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Perros guías
El perro boxer ideal es fuerte, de complexión recta y suave. Los criadores lo valoran por su cabeza cincelada. La belleza de la cabeza depende de la proporción armoniosa entre el hocico y el cráneo, lea los estándares de la raza del American Kennel Club. El hocico romo mide un tercio del largo de la cabeza desde el occipucio hasta la punta de la nariz y dos tercios del ancho del cráneo. Inteligente y alerta, un boxeador transmite gracia con cada movimiento.
La estructura del genoma que subyace a la elegante construcción del boxeador también es hermosa, dice Kerstin Lindblad-Toh, la bióloga molecular que dirigió el esfuerzo para secuenciar el genoma del perro. Como codirectora del programa de secuenciación y análisis del genoma en el Instituto Broad de medicina genómica, Lindblad-Toh también ha supervisado proyectos relacionados con el ratón y la zarigüeya, por lo que está bien calificada para evaluar la belleza genómica del boxeador. La fuente de esa belleza es una relativa falta de diversidad genética, el resultado de cien años de crianza estrictamente controlada de rasgos como cráneos de proporciones armoniosas. La homogeneidad genética dentro de las razas de perros, y la estrechez de las diferencias entre ellas, significa que el genoma del perro contiene pistas valiosas sobre las causas de enfermedades comunes tanto en perros como en humanos.
El genoma del perro tiene aproximadamente 2.400 millones de bases de largo, pero el grupo de Lindblad-Toh pudo secuenciarlo en solo seis meses. El Instituto Broad, administrado conjuntamente por el MIT y la Universidad de Harvard, es una potencia genética, capaz de secuenciar 60 mil millones de bases (las letras del alfabeto genómico) con una precisión del 99 por ciento cada año, el equivalente a varios Proyectos del Genoma Humano. Tiene una mayor capacidad de secuenciación que casi cualquier otra instalación pública o académica del mundo.
Hoy en día, gran parte de esa capacidad se asigna al proyecto del genoma de mamíferos de Broad. The Broad es uno de los tres centros de investigación financiados por los Institutos Nacionales de Salud en un gran esfuerzo por llevar el número de mamíferos cuyos genomas se han secuenciado a alrededor de 30 en los próximos años. (Los otros dos centros se encuentran en el Baylor College of Medicine en Houston y en la Washington University School of Medicine en St. Louis). Lindblad-Toh supervisa proyectos de secuenciación y análisis para más de 20 animales en Broad, proporcionando recursos para investigadores que confiar en modelos animales al estudiar enfermedades humanas. Los esfuerzos de su equipo arrojarán más luz sobre cómo se regula nuestro propio genoma y llenarán los vacíos en nuestra comprensión de la historia evolutiva humana. En última instancia, este trabajo podría ayudar a responder algunas preguntas convincentes: ¿qué hace que un mamífero sea un mamífero, un primate un primate y qué nos hace humanos?
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Vea imágenes del Instituto Broad y su trabajo.
Selección antinatural
En 2002, cuando los investigadores de perros le preguntaron a Lindblad-Toh sobre la secuenciación del genoma del animal, ella pensó: Oh, vaya, este debe ser el modelo ideal. La cría dirigida por humanos ha producido shar-peis arrugados, crestas de Rhodesia crestadas y borzois delgados con hermosas líneas. Pero cuando se enriquece para rasgos deseables específicos, a menudo, desafortunadamente, captura los rasgos de la enfermedad con ellos, dice Lindblad-Toh. Junto con sus rasgos distintivos, cada raza tiene vulnerabilidades genéticas distintivas: defectos del desarrollo, enfermedades cardíacas, problemas de cadera, cáncer. Los perros padecen muchas de las mismas enfermedades que los humanos, por lo que los investigadores pueden usar su genoma para identificar las causas genéticas de las enfermedades en ambas especies.
Lindblad-Toh y sus colaboradores en el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano (parte de los NIH) primero tuvieron que determinar qué raza secuenciar. Los seres humanos han reducido drásticamente la diversidad genética de algunos perros al criar, por ejemplo, solo los bulldogs con las patas más arqueadas y los bóxers con las mandíbulas más cuadradas. La secuenciación de una raza con poca diversidad genética es más fácil, porque las dos copias de cada cromosoma, una de la madre y otra del padre, son similares entre sí. Entonces, cuando un análisis preliminar sugirió que los boxeadores se encuentran entre las razas de perros con menor diversidad genética, los investigadores tenían su tema.
Incluso cuando la diversidad genética es limitada, redactar un genoma es como armar un rompecabezas muy grande y muy difícil cuyas piezas están esparcidas por toda la casa, encajadas entre los cojines del sofá o debajo de un frasco de mostaza en la parte trasera del refrigerador. Primero, los investigadores deben localizar e identificar todas las piezas; luego se enfrentan a la formidable tarea de armar el rompecabezas. Lindblad-Toh y sus colaboradores pasaron seis meses secuenciando segmentos del genoma de una boxeadora, y tres o cuatro veces más tiempo ensamblándolos y analizándolos. Publicaron el genoma del perro, junto con un extenso análisis comparándolo con los genomas humanos y de ratón, en la revista. Naturaleza en diciembre de 2005.
Lindblad-Toh y su equipo también compararon el genoma del boxeador con la secuencia de estudio existente del genoma del caniche y las secuencias parciales de los genomas de otras nueve razas de perros que habían preparado para ese propósito. Como esperaban, aunque cada raza tiene sus propios rasgos y mutaciones distintivos, todas las razas siguen siendo muy similares entre sí. (Las razas domésticas no han existido el tiempo suficiente para que se infiltre mucha diversidad). Estas similitudes dentro y entre las razas de perros deberían hacer que las mutaciones relacionadas con la enfermedad sean más fáciles de detectar. Los investigadores de Broad y otros lugares están descubriendo genes de enfermedades en perros con la ayuda del American Kennel Club / Canine Health Foundation y la Morris Animal Foundation. Los investigadores van a exposiciones caninas para recolectar muestras de sangre y pedigrí, o obtienen muestras de los veterinarios. Usando microarrays de ADN, luego buscan diferencias genéticas entre perros sanos y aquellos con enfermedades.
Lindblad-Toh dice que ella y otros investigadores de Broad han identificado alrededor de 10 genes para rasgos simples como el color del pelaje y enfermedades complejas como el cáncer; también están investigando genes asociados con la miocardiopatía y la diabetes. Por supuesto, cuando encuentras un gen de una enfermedad canina, miras inmediatamente a personas con la misma enfermedad, dice. Los perros y los humanos están estrechamente relacionados y comparten versiones de la mayoría de los mismos genes.
Sin embargo, es mucho más fácil descubrir mutaciones de enfermedades en perros. Dos rottweilers aleatorios están mucho más relacionados que dos humanos aleatorios. Si los dos rottweilers desarrollan cáncer de huesos, que es común en su raza, es probable que la enfermedad sea causada por varias mutaciones portadas por ambos perros. Pero dos seres humanos con cáncer de huesos tienen menos probabilidades de tener mutaciones que causan enfermedades en común. Para los estudios sobre el cáncer, hemos tenido entre 50 y 100 perros enfermos, dice Lindblad-Toh. Necesitaría una muestra mucho mayor de humanos, miles de pacientes y personas sanas, para ver patrones similares. Comprender qué mutaciones causan una enfermedad en los perros ayuda a los investigadores a descubrir dónde buscar las mutaciones que causan enfermedades en los seres humanos.
Casi dos años después de la publicación del genoma del perro, su promesa como herramienta para estudiar las enfermedades humanas está comenzando a confirmarse. Lindblad-Toh dice que su grupo espera identificar mutaciones involucradas en el osteosarcoma, un cáncer raro pero mortal en la adolescencia. Va a ser muy emocionante durante el próximo año ver si aplicar [conocimientos del estudio de mutaciones de genes de perros] a pacientes humanos con las mismas enfermedades también mostrará mutaciones en los mismos genes, dice ella. Mi predicción es sí. Creo que si puede encontrar factores de riesgo importantes en las personas mediante el uso de perros, sería un gran beneficio.
Más allá de los genes
Cuando analizamos los genomas humanos y de ratón, encontramos que son funcionales en un 5 por ciento, dice Lindblad-Toh. Es decir, el 5 por ciento del genoma de cada criatura es muy similar al 5 por ciento del de la otra, lo que sugiere que las secuencias relacionadas deben tener algún propósito. El genoma del perro resultó tener el mismo 5 por ciento que se superpone en humanos y ratones, lo que confirma que no es solo una coincidencia. La mayor parte de ese 5 por ciento, sin embargo, no son genes.
Nuestro genoma está formado por 46 cromosomas, que son cadenas largas y distintas de compuestos orgánicos conocidos como A, T, C y G, las letras del ADN. Secuenciar el genoma significa averiguar qué letra o base se encuentra en cada punto de cada cadena. Los genes son tramos donde las bases deletrean un código que puede traducirse en proteínas; constituyen el 1,5 por ciento del genoma. Pero un asombroso 95 por ciento de nuestro genoma es un galimatías propenso a mutaciones, el equivalente genético de las oraciones que puedes hacer golpeándote la cabeza con un teclado con frustración.
Ahora los biólogos están tratando de caracterizar las partes funcionales del genoma que no son genes, regiones que creen que juegan un papel importante en la regulación de los genes. Quieren identificar estas regiones y averiguar qué elementos contienen, cómo están organizadas las regiones y cómo funcionan.
La mejor manera de encontrar los elementos regulatorios en medio de la charlatanería es observar lo que se conserva, lo que permanece igual, en múltiples especies. Comparar genomas es casi como la piedra de Rosetta, dice Lindblad-Toh. Con el mismo mensaje grabado en alfabeto griego, jeroglíficos y escritura demótica (una especie de jeroglíficos cursivos), la piedra de Rosetta permitió descifrar los dos últimos sistemas de escritura. En los genomas, de manera similar, tiene una cadena de letras; todo lo que sea importante seguirá igual.
La mayor parte del genoma es simplemente un espacio muerto entre genes, donde la secuencia de bases no es importante para las funciones de la vida. Las mutaciones que ocurren en tales tramos ocasionalmente producen secuencias funcionales, pero generalmente no son útiles ni dañinas. Eso significa que se acumulan con relativa rapidez: no ejercen influencia sobre las posibilidades de reproducción de un individuo, no están sujetos a la selección natural, por lo que se transmiten a un ritmo mucho mayor que los cambios en las áreas funcionales, que a menudo son perjudiciales.
Cuanto más tiempo evolutivo haya entre dos [especies] de mamíferos, más cambiarán las cosas sin importancia, dice Lindblad-Toh. Pero una cadena de ADN cuya secuencia se conserva sin cambios entre especies probablemente tenga una función importante. Una vez que los investigadores identifican esas secuencias en las áreas entre genes, pueden probarlas individualmente para determinar sus funciones.
Sin embargo, comparar el genoma humano con el de un organismo lejano como la levadura es difícil: para extender la metáfora de la piedra de Rosetta, los dos textos llevan demasiados mensajes diferentes. Comparar genomas que transmiten muchos de los mismos mensajes, como los del humano y el perro, es más productivo. Para comprender realmente el genoma humano, nos centramos en los mamíferos, dice Lindblad-Toh. Amplios científicos, algunos de los cuales participaron en el Proyecto Genoma Humano antes de la fundación del instituto en 2003, han estado involucrados en la secuenciación del chimpancé, el ratón, el perro y el caballo, entre otros animales. (ver The Broad's Menagerie, p. M17) . En el Broad también se está trabajando en el conejillo de indias, el elefante, el conejo, el murciélago marrón, el bebé arbusto y la ardilla de tierra.
Los investigadores inicialmente desentrañaron el 5 por ciento funcional del genoma humano comparándolo con el de otro animal, el ratón. Agregar el genoma del perro generó una poderosa tríada. Ahora los investigadores se están centrando en lo que hacen los elementos funcionales no genéticos. Cada vez hay más pruebas de que regulan el genoma. Sin elementos regulatorios, un gen sería como un libro sin leer que acumula polvo en la esquina de la sala de almacenamiento de una biblioteca: solo una cadena inerte de letras.
Saber qué hace cada gen es muy importante, pero no suficiente. Algunas enfermedades se deben claramente a la ausencia de una proteína, dice Lindblad-Toh; las deficiencias de enzimas son un ejemplo. Pero con enfermedades comunes como el cáncer o la diabetes, podría ser simplemente una función de la cantidad o la poca proteína que produce, y si la produce en el momento adecuado o no. Parece probable que esos factores estén controlados por elementos regulatorios.
Creo firmemente que muchas enfermedades comunes son causadas por mutaciones reguladoras, dice Lindblad-Toh. Las primeras investigaciones del Instituto Broad sobre el genoma del perro parecen respaldar su hipótesis. Amplios investigadores están buscando mutaciones asociadas con varios rasgos y enfermedades, incluido el color de la bata blanca, problemas de tiroides, cáncer de huesos, problemas cardíacos y fiebre shar-pei. Para varios de estos, existe evidencia preliminar de que las mutaciones responsables se encuentran fuera de los genes, en elementos reguladores.
Determinar dónde se encuentran estos elementos en el genoma es mucho más fácil que averiguar qué hacen y cómo. Un tipo de regulador, llamado potenciador, inicia el proceso que permite que los genes transmitan su información. Los potenciadores pueden estar dentro, cerca o muy lejos de los genes que regulan. Los investigadores plantean la hipótesis de que las proteínas se unen a un potenciador y a un área inmediatamente anterior a un gen; también se unen entre sí, haciendo girar el ADN en un bucle y permitiendo que comience la transcripción del gen. Pero estos mecanismos apenas comienzan a entenderse.
Qué nos convierte en mamíferos
La comparación del genoma del perro con el genoma del ratón y el humano ayudó a los investigadores a identificar una serie de elementos reguladores; un análisis más detallado mostró que en los tres mamíferos, la mitad de esos elementos están agrupados alrededor de unos 240 genes. En otras palabras, un enorme 50 por ciento de nuestros elementos más conservados parecen regular no mucho más del 1 por ciento de nuestros genes.
Entonces, ¿qué hacen esos genes para merecer un tratamiento tan especial? Resulta que juegan un papel fundamental durante el desarrollo. Controlan nuestro plan corporal, el equivalente biológico de un plano. Al dictar la configuración de nuestras espinas, la estructura de nuestro cerebro y la posición de nuestros pulgares oponibles, nos convierten en vertebrados, mamíferos, primates.
Por supuesto, es de vital importancia que produzca un pie donde va su pie y no en su cabeza a veces por accidente, dice Lindblad-Toh. Lo que creemos haber encontrado es que alrededor de estos 200 genes se encuentran en una gran proporción de estos elementos reguladores. Son básicamente los reguladores maestros de los genes maestros que hacen que los mamíferos sean mamíferos. Algunos de estos elementos reguladores agrupados son tan importantes que se conservan mejor entre especies que los genes.
Un análisis del genoma de la zarigüeya publicado por Broad el pasado mes de mayo respalda aún más la hipótesis de Lindblad-Toh de que existen reguladores maestros mamíferos. Las zarigüeyas pertenecen a una rama diferente del árbol genealógico de los mamíferos: son marsupiales, mientras que los humanos, los perros y los ratones son euterios: mamíferos con placentas. Para cada genoma que agregamos, seguimos construyendo sobre la hipótesis de que el 5 por ciento funcional de los genomas de humanos, ratones y perros es específico de mamíferos y euterios, dice Lindblad-Toh. Al observar la zarigüeya y otras ramas importantes del árbol vertebrado, vemos que hay una innovación añadida. Es decir, las zarigüeyas no comparten la totalidad del 5 por ciento que comparten los mamíferos placentarios. Gran parte de la variación en los elementos reguladores de los marsupiales se produce en torno a los genes del plan corporal. Estas variaciones pueden ser las que hacen que las zarigüeyas sean marsupiales, y lo que no varía puede ser una parte importante de lo que constituye la mamífero.
Lindblad-Toh dice que es demasiado pronto para preguntar qué hace que un primate sea un primate o qué hace que los humanos sean humanos. Sin embargo, parece probable que el desarrollo de las vías neurales esté regulado por genes específicos de primates. Cada orden, cada especie de animal probablemente tiene sus propias innovaciones, controladas por reguladores maestros en áreas no genéticas del genoma.
En este momento, dice Lindblad-Toh, ella y otros investigadores de Broad solo están tratando de armar un catálogo básico de estos reguladores maestros. Una vez que se hayan secuenciado más especies, será posible comenzar a responder las preguntas más importantes. A medida que esa colección de genomas continúa creciendo, los perros, los mejores amigos del hombre en el campo y en la granja, también están demostrando ser valiosos compañeros en el laboratorio.