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Ciencia

Desiertos fértiles

Desarrollan un método para detectar secuencias funcionales de ADN en medio de inmensidades desprovistas de genes

Marcelo de Aguiar Nóbrega es un hijo de la ciudad nordestina de Recife, que eligió California como lugar para vivir, pero mantiene prudencial distancia de las olas y la playa. Su pasión son los desiertos – de genes, entiéndase bien. Al cabo de tres años de búsqueda en aquel tercio del genoma humano en cuyas arenas se creía que no había siquiera sombra de genes, y que por eso fue durante años injustamente glosado como ADN basura, el investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, de Estados Unidos, empieza a cosechar resultados de altos quilates: no solamente las dunas genómicas están llenas de oasis, bajo la forma de secuencias de ADN con funciones poco conocidas aún, sino que el brasileño se ubica a la vanguardia de los métodos de mapeo.

Los hallazgos están rindiéndole a este recifense de 32 años artículos en publicaciones de alto impacto, como ScienceNature. El primero llegó bajo la forma de un pequeño informe en Science, el 17 de octubre del año pasado, intitulado “Barredura de los desiertos génicos humanos en busca de amplificadores de larga distancia”. El próximo manuscrito lo han aceptado para su publicación en una revista de primera línea, pero se encuentra aún sin fecha definida para ello. Por ahora, los nuevos resultados solamente se presentaron en encuentros científicos, como el 50° Congreso Brasileño de Genética, realizado en Florianópolis entre los días 7 y 10 de septiembre. Entre uno y otro, la investigación del laboratorio de Edward Rubin, donde Nóbrega trabaja, fue objeto de noticias en la propia Science en junio, y en Nature Reviews Genetics, en diciembre del año pasado.

Los descubrimientos del grupo son tan intrigantes como el término enhancers, o amplificadores, en una traducción aproximada. Los enhancers son secuencias de ADN que modulan la expresión de los genes en la célula, y favorecen la producción de las proteínas por ellos especificadas. Se suponía hasta ahora que ese género de elemento regulador se ubicase siempre cerca de los genes propiamente dichos, es decir, de sus módulos así llamados codificantes (los exones, que especifican el tipo y el orden de los aminoácidos que compondrán la proteína correspondiente), o al menos de los no codificantes (intrones). Sin embargo, el trabajo de genómica comparativa del equipo de Rubin y Nóbrega ha demostrado que esos moduladores pueden estar paradójicamente a centenas de miles de pares de bases de aquello que modulan – en medio de desiertos génicos.

“Por usar una metáfora: imagínese que los elementos regulatorios de un gen sean equivalentes al interruptor de una lámpara”, explicó Nóbrega durante el curso que dio en el congreso de Florianópolis, que llenó el salón Flores del resort Costão do Santinho. “Normalmente usted pensaría que el interruptor de la lámpara de su cuarto está en el cuarto, ¿no es cierto? Lo que nosotros demostramos ahora es que es posible que ese interruptor esté en el garaje de una casa de la manzana contigua.”

Nóbrega estudió medicina en la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), donde ingresó a los 16 años, pues se alfabetizó a los 4. “Mi mamá puso a sus hijos temprano en la escuela para librarse de nosotros”, comenta. En una familia en que todos son ingenieros, incluso su hermano gemelo, él fue el único que se aventuró en la medicina y en la investigación. Comenzó como pasante en un laboratorio de la UFPE, investigando fisiología (hipertensión) durante tres años con Ana Maria Cabral, y antes incluso de graduarse fue al laboratorio de Allen Cowley, de la Universidad de Wisconsin con sede en Milwaukee, Estados Unidos, pues quería “exponerse a hacer investigación más seria aún”. Para ello interrumpió el estudio formal por seis meses a mitad de camino, pero después regresó a Recife para concluir la carrera de medicina. En 1995, a los 23, lo admitieron para hacer el doctorado en Wisconsin.

Con el Proyecto Genoma Humano acercándose a su conclusión, dejó a un lado la hipertensión y se abocó a estudiar biología molecular con Howard Jacob, a quien Wisconsin sacara poco antes de Harvard a peso de oro. Un vez que concluyó el doctorado, buscó un laboratorio que trabajase con genes y enfermedades, y para ello le golpeó la puerta a Eddy Rubin. Pese a cierta incompatibilidad de estilos de vida – el jefe es fanático del surf y habla con los pupilos sin perderle el rastro a un servicio californiano online sobre el swell, o intensidad de las olas –, Nóbrega aceptó en el acto una misión que parecía destinada al fracaso; de esto hace tres años: iniciar una línea de genómica comparativa para escudriñar los desiertos.

Cuando se refiere a los desiertos génicos, Nóbrega evoca ese 25% ó 30% del genoma humano que compone regiones intergénicas con más de 500 mil pares de bases (o kb, la medida estándar de la genómica). Estas regiones intergénicas habían sido calificadas como desiertos e incluidas con varios tipos de secuencias repetitivas en el ADN basura, así llamado debido a que no participa directamente en lo que se consideraba que era la función por excelencia del ADN: especificar aminoácidos.

El valor del ADN basura se tornó aún más sobresaliente cuando el alineamiento de las secuencias de los genomas del hombre y del ratón reveló entre los desiertos génicos centenas de tramos con al menos 200 pares de bases idénticos, o casi idénticos. Ese trabajo de búsqueda en masa de secuencias no codificantes ultraconservadas salió publicado el 28 de mayo de este año en Science, por David Haussler, de la Universidad de California con sede en Santa Cruz (UCSC), Estados Unidos. Con todo, una de las primeras las había descubierto el equipo de Rubin.

Ya se sabe que hay alrededor de 1.250.000 regiones evolutivamente conservadas, con una extensión de al menos cien pares de bases y un 70% de coincidencia entre los genomas del hombre y del ratón. El 80% de éstas se sitúa en regiones no codificantes (no exones) y un 58% en el espacio intergénico (no exón y no intrón). El hecho de que estas secuencias de ADN se encuentren tan conservadas luego de más de 70 millones de años de divergencia evolutiva entre primates y roedores hace suponer que las mismas tengan efectivamente alguna función. Pero el problema era descubrir cuál era. Nóbrega le aceptó a Rubin hacerse cargo de eso cuando se mudó de Wisconsin a California.

Una de las especialidades del laboratorio de Rubin en el Lawrence Berkeley es producir ratones genéticamente modificados, y Nóbrega sacó partido de ello. Allí se injertan 500 óvulos de roedor por día con ADN, lo que redunda en un promedio diario de entre 15 y 20 animales con modificación genética exitosa. El grupo escogió nueve secuencias desérticas para las pruebas destinadas a descubrir si tenían alguna función desconocida. Todas estaban presentes en regiones genómicas áridas que flanqueaban a un gen importante en el desarrollo embrionario: el DACH, que tiene 430 kb de extensión y sus vecinos son desiertos de 1.330 kb y 830 kb. La prueba propiamente dicha consistió en confeccionar ratones con una copia de cada una de esas secuencias acoplada a un gen de bacteria que, cuando se activa, hace que la célula completa que lo activó se tiña de azul.

Analizando los fetos de los roedores transgénicos, Nóbrega observó que siete de las nueve secuencias escogidas participaban de alguna manera en el desarrollo embrionario, pues varios órganos y estructuras – como lo son partes del sistema nervioso, los ojos y la médula espinal, exactamente los tejidos donde el gen DACH suele estar activo – quedaron azules. De acuerdo con el investigador del nordeste de Brasil, las lecciones de este trabajo  – publicado en Science en octubre de 2003 – fueron dos: “Una: que desiertos génicos no contienen genes, pero pueden contener secuencias que son críticas para las funciones de genes ubicados en la vecindad; y dos: que elementos reguladores de genes pueden estar a distancias increíbles del mismo, mucho más grandes de lo que antes se imaginaba”.

Sin embargo, siete áreas desérticas con función comprobada son casi nada ante más de un millón de secuencias ultraconservadas entre humanos y ratones. Partiendo de la presunción de que la mayoría quizá no tenga una función importante, es decir, que correspondería efectivamente algún tipo de basura, el grupo fue en busca de un filtro capaz de discriminar aquellos tramos con mayores probabilidades de desempeñar alguna función. El paso siguiente se dio con la ayuda de un pariente vertebrado aún más lejano del hombre: un pez, más precisamente un tipo de pez globo venerado en la cocina japonesa: Fugu rubripes , del cual nos separamos hace 450 millones de años. Su genoma había sido poco antes publicado. En lugar de compartir más de un millón de secuencias con el pez globo, compartimos solamente 40 mil regiones conservadas, un 56% en exones y solamente un 36% en espacios intergénicos.

Para Nóbrega, esto significa que estas secuencias probablemente estén implicadas en lo más básico que existe en el plano corporal de todos los vertebrados, no importa si son éstos terrestres, alados o acuáticos. Si se alteran debido a una mutación, probablemente hacen que el individuo mutado se vuelva inviable. Esto acarrea la inmediata remoción de aquella variante delpool genético, permitiendo así la conservación de aquellos tramos cruciales de ADN, incluso fuera de los genes, por casi 500 millones de años. En síntesis: tenían consigo una probable y excelente guía para descartar desiertos conservados de menor interés sugeridos en profusión por la simple comparación entre hombre y ratón. Pero antes era necesario probar qué secuencias mantenidas por 70 millones de años eran de hecho menos esenciales que las de 450 millones de años.

Estos fueron los experimentos que presentó Nóbrega en su curso en el Congreso Brasileño de Genética hace un mes, cuyos resultados se publicarán en breve en una revista de primera línea. Un total de 15 secuencias desérticas conservadas del ratón al hombre, no así desde el pez globo, fueron objeto de pruebas con ratones, y solamente una de éstas reveló su función – una proporción mucho menor que las 7 del total de 9 vecinas del gen DACH. “¿Y los otros 14 tramos?”, pregunta el brasileño. “No tenemos idea acerca de qué pueden ser y qué actividad tienen, si es que tienen alguna actividad.”

Pero el grupo del Lawrence Berkeley decidió ir más allá, pues no se excluía la posibilidad de que la ausencia de actividad de las secuencias seleccionadas fuese una creación del diseño experimental, es decir, del tipo de función que el método empleado con el gen DACH tenía capacidad de revelar. Para ello, Nóbrega echó mano de aquello que denomina ensayo de fuerza bruta: pura y simplemente remueve algunas de esas secuencias del genoma de los ratones para ver qué sucede. Y efectivamente, es fuerza bruta: arrancaron así nomás dos desiertos enteros, uno con 1,5 millones de bases, y otro con 800 mil, solamente para ver el daño causado y descubrir posibles funciones. Nada sucedió.

“Arquitectamos las mayores deleciones ya efectuadas en ratones”, comentó Nóbrega en su curso. “Sorprendentemente, no solamente los ratones con las delecciones que hicimos fueron viables, sino que ellos crecieron, se reprodujeron y no desarrollaron ninguna anormalidad aparentemente. Es decir, parece que lo que arrancamos equivale efectivamente a un pedazo del genoma menos importante, o de mínima, menos crítico que otros”. No siquiera se observó algún tipo de inestabilidad cromosómica, aunque en uno de los casos se delecionó casi el 10% del cromosoma del animal.

No fue en vano que este trabajo, aun antes de su publicación, llamó la atención deScience . En el artículo publicado el 11 de junio, el genetista Jim Hudson, de la empresa Open Biosystems, de Alabama, Estados Unidos, declaró abiertamente su incredulidad: “Nocautear dos megabases y no obtener efecto es algo notable”. Más escéptico todavía se mostró Arend Sidow, de la Universidad Stanford: “No puede ser verdad”. Ambos afirmaron a la revista norteamericana que probablemente las regiones delecionadas cumplen funciones que los ensayos no fueron capaces de detectar.

Nóbrega no descarta dicha hipótesis, pero sostiene que el resultado no es tan absurdo si se lo observa a la luz de descubrimientos recientes sobre la ocurrencia en seres humanos normales de deleciones espontáneas y agregados enormes de ADN, también del orden de entre 100 mil a 2 millones de bases. “Todo empieza a encajarse y a cobrar sentido”, dice. Los trabajos fueron publicados por Jonathan Sebat y sus colaboradores en Science de 23 de julio, y por John Iafrate y sus colegas en Nature Genetics del mes pasado. Aparentemente, esas alteraciones se asocian a la variación fenotípica entre individuos, es decir, representan una fuente antes insospechable – una más – de aquello que lo genetistas denominan polimorfismos.

“Comienza ahora una nueva carrera para ver quién logra – en forma más completa, rápida y barata – escanear el mayor número posible de genomas en busca de esas variaciones a gran escala”, resume Nóbrega. “Por suerte para mí, yo ya venía pensando en esto desde hace algún tiempo, por eso creo que empecé antes que los otros”. El investigador brasileño dice que su próxima meta será combinar la genómica comparativa con la ingeniería genética para diseñar un mapa de variaciones naturales en la arquitectura del genoma, por medio de deleciones a gran escala, y de su impacto en la biología y la fisiopatogenia de los organismos. “Todo el genoma es ahora un blanco para buscar secuencias funcionales.”

Este trabajo está dando frutos sorprendentes, con miras al entendimiento de la complejidad del genoma. Primero se descubre que hay varios oasis en medio de los desiertos génicos. Luego, que no todo aquello que parece serlo es un oasis efectivamente; es decir, algunos desiertos son tan desiertos que pueden producir espejismos – cuando el investigador se limita a comparar cromosomas humanos con los de los ratones.

La fuerza bruta que Nóbrega empleó con los roedores, al menos le ha permitido sugerir una solución parcial a la cuestión planteada por su jefe en Science: ¿el genoma sería una novela descartable, de la cual se pueden arrancar cien páginas sin ningún problema, o será como una obra de Ernest Hemingway, donde la trama se deshace si tan solo una página se pierde? Una respuesta a la brasileña: “Parece efectivamente que el genoma es una novela de la red Globo, y no un Código Da Vinci “.

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