Genomas de 240 especies revelan qué hace único al genoma humano

Una colaboración internacional ha estudiado los genomas de 240 especies para descubrir qué hace único al genoma humano y han recogido pistas para comprender el origen de nuestras enfermedades.

En un paquete de varios artículos publicados en un número especial de la revista Science ⁽¹⁾, los científicos del Proyecto Zoonomia han demostrado cómo la genómica comparativa no sólo puede arrojar luz sobre cómo ciertas especies logran hazañas extraordinarias, sino también ayudar a los científicos a comprender mejor las partes de nuestro genoma que son funcionales y cómo podrían influir en la salud y la enfermedad.

En los nuevos estudios, los investigadores identificaron las regiones de los genomas, a veces sólo letras sueltas de ADN, que más se conservan, o que no han cambiado, entre las especies de mamíferos y a lo largo de millones de años de evolución, regiones que probablemente sean biológicamente importantes.

También descubrieron parte de la base genética de rasgos poco comunes en los mamíferos, como la capacidad de hibernar o de percibir olores débiles a kilómetros de distancia. Además, identificaron especies especialmente susceptibles de extinguirse y variantes genéticas con más probabilidades de desempeñar un papel causal en enfermedades humanas raras y comunes.

Muestras de ADN recogidas por más de 50 instituciones de todo el mundo

Los resultados proceden del análisis de muestras de ADN recogidas por más de 50 instituciones de todo el mundo, entre ellas la San Diego Wildlife Alliance, que proporcionó muchos genomas de especies amenazadas o en peligro de extinción.

Más de 150 personas de siete husos horarios han contribuido al Proyecto Zoonomia, que es el mayor recurso de genómica comparativa de mamíferos del mundo. El proyecto está dirigido por Elinor Karlsson, directora del grupo de genómica de vertebrados del Instituto Broad del MIT y Harvard y catedrática de bioinformática y biología integradora de la Facultad de Medicina Chan de la UMass, y Kerstin Lindblad-Toh, directora científica de genómica de vertebrados del Broad y catedrática de genómica comparada de la Universidad de Uppsala (Suecia).

"Uno de los mayores problemas de la genómica es que los humanos tenemos un genoma muy grande y no sabemos qué hace todo él --explica Karlsson en un comunicado--. Este paquete de artículos muestra realmente el alcance de lo que se puede hacer con este tipo de datos, y lo mucho que podemos aprender estudiando los genomas de otros mamíferos".

En uno de los estudios los coautores Matthew Christmas, investigador de la Universidad de Uppsala (Suecia), e Irene Kaplow, investigadora postdoctoral de la Universidad Carnegie Mellon (Estados Unidos), junto con Karlsson, Lindblad-Toh y colaboradores, descubrieron que al menos el 10 por ciento del genoma humano está muy conservado entre especies, y que muchas de estas regiones se encuentran fuera de los genes codificadores de proteínas. Más de 4.500 elementos se conservan casi perfectamente en más del 98% de las especies estudiadas.

Rasgos excepcionales en el mundo de los mamíferos

La mayoría de las regiones conservadas --que han cambiado más lentamente que las fluctuaciones aleatorias del genoma-- intervienen en el desarrollo embrionario y la regulación de la expresión del ARN. Las regiones que cambian con más frecuencia configuran la interacción del animal con su entorno, por ejemplo a través de respuestas inmunitarias o el desarrollo de su piel.

También identificaron partes del genoma relacionadas con algunos rasgos excepcionales en el mundo de los mamíferos, como el extraordinario tamaño del cerebro, un olfato superior y la capacidad de hibernar durante el invierno.

Con vistas a preservar la biodiversidad, los investigadores descubrieron que los mamíferos con menos cambios genéticos en lugares conservados del genoma corrían mayor riesgo de extinción. Karlsson y Lindblad-Toh afirman que incluso disponer de un solo genoma de referencia por especie podría ayudar a los científicos a identificar las especies en peligro, ya que menos del 5% de todas las especies de mamíferos cuentan con genomas de referencia, aunque es necesario seguir trabajando para desarrollar estos métodos.

En otro estudio, Karlsson, Lindblad-Toh y sus colegas utilizaron los genomas de mamíferos para estudiar rasgos y enfermedades humanas. Se centraron en algunas de las regiones genómicas de una sola letra más conservadas descubiertas en el primer trabajo y las compararon con variantes genéticas que los científicos habían relacionado anteriormente con enfermedades como el cáncer utilizando otros métodos.

Más conexiones entre las variantes genéticas

El equipo descubrió que sus anotaciones del genoma basadas en la conservación evolutiva revelaban más conexiones entre las variantes genéticas y su función que los otros métodos. También identificaron mutaciones probablemente causales de enfermedades raras y comunes, incluido el cáncer, y demostraron que el uso de la conservación en estudios de enfermedades podría facilitar la búsqueda de cambios genéticos que aumenten el riesgo de enfermedad.

Los coautores de este estudio son Patrick Sullivan, director del Centro de Genómica Psiquiátrica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Carolina del Norte (Estados Unidos) y catedrático de genética psiquiátrica del Instituto Karolinska (Suecia); Jennifer Meadows, investigadora de genética de la Universidad de Uppsala (Suecia); y Steven Gazal, catedrático adjunto de ciencias de la población y salud pública de la Facultad de Medicina Keck de la Universidad del Sur de California.

Un tercer estudio, codirigido por Steven Reilly, profesor adjunto de Genética de la Universidad de Yale, y Pardis Sabeti, miembro del Instituto Broad, examinó más de 10.000 deleciones genéticas específicas de los humanos utilizando tanto datos de Zoonomia como análisis experimentales, y relacionó algunas de ellas con la función de las neuronas.

Otros trabajos de Zoonomia publicados en el mismo paquete revelan que los mamíferos se diversificaron antes de la extinción masiva de los dinosaurios; descubren una explicación genética de por qué un famoso perro de trineo de los años veinte llamado Balto pudo sobrevivir al duro paisaje de Alaska; descubren cambios específicos del ser humano en la organización del genoma; utilizó el aprendizaje automático para identificar regiones del genoma asociadas al tamaño del cerebro; describió la evolución de las secuencias reguladoras en el genoma humano; se centró en las secuencias de ADN que se desplazan por el genoma; descubrió que las especies con poblaciones históricamente más pequeñas corren mayor riesgo de extinción en la actualidad; y comparó genes entre casi 500 especies de mamíferos.

Para Karlsson, Lindblad-Toh y los investigadores que llevan secuenciando genomas de mamíferos para Zoonomia o sus proyectos precursores desde 2005, estos estudios --y la amplitud de preguntas a las que dan respuesta-- son sólo una fracción de lo que es posible.

"Estamos entusiasmados con la secuenciación de especies de mamíferos --afirma Lindblad-Toh--. Y nos entusiasma ver cómo nosotros y otros investigadores podemos trabajar con estos datos de nuevas formas para comprender tanto la evolución del genoma como las enfermedades humanas".