Genómica.

Viviana Echenique; Juan P. Selva; Mauro Meier; Pablo Roncallo; Gustavo Schrauf.

Introducción.

La genómica se desarrolló en las últimas dos décadas como consecuencia de los avances realizados en biología molecular e Informática, dos áreas de la ciencia que han tenido un desarrollo tecnológico enorme, generando una revolución en el conocimiento y en la comprensión de los procesos biológicos.

Se dividirse en:

Genómica estructural, que se ocupa de la caracterización física de los genomas. Genómica funcional, que caracteriza el transcriptoma, que está constituido por el

conjunto completo de transcriptos producidos por un organismo, el proteoma o conjunto de proteínas codificadas por un genoma, y el metaboloma o conjunto total de metabolitos de una célula, consecuencia de la función de los ARN y proteínas.

El objetivo de la genómica es la dilucidación completa y exacta de la secuencia de ADN de un genoma haploide representativo de una especie.

Comparar secuencias similares presentes en diferentes entidades biológicas y comprender la función de las mismas.

Realizar predicciones acerca de todas las proteínas codificadas por una especie. Establecer las variaciones genéticas entre distintas poblaciones de una misma

especie.

También es posible estudiar todos los genomas bacterianos asociados a genomas más complejos, sin necesidad de aislar y de cultivar especies microbianas particulares. Esto se denomina metagenómica. Más recientemente ha surgido la denominada “Genómica Sintética”, que pretende crear formas sintéticas de vida recreando genomas artificiales, células con vías metabólicas predeterminadas y propiedades catalíticas especificas.

Panorama global acerca de la forma en que se articulan los proyectos de genómica:

Genómica estructural.La genómica estructural procede a través de niveles incrementales de resolución analítica, comenzando con la asignación de genes y marcadores a cromosomas individuales, mapeando estos genes y marcadores dentro de los cromosomas, finalizando con la preparación de un mapa físico a través de la secuenciación.

Asignación de loci a crosomas específicos.Se utilizan los siguientes métodos: Ligamiento a loci conocidos: análisis tradicional basado en cruzamientos, en especies en las que es factible hacerlo.Electroforesis de campo pulsátil: se usa en el caso de especies que poseen cromosomas pequeños, separables por esta técnica, como sucede con los de levaduras. Las bandas en el gel corresponderían a cromosomas individuales y pueden utilizarse para localizar nuevos genes por hibridación. Híbridos celulares interespecíficos, por ejemplo humano-ratón. Se utiliza

exclusivamente en mapeo del genoma humano o de especies animales. Se establecen bancos de líneas celulares que contengan todos los cromosomas del roedor y un cromosoma humano particular. Siempre incluye un cromosoma humano que lleva un alelo salvaje defectivo para una función bioquímica determinada en el genoma del ratón.

Ubicación de los genes a lo largo del cromosomaEl próximo nivel de resolución consiste en determinar la posición de un gen o marcador molecular sobre el cromosoma.

Mapeo por recombinación: en los casos en que ha sido factible hacerlo (organismos experimentales como levaduras, mosca de la fruta, ratón, Arabidopsis, etc.) ha posibilitado la construcción de mapas que a lo largo de los años aparecen repletos de genes con efectos fenotípicos determinados.

Hibridación in situ: cuando se dispone de un gen clonado éste puede ser utilizado como para hibridar con los cromosomas in situ, para lo cual se lo marca radiactivamente o por fluorescencia.

Mapeo físico de los cromosomas: aporta un nivel de resolución mayor. Se trata de identificar un conjunto de fragmentos de ADN clonados superpuestos que, juntos representen un cromosoma o un genoma completo.

Secuenciación a gran escala del genoma Generación de bancos de EST (etiquetas de secuencias expresadas)La complejidad de los genomas eucariotas hace aconsejable, como primera aproximación, no abordar el estudio del genoma completo.Es preferible estudiar sólo una fracción del mismo, es decir, aquellos genes que se están expresando en un momento determinado de la vida del organismo.Secuenciación genómica La aproximación anterior no permite identificar genes que se expresan a bajo nivel o en situaciones fisiológicas no consideradas o regiones no representadas en el ARNm.

Secuenciación de los clones y ensamblado de los fragmentosEl clonado comienza obteniendo un número elevado de fragmentos al azar que se clonan en un vector apropiado. En la preparación de mapas físicos de genomas se utilizan vectores como los cósmidos, YACs, BACs y PACs, que aceptan insertos de gran tamaño (Parte I, Cap 4). Ordenamiento de los clonesSe utilizan varias técnicas para ordenar los clones en contiguos. Entre ellas:

STS («sequence tag sites» o sitios de secuencia marcada): son secuencias cortas de insertos grandes clonados. Se reúne un conjunto de clones al azar y se cortan en fragmentos más pequeños que se clonan en λ y se secuencian pequeñas regiones de cada uno.

Utilización de mapas genómicos para el análisis genéticoLos mapas genéticos y los físicos son un importante punto de partida para varios tipos de análisis genético, incluyendo el aislamiento de genes y genómica funcional. Análisis funcional de los genesUna vez secuenciado el genoma completo pueden identificarse la mayoría de los genes de una especie. Restaría entonces determinar cuál es la función de cada uno de ellos y cómo interaccionan para definir un fenotipo determinado. La genómica funcional intenta resolver esta cuestión a través del estudio de:

ModelosEl mapeo comparativo ha demostrado que la organización de los genes dentro de los genomas ha permanecido muy conservada a través de la evolución, existiendo estrechas relaciones de colinearidad entre los genomas de casi todas las gramíneas cultivadas, entre las solanáceas, entre las brasicaceas cultivadas y Arabidopsis, entre los pinos, rosáceas y varias leguminosas.

Algunas generalizaciones acerca de los genomasLos estudios en especies modelo han permitido arribar a varias generalizaciones. Una de ellas es que el número de genes no es la base de la complejidad. En humanos, los genes ocupan una cuarta parte del genoma, y sólo el 1,5% codifica para proteínas. Aproximadamente la mitad del genoma humano consiste de secuencias repetitivas, siendo la mayoría elementos transponibles que se propagan replicándose e insertando una copia de sí mismos en otras regiones del genoma.

Genómica y Agricultura Especialistas en varias disciplinas han llegado a la conclusión de que el alcance de la genómica será mayor en lo que se refiere a la economía y la calidad de vida que en el ámbito de la salud humana.

La genómica comparativa, basada en el análisis de ESTs de diferentes plantas tolerantes a estreses abióticos, ha permitido la identificación de redes de genes comunes asociados con estreses ambientales, tales como salinidad, sequía, bajas y altas temperaturas.

Como ejemplos pueden citarse Agrostis adamsonii y Agrostis robusta, tolerantes a salinidad, Microlaena stipoides, tolerante a aluminio y Deschampsia antarctica, tolerante a bajas temperaturas (la única gramínea que crece en la Antártida) (Fig. 9).

Aportes de la genómica al mejoramiento de cereales

El trigo pan (Triticum aestivum L 2n= 6x= 42; AABBDD) es uno de los principales cultivos alimenticios ya que provee cerca del 55% de los carbohidratos consumidos por el hombre. La genética de este cultivo resulta compleja, es de naturaleza hexaploide, con tres genomas homeólogos denominados A, B y D que aportan 7 pares de cromosomas cada uno.

Se comprobó que largos segmentos de los cromosomas de maíz, sorgo, arroz, trigo y cebada conservan la presencia y el orden de marcadores y genes, aunque en algunos casos la correspondencia cromosómica fue modificada por duplicaciones, inversiones o translocaciones.

Genomas trabajadores.La genómica aplicada a dilucidar los mecanismos por los cuales funcionan los microorganismos puede conducir al aislamiento de sus componentes para desarrollar nanoestructuras que lleven a cabo funciones complejas. Como ejemplos pueden citarse:Methanococcus jannaschii: es una bacteria que produce metano, una importante fuente de energía. Contiene enzimas que soportan temperaturas y presiones elevadas por lo que son potencialmente útiles para fines industriales.Deinococcus radiodurans: soporta niveles de radiación extremadamente elevados por lo cual tiene un alto potencial para limpiar desechos radiactivos.Thalassiosira pseudonana: se trata de una diatomea marina que es la principal participante en el bombeado biológico de carbono hacia las profundidades de los océanos, por lo que posee un elevado potencial para mitigar los cambios climáticos del planeta.