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Haciendo hablar a los genes

Esta página contiene el texto del artículo siguiente: María Luz Cárdenas y Athel Cornish-Bowden (2000) Haciendo hablar a los genes publicado en el Diario de Sevilla, 24 de julio de 2001, págs. 38–39.

Un gen es un trozo de ADN que lleva una instrucción específica y, por lo tanto, se encarga de una tarea concreta. La totalidad de genes de un organismo se conoce como genoma, que en conjunto determina las características o manifestaciones exteriores del organismo —el denominado fenotipo—, así como su potencialidad y adaptación al medio ambiente. En la última década un desafío importante en investigación biológica fue la secuenciación de los genomas, en particular del genoma humano.

Hoy día, se conoce la secuencia de un gran número de genomas de bacterias y organismos complejos. Hace pocos meses, la información de que el genoma humano había sido descifrado constituyó una noticia de primera plana. Este conocimiento abre la puerta a una mejor comprensión de la fisiología del hombre, lo que a su vez puede ser aplicado en medicina. El desciframiento del genoma humano significa que ya se sabe cual es la secuencia de bases del ADN, habiéndose establecido el número de genes (unos 30.000) y identificado algunos de ellos. La tarea, sin embargo, dista de estar completa porque para llegar a comprender la fisiología a partir del genoma no sólo es necesario saber la secuencia del ADN y establecer el número de genes, sino que hay que identificarlos, atribuir a cada uno de ellos una función, y establecer las interrelaciones. Este es el gran desafío actual.

Aunque se tiene la secuencia completa del genoma de muchos organismos, la identificación de genes es solo parcia: entre un 30 y un 50 por ciento. En el estado actual el desciframiento del genoma humano equivale a tener la lista completa de teléfonos de una ciudad, sin saber a quién corresponde más de la mitad de los números. La secuencia de un genoma cualquiera es sólo cuestión de tiempo y dinero, pero identificar los genes y comprender la fisiología a partir de su genoma es una tarea bastante difícil y que requiere varias etapa. Esta es nuestra preocupación actual la era posgenoma.

A partir de la identificación de genes se puede conseguir una lista parcial de enzimas posibles, pero esto no basta para establecer las redes metabólicas y el fenotipo de un organismo, ni por supuesto comprender la fisiopatología de Treponema pallidum, el organismo causante de la sífilis [ver caja]. Para manipular eficazmente el metabolismo de un organismo cualquiera con fines biotecnológicos o médicos es indispensable saber qué vías metabólicas están operando y cómo se interrelacionan y regulan. Es necesario, pues, estudiar el organismo como un todo, lo que requiere importantes investigaciones.

Podría pensarse que el impacto de un gen en el funcionamiento del organismo es algo simple, que bastaría con hacer un cambio en ese gen, una mutación, y observar el efecto. Hay varias complicaciones, sin embargo, que hacen que etsa estrategia no dé resultado. Por qué? Cada uno de nosotros lleva dos juegos de genes (uno materno y otro paterno), es decir somos diploides. Las bacterias, en cambio, tienen un solo juego, son haploides. El hecho de ser diploide implica que si se produce una mutación en un aleo no conlleve ningún efecto visible y no se altere el fenotipo, ya que el alelo normal seguiría realizar su tarea. Estas mutaciones sin manifestaciones externas son las más frecuentes y se denominan recesivo.

Mutaciones

El paso del genoma al fenotipo es un fenómeno complejo. En primer lugar, los genes deben expresarse, es decir, generar el producto que codifican, que en su mayoría son proteínas. Estas proteínas, decisivas en la determinanción del fenotipo, desempeñan multitud de funciones: unas actuan como enzimas —factores que aceleran las reacciones químicas propias del metabolismo en condiciones compatibles con la vida— y otras como receptores de señales, hormonas, etcétera.

Cuando un gen muta el cambio en el ADN implica un cambio en las instrucciones para fabricar una proteína, que por tantol va a ser diferente de la determinada por el gen normal. Debido al cambio en el ADN, la nueva proteína tendrá una modificación en su secuencia de aminoácidos, cuyo resultado puede oscilar desde una simple alteración estructural hasta une pérdida total de su función. Si la enzima llega a perder por completo su actividad y no puede catalizar una determinada reacción, la ruta metabólica de la que forma parte quedará interrumpida. En la práctica, sin embargo, no se produce tal interrupción, ya que la cantidad de enzima fabricada por el alelo normal suele ser suficiente para que la ruta siga operativa. Así, incluso la mutaciones que provocan la pérdida total de actividad de una proteína pueden tener carácter recesivo.

Pero, qué ocurre si se mutan los dos alelos de un gen? Y si se elimina completamente el gen? Y en un organismo haploide? La eliminación selectiva de un gen concreto (técnica del knockout) podría conducir a la identificación del gen con su función, ya que ésta debería estar alterada. El mismo razonamiento se puede aplicar a organismos haploides (un solo juego de genes) en los que no hay un segundo alelo que pueda asumir la función del alelo afectado. Aunque esto es técnicamente posible, con frecuencia no se observa ningún efecto pues existen mecanismos de salvaguardia que contrarrestan el efecto de la eliminación. Así, el organismo puede reaccionar expresando otro gen cuyo producto remedie la ausencia del gen eliminado e incluso poniendo en funcionamiento de una ruta alternativa. De hecho, en levadura puede eliminarse uno a la vez hasta el 85 por ciento de los genes sin que se afecte su crecimiento; de estos genes se dice que son silenciosos, pues el metabolismo sigue su curso con normalidad, lo que constituye una enorme barrera a los estudios funcionales del genoma.

Metaboloma

Cómo podemos deducir la función de un gen si su eliminación no tiene efecto aparente? Una manera de hacer que los genes hablen es realizar un análisis más fino y sutil, esto es, dirigir la tención hacia el metaboloma y determinar las concentraciones de metabolitos (sustancias que se producen en las reacciones del metabolismo). Así, nos encontramos con que muchos genes sin efecto aparente pueden revelar su función al comparar el efecto de las mutaciones sobre las concentraciones de dos o más metabolitos. Este método se basa en un hecho conocido desde hace tiempo, pero que tiende a ignorarse, cual es que la modificación de la actividad de una enzima afecta mucho más a la concentración de metabolitos que el flujo metabólico, que puede no variar en absoluto.

Quizá esto se entienda mucho mejor si analizamos lo que ocurre al caer una roca de gran tamaño en un río obstaculizando su cauce. Inmediatamente después del impacto se interrumpe el flujo de agua, pero esta interrupción es sólo transitoria. En efecto, la roca hace el nivel del lecho aumente río arriba y disminuye río abajo, pero el agua comienza a fluir de nuevo, debido a la diferencia de presiones, cuando el nivel del agua sobrepasa la roca el río recupera su flujo normal. La roca, pues, tiene un efecto transitorio sobre el flujo, pero permanente sobre los niveles de agua, que van a ser diferentes a los valores originales mientras el obstáculo siga en su sitio. Un observador que llegue al río una vez reestablecido el flujo y mida sólo éste no podrá darse cuenta que ha habido un cambio, no podrá detectar el obstáculo, y concluirá que no ha caido ninguna roca. En cambio, otro observador que pueda medir los niveles de agua en diferentes partes puede detectar la presencia de un obstáculo y establecer su localización.

Con los organismos pasa algo similar que con los ríos. Propiedades aparentes como la velocidad de crecimiento que depende de los flujos metabólicos, pueden sugerir que la mayoría de los genes son silenciosos y que su ausencia no tiene efecto. Es lo que ha ocurrido en estudios con levaduras, cuya células mutantes alcanzan velocidades de crecimiento iguales a las de células no mutadas, aumentando las concentraciones de metabolitos vía arriba del problema y disminuyendo las concentraciones de aquellos otros vía abajo (igual que hace la roca en el río). Como en el río, no se detectará ningún efecto si se miden solamente flujos, pero el cambio será visible si se miden concentraciones de metabolitos.

 
COMPARACIÓN DE SECUENCIAS

En busca de genes huérfanos

La estrategia más utilizada para identificar genes se basa en la comparación de secuencias. Conociendo la secuencia de aminoácidos de una protéina es posible deducir, en su mayor parte, la secuencia de nucleótidos del gen que la codifica, localizar el gen en el genoma y atribuirle una función. Por razones evolutivas, las proteínas que cumplen una misma función en organismos relativamente próximos tienen un cierto grado de similitud, siendo posible por tanto la extrapolación de un organismo a otro. Así, a partir de organismos bien estudiados, como la bacteria del colon humano Escherichia coli, se han identificado parcialmente los genes de otros organismos en los no se conoce ni el metabolismo ni las proteínas que participan, como es el agente causante de la sífilis Treponema pallidum. Una cuestión importante es comprender la fisiología y patogenicidad de las bacterias infecciosas. Por qué T. pallidum es mucho más peligroso que E. coli? La identificación de genes de Treponema tomando como base la similitud con Escherichia suministra una información muy parcial, pues existe una proporción importante de genes cuyas secuencias no se corresponden. Son los genes denominados huérfanos. Gran parte del esfuerzo de la bioinformática actual es desarrollar métodos de computación que permitan predecir la función de la proteína codificada por un gen huérfano.
 

Genes huérfanos

La medida de las concentraciones de unos pocos metabolitos puede, por tanto, hacer hablar a genes silenciosos, pero en la práctica las cosas son menos simples que lo que uno querría: con frecuencia, medir concentraciones individuales no proporciona informacón útil, ya que mutaciones en genes diferentes pueden alterar en grado similar la concentración de un mismo metabolito. Por otro lado, cuano encontramos con un gen completamente desconocido, es decir huérfano, no se sabe a priori qué metabolitos analizar.

Se hace necesario, por tanto, investigar muchos metabolitos al mismo tiempo. Un método capaz de revelar cambios metabolicos sutiles, aplicado recientemente con éxito en levaduras, se basa en un análisis de respuestas conjuntas. Cuando dos variables (por ejemplo concentraciones de metabolitos) responden a un cambio en las condiciones (por ejemplo un gen mutado o eliminado), la respuesta combinada tiene una dirección que puede representarse por un ángulo, cuyo valor es cero si una variable no cambia, 90° si la otra no cambia, 45° si las dos cambian la misma magnitud en la misma dirección (aumentan o disminuyen en el mismo porcentaje), etcétera.

 

Angulos de respuesta

METABOLOMA. Análisis de genes silenciosos de levadura usando la técnica de ángulos de respuesta conjunta, según se detalla en el texto.

Con este tipo de análisis se pueden agrupar las mutaciones en clases funcionales, asociando los genes ligados a una misma función (producción de energía o biosíntesis de una macromolécula, por ejemplo) y separándolos de aquellos otros que tienen que ver con otras funciones celulares. El procedimiento conduce a resultados correctos cuando la respuesta se conoce de antemano. Ahora podremos empezar a aplicarlo a los miles de genes en levadura cuya función se desconoce, ya que el análisis de co-respuesta permite clasificar también a los genes huérfanos en grupos relacionados. En combinación con técnicas estadísticas que manejan variables múltiples es posible procesar la gran cantidad de información que se obtiene, por ejemplo, con técnicas inofensivas, como la resonancia magnética nuclear para realizar estudios in vivo y medir concentraciones de diferentes metabolitos.

María Luz Cárdenas y Athel Cornish-Bowden son investigadores del Instituto de Biología Estructural y Microbiología de Marsella