Genómica Veterinaria
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Fecha: 16-01-2002
Extracto de la Conferencia pronunciada por: Ilmo. Sr. Dr. Javier Cañón Ferreras en la Real Academia de Ciencias Veterinarias el 16-01-2002
http://www.racve.es/actividades/zootecnia/2002-01-16JavierCanon.htm
INTRODUCCIÓN
Hace apenas un siglo que se proponía el nombre de Genética para la nueva ciencia que tenía como objeto central de sus estudios a los genes. Sin embargo, ya hacía más de 10.000 años que el hombre manipulaba los genes de diversas especies ganaderas logrando importantes modificaciones en gran número de caracteres. Un ejemplo visible de este efecto lo constituye la enorme variabilidad del tamaño lograda entre las diferentes razas caninas. Precisamente, a esta variabilidad de las especies domésticas lograda mediante selección artificial dedicó Darwin el primer capítulo de su obra El Origen de la Especies (1859).
Para muchos fue Mendel el precursor de esta ciencia al demostrar, mediante unos elegantes experimentos publicados en 1866, la existencia de elementos biológicos discretos que se transmitían de padres a hijos y podían explicar los fenómenos de herencia observados. Sin embargo, la atención de los investigadores estaba más en los mecanismos de la evolución que en los de la herencia y más en los caracteres continuos que en los discretos, de tal manera que estos resultados pasaron desapercibidos y hasta 1906 no se aplicaron estas hipótesis a los animales domésticos, precisamente por el inspirador de la denominación de genética, William Bateson, y concretamente en gallinas.
Casi desde el comienzo de esta ciencia se constituyeron dos tendencias que reflejaban tanto el tipo de caracteres de que se ocupaban, como el nivel al que planteaban el estudio de los genes. Estas dos tendencias, que como suele ocurrir con frecuencia tuvieron enfrentamientos calificados por muchos como agrios, fueron la escuela estadística o biométrica liderada por Galton y sus seguidores, Weldon, quien llegó a dudar de la universalidad de las hipótesis de Mendel, y Pearson cuyo objetivo eran los caracteres de distribución continua, como el peso o la estatura, caracteres en general de herencia compleja, y la escuela experimental o mendeliana liderada por Bateson y sus seguidores que se ocupaba de caracteres de herencia simple o, como los llamaba Pearson, de herencia exclusiva. El trabajo desarrollado durante el primer tercio del siglo XX por Fisher, Haldane y Wright logró la coalescencia de ambas escuelas, al menos desde una perspectiva formal. Surgió la genética cuantitativa y la genética de poblaciones que se ocuparon respectivamente de la herencia de caracteres complejos y de la composición genética de las poblaciones.
La mayoría de los caracteres de interés en veterinaria son variables cuantitativas, el resultado de la interacción entre factores ambientales y un elevado número de genes, de tal manera que su distribución estadística se ajusta a una variable continua. Este es el caso de caracteres como el rendimiento lechero, la velocidad del crecimiento, el peso a una edad determinada, o el rendimiento a la canal. Existen también caracteres de interés en veterinaria que a pesar de manifestarse como una variable estadística discreta se consideran cuantitativos al seguir un modelo de herencia compleja, con múltiples genes actuando simultáneamente modulados por factores ambientales, este sería el caso de la incidencia de enfermedades, el tamaño de camada, la fiereza, o la mortalidad. La mayoría de estos caracteres manifiestan un nivel de heredabilidad suficiente como para poder ser modificados mediante herramientas clásicas de selección genética en el contexto de esquemas de mejora. Dos son los elementos fundamentales que condicionan en un esquema de mejora las posibilidades de progreso genético: la eficiencia y magnitud de la recogida de datos fenotípicos (a millones de vacas le son registradas mensualmente su producción lechera) y el registro genealógico que permite la conexión genética de toda la información fenotípica recogida en el esquema de mejora.
Estos métodos han proporcionado espectaculares incrementos de productividad en todas las especies en las que han sido aplicados durante los últimos 50 años, y estos éxitos, logrados con la casi exclusiva aplicación de genética cuantitativa, es una de las causas posibles que contribuyeron a descuidar, a diferencia de lo que ocurrió en genética vegetal o en genética humana, la inversión en otras áreas de la genética, manteniendo hasta años muy recientes una posición escéptica sobre la eficiencia de la biotecnología en la producción ganadera.
Sin embargo, las iniciativas llevadas a cabo a propósito de los proyectos para secuenciar el genoma humano han servido de catalizador para cambiar en los últimos 10 años el interés de los genéticos hacia la geonómica.
La geonómica es una subdisciplina de la genética que tiene por objetivo la caracterización molecular de genomas completos. Surge de la integración de las cinco áreas tradicionales de genética (genética mendeliana, citogenética, genética molecular, genética de poblaciones y genética cuantitativa) con nuevas tecnología de informática y robótica.
Dos son las áreas básicas que conforman la geonómica: geonómica estructural y geonómica funcional.
GENÓMICA ESTRUCTURAL
La genómica estructural pretende la caracterización física de los genomas completos: localización de los genes en los cromosomas, construcción de mapas genéticos, de mapas físicos y, en última instancia, la secuenciación completa del genoma.
Se puede considerar que la mayoría de los proyectos genómicos están aún en esta etapa de geonómica estructural.
En 1996 se publicó la primera secuencia completa de un organismo eucariota, el de la levadura Sacharomyces cerevisiae, un año antes se había publicado la primera secuencia de un organismo procariota, el Haemophilus influenzae. Con posterioridad, han ido apareciendo secuencias prácticamente completas de otros organismos muy utilizados como modelos en el análisis genético clásico, como el de la mosca del vinagre Drosophila melanogaster, el nematodo Caenorhabiditis elegans, la planta Arabidopsis thaliana y en el año 2001 se publicó un esquema que incluía aproximadamente el 90 % de la secuencia completa del genoma humano, con algunos años de adelanto sobre las previsiones iniciales.
Otros organismos de interés en veterinaria, como bacterias, hongos o parásitos han recibido también la atención de la geonómica, fruto de la cual está previsto que en los próximos 2 años los genomas completos de unas 70 especies estarán disponibles.
Muchos son los hitos que se pueden señalar como responsables del gran desarrollo actual de la geonómica, entre ellos señalaremos los que, a nuestro juicio, han tenido una mayor contribución inmediata al desarrollo de la geonómica estructural.
En 1970, Daniel Nathans y Hamilton Smith descubrían un tipo especial de enzimas que cortaban el ADN en puntos que tenían una secuencia nucleotídica específica. Estas enzimas recibieron el nombre de endonucleasas de restricción o simplemente enzimas de restricción, y a los puntos de corte reconocidos por estas enzimas dianas de restricción. Estas enzimas son producidas por bacterias como un mecanismo de defensa frente a los fagos, estando ausentes de la mayoría del resto de los seres vivos. Muchas de estas enzimas cortan el ADN de tal manera que se generan extremos cohesivos, que pueden formar puentes de hidrógeno, esto es, unirse con secuencias complementarias, independientemente del organismo del que provengan. Esta propiedad permite obtener quimeras de ADN, lo que no representa otra cosa que la posibilidad de construir ADN recombinante artificial. Esto fue lo que logró Paul Berg en 1972 después de aislar moléculas de ADN de distintos orígenes, cortarlos mediante enzimas de restricción y unirlos en un tubo de ensayo.
La trascendencia de este hito radica en el hecho de que estos procedimientos constituyen la base de gran parte de la ingeniería genética actual.
En 1977 se presentaron dos métodos diferentes que permitían determinar la secuencia nucleotídica del ADN, es decir, su secuenciación automática. Uno fue desarrollado por Allan Maxam y Walter Gilbert, y el otro, en la actualidad el método de elección, por Fred Sanger. A partir de estos métodos fue posible conocer la secuencia concreta de muchos de los genes descritos hasta entonces y en la actualidad continua siendo la técnica básica para llevar a cabo el objetivo último de la geonómica estructural.
Uno de los avances más espectaculares para el desarrollo de la geonómica en los actuales niveles fue la técnica descrita por Kary Mullis en 1985 conocida como reacción en cadena de la polimerasa o PCR (Polymerase Chain Reaction) que permite replicar regiones concretas de una hebra de ADN generando un número muy elevado de copias del fragmento inicial. Esta técnica fue posible gracias al descubrimiento de una polimerasa termoestable (la polimerasa es una enzima que cataliza la polimerización de los nucleótidos) denominada Taq que es obtenida a partir de la bacteria Thermus aquaticus.
Para obtener una copia in vitro de ADN es necesario proceder previamente a su desnaturalización (separación física de las dos hebras) mediante la aplicación de calor. Desnaturalizado el ADN es posible, después de haber bajado la temperatura, el inicio de su copia a partir de unos cebadores y de la mediación de la enzima polimerasa que permite la elongación en sentido convergente de la hebra de ADN copia a partir de esos cebadores. Una vez que la replicación del segmento delimitado por los cebadores se ha completado se procedería a desnaturalizar por el calor a las dos nuevas moléculas de ADN procediendo a un segundo ciclo tras bajar la temperatura y siempre que existan en el medio los componentes necesarios para la polimerización (dNTPs y Taq).
Es fácil advertir las múltiples aplicaciones de esta técnica en cualquier laboratorio veterinario de genética molecular, algunas de las cuales veremos a continuación.
El cuarto hito al que quisiéramos referirnos es el descubrimiento de los marcadores moleculares, a los que, por su especial relevancia en múltiples aplicaciones veterinarias, dedicaremos una especial atención.
Marcadores moleculares
Los marcadores moleculares son fragmentos de ADN que sirven de referencia para seguir la transmisión de un segmento de cromosoma de una generación a otra. En un sentido restringido, un marcador genético es una entidad genética que manifiesta polimorfismo y se hereda de forma mendeliana. El interés por detectar variación molecular para diversas aplicaciones ha conducido a un enorme incremento en el tipo y número de marcadores disponibles para análisis genético.
En un cromosoma estándar de un organismo eucariota, el centrómero, región que divide al cromosoma en dos brazos, es una zona rica en secuencias satélites cuyo ADN no se transcribe presentándose en forma de grandes bloques repetidos con una composición de bases, y por tanto una densidad, que puede diferir sustancialmente de la del resto de ADN celular. En las regiones teloméricas, los extremos del cromosoma, encontramos otro tipo de ADN repetido que sigue un patrón de repetición en forma de grandes bloques de ADN. Estas secuencias de ADN reciben el nombre de minisatélites.
A lo largo de todo el cromosoma y con preferencia fuera del centrómero, encontramos otro tipo de ADN repetitivo que no se transcribe y cuya unidad de repetición es muy corta y recibe el nombre de secuencias microsatélites.
Los genes están situados a lo largo de todo el cromosoma en regiones de cromatina más activas y que se caracterizan por ser poco receptivos a la tinción con Giemsa.
Tipos de marcadores
Aunque ya en 1910 Landsteiner descubrió lo que pueden ser considerados como primeros marcadores genéticos, los grupos sanguíneos, a los que siguieron otros marcadores como los polimorfismos bioquímicos o las inmunoglobulinas del HLA (Human Leucocyte Antigen). El escaso número de variantes polimórficas limitó mucho el uso de esas herramientas en cualquiera de las diferentes aplicaciones en las que los marcadores han demostrado su utilidad. Por ello, estos marcadores dejaron de utilizarse a partir del momento en que se describieron los nuevos marcadores moleculares que vamos a comentar.
RFLPs o Polimorfismos de Longitud de Fragmentos de Restricción: El corte de ADN genómico por parte de una endonucleasa de restricción genera una serie de fragmentos cuya longitud está dictada por el reconocimiento de la secuencia de nucleótidos que conforman la diana. Los cambios nucleotídicos que afectan a estas dianas (haciéndolas aparecer o desaparecer) permiten detectar el polimorfismo entre dos individuos. Este polimorfismo se evidencia por migración del ADN fragmentado en un soporte físico sometido a un campo eléctrico.
RAPD o Polimorfismos de ADN amplificados al azar: En una PCR estándar, el acotamiento del fragmento, se realiza mediante dos cebadores diferentes que corresponden a la secuencia complementaria de cada una de las dos cromátidas de ADN. Este hecho conlleva la obligación de conocer la secuencia que se va a amplificar para poder diseñar los cebadores. Sin embargo, en los RAPD (Random Amplified Polymorphism DNA)los cebadores utilizados son especialmente cortos (10 bases) y se utilizan de forma individual en reacciones de PCR con un nivel de especificidad muy bajo. De esta forma se genera un patrón de bandas sencillo que dependerá de la capacidad de los cebadores para encontrar zonas parcial o totalmente complementarias que puedan acotar una secuencia corta. En función de la secuencia nucleotídica, la amplificación evidenciará el polimorfismo existente entre dos individuos, dando lugar o no a determinadas bandas.
AFLP o Polimorfismos de longitud de fragmentos amplificados: Los AFLPs (Amplified Fragment Length Polymorphism) o polimorfismos de longitud de fragmentos amplificados constituyen un procedimiento patentado que se desarrolló en plantas hace unos doce años. Estos marcadores se consiguen utilizando tanto enzimas de restricción, al igual que en el procedimiento de los RFLP, como la reacción en cadena de la polimerasa. Como consecuencia, se generan unos patrones de bandas muy complejos en dónde es fácil encontrar polimorfismo.
STRs o microsatélites: En el año 1989 se identificaron los microsatélites al descubrirse que existían zonas del ADN no codificante que contenían repeticiones de mono, di, tri o tetranucleótidos un número variable de veces (entre 10 y 20 de media). Los microsatélites se llamaron primero VNTR (Variable Number of Tandem Repeats) porque la unidad repetible estaba presente un número variable de veces. El término VNTR también incluía los minisatélites cuya unidad de repetición es más larga (de 100 a varios cientos de nucleótidos). La nomenclatura terminó dejando el término microsatélite o STR (Short Tandem Repeat) para los más cortos, y minisatélites o VNTR para los otros. Los microsatélites, por su densidad en el genoma, su facilidad de detección, su polimorfismo han sido desde su descubrimiento por Tautzt en 1989, los marcadores de elección y por tanto los más utilizados para muchas aplicaciones.
SNP o Polimorfismos de un solo nucleótido: Los SNP (Single Nucleotide Polimorphism) son polimorfismos producidos por un cambio único cambio nucleotídico, cuya frecuencia oscila entre 1 de cada 600 y 1 de cada 1000 pb. La importancia de estos marcadores se ha visto magnificada a partir del momento en que la descripción de microsatélites, cuya densidad es mucho menor, ha resultado ser insuficiente cuando se trata de balizar una parte concreta del genoma con un número alto de marcadores. La ventaja de los SNP es su facilidad de detección al ser loci dialélicos, por lo que el uso de ‘microarrays’ o ‘microchips’ de ADN se está generalizando, aumentando drásticamente la velocidad de detección y el volumen de análisis posible.
Propiedades tecnológicas de los marcadores
La detección de los marcadores en el laboratorio puede realizarse sobre cualquier tejido del animal, y a cualquier edad, obteniéndose un genotipo que no se verá influido por el paso del tiempo ni por el ambiente. El nivel de información, facilidad y coste de detección de los marcadores varían dependiendo del tipo de marcador utilizado. Un marcador es más informativo cuanto más alelos tenga y cuanto más próximos a la equifrecuencia se encuentren esos alelos, y también es más informativo un marcador codominante (aquél en el que todos sus alelos pueden deducirse por la observación del fenotipo) que un marcador dominante en el que el alelo recesivo es observable solamente en estado homocigoto.
Aplicaciones de los marcadores
Los marcadores moleculares son las herramientas básicas de muchas aplicaciones en genética animal. Comentaremos a continuación las más relevantes:
Mapas genómicos
Un mapa genómico es un mapa en el que todos los cromosomas están balizados con marcadores y con genes. Esto implica la elaboración previa de un mapa genético relacionando los diferentes loci entre sí independientemente de su localización cromosómica, que a su vez se ha establecido mediante técnicas que culminan en un mapa físico. Las mismas técnicas de localización genética y física se utilizan para la identificación de secuencias correspondientes a caracteres de interés, denominados QTLs (Quantitative Trait Loci) o genes que afectan a caracteres de importancia económica. Por ello, hablaremos, aunque brevemente, del método más importante para el establecimiento de mapas genéticos, así como algunas de las técnicas usadas en los mapas físicos.
El primer paso para realizar un mapa genómico es la descripción de un número suficiente de marcadores moleculares; éstos se relacionan unos con otros basándose en la detección de ligamiento. Esta propiedad física permite deducir la posición de unas secuencias determinadas de ADN midiendo el número de veces en que se separan dos loci por recombinación meiótica. De esta manera, los distintos marcadores se pueden posicionar a lo largo de los cromosomas en grupos de ligamiento o sinténicos consiguiendo una densidad que permite en muchos casos localizar genes de interés en patología o producción por su ligamiento con determinados marcadores.
El análisis de ligamiento es el método clásico que permite conocer la fracción de recombinación mediante el estudio de la cosegregación de los marcadores con los de caracteres de interés, utilizando individuos que pertenecen a estructuras familiares (medios hermanos) o determinados tipos de cruzamientos (F2 o Retrocruzamiento).
Este método está condicionado por la necesidad de disponer de individuos recombinantes y limitado, por lo tanto, por la densidad de los marcadores y el tamaño de familia. Permite resoluciones entre 1 y 30 cM, aunque en animales domésticos sea más preciso hablar de 20-30 cM.
Mapas físicos
Pero para muchas de las aplicaciones en geonómica se requiere un mayor grado de resolución que es posible lograr mediante la cartografía física de fragmentos de ADN.
Un mapa físico parte de la fragmentación de un genoma mediante una digestión parcial, generando fragmentos más abordables técnicamente con el objetivo de lograr un conjunto de clones solapados que cubran un cromosoma entero o el genoma completo de una especie.
La ubicación en estos fragmentos de regiones conocidas de ADN (marcadores) permite solaparlos de manera que se puedan ir construyendo lo que se denominan contigs que se agrupan a su vez en unidades mayores hasta cubrir en cromosoma completamente.
En la actualidad existen numerosas genotecas de YACs y BACs en las que los fragmentos correspondientes a un genoma están clonados (repetidos, multiplicados) respectivamente en cromosomas artificiales de levadura o de bacterias.
Aplicaciones de los mapas genómicos
Una de las aplicaciones más importantes de los mapas genómicos es la posibilidad que nos ofrecen para iniciar trabajos de localización de genes responsables de caracteres de interés. Las estrategias de ‘la caza’ de estos genes dependerán del tipo de carácter que nos interese, esto es, si se trata de un carácter mendeliano o complejo, y del nivel de conocimientos que tengamos sobre la biología del carácter o del modelo de herencia.
Lo que llamamos caracteres mendelianos son caracteres de herencia simple generalmente determinados por un único gen. Cuando la base biológica del carácter es conocida, por ejemplo cuando conocemos el producto (la proteína) que influye directamente sobre el carácter, podemos llegar hasta el gen responsable siguiendo la clásica secuencia: carácter-función-gen-mapa, esta es la denominada estrategia del clonado funcional.
Otro método es el del gen candidato en el que se propone un gen determinado, basándose en el conocimiento que se tiene sobre su función, como el causante directo o indirecto de las modificaciones fenotípicas observadas. Además, la estrategia del clonado posicional puede resultar muy eficiente si previamente existe una región de ADN flanqueada por marcadores en la que supuestamente debería de situarse el gen. De esta manera se han identificado genes tan importantes como el gen hal, responsable del síndrome de estrés porcino o el gen mstn, asociado con la hipertrofia muscular bovina.
La mayoría de los caracteres productivos podrían, sin embargo, incluirse dentro de la categoría de caracteres complejos al estar determinados por varios genes con un efecto más o menos reducido. La posición de estos genes puede estimarse a partir del grado de ligamiento entre marcadores moleculares que se sitúan en sus flancos y los caracteres de interés, lo que permite su localización, estimación del efecto que produce sobre el carácter, y la posterior identificación de la secuencia responsable.
Una estrategia general de localización de genes o QTLs se puede concebir en tres etapas:
- En la primera etapa se hace una barrido genómico, por ejemplo mediante le genotipado de 300-400 marcadores distribuidos uniformemente por todo el genoma, utilizando técnicas clásicas de análisis de ligamiento tal y como comentamos anteriormente lo que permitiría la localización de la región o regiones de interés con una resolución de 20-30 cM.
- En una segunda etapa se saturaría la región o regiones de interés con un elevado número de marcadores y se procedería a un análisis de desequilibrio de ligamiento (análisis de asociación). En este procedimiento el grado de ligamiento, es decir, la proximidad, se estima analizando la reducción que se produce con el paso del tiempo del nivel de desequilibrio de ligamiento. El análisis de asociación, a diferencia del análisis de ligamiento, permite incorporar individuos que no pertenecen a estructura familiar alguna e incrementar así la resolución hasta valores de 0,1-1 cM.
- En la tercera etapa se procedería al clonado posicional antes mencionado obteniéndose la secuencia exacta del gen implicado en el fenotipo de interés Dos ejemplos característicos de esta estrategia en tres etapas lo constituyen la identificación del gen responsable de la fibrosis quística en el hombre y del gen responsable de la hipertrofia muscular en bovino, aunque en este último ejemplo la estrategia del gen candidato también contribuyó a su descubrimiento.
La incorporación en los programas de mejora de la información que proporcionan los QTLs comienza a ser una realidad en especies de animales de renta como el porcino, y el bovino tanto de carne como lechero y se lleva a cabo mediante herramientas de genética cuantitativa, lo que se denomina la selección asistida por marcadores (MAS: Marker Assisted Selection). La selección asistida por marcadores se justificaría en el caso de la mejora de caracteres difíciles de medir, que manifiesten heredabilidades reducidas, que se expresen en un solo sexo o muy tarde en la vida de un animal y los esquemas de mejora a diseñar necesitarían, para garantizar el éxito, la disponibilidad de técnicas avanzadas de reproducción asistida. En la actualidad su aplicación es todavía reducida y su eficiencia respecto a los programas clásicos dudosa ante la ausencia de genes identificados en el ámbito del conjunto de la población o debido a la existencia de complejas interacciones con otros genes.
Identificación genética, trazabilidad y control genealógico
Desde un estado muy temprano, el individuo posee un genoma estable para el que tendrá un determinado genotipo en los marcadores analizados. Este hecho permite hablar de lo que frecuentemente se ha denominado una huella genética que, como la huella dactilar de un individuo, es única y fácilmente evidenciable mediante técnicas moleculares lo que permite la identificación del individuo en todo momento y circunstancia. La trazabilidad es una de las consecuencias de la posibilidad de identificación individual que nos permite los marcadores moleculares. Este término se aplica a la posibilidad de identificar una muestra anónima y seguir su rastro hasta su origen. Las aplicaciones en veterinaria empiezan a ser importantes tanto para garantizar las características del ser vivo que ha dado lugar al producto elaborado, como para contrastar la presencia o ausencia de restos de animales o vegetales en productos elaborados.
Otra consecuencia inmediata de las posibilidades de identificación individual junto con la propiedad de herencia mendeliana de los marcadores moleculares es la posibilidad de llevar a cabo el control de filiación, lo que nos permitirá mantener la integridad de los libros genealógicos cuya fiabilidad es fundamental para llevar a cabo los programas de selección y mejora.
La potencia estadística que es posible hoy en cualquier especie de animal doméstico permite no sólo la exclusión de paternidad, también es posible la asignación de paternidad o, en general, la contrastación de cualquier otro tipo de parentesco.
La diferencia genética entre poblaciones aisladas reproductivamente es posible ser detectada y, por ello también lo es asignar muestras anónimas a determinadas poblaciones.
Estudios de diversidad genética
Los marcadores moleculares constituyen una buena herramienta también para analizar la diversidad genética como medida de control de actuación de poblaciones, introducción de determinados genotipos, límites para la selección y medida del empobrecimiento de la variabilidad genética. Los proyectos de diversidad han recibido, en relación a los proyectos genoma, una considerable menor atención a pesar de tener una enorme trascendencia si tenemos en cuenta, por ejemplo, que desconocemos más del 99 %de las bacterias que hay en el suelo o en los océanos y que representan más de la mitad del carbono y una proporción significativa del fósforo de nuestro planeta.
GENÓMICA FUNCIONAL
La geonómica funcional tiene como objetivo la caracterización del proteoma, esto es el conjunto completo de genes que determinan proteínas en un genoma, y de la caracterización de los patrones de expresión génica.
La geonómica funcional parte de la información proporcionada por la secuenciación a gran escala llevada a cabo en los proyectos genoma y dispone de numerosas estrategias para identificar el conjunto de genes funcionalmente activos, entre ellas la utilización de chips de ADN en los que se ubican muestras de ADNc conocidos de diferentes genes que posteriormente se exponen a ARNm total aislado de las células o tejido que nos interese. El resultado permite conocer qué genes se expresan en un tejido concreto, en cualquier fase del desarrollo o en cualquier situación ambiental. Esta tecnología de microchips permite ya hoy disponer en una pequeña superficie de pocos centímetros de hasta 400.000 sondas de ADN que pueden ser hibridadas con miles de ARNm provenientes de un tejido determinado o de una célula sometida a diferentes ambientes, lo que resulta de gran utilidad en el análisis de la expresión génica. Esta estrategia masivamente utilizada ha permitido identificar genes a partir de colecciones de secuencias denominadas ESTs (marcadores de secuencias expresadas). Aunque en la actualidad la información disponible de estos marcadores en las especies de animales domésticos es significativamente más reducida,unas 200.000 en bovino o 65.000 en porcino, en comparación con la especie humana en la que existen casi 4 millones de ESTs depositados en bases de datos de acceso público, constituyen un buen punto de partida para posicionar genes de interés o definir conjuntos de genes o proteínas que son importantes en la determinación de caracteres de interés económico.
En otras ocasiones el análisis de la secuencia de ADN nos revela la presencia de genes que no han sido asociados a ningún fenotipo concreto y una estrategia para su caracterización es su disrupción (alteración de la secuencia de tal manera que el producto que origina es inactivo) mediante procedimientos de knocking-out, es decir, ‘poner fuera de combate’ a los genes, el análisis posterior de posibles fenotipos alterados nos puede permitir conocer la función de esos genes. Este fue el caso que permitió conocer la secuencia del gen responsable de la hipertrofia muscular cuando McPherron y colaboradores en 1997 produjeron un ratón knock-out para el gen GDF-8 (Factor 8 de Diferenciación y Crecimiento) y resultó que la inactivación de ese gen daba lugar a ratones con un fenotipo parecido al que aparecía en los ejemplares de la especie bovina con hipertrofia muscular. Propuesto este gen, posteriormente denominado gen mstn, como el candidato para ese fenómeno se evidenció que su disrupción daba lugar a la hipertrofia muscular bovina.
Aunque durante la exposición hemos puesto el énfasis en aquellos aspectos veterinarios más relacionados con la producción animal, nuestro campo de trabajo, es fácil extender estas aplicaciones a otros campos veterinarios como el de la sanidad o la farmacología.
La geonómica funcional, con la posibilidad de utilización de chips de ADN, empieza a permitirnos vislumbrar el conjunto de genes de cada uno de los agentes patógenos que son necesarios para que se produzca la infección y que están implicados en la virulencia y en la resistencia a los antibióticos. Es factible, teóricamente, la fabricación de un chip de ADN que contenga todas las secuencias codificantes de los patógenos más importantes que afectan a los animales, lo que permitiría diagnósticos enormemente rápidos. Otras consecuencias de la disponibilidad de las secuencias de los genomas son el desarrollo de nuevas vacunas gracias a la identificación de dianas específicas y el diseño de nuevos compuestos antimicrobianos gracias a la posibilidad de identificar, mediante métodos masivos de búsqueda, proteínas esenciales para los procesos de viabilidad celular. Hasta el desarrollo de la geonómica constituía un enorme esfuerzo trabajar sobre unas pocas decenas de dianas, hoy existe la posibilidad de trabajar con decenas de miles de dianas.
En relación con estos últimos comentarios también existe la visión desde la perspectiva del hospedador: el incremento del conocimiento del genoma (humano o de animales domésticos) nos permitirá comprender el proceso infeccioso; el empleo de chips de ADN hará posible analizar la cascada de sucesos que ocurren en la célula animal después de haber sufrido la invasión del patógeno (o de la acción de la molécula tóxica) conjuntamente con lo que ocurre en el patógeno mismo. Estos análisis nos permitirá identificar nuevas proteínas implicadas en tales procesos y diseñar nuevas vacunas y productos antimicrobianos.
La utilización de la tecnología de microchips de ADN previsiblemente tendrá también un enorme impacto en farmacogenómica (estudio de la expresión génica diferencial a los medicamentos) y en toxicogenómica (estudio de la influencia de productos tóxicos en la expresión génica de diferentes tejidos).
No debemos olvidar uno de los factores limitantes en el desarrollo tanto de la geonómica estructural como de la geonómica funcional que es el manejo de la ingente cantidad de información que se necesita procesar, ordenar, filtrar, interpretar, etc que requiere cientos y miles de ordenadores y robots con programas que permitan la automatización de gran parte de los procesos implicados en la geonómica. El ensamblaje de todos los fragmentos secuenciados de cualquier genoma animal implica miles de millones de búsquedas y alineamientos de secuencias no siendo estas tareas de las que pudieran ser consideradas como complejas. En la última etapa de la secuenciación del genoma humano participaban más de 2.000 investigadores distribuidos por 24 laboratorios que realizaron más de 50 millones de reacciones de PCR de manera que cada pareja de nucleótidos, por término medio, se secuenció 9 veces, es fácil imaginar el enorme volumen de información generado.
Por último, no quisiera finalizar esta conferencia sin hacer una reflexión sobre las implicaciones de la revolución geonómica en la guerra biológica y actividades de bioterrorismo, sobre todo después de los hechos que ocurrieron en EEUU el pasado 11 de septiembre poniendo de manifiesto que una amenaza que afecte a miles o millones de personas es posible que se materialice.
Resulta evidente que las armas biológicas tienen una serie de ventajas frente a las convencionales: son fáciles de producir, el material de partida, bacterias, virus o plásmidos fáciles de obtener en cualquier laboratorio, la existencia de bases públicas de información geonómica en las que se pueden encontrar listas de genes implicados en la patogenicidad, virulencia o en la resistencia a los antibióticos permiten la posibilidad de elegir las combinaciones más letales. De esta manera, todas los esfuerzos en geonómica presentados anteriormente como prometedores desde una perspectiva de progreso, pueden ser también observados desde su lado oscuro y de las posibilidades que ofrece para el desarrollo de una nueva clase de armas de destrucción masiva, difíciles de detectar, mitigar y de tratar: los patógenos modificados genéticamente. Necesitamos tomar más en serio la Convención sobre Armas Biológicas y Tóxicas y desarrollar programas específicos sobre la amenaza de las armas biológicas.
La comunidad científica tiene que implicarse más, de tal manera que la utilización de estas armas biológicas resulte inútil además de éticamente inaceptables.
Un aspecto relevante en la investigación geonómica es la necesidad de elevados recursos económicos. Resulta evidente que estos serán siempre más abundantes en geonómica humana que en geonómica animal. Pero existe una importante propiedad entre los genomas en general y particularmente entre los genomas de mamíferos, la homología, que nos va a permitir un importante incremento del conocimiento del genoma de las diferentes especies de animales de interés veterinario gracias al análisis comparado con genomas mucho más desarrollados como el del ratón o el propio genoma humano.
Como conclusiones proponemos las cuestiones de mayor trascendencia que durante los próximos 50 años serán respondidas o explicadas de una manera funcional o absoluta:
La obtención de la estructura primaria de una proteína es en la actualidad inmediata a partir de la secuencia de ADN. Si embargo, no es posible actualmente predecir cual será su estructura terciaria, de la que depende su actividad biológica. Sabemos que diferentes secuencias de aminoácidos pueden originar patrones de plegamiento similares y que la estructura proteíca está más conservada a lo largo del proceso evolutivo que su secuencia aminoacídica. Por lo tanto un catálogo de estructuras básicas podrá permitir en el futuro deducir la estructura de nuevas proteínas.
El grado de conocimiento logrado a través de las secuencias completas de varios organismos nos permitirá conocer los elementos esenciales implicados en la vida de una célula y, posiblemente, estaremos en condiciones de obtener nuevos organismos sintetizando ADN para producir un genoma inventado que produce proteínas inventadas.
Dentro de 50 años cuando todos los genes implicados en los procesos básicos estén descritos, así como sus interacciones, será posible utilizar modelos informáticos para predecir como se comporta el organismo ante una sustancia potencialmente tóxica o para desarrollar nuevos medicamentos para determinados procesos patológicos.
Dentro de 50 años será posible dar el paso del nivel celular al más complejo de los organismos como los mamíferos, lo que implicará entender la actuación de familias y grupos completos de genes, el comportamiento de los diferentes productos génicos dependiendo del tejido o del estado de desarrollo del organismo. La obtención de genomas completos de otros organismos facilitará, a través de la comparación entre especies, la identificación de patrones de desarrollo universales, lo que nos proporcionará un conocimiento más profundo de los circuitos que se han modificado para llevar a cabo los diferentes programas de desarrollo.
Los sistemas sanitarios estarán completamente infiltrados por el desarrollo de la geonómica que nos proporcionará el conocimiento de los mecanismos moleculares implicados en los procesos patológicos, la capacidad para prevenirlos y el diseño de tratamientos precisos y personalizados. En los próximos años existirán pruebas genéticas para predecir la susceptibilidad a las enfermedades y en el plazo de los 50 próximos, muchas de las enfermedades serán tratadas en su nivel molecular incluso antes de que hagan su aparición, y la terapia génica y los medicamentos se diseñarán para tratar genes concretos en individuos concretos lo que hará a esa terapia más precisa y eficiente.
Para finalizar, no debemos olvidar los numerosos aspectos sociales, éticos y morales que se ven implicados como consecuencia de los avances de la geonómica. La reacción de los individuos, familias y sociedad a esta explosión del conocimiento sobre el patrimonio genético de la vida sobre nuestro planeta será una cuestión cuya respuesta puede tener un gran impacto sobre los avances previstos.
