpetuar el cleptón. Como los cleptones de anfibios a veces dependen de varias especies emparentadas, esto puede hacer que se creen “complejos de especies” donde varias especies muy parecidas presenten zonas de hibridación y relaciones muy complicadas entre ellas. A continuación os ponemos dos ejemplos de cleptones, uno en anuros europeos y otro en urodelos americanos.

HIBRIDOGÉNESIS EN RANAS VERDES

Las ranas verdes europeas (género Pelophylax) forman lo que se conoce como “complejo hibridogenético” en el cual los híbridos de distintas especies forman cleptones que no se pueden reproducir entre sí, sino que han de reproducirse con un miembro de la especie progenitora, “robando” o “parasitando” su esperma para sobrevivir.

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Foto de Bartosz Cuber de dos ranas comestibles (Pelophylax kl. esculentus) en amplexo. Este híbrido es el más conocido tanto por su amplia distribución, como por ser considerado una delicia en Francia.

En la hibridogénesis de las ranas verdes, el material genético de ambos progenitores se combina para formar el híbrido resultante (zigocleptón). Estos híbridos (normalmente siempre hembras) tendrán la mitad del genoma de una especie y la mitad de la otra. Aun así, al no poder reproducirse con otros híbridos similares, durante la gametogénesis se elimina el material genético de una de las especies progenitoras. Así, al aparearse con un individuo de la especie cuyo material genético ha eliminado, volverán a formar un híbrido.

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Esquema sobre la dotación genética de los diferentes cleptones de Pelophylax. En este complejo hibridogenético intervienen cuatro especies “naturales”: la rana europea común (Pelophylax ridibundus, genoma RR), la rana de Lessona (Pelophylax lessonae genoma LL), la rana verde ibérica (Pelophylax perezi, genoma PP) y la rana italiana (Pelophylax bergeri, genoma BB).

La rana comestible común (Pelophylax kl. esculentus, genoma RL) proviene de la hibridación entre la rana común europea y la rana de Lessona. La rana comestible italiana (Pelophylax kl. hispanicus, genoma RB) proviene de un híbrido entre la rana común europea y la rana italiana. Finalmente la rana de Graf (Pelophylax kl. grafi, genoma RP) proviene de la hibridación de la rana comestible común (en la cual se elimina el ADN de la rana de Lessona de los gametos) y la rana verde ibérica.

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Esquemas de Darekk2 sobre los procesos hibridogenéticos de los diferentes cleptones de ranas europeas. Los círculos grandes indican el genoma de los individuos y los círculos pequeños el material genético de los gametos.

Como vemos, la dotación genética de la rana común europea es la que se encuentra en los tres cleptones. Estos cleptones eliminan el material genético de la especie con la que comparten el hábitat de sus gametos y mantienen el de la rana común europea (R). Así por ejemplo, la rana comestible (P. kl esculentus) elimina de sus óvulos el ADN de la rana de Lessona (L), con la cual se encuentra en su distribución natural y se reproduce, dando lugar a más ranas comestibles (RL). La rana común europea raramente se reproduce con alguno de los híbridos y si lo hace, salen ranas comunes europeas normales.

SALAMANDRAS CON VARIOS GENOMAS

Las salamandras del género Ambystoma, generalmente conocidas como salamandras topo, son un género endémico de América del Norte y son los únicos representantes actuales de la familia Ambystomatidae. Cinco de estas especies forman el llamado “complejo Ambystoma, en el cual estas especies contribuyen a la composición genética de un linaje unisexual de salamandras que se reproducen por ginogénesis (ginocleptón). Basándose en el ADN mitocondrial de las poblaciones unisexuales, se cree que este complejo proviene de un fenómeno de hibridación de hace unos 2,4-3,9 millones de años.

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Este complejo está formado por las siguientes cinco especies: la salamandra de puntos azules (Ambystoma laterale de genoma LL, foto de Fyn Kynd Photography), la salamandra de Jefferson (Ambystoma jeffersonianum de genoma JJ, foto de Vermont Biology), la salamandra de boca chica (Ambystoma texanum de genoma TT, foto de Greg Schechter), la salamandra de riachuelo (Ambystoma barbouri de genoma BB, foto de Michael Anderson) y la salamandra tigre (Ambystoma tigrinum de genoma TiTi, foto de Carla Isabel Ribeiro).

En la ginogénesis de este linaje compuesto únicamente por hembras, el óvulo necesita la activación por parte de un espermatozoide para empezar a dividirse y desarrollarse, aunque antes debe duplicar su material genético mediante un proceso de endomitosis para evitar la formación de zigotos haploides (con la mitad de información genética) inviables. Aun así, como con los reptiles partenogenéticos, a la larga la falta de recombinación genética puede pasar factura a los individuos. Es por esto que este linaje unisexual de salamandras tiene la capacidad de incorporar ocasionalmente el genoma entero de los machos de cuatro de las especies que forman el complejo (actualmente no se ha visto que la salamandra de riachuelo se aparee con ningún individuo unisexual).

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Esquema de Bi, Bogart & Fu (2009) en el que vemos las diferentes vías que puede tomar la reproducción ginogenética de las salamandras topo.

Estos individuos no mezclan el genoma adquirido, sino que lo suman al suyo. Esto provoca que dentro de este linaje podamos encontrar individuos diploides, triploides, tetraploides e incluso hasta pentaploides (aunque cuanto más aumenta la ploidía menos viables son los individuos), dependiendo de la cantidad de genomas diferentes que hayan ido incorporando las generaciones anteriores.

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Dentro del cleptón, la combinación más común son los triploides basados en la salamandra de puntos azules y la de Jefferson, con los genomas LLJ (izquierda, imagen de David Misfud) y JJL (derecha, imagen de Nick Scobel), aunque el número de combinaciones es increíblemente grande, motivo por el cual los científicos no han podido asignar un nombre científico válido a este grupo de origen híbrido.

A diferencia de las ranas verdes, resulta muy difícil definir un nombre científico dentro de este cleptón de Ambystoma, ya que los genomas de las diferentes especies se pueden encontrar en diferentes combinaciones y proporciones en los diferentes individuos unisexuales.

REFERENCIAS

Durante la elaboración de esta entrada se han utilizado las siguientes fuentes:

Difusió-castellà

Híbrids i lladres d’esperma: cleptons amfibis

En biologia un híbrid és el resultat de la reproducció de dos progenitors d’espècies genèticament diferents, tot i que en la majoria de casos els híbrids o no són viables o són estèrils. Però a vegades, en algunes espècies d’amfibis els híbrids no només són viables, sinó que a més formen noves espècies amb característiques especials. En aquesta entrada us posem dos casos d’híbrids d’amfibis que formen el que es coneix com un cleptó i que posen en dubte el concepte tradicional d’espècie.

QUÈ ÉS UN CLEPTÓ?

Un cleptó o kleptó (abreviat kl.) és una espècie que depèn d’una altra espècie per a completar el seu cicle reproductiu. L’orígen de la paraula cleptó vé del grec “kleptein” que vol dir “robar”, ja que el cleptó “roba” a l’altra espècie per a poder reproduïr-se. En el cas dels amfibis, els cleptons s’han originat per fenòmens d’hibridació. Les potents feromones sexuals del amfibis i els cors de múltiples espècies en el cas dels anurs, provoquen que a vegades mascles i femelles de diferents espècies intentin aparellar-se. Tanmateix els híbrids només són viables entre espècies properament emparentades.

Dintre de les diferents espècies cleptó hi podem trobar dos mètodes diferents segons el tipus de concepció: els zigocleptons, en els que hi ha una fusió del material genètic de l’òvul i de l’espermatozou, i els ginocleptons, en els que l’òvul necessita estimulació per part de l’espermatozou però no incorpora el seu material genètic.

Els diferents cleptons d’amfibis solen estar constituïts principalment per femelles (hi han molts pocs mascles o cap) que utilitzen l’esperma d’una altra espècie per perpetuar el cleptó. Com que els cleptons d’amfibis a vegades depenen de vàries espècies emparentades, això pot fer que es creïn “complexes d’espècies” on vàries espècies molt semblants presentin zones d’hibridació i relacions molt complicades entre elles. A continuació us posem dos exemples de cleptons, un en anurs europeus i un en urodels americans.

HIBRIDOGÈNESI EN GRANOTES VERDES

Les granotes verdes europees (gènere Pelophylax) formen el que es coneix com a “complexe hibridogenètic” en el qual els híbrids de diferents espècies formen cleptons que no es poden reproduïr entre sí, sinó que han de reproduïr-se amb un membre de l’espècie progenitora, “robant” o “parasitant” el seu esperma per a sobreviure.

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Foto de Bartosz Cuber de dues granotes comestibles (Pelophylax kl. esculentus) en amplexe. Aquest híbrid és el més conegut tant per la seva àmplia distribució, com per ser considerat una delicadesa a França.

En l’hibridogènesi de les granotes verdes el material genètic dels dos progenitors es combina per a formar l’híbrid resultant (zigocleptó). Aquests híbrids (normalment sempre femelles) tindran la meitat del genoma d’una espècie i la meitat de l’altre. Tanmateix, al no poder reproduïr-se amb altres híbrids semblant, durant la gametogènesi s’elimina el material genètic d’una de les espècies progenitores. Així, al aparellar-se amb un individu de l’espècie de la qual ha eliminat el material genètic, tornaran a formar un híbrid.

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Esquema sobre la dotació genètica dels diferents cleptons de Pelophylax. En aquest complex hibridogenètic hi intervenen quatre espècies “naturals”: la granota comuna europea (Pelophylax ridibundus, genoma RR), la granota de Lessona (Pelophylax lessonae, genoma LL), la granota verda ibèrica (Pelophylax perezi, genoma PP) i la granota italiana (Pelophylax bergeri, genoma BB).

La granota comestible comuna (Pelophylax kl. esculentus, genoma RL) prové de la hibridació entre la granota comuna europea i la granota de Lessona. La granota comestible italiana (Pelophylax kl. hispanicus, genoma RB) prové d’un híbrid entre la granota comuna europea i la granota italiana. Finalment la granota de Graf (Pelophylax kl. grafi, genoma RP) prové de la hibridació de la granota comestible comuna (en la qual s’elimina l’ADN de la granota de Lessona de les gàmetes) i la granota verda ibèrica.

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Esquemes de Darekk2 sobre els processos hibridogenètics dels diferents cleptons de granotes europees. Els cercles grans indiquen el genoma dels individus i els cercles petits el material genètic de les gàmetes.

Com veiem la dotació genètica de la granota comuna europea és la que es troba present en tots tres cleptons. Aquests cleptons eliminen el material genètic de l’espècie amb la que comparteixen l’hàbitat de les seves gàmetes i mantenen el de la granota comuna europea (R). Així per exemple, la granota comestible (P. kl. esculentus) elimina dels seus òvuls l’ADN de la granota de Lessona (L), amb la qual es troba en la seva distribució natural i s’hi reprodueix, donant a més granotes comestibles (RL). La granota comuna europea rarament es reprodueix amb algún dels híbrids i si ho fa, surten granotes comunes europees normals.

SALAMANDRES AMB VARIS GENOMES

Les salamandres del gènere Ambystoma, generalment conegudes com a salamandres talp, són un gènere endèmic d’Amèrica del Nord i són els únics representants actuals de la família Ambystomatidae. Cinc d’aquestes espècies formen l’anomenat “complexe Ambystoma, en el qual aquestes espècies contribueixen a la composició genètica d’un llinatge unisexual de salamandres que es reprodueixen per ginogènesi (ginocleptó). Basant-se en l’ADN mitocondrial de les poblacions unisexuals, es creu que aquest complexe prové d’un fenòmen d’hibridació de fa uns 2,4-3,9 milions d’anys.

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Aquest complexe està format per les següents cinc espècies: la salamandra de punts blaus (Ambystoma laterale de genoma LL, foto de Fyn Kynd Photography), la salamandra de Jefferson (Ambystoma jeffersonianum de genoma JJ, foto de Vermont Biology), la salamandra de Texas (Ambystoma texanum de genoma TT, foto de Greg Schechter), la salamandra de rierol (Ambystoma barbouri de genoma BB, foto de Michael Anderson) i la salamandra tigre (Ambystoma tigrinum de genoma TiTi, foto de Carla Isabel Ribeiro).

En la ginogènesi d’aquest llinatge compost únicament per femelles, l’òvul necessita l’activació per part d’un espermatozou per començar a dividir-se i desenvolupar-se, tot i que abans ha de duplicar el seu material genètic mitjançant un procés d’endomitosi per evitar la formació de zigots haploïdes (amb la meitat d’informació genètica) inviables. Tanmateix, com en els rèptils partenogenètics, a la llarga la falta de recombinació genètica pot passar factura als individus. Per això, aquest llinatge unisexual de salamandres té la capacitat d’incorporar ocasionalment el genoma sencer dels mascles de quatre de les espècies que formen el complexe (actualment no s’ha vist que la salamandra de rierol s’aparelli amb cap individu unisexual).

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Esquema de Bi, Bogart & Fu (2009) en el que veiem els diferents camins que pot pendre la reproducció ginogenètica de les salamandres talp.

Aquests individus no barregen el genoma adquirit, sinó que el sumen al seu. Això fa que dins d’aquest llinatge hi puguem trobar individus diploïdes, triploïdes, tetraploïdes i fins i tot pentaploïdes (tot i que com més augmenta la ploïdia menys viables són els individus), depenent de la quantitat de genomes diferents que hagin anat incorporant les generacions anteriors.

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Dins del cleptó, la combinació més comuna són triploïdes basats en la salamandra de punts blaus i la de Jefferson, amb els genomes LLJ (esquerra, imatge de David Misfud) i JJL (dreta, imatge de Nick Scobel), tot i que el nombre de combinacions és increïblement gran, fet pel qual els científics no han pogut assignar un nom científic vàlid a aquest grup d’orígen híbrid.

A diferència de les granotes verdes, resulta molt difícil definir un nom científic dins del cleptó de Ambystoma, ja que els genomes de les diferents espècies es poden trobar en diferents combinacions i proporcions en els diferents individus unisexuals.

REFERÈNCIES

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Difusió-català

Genómica nutricional: Alimentación a la carta

Cuando Hipócrates dijo “que tu alimento sea tu medicina, y que tu medicina sea tu alimento” ya sabía que la alimentación influye en nuestra salud. Y de esto nos habla la genómica nutricional, de la cual hablaré en este artículo; una nueva ciencia aparecida en la era post genómica, consecuencia de la secuenciación del genoma humano (todas las secuencias de ADN que caracterizan a un individuo) y los avances tecnológicos que permiten el análisis de grandes cantidades de información compleja.

¿EN QUÉ CONSISTE LA GENÓMICA NUTRICIONAL?

El objetivo de la genómica nutricional es estudiar las interacciones de los genes con elementos de la dieta humana, modificando el metabolismo celular y generando cambios en los perfiles metabólicos que pueden estar asociados a la susceptibilidad y al riesgo de desarrollar enfermedades.

Este estudio pretende mejorar la salud y prevenir enfermedades basándose en cambios en la nutrición. Es importante no entenderlo como que los alimentos o nutrientes específicos causan una respuesta determinada a ciertos genes.

Tenemos que distinguir entre lo que son los nutrientes y los alimentos cuando hablamos de dieta. Los nutrientes son los compuestos que formaran parte de nuestro cuerpo, mientras que los alimentos son lo que ingerimos. Estos pueden llevar muchos nutrientes o sólo uno (como la sal).

NUTRIGENÓMICA vs. NUTRIGENÉTICA

Dentro de la genómica nutricional encontramos la nutrigenómica y la nutrigenética, pero aunque por sus nombres nos pueda parecer que quieren decir lo mismo no es así (Figura 1).

La nutrigenómica estudia cómo los alimentos afectan a nuestros genes y a su expresión. En cambio, la nutrigenética estudia cómo los polimorfismos genéticos condicionan como uno mismo reacciona frente a los alimentos.

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Figura 1. Representación esquemática de la diferencia entre nutrigenómica y nutrigenética (Fuente: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

LA NUTRIGENÓMICA EN DETALLE

Los nutrientes pueden afectar a las vías metabólicas y a la homeostasis (equilibrio) de nuestro cuerpo. Si se altera este equilibrio pueden aparecer enfermedades crónicas o cáncer, pero también puede pasar que una enfermedad que ya tengamos sea más o menos grave. Es decir, la alteración del equilibrio puede dar lugar a la aparición, progresión o gravedad de enfermedades.

El objetivo de la nutrigenómica es que no se rompa la homeostasis y descubrir la dieta óptima dentro de una serie de alternativas nutricionales.

Así pues, evitará alteraciones en el genoma, en el epigenoma y/o en la expresión de los genes.

ALTERACIONES EN EL GENOMA

Los radicales libres son subproductos que oxidan lípidos, proteínas o ADN. Estos se pueden generar en las mitocondrias, unos orgánulos que tenemos dentro de las células y producen energía; pero también podemos incorporarlos por agentes externos (tabaco, alcohol, alimentación, productos químicos, radiación).

En cantidades adecuadas nos aportan beneficios, pero en exceso son tóxicos (pueden producir la muerte de nuestras células).

Los antioxidantes neutralizan los radicales libres. Pero ¿dónde podemos conseguir estos antioxidantes? Hay alimentos que los contienen, como nos muestra la Tabla 1.

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Tabla 1. Ejemplo de antioxidantes y algunos alimentos donde los podemos encontrar (Fuente: ZonaDiet)

La manera como cocinamos los alimentos o su cocción es importante para que no se nos generen radicales libres. En las barbacoas, al poner la carne al fuego vivo, las grasas y jugos de la carne caen al fuego causando llamas. Esto produce más llama y se generan PAH (un tipo de radicales libres). Éstos se adhieren a la superficie de la carne y al comérnosla nos puede provocar daño en nuestro ADN.

ALTERACIONES EN EL EPIGENOMA

El epigenoma es la información epigenética global de un organismo, es decir, los cambios en la expresión de los genes que son heredables, pero que no son debidos a un cambio en la secuencia de ADN.

Los cambios epigenéticos pueden depender de la dieta, el envejecimiento o fármacos. El hecho de que se produzcan cambios que no tendrían que estar da lugar a enfermedades como cáncer, enfermedades autoinmunes, diabetes…

Por ejemplo, cuando tenemos hipometilación, en general, las citosinas que tendrían que estar metiladas no lo están. ¿Qué significa esto? La hipometilación silencia genes y hace que no se puedan expresar. Por lo tanto, necesitamos que el ADN esté metilado. Una forma de metilarlo es con alimentos ricos en ácido fólico.

ALTERACIONES EN LA EXPRESIÓN GÉNICA

Hay agentes, como los rayos UV, que activan vías que afectan la expresión génica. Se produce una cascada que activa genes relacionados con la proliferación celular, no diferenciación de las células y que las células sobrevivan cuando tendrían que morir. Todo esto nos provocará cáncer.

Se ha visto que hay alimentos que, por sus componentes, pueden contrarrestar la activación de estas vías, impidiendo que la transducción de señales se dé. Por ejemplo la curcumina (curri), EGCG (té verde) o resveratrol (vino negro).

REFERENCIAS

MireiaRamos-castella

Genòmica nutricional: Alimentació a la carta

Quan Hipòcrates va dir “que el teu aliment sigui la teva medicina, i que la teva medicina sigui el teu aliment” ja sabia que l’alimentació té una influència decisiva en la nostra salut. I d’això ens parla la genòmica nutricional, de la qual parlaré en aquest article; una nova ciència apareguda en la era post genòmica, conseqüència de la seqüenciació del genoma humà (totes les seqüències d’ADN que caracteritzen a un individu) i els avenços tecnològics que permeten l’anàlisi de grans quantitats d’informació complexa.

EN QUÈ CONSISTEIX LA GENÒMICA NUTRICIONAL?

L’objectiu de la genòmica nutricional és estudiar les interaccions dels gens amb elements de la dieta humana, modificant el metabolisme cel·lular i generant canvis en els perfils metabòlics que poden estar associats amb la susceptibilitat i risc de desenvolupar malalties.

Aquest estudi vol millorar la salut i prevenir malalties basant-se en canvis en la nutrició. És important no entendre-ho com que els aliments o nutrients específics causen una resposta determinada a certs gens.

Quan parlem de la dieta hem de distingir entre el que són els nutrients i els aliments. Els nutrients són els compostos que formaran part del nostre cos, mentre que els aliments són el que ingerim. Aquests poden portar molts nutrients o només un de sol (com és la sal).

NUTRIGENÒMICA vs. NUTRIGENÈTICA

Dins la genòmica nutricional trobem la nutrigenòmica i la nutrigenètica, però tot i que pel seus noms ens pugui semblar que volen dir el mateix no és així (Figura 1).

La nutrigenòmica estudia com els aliments afecten als nostres gens i a la seva expressió. En canvi, la nutrigenètica estudia com els polimorfismes genètics condicionen com un mateix reacciona davant dels aliments.

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Figura 1. Representació esquemàtica de la diferència entre nutrigenòmica i nutrigenètica (Font: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

LA NUTRIGENÒMICA EN DETALL

Els nutrients poden afectar a les vies metabòliques i a la homeòstasi (equilibri) del nostre cos. Si s’altera aquest equilibri poden aparèixer malalties cròniques o càncer, però també pot passar que una malaltia que ja tinguem sigui més o menys greu. És a dir, l’alteració de l’equilibri pot donar a l’aparició, progressió o gravetat de malalties.

L’objectiu de la nutrigenòmica és que no es trenqui la homeòstasi i descobrir la dieta òptima dins una sèrie d’alternatives nutricionals.

Així doncs evitarà alteracions en el genoma, en l’epigenoma i/o en l’expressió dels gens.

ALTERACIONS EN EL GENOMA

Els radicals lliures són subproductes que oxiden lípids, proteïnes o ADN. Aquests es poden generar als mitocondris, uns orgànuls que tenim dins les cèl·lules i produeixen energia; però també en podem incorporar per agents externs (tabac, alcohol, alimentació, productes químics, radiació).

En quantitats adequades ens aporten beneficis, però en excés són tòxics (poden produir la mort de les nostres cèl·lules).

Els antioxidants neutralitzen els radicals lliures. Però d’on podem aconseguir aquests antioxidants? Hi ha aliments que els contenen, com ens mostra la Taula 1.

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Taula 1. Exemple d’antioxidants i d’alguns aliments on els podem trobar (Font: ZonaDiet)

La manera com cuinem els aliments o la seva cocció és important perquè no se’ns generin radicals lliures. En les barbacoes, al posar la carn en foc viu, els greixos i sucs de la carn cauen al foc causant flames. Això produeix més flama i es generen PAH (un tipus de radicals lliures). Aquests s’adhereixen a la superfície de la carn i al menjar-nos-la ens pot provocar dany al nostre ADN.

ALTERACIONS EN L’EPIGENOMA

L’epigenoma és la informació epigenètica global d’un organisme, és a dir, els canvis en l’expressió dels gens que són heretables, però que no són deguts a un canvi en la seqüència de l’ADN.

Els canvis epigenètics poden dependre de la dieta, envelliment o fàrmacs. El fet que es produeixin canvis que no hi haurien de ser donen lloc a malalties com càncer, malalties autoimmunes, diabetis…

Per exemple, quan tenim hipometilació, en general, les citosines que hauríem de tenir metilades no ho estan. Què significa això? La hipometilació fa que els gens es silenciïn i no es puguin expressar. Per tant, necessitem que l’ADN estigui metilat. Una forma de metilar-lo és amb aliments rics en àcid fòlic.

ALTERACIONS EN L’EXPRESSIÓ GÈNICA

Hi ha agents, com els raigs UV, que activen vies que afecten l’expressió gènica. Es produeix una cascada que activa gens relacionats amb la proliferació cel·lular, no diferenciació de les cèl·lules i que les cèl·lules sobrevisquin quan haurien de morir. Tot això ens provocarà càncer.

S’ha vist que hi ha aliments que, pels seus components, poden contrarestar l’activació d’aquestes vies, impedint que la transducció de senyals es doni. En són exemple la curcumina (curri), EGCG (te verd) o resveratrol (vi negre).

REFERÈNCIES

MireiaRamos-catala

¿Por qué me parezco a mis padres?

Que nos parezcamos a nuestros padres se debe a la genética. Ésta, es la ciencia que estudia la herencia, es decir, como los hijos se parecen a sus padres, las enfermedades que pasan de una generación a otra… Es una disciplina de la biología en crecimiento, que ha experimentado una expansión acelerada y está afectando de manera decisiva la biología, la salud y la sociedad en general. En este artículo os hablaré sobre qué es la genética y el gran descubrimiento del ADN.

¿CÓMO SE HEREDA LA INFORMACIÓN GENÉTICA?

La información genética se transmite a la descendencia gracias a los genes, que son la unidad de almacenamiento de esta información. Se localizan dentro de los cromosomas y ocupan posiciones concretas. El número de cromosomas es constante dentro de una especie, pero diferente entre otras.

En la especie humana el número de cromosomas es de 46. En cada célula tenemos 46 cromosomas, de los cuales 44 son autosómicos, es decir, cromosomas no sexuales, y 2 que sí que lo son. El conjunto de los 46 cromosomas es lo que llamamos genoma humano.

Nuestro genoma, en realidad está formado por 2 juegos de 23 cromosomas homólogos. Esto significa que los dos juegos tienen las mismas características y uno proviene de nuestra madre a través del óvulo y el otro proviene de nuestro padre a través del espermatozoide (Figura 1). Heredar cada juego de nuestros progenitores es lo que hace que nos parezcamos a ellos, pero también es el medio por el cual podemos heredar algunas enfermedades.

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Figura 1. Cariotipo humano femenino, es decir, la representación gráfica de los cromosomas. Se colocan ordenados por parejas y tamaño, desde el par más grande hasta el más pequeño, más los cromosomas sexuales (Fuente: Mireia Ramos, Cerba Internacional SAE)

LA QUÍMICA DE LOS GENES

Los genes corresponden a regiones del ADN (ácido desoxirribonucleico), formado por la unión de pequeñas moléculas que se llaman nucleótidos. Estos nucleótidos están formados por una pentosa (compuesto de 5 carbonos), un fosfato y una base nitrogenada (compuesto orgánico con un átomo de nitrógeno) (Figura 2). Hay 4 bases nitrogenadas: dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (timina y citosina). Estas bases nitrogenadas son las que diferencian los nucleótidos y su ordenación constituye el código genético.

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Figura 2. Detalle de la química del ADN (Fuente: Eduredes: Los ácidos nucleicos)

Pero todo lo que se conoce sobre el ADN y los genes es reciente. La estructura del ADN fue descubierta por James Watson y Francis Crick el 1953 en Cambridge (Figura 3). Anteriormente se habían hecho estudios para intentar averiguar el parecido entre familiares, pero no fue hasta este descubrimiento que se entendió la química que había detrás.

Figura 3. Francis Crick (derecha) y James Watson (izquierda) con la construcción de la estructura del ADN (Fuente: The DNA store)

EL PRINCIPIO DE SU HISTORIA

Watson, un biólogo americano de 23 años, y Crick, un físico inglés de 35 años, trabajaban juntos en el Laboratorio Cavendish en Cambridge. Pasaron muchos meses construyendo modelos de moléculas y comparándolos con la información que tenían, pero no encontraban la estructura correcta del ADN.

En el King’s College de Londres trabajaban el físico Maurice Wilkins y Rosalind Franklin, una fisicoquímica con formación en cristalografía. Ella hacía fotografías de ADN con rayos X (Figura 4).

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Figura 4. Las 4 personas que contribuyeron al descubrimiento del ADN (Fuente: Biology: The people responsible for the discovery of DNA)

Watson y Crick, después de presentar el modelo erróneo de la triple hélice, hablaron con Maurice Wilkins pidiéndole ayuda y él les mostró una nueva y mejor fotografía del ADN hecha con rayos X, que le había proporcionado Rosalind Franklin, pero sin que ella lo supiera. Ésta era la fotografía número 51 y Watson y Crick la utilizaron para resolver el misterio (Figura 5).

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Figura 5. Explicación de la fotografía 51 que utilizaron Watson y Crick. Primero, una cadena de ADN fue estirada a través de un clip, encima de un trozo de corcho. Después, los rayos X pasaron a través de la cadena de ADN y la difracción fue capturada en papel, creando la foto 51. Finalmente, la “X” en el centro de esta foto es causada por la forma de hélice de las moléculas de ADN de la muestra (Fuente: Seguramente estaré equivocado: La “fotografía 51”)

Cuando el Laboratorio Cavendish todavía se encontraba cerca del Free School Lane, el pub The Eagle era una destinación popular para el personal que trabajaba ahí para ir a comer. El 28 de febrero de 1953, Francis Crick interrumpió la hora de comer de los clientes para anunciar que él y James Watson habían “descubierto el secreto de la vida” después de llegar con su propuesta definitiva de la estructura del ADN. Este día es llamado por algunos como el octavo día de la creación. James Watson dijo que una estructura tan bonita por fuerza tenía que existir, refiriéndose a la estructura de doble hélice del ADN. También dijo que antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas, pero ahora sabemos que está en nuestros genes.

El 25 de abril de 1953 se publicó el artículo, de 900 palabras, firmado por Watson y Crick sobre su descubrimiento en la revista Nature (Figura 6). Tres años antes se publicó la ley de Chargaff, que fue una de las bases para postular la teoría de la doble hélice del ADN. Esta ley establece la complementariedad de las bases nitrogenadas en el ADN, es decir, la base adenina (A) se apareja con la base timina (T) y lo mismo pasa con la guanina (G) y la citosina (C) (Figura 2). De manera que la suma de bases nitrogenadas púricas (A y G) es igual a la suma de las pirimidínicas (T y C).

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Figura 6. Artículo publicado en la revista Nature, donde se muestra la fotografía 51 (Fuente: The DNA store)

IMPACTO DE LA GENÉTICA HOY EN DÍA

Se ha argumentado que el descubrimiento del ADN, así como la comprensión de su estructura y función, puede ser el descubrimiento más importante del siglo pasado. El efecto del descubrimiento del ADN en el progreso científico y médico ha estado enorme, como el de la creación y fabricación de medicamentos para tratar estas enfermedades devastadoras. De hecho, la identificación de estos genes y su posterior análisis, en términos de tratamiento terapéutico, han influido en última instancia en la ciencia y seguirán haciéndolo en el futuro.

Mientras el descubrimiento del ADN ha estado significado en el siglo XX, continua revolucionando la medicina, la agricultura, las ciencias forenses, la paternidad y muchos otros campos en la sociedad hoy en día. La investigación del ADN abarca un área de evolución del progreso y la continuación del financiamiento e interés por su relevancia probablemente impulsará nuevos descubrimientos en el futuro.

REFERENCIAS

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