Optogenética, una técnica para iluminar genes

  De los aproximadamente 20500 genes que contiene cada una de nuestras células, en un momento dado tan sólo una pequeña parte está activa, según las necesidades de cada momento, que pueden cambiar en cuestión de minutos u horas. Actualmente, se está investigando para saber qué está haciendo cada gen en cada momento, y claro para recopilar esta información diferentes investigadores están desarrollando unas técnicas impensables hasta hace poco. En este escenario destaca la optogenética que es un conjunto de técnicas que combinan genética y óptica para controlar en vivo y con precisión cronométrica diferentes procesos vitales. Por ejemplo, mediante el empleo de proteínas que cambian su función en respuesta a la luz puede activarse o desactivarse la expresión del gen que nos interese simplemente alumbrando o dejando a oscuras las células en estudio.

  Entre las investigaciones que se están llevando a cabo mediante optogenética destacan los estudios de genes relacionados con el aprendizaje y la memoria, así como los cambios epigenéticos de las proteínas que envuelven el ADN implicadas de algún modo, al parecer, en el aprendizaje.
 
  A la luz de los genes

  Esta técnica controla la copia de ADN a ARNm. En primer lugar tenemos la proteína TALE, efector del tipo activador de la transcripción, por sus siglas en inglés. Estas proteínas se unen de modo personalizado a una secuencia de ADN. Y por otro tenemos a la proteína CRY2 que es fotosensible, se obtiene de la crucífera Arabidopsis thaliana y que se une a la TALE. Luego, cuando la luz incide sobre CRY2, esta se une a su vez a CIB1. Un grupo de investigadores del MIT diseñaron una forma especial de CIB1 que permite activar o suprimir la transcripción de un gen.
  Una vez se le aportan todos estos componentes a la célula, TALE se adhiere a su ADN diana y cuando se ilumina la célula, CRY2 se une al CIB1 que está disperso en el citosol, desencadenando la transcripción del gen diana; esto es, la generación de ARNm. De modo alternativo, puede diseñarse una CIB1 que capture un represor que bloquee la transcripción génica.
  Con un simple pulso luminoso es suficiente para desencadenar todo el proceso, los investigadores encontraron que el mejor funcionamiento de la técnica se alcanza aplicando un pulso por minuto, así se logra un transcripción completa en el menor tiempo posible. También observaron que a la media hora de comenzar a iluminar a la célula se aumenta la cantidad de ARNm producida por el gen diana, y que a la media hora de dejar de dar pulsos de luz se inicia la degradación del ARMm. El caso es que tras probar esta técnica con 30 genes consiguieron aumentar la transcripción normal entre 2 y 200 veces.

  Lo más interesante de la optogenética es que posibilita trabajar con los genes naturales de la célula en vez de con genes de "diseño" u otras variantes de la ingeniería genética, permitiendo al investigador controlar un locus genético concreto.

  Modificaciones epigenéticas

  El otro punto fuerte de este control de la expresión génica es la modificación epigenética, cobrando especial relevancia las histonas, proteínas estas a las que se ancla el ADN cromosómico y que regulan el acceso al gen. Pues bien en el MIT han demostrado que pueden modificar las histonas para aplicar exitosamente esta técnica.
  Se piensa que las modificaciones epigenéticas juegan un papel clave en la formación de recuerdos y por ende en el aprendizaje, pero es algo que hasta ahora no ha podido ser bien investigado porque era muy difícil interactuar con las histonas sin afectar a todo el genoma. Ahora puede actuarse sobre un único gen sin perturbar al resto.


  Un saludo

 Referencias:

 Controlling genes with light
 
 The TALE of new tools to study gene regulation

Nota: esta entrada participa en el XXIV Carnaval de Biología acogido en "Pero eso es otra historia..."

Prohibido patentar genes

  Ayer por fin se prohibió que un gen humano pueda patentarse, la sentencia del Tribunal supremo de los EE.UU. anula así las siete patentes que la empresa Myriad Genetics había ido registrando desde hace años, argumentando que "las leyes de la Naturaleza, los fenómenos naturales y las ideas abstractas no pueden patentarse". Esta empresa había aislado los genes BRCA1 y BRCA2 gracias a lo cual desarrolló un método exclusivo de evaluación del cáncer de mama y ovario. Recientemente este método diagnóstico se popularizó en los medios de comunicación por la adenomastectomía bilateral a la que se sometió la famosa actriz Angelina Jolie. La cirugía se produjo precisamente como consecuencia de la aplicación del método diagnóstico de Myriad Genetics.

  Al tener que retirar estas patentes se facilitará que otras empresas puedan comercializar sin trabas legales métodos similares que ya tienen desarrollados, y que resultan mucho más baratos, facilitando de este modo la detección precoz de estas enfermedades.

  Lo más llamativo de todo esto es que durante años esta compañía de biotecnología ha obtenido unos tremendos beneficios gracias, en parte, a que registró estos genes como si fuesen de su propiedad. Se supone que con esta sentencia se cubre lo que al parecer era un vacío legal de los Estados Unidos de América, esperemos que en Europa, con una legislación que permite explícitamente patentar genes, algún legislador se tome la molestia de seguir esta nueva doctrina. Lo lógico es que se modifique de algún modo la norma europea, pero no creo que sea porque ahora se reconozca lo disparatado que resulta patentar genes sino más bien para evitar los conflictos legales que se pueden avecinar entre empresas de uno y otro lado.

  Un saludo

El código genético, colaboración en JoF

  Acaba de salir el quinto número, correspondiente al mes de julio, de una de las mejores revistas nacionales de divulgación científica. Se trata de JoF, Journal of Feelsynapsis, en donde colaboro mediante la publicación de un artículo titulado "El código genético" que puede seguirse en este enlace. Puede leerse on-line o si se prefiere puede descargarse la revista al PC, a la tabletPC o al movil. A ver si os gusta.

  Aprovecho la entrada del blog para agradecer a Enrique Royuela la labor de diseño y maquetación.

  Un saludo

Evolución de los genes sexuales en aves y mamíferos

  Por como funciona la reproducción en nuestra especie tendemos a pensar en individuos sexuados, pero la casuistica a la hora de determinar el sexo es bastante grande, si es que la especie recurre al sexo para reproducirse, cosa que no siempre sucede. En nuestro caso, la determinación es de tipo cromosómico, y al igual que la
 mayoría de mamíferos utilizamos el sistema XX/XY. Las hembras tienen los cromosomas sexuales XX y los machos XY, este sistema funciona bastante bien y de hecho también es el preferido por equinodermos y algunos
 otros grupos zoológicos. De modo similar, las aves emplean diferentes cromosomas para determinar el sexo, pero al contrario que en nuestro caso los machos son ZZ y las hembras son las que tienen dos cromosomas sexuales diferentes: ZW. Se trata del sistema ZZ/ZW que también se encuentra en lepidópteros y otros taxones.

Evolución


  Se cree que a lo largo de la evolución los cromosomas sexuales han aparecido a partir de autosomas, esto es, del resto de parejas de cromosomas. Los autosomas se caracterizan por formar pares y poderse recombinar durante la meiosis, esto es, son cromosomas homólogos, consideración que merecen también los pares XX y ZZ.
 Se sabe que en nuestros ancestros los reptiles, la determinación del sexo no tiene porqué ser cromosómica, puede ser genotípica, por temperatura... se ha planteado que un ancestro reptiliano con cromosomas homólogos y un gen de tipo SRY para determinar el sexo precedió a monotremas y terios, de tal modo que el cromosoma con ese gen fue reduciéndose y sufriendo diferentes cambios. Por ello la mayoría de los cambios para el afianzamiento del cromosoma heterólogo, es decir, el Y se han producido en el cromosoma heterólogo (W e Y). Por el contrario, el cromosoma sexual homólogo, común a ambos sexos Z y X se ha pensado que se estaba menos distanciado evolutivamente de su origen autosómico.

Evolución inesperada

  Un equipo de investigadores hace un par de años obtuvo unos resultados que cuestionaban esta teoría para el cromosoma Z en aves y para el X en mamíferos.
  Secuenciaron completamente el cromosoma Z de pollo observando que es menos denso en genes que los autosomas y que contiene una disposición masiva en tándem con cientos de genes duplicados que luego se expresan en los testículos. La comparación general del cromosoma Z de pollo con la secuencia de acabado del cromosoma X humano demostró que ha evolucionado independientemente de las diferentes porciones del genoma ancestral. A pesar de esta independencia, el cromosoma Z y el X comparten características que los distinguen de los autosomas: la adquisición y amplificación de genes expresados en los testículos, y una baja densidad de genes como resultado de una expansión de las regiones intergénicas.

  Estas funciones no estaban presentes en los autosomas partir de los que evolucionaron Z y X, sino que las fueron adquiriendo a mediada que evolucionaban como cromosomas sexuales. La conclusión es que los cromosomas Z y los X han seguido trayectorias evolutivas convergentes, a pesar de evolucionar en sistemas sexuales heterogaméticos opuestos.
 
  En términos más generales, digamos que tanto en aves como en mamíferos, la evolución de los cromosomas sexuales ha impicado no sólo la pérdida de genes, sino también la expansión y adquisición de genes en los cromosomas sexuales comunes a ambos sexos.

Nota:
 Esta entrada participa en la XIII edición del carnaval de Biología que se hospeda en el blog "Caja de Ciencia".

 Referencias:
 Convergent evolution of chicken Z and human X chromosomes by expansion and gene acquisition

Priones que favorecen la supervivencia de levaduras.

  Los priones, tienen muy mala fama porque son el agente causal de varias enfermedades como la encefalopatía espongiforme bovina; esto es, la enfermedad de las "vacas locas", el Kuru, la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob, etc. Sin embargo, los priones son proteínas beneficiosas para la vida de las levaduras, Saccharomyces sp. Ahora se ha publicado que pueden transmitir a su descendencia ciertos rasgos promovidos por priones, contribuyendo de este modo a cambios evolutivos.
         
Herencia epigenética


  Hace una década, gracias a investigaciones de laboratorio realizadas con levadura para panificación, se descubrió que detrás de ciertos rasgos hereditarios de estos hongos microscópicos hay priones. 


  La clave del descubrimiento fue que algunas proteínas pueden cambiar espontáneamente de la forma normal a una conformación priónica autoperpetuable. El cambio a la conformación priónica altera la función proteica, lo que puede dar lugar a nuevos rasgos, beneficiosos o no. Las células infectadas, al dividirse transmiten las plantillas fragmentadas de la replicación de priones a su descendencia. Hay que indicar que la tasa a la cual las proteínas cambian a la conformación priónica o la tasa a la que revierten este cambio aumenta en respuesta al estrés ambiental, lo que sugiere que estos cambios son parte de un mecanismo de supervivencia propio de las levaduras.


  La importancia biológica de esta forma de herencia, basada en proteínas que actúan como elementos de herencia epigenética, ha sido muy discutida estos años porque no se habían encontrado priones así en la Naturaleza. Hasta ahora, claro, por eso estamos contando aquí este descubrimiento llevado a cabo por científicos del Instituto Whitehead para la investigación 
biomédica (Cambridge - USA) que han testeado cerca de 700 cepas de levaduras salvajes, aisladas de los ambientes más diversos del mundo. Han buscado priones conocidos y desconocidos, y los han encontrado en la tercera parte de las cepas analizadas. Todos los priones parecen ser capaces de dar
lugar a diversos caracteres nuevos, siendo beneficiosos aproximadamente la mitad. Este inesperado descubrimiento ha sido publicado esta misma semana en "Nature" y se opone frontalmente a la opinión generalizada de que los priones de levadura no son más que enfermedades o artefactos de los cultivos de laboratorio.


Búsqueda de priones de levadura en cepas de origen diverso


 Llevaron a cabo un "screen" químico para el [PSI +], un prión bien conocido. 
Se encontró en diez cepas salvajes. Los estudios genéticos confirmaron que se trataba de un auténtico prión. Y luego se estudiaron los efectos de [PSI +] sobre ciertos rasgos biológicos. Se eliminó la conformación del prión en las cepas y luego se expusieron a situaciones estresantes naturales como alta acidez y anti-fúngicos. Por ejemplo, en una cepa aislada de vino Beaujolais, el prión hizo surgir rasgos que podrían ser beneficiosos o perjudiciales, según las condiciones ambientales. Otro conocido prión, el [MOT3 +] fue hallado en seis cepas silvestres.


  Para saber si las levaduras salvajes podrían albergar elementos priónicos desconocidos, aplicaron el protocolo químico que transformó los priones [PSI +] y [MOT3 +] al estado normal exponiendo conjuntos de cultivos de todas las cepas silvestres. Observaron 255 cepas con fenotipos cambiantes bajo diferentes factores de estrés una vez pasado el tratamiento. Tanta diversidad fenotípica debida a priones ha sido inesperada.Otra de las sorpresas que ha aportado este interesante trabajo ha sido que aproximadamente el 40% de los rasgos inducidos por los priones encontrados en la Naturaleza resulta ser beneficioso para el crecimiento en las diferentes condiciones ambientales evaluadas.


Selección Natural y mundo previo al RNA


  El hecho de resultar beneficiosos con tanta frecuencia sugiere que los priones han sido previamente sometidos a selección natural. Formarían parte de un mecanismo que permite a la levadura adaptar rápidamente su fisiología a un entorno cambiante que se vuelve bruscamente poco favorable para su supervivencia. 


  Los autores convencidos de la importancia que han tenido los priones en la evolución de las levaduras finalmente han especulado con que estas proteínas pueden ser algo así como "restos de vida primitiva". Para que nos entendamos, de una época anterior a la del mundo del RNA.


Un saludo


Referencias:


Prions are a common mechanism for phenotypic inheritance in wild yeasts


Randal Halfmann, Daniel F. Jarosz, Sandra K. Jones, Amelia Chang, Alex K. Lancaster & Susan Lindquist - Nature 482, 363–368 (16 February 2012) doi:10.1038/nature10875

Prion proteins play powerful role in survival, evolution of wild yeast strains


Nota: esta entrada participa en la X edición del carnaval de Biología que se hospeda en el blog "SCIENTIA".

La enfermedad de Alzheimer se asocia a variantes comunes de ciertos genes.

  La enfermedad de Alzheimer sigue planteando enormes incógnitas, sin embargo, da la sensación de que las hipótesis que le atribuyen causas genéticas últimamente cobran ventaja. En un estudio genético en el que se entremezclan neurohistología, genética molecular, estadística y algoritmia, un gigantesco equipo multidisciplinar de diferentes países publicó online, ayer domingo en “Nature”, un estudio en el que identifican nuevos loci susceptibles para la enfermedad de Alzheimer. Dentro de este gran estudio hay colaboración española procedente de la Unidad de Genética Molecular del Hospital Universitario Central de Asturias en Oviedo, la Asociación de Familiares de Alzheimer de Madrid (AFAL), etc.

  El estudio se basa en el análisis de asociación por etapas de diferentes muestras de tejidos enfermos y controles, y en el test de loci sugeridos por el Consorcio de estudios genéticos para la enfermedad de Alzheimer (ADGC) de la Universidad de Pennsylvania.

  Se llevó a cabo un análisis combinado de cuatro conjuntos de datos (etapa 1) y diez variantes identificadas recientemente asociadas con P ≤ 0,00001. Se probaron estas variantes en una muestra independiente (etapa 2). Se replicaron tres SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), polimorfismos de un nucleótico, esto es, variaciones en la secuencia de DNA que afectan a una sola base de la secuencia, en dos loci que mostraron pruebas evidentes de la asociación en una muestra posterior (fase 3). El meta-análisis de todos los datos aporta pruebas convincentes de que ABCA7 (rs3764650, meta P = 4,5 ×10-17, incluyendo datos  ADGC, meta P = 5,0 × 10-21) y el grupo de genes MS4A (rs610932, meta P = 1,8 × 10 -14, incluyendo también datos ADGC, meta P = 1,2 × 10-16) son nuevos loci susceptibles de relacionarse con la enfermedad de Alzheimer.

  Además se encontraron evidencias independientes para la asociación de otros tres loci indicados por el consorcio ADGC: CD2AP, CD33 y EPHA1.

  El primero de estos cinco genes es el miembro 7 de la subfamilia A de las ATPasas del tipo ABC (ATP binding cassette) que son transportadores transmembrana, y el segundo es un gen que codifica la subunidad beta del receptor de alta afinidad IgE, miembro este de la familia de genes de membrana con 4 dominios.

  En resumen, este trabajo apunta hacia grandes proteínas transmembrana atípicas, relacionadas con el transporte de colesterol y lípidos, por una parte y a receptores de alta afinidad implicados en la señalización y en la respuesta inmune, por otra.

 Esperemos que este trabajo, y otros que vendrán, vayan desenmarañando poco a poco los nudos que da esta enfermedad en el cerebro humano.

  Un saludo

Referencias :

Common variants at ABCA7, MS4A6A/MS4A4E, EPHA1, CD33 and CD2AP are associated with Alzheimer's disease. Nature Genetics. Year published: (2011)

DOI: doi:10.1038/ng.803

Imagen dibujada por Santiago Ramón y Cajal

Célula de Purkinje en un caso de demencia precoz.

© Herederos de Santiago Ramón y Cajal .

El Instituto Cervantes, autoriza la descarga de la imagen para su uso responsable en medios informativos

Transferencia horizontal de genes de hospedador humano a patógeno bacteriano

  Ya apareció el artículo sobre la THG, o HGT por sus siglas en inglés, del que se trató en la anterior entrada. Este nuevo post es sólo para apuntar algunas cosas que faltaban por indicar. La transferencia horizontal de genes (THG) ha sido descrita frecuentemente entre organismos filogenéticamente muy relacionados, sin embargo este importante descubrimiento nos informa de la transferencia horizontal de elementos LINE-1 humanos a bacterias. Estos elementos son retrotransposones, y su aparición y amplificación ha sido una de las constantes en la evolución de los homínidos durante los últimos millones de años. La secuencia descubierta en el genoma de Neisseria gonorrhoeae (Zopf, 1885) está formada por 685 pares de bases que exhiben un 98% de similitud con las copias del elemento L1 humano. Como ya se comentó, aparece en aproximadamente el 11% de las poblaciones de bacterias muestreadas, además se observó el transcrito correspondiente en N. gonorrhoeae por lo que se supone que se sintetiza el producto génico humano. El descubrimiento es realmente importante para entender mejor cómo se produce la coevolución entre los mamíferos y algunos de sus microorganismos asociados.


  Por último, se comenta un posible escenario en el que pudo darse la THG, esta se produciría tras una evento apoptótico o necrótico, durante el que el DNA del hospedador resulta fragmentado en la célula moribunda haciendo así accesible el DNA al gonococo.


  Un saludo


  Referencia :


Anderson, M. T., and H. S. Seifert. 2011. Opportunity and means: horizontal gene transfer from the human host to a bacterial pathogen. mBio 2(1):e00005-11. doi:10.1128/mBio.00005-11.

La gonorrea por San Valentín muestra el primer ejemplo de transferencia horizontal de DNA humano a bacterias.

  Supongo que por pura casualidad, hoy día de los enamorados (San Valentín), se publica un interesantísimo artículo en la revista mBio sobre la primera observación de transferencia horizontal de DNA desde humanos a bacterias. La bacteria es el gonococo, esto es, el agente causal de la gonorrea o blenorragia, Neisseria gonorrhoeae (Zopf, 1885) una gram (-) que en los últimos años está desarrollando resistencia a antibióticos a buen ritmo. En los varones provoca una secreción purulenta que fluye por el meato uretral goteando así por el pene, mientras que en las mujeres la secreción es vaginal supurando también hasta el exterior. Coincidencia o no, como es bien conocido, esta enfermedad es una de las enfermedades venéreas o de transmisión sexual más comunes. En los Estados Unidos se estima que se producen 700.000 casos anuales que en el conjunto del planeta rondan los 50 millones.



  Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Northwestern, en Chicago, Illinois (U.S.A.) han descubierto la primera evidencia de un fragmento de DNA humano dentro de genoma bacteriano, suponen que se trata de un evento evolutivo reciente. El descubrimiento ayuda a entender mejor la evolución de esta bacteria tan extraordinariamente bien capacitada para adaptarse a sobrevivir en sus hospedadores; es decir, los humanos, porque es de las pocas que parasitan exclusivamente a nuestra especie. Los microbiólogos que han realizado este descubrimiento están convencidos de que el logro de esta Neisseria al adquirir al menos una secuencia genética humana, no ha sido nada fácil. En el estado actual de la investigación se desconoce qué ventajas ha podido aportarle al microbio esta adquisición.


  Hank Seifert lleva 28 años dedicados a estudiar esta enfermedad y comenta que ya aparecía descrita en la Biblia, así como que su línea de investigación se dirige fundamentalmente a entender cómo esta bacteria se libra del sistema inmune humano alterando su apariencia y modificando la actividad de los glóbulos blancos.


  El fragmento de DNA humano adquirido se encuentra en el 11% de las cepas aisladas y es un elemento de DNA L1. Han buscado infructuosamente más fragmentos de DNA humano en otras especies del mismo género como Neisseria meningitidis (Albrecht and Ghon, 1901).


En fin un descubrimiento de primera con numerosas implicaciones: médicas, microbiológicas, evolutivas, etc.


Un saludo


Referencia :

Gonorrhea acquires a piece of human DNA

El transcriptoma en cerebros con Alzheimer muestra diferencias en el splicing

Introducción


  Un reciente estudio, publicado en “PLoS one” el pasado viernes 21 de enero, mejora la comprensión del transcriptoma de tejido cerebral afectado por la enfermedad de Alzheimer. Un equipo de científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur, en Sídney (Australia), utilizando una poderosa técnica de secuenciación de todo el transcriptoma (RNA Seq), ha encontrado expresión diferencial de genes, genes que emplean promotor alternativo y patrones de “splicing” que cambian junto con la neurodegeneración.

  En vez de trabajar, como es habitual, con modelos de enfermedad de Alzheimer basados en animales transgénicos o con líneas celulares procedentes de personas enfermas, se han arriesgado con el Homo sapiens sapiens (Linnaeus, 1758) optando por tejido cerebral humano post mortem procedente de empresas biotecnológicas norteamericanas. Resulta de sobra conocido que con este material siempre hay problemas que afectan a la calidad del tejido nervioso, lo que en este caso concreto puede afectar al estudio del transcriptoma, pero bueno algún grupo tiene que arriesgarse que luego ya se verá hasta qué punto es acertado el trabajo. El artículo, sin ser excesivamente ambicioso, es muy alentador porque los resultados ahondan en una hipótesis de trabajo muy prometedora para descifrar los enigmas que plantea esta horrible enfermedad. La investigación se ha llevado a cabo sobre los lóbulos frontal y parietal, y sobre cerebro total.

La enfermedad de Alzheimer


  La enfermedad de Alzheimer es la primera causa de demencia en seres humanos, y aunque realmente se desconoce su etiología existen diferentes hipótesis algunas de las cuales le atribuyen causas genéticas. Se manifiesta por una pérdida de memoria y de otros procesos cognitivos, así como por la presencia de síntomas no cognitivos como delirios, agitación, y con cambios de humor y personalidad. Siendo características claves de la neuropatología de la enfermedad la extensa pérdida neuronal unida a la presencia extracelular de las placas neuríticas o seniles, compuestas del péptido beta amiloide, y la presencia de los ovillos neurofibrilares (intraneuronales) descritos ya por el famosos neurólogo y psiquiatra alemán Aloysius Alzheimer (1864-1915). Los ovillos están compuestos de filamentos de la forma hiperfosforilada de la proteína tau asociada a microtúbulos. A falta de una mejor comprensión de la patogénesis de esta enfermedad, las estrategias de tratamiento realmente no curan porque se limitan a abordar los síntomas y a reducir su tasa de comienzo ya que desde el mismo momento del diagnóstico se ve reducida la esperanza de vida del paciente, que a partir de ese momento se encuentra entre los 3 y los 20 años.

El transcriptoma, el mRNA y la tecnología RNA-Seq

  El transcriptoma es el RNA mensajero (mRNA) y por tanto el reflejo de la actividad de la RNA polimerasa del tejido en un momento dado. Una vez terminada la transcripción, el mRNA madura en un proceso conocido como “splicing” en el que se van eliminando los intrones del mRNA precursor, una vez finalizados los mecanismos post-transcripcionales el mRNA consta únicamente de secuencias derivadas de exones que el ribosoma traduce en una proteína. Gran variedad de moléculas de señalización se dedican a realizar el “splicing alternativo” de intrones en un gen, introduciendo así una gran variabilidad en las proteínas traducidas a partir del mismo gen, aunque ocasionalmente estos mecanismos post-transcripcionales fallan generando un mRNA anómalo.

  Este tipo de estudios de amplia expresión del genoma, en principio, al no estar influenciados por asunciones deductivas, proporcionan una aproximación interesante a la investigación de la patogénesis de enfermedades complejas como la de Alzheimer o el cáncer.

  En estos momentos, en los que se puede decir que vivimos inmersos en la era post-genómica, al hablar de secuenciadores de alto rendimiento debemos comentar que una de las tecnologías más poderosas de secuenciación de siguiente generación, “Next-generation sequencing”, NGS por sus siglas en inglés y que también se traduce como de próxima generación o de nueva generación, es la RNA-Seq, la cual nos da el poder de realizar nuevas observaciones biológicas gracias a una secuenciación más barata y eficiente, operando con fragmentos más pequeños de ácidos nucleicos que eso si, obligan a realizar un esfuerzo considerable en el desarrollo de herramientas informáticas para tratar los enormes ficheros de datos que se obtienen. La RNA-Seq secuencia el DNA complementario (cDNA) por medio de métodos altamente eficientes de secuenciación de DNA (NGS) y posteriormente mapea los fragmentos de corta secuencia resultantes (reads) sobre el genoma de referencia. Esta nueva tecnología hace posible identificar exones e intrones, mapear sus uniones, las terminaciones 3’ y 5’ de los extremos, y por añadidura posibilita la comprensión de la complejidad de los transcriptomas eucarióticos. La RNA-Seq también permite identificar los sitios de iniciación de la transcripción (TSSs) y las variantes de nuevo splicing permitiendo la precisa determinación cuantitativa de la expresión del exón y de las isoformas del splicing. ¡Impresionante! Faltan palabras para alabar las bondades de estos nuevos logros de la biología molecular.

  En resumen, las NGSs proporcionan herramientas más finas que facilitan la comprensión de los análisis del transcriptoma, por ejemplo, algunos informes recientes que comparan sistemáticamente microarrays y NGS han probado claramente la superioridad de lo último con respecto a la baja frecuencia de las señales de falsos positivos y a la alta reproductividad del método.

Genética de la apolipoproteína E

  La apolipoproteína E (Apo E) es un polipéptido de 299 aminoácidos, con gran importancia en el metabolismo lipídico. Es sintetizada fundamentalmente en el hígado, aunque también se genera en cerebro, riñones y bazo. En el sistema nervioso central (SNC) es producida principalmente por las células de Hortega y por los astrocitos.

  Su gen es pleomórfico con 3 alelos principales. El normal es el e3, mientras que las isoformas e2 y e4 están detrás de diferentes enfermedades genéticas. Estos otros alelos son el producto de mutaciones que provocan la codificación de dos aminoácidos diferentes en las posiciones 112 y 158. Siendo e2 (Cys-112 y Cys-158), e3 (Cys-112 y Arg-158) y e4 (Arg-112 y Arg-158). Por tanto, tenemos 6 genotipos, tres heterocigotos (e2/e3, e2/e4 y e3/e4) y tres homocigotos (e2/e2, e3/e3 y e4/e4). El e3/e3 es el genotipo normal y se observa en el 60% de la población. El e2/e2 provoca hiperlipoproteinemia de tipo III asociada a ateroesclerosis, niveles altos de colesterol, etc. Los genotipos e4/e4 y e3/e4 se relaciona con altos niveles de colesterol, así como con la enfermedad de Alzheimer y con problemas en el desarrollo cognitivo. Sin embargo, hay que aclarar que la tercera parte de los pacientes de la enfermedad de Alzheimer no posee el alelo e4 y hay casos en los que el genotipo e4/e4 no desarrolla la enfermedad. La ApoE es reconocida por su receptor específico, salvo la isoforma e2 que no es reconocida por ningún receptor.

El fondo del trabajo

  Hasta ahora los estudios de transcriptoma en relación con la enfermedad de Alzheimer usando tejido cerebral habían proporcionado resultados bastante discordantes y este, aun siguiendo en la misma línea, aporta novedades que lo hacen más interesante.

  En el estudio de estos investigadores australianos se ha realizado un análisis comparativo de la expresión génica de tejido cerebral humano normal y afectado por la enfermedad de Alzheimer, usando la poderosa técnica RNA-Seq. Han analizado muestras de mRNA de todo el cerebro, del lóbulo temporal y del frontal. Se eligieron estas localizaciones por la forma en la que evoluciona el mal, se sabe que los ovillos neurofibrilares primero aparecen en la corteza entorrinal del lóbulo temporal medial y desde ahí se extienden hacia la región CA1 del hipocampo; regiones cerebrales relacionadas con la memoria. La formación de los ovillos entonces progresa hacia el neocórtex frontal y temporal.


Al comparar tejido sano y enfermo han encontrado diferencias significativas en los niveles de expresión de genes isomorfos, un uso diferencial de promotores y diferentes sitios de inicio de la transcripción. La expresión génica diferencial se encontró en el conjunto del cerebro, en el lóbulo frontal y en el temporal. En los tres casos encontraron diferencias significativas que los autores consideran debidas a niveles generales más bajos de la actividad transcripcional en el cerebro de los enfermos de Alzheimer en los que la pérdida de tejido neuronal es manifiesta.

  En general, las diferencias observadas concuerdan con estudios previos de microarrays sobre la enfermedad de Alzheimer, aunque hay discrepancias en algunos genes. Resulta enormemente llamativa la mayor expresión en los cerebros afectados por la enfermedad de Alzheimer de genes relacionados con la muerte neuronal programada o apoptosis. La sobreexpresión de estos genes eutanásicos se relaciona con el proceso neurodegenerativo y la muerte celular asociada.

  Una de las características clave del RNA Seq es su capacidad de identificar el splicing alternativo de los transcritos, por lo que el descubrimiento de que las muestras de tejido enfermo muestran menores niveles de variantes de splicing es muy interesante, al igual que la observación de que el mapeo de las lecturas para las muestras del genoma de referencia muestran diferencias en los niveles de expresión de exones ApoE individuales. También llama la atención el posible splicing alternativo diferencial porque el análisis detallado de los transcritos revela tres isoformas ApoE trascripcionales diferentes en las muestras de lóbulo temporal: APOE-001 y APOE-002 contienen el exón 1 mientras que la APOE-005 es generada por un promotor alternativo (cadena arriba del segundo exon de ApoE).

  Sin embargo, resulta discordante la identificación de los alelos ApoE del cromosoma 19 presentes en las muestras de los cerebros enfermos porque las muestras de los lóbulos temporales y la muestra para cerebro total eran homocigóticas para el alelo e3, mientras que la del lóbulo frontal era heterocigótico: e3/e2. Por lo que aún estamos lejos de comprender el riesgo que representa el alelo ApoE e4 y su posible interacción mecanística con la patología beta-amiloide.

  Ahora podemos comprender el transcriptoma de tejido cerebral afectado por la enfermedad de Alzheimer, gracias a la identificación de los niveles de expresión diferencial en diferentes genes, al establecimiento de los genes que emplean promotor alternativo y a saber qué patrones de splicing cambian en relación con la neurodegeneración. Además el análisis comparativo de las muestras obtenidas de diferentes regiones cerebrales ha aportado una “mayor resolución molecular” con esta investigación. Los lóbulos temporal y frontal no sólo difieren en la composición cuantitativa de los genes expresados, sino que también muestran alteraciones específicas de lóbulo en el ensamblado de los transcritos. Por todo lo cual este trabajo apoyaría la idea de que la alteración del control transcripcional de los genes implicados en la fisiología neuronal estaría estrechamente relacionada con la neurodegeneración. Como se ha visto con anterioridad en el splicing alternativo de ciertos receptores en cerebros enfermos: transportador de glutamato, PIN1, alfa de estrógeno, y el de ApoE. La observación de una expresión alternativa de ApoE junto a los informes previos sobre el patrón de splicing alternativo del receptor ApoE ahondan en la idea de la gran relevancia funcional del metabolismo lipídico en la patología de la enfermedad de Alzheimer.

  Un saludo

Referencia

Twine NA, Janitz K, Wilkins MR, Janitz M (2011) Whole Transcriptome Sequencing Reveals Gene Expression and Splicing Differences in Brain Regions Affected by Alzheimer's Disease. PLoS ONE 6(1): e16266. doi:10.1371/journal.pone.0016266

 

Coevolución y endosimbiosis tras el parasitismo de nuestros piojos.

  De nuevo volvemos a hablar de un ser vivo muy próximo a nosotros. Un equipo multidisciplinar en el que han participado investigadores nacionales publicó la semana pasada en los “Proceedings” de la Academia Nacional deCiencias de los Estados Unidos de América un importante artículo en el que se explica que han logrado secuenciar el genoma de nuestros piojos. Por cierto, animales sobre los que ya escribimos una entrada introductoria el pasado mes de marzo. En concreto han trabajado con la subespecie corporal que es la más peligrosa para la salud pública y con su principal endosimbionte  bacteriano: candidatus Riesia pediculicola. Resulta que su genoma es el más pequeño de todos los secuenciados hasta ahora en insectos, extendiéndose sólo 108 Mb, de acuerdo con su ciclo biológico se ha encontrado que contiene menos genes asociados con la percepción ambiental y sus respuestas asociadas que incluyen receptores gustativos y olorosos así como enzimas desintoxicantes. A pesar de tratarse de un parásito obligado conserva 10773 genes codificantes de proteínas y 57 microRNA’s.

  Como su desarrollo postembrionario es hemimetabolia ( la ninfa es muy similar al imago y vive en el mismo medio ecológico en ambas fases ) este estudio servirá de referencia a otros estudios que se hagan con otros insectos que comparten este ciclo.

  La arquitectura única de los 18 cromosomas minicirculares mitocondriales pueden relacionarse con la pérdida del gen que codifica la proteína de unión de DNA mitocondrial de hebra sencilla.

  El genoma del endosimbionte del piojo candidatus Riesia pediculicola codifica menos de 600 genes en un corto cromosoma lineal y en un plásmido circular que alberga un único ordenamiento de los genes requeridos para la síntesis del pantotenato, una vitamina esencial que falta en la dieta del piojo.

  El piojo del cuerpo humano, su principal endosimbionte, y los patógenos bacterianos de que actúan como vectores poseen, todos ellos, genomas de reducido tamaño en comparación con los de especies equivalentes de vida independiente.

  Por tanto, el proyecto genoma del piojo del cuerpo humano ofrece información única así como herramientas para avanzar en la comprensión de la coevolución entre vectores, simbiontes y patógenos.

 Un saludo

El dilema de los transgénicos o la biodiversidad.

  Los organismos modificados genéticamente o transgénicos están causando graves problemas. Vamos a comentar sólo los más conocidos porque abarcar toda la problemática se saldría del ámbito de este blog. La normativa internacional es variada y el descontrol es enorme como se ve por las demandas, denuncias, juicios, etc. que las multinacionales biotecnológicas promueven en su objetivo de que se reconozcan patentes sobre secuencias génicas o el material que contiene las secuencias patentadas, para que nos entendamos si un productor de algodón, soja o maíz vende variantes transgénicas la biotecnológica quiere cobrar una parte por cada tonelada. El caso es que hay conflictos con muchos agricultores porque ellos están acostumbrados a pagar sólo por la semilla que compran y no por la producción total. Otro asunto serio es que estos organismos transgénicos se cruzan libremente con los tradicionales así además de sustituirlos los contaminan y las variantes de siempre adquieren genes que, por ejemplo, en la agricultura ecológica no están permitidos. Así se está afectando gravemente y en pocos años el acervo genético de los cultivos tradicionales seleccionados pacientemente durante siglos ¿ no deberían indemnizar las biotecnológicas por esta contaminación en vez de exigir únicamente la destrucción de todas las semillas cuando se descubren genes transgénicos ?. Los problemas en la agricultura van más lejos porque estos cultivos frecuentemente implican un mayor uso de insecticidas,  etc. Luego vienen los problemas medioambientales que están afectando de modo irreversible a la biodiversidad, esto es especialmente delicado en aquellos países en los que se originó el cultivo de alguna especie porque pueden fácilmente causarse extinciones. Por ejemplo, se está siguiendo de cerca el caso del maíz en México o el de las patatas en la región andina, donde las especies silvestres están corriendo un grave riesgo de desaparecer por la introgresión de DNA transgénico (sin olvidarnos de la introgresión procedente de genes seleccionados por los métodos tradicionales), también es peligrosa la aparición de malas yerbas, de plagas resistentes, etc.

  En resumen de lo que se trata es de regular mucho mejor el uso de estos organismos para que no sean perjudiciales para ni el medio ambiente, ni para la agricultura, ni para la salud pública. Con ese objetivo el sábado 17 de abril la plataforma rural y Greenpeace convocan una manifestación en  la plaza de la provincia de Madrid a las 11:30 contra los transgénicos. Se trata de concienciar a la gente del gravísimo problema que está generando la industria biotecnológica con los organismos modificados genéticamente o transgénicos. Por último, queremos comentar que no se trata de atacar a esta industria porque sí, sino de regularla mejor para que no se produzcan los daños medioambientales que se están dando actualmente.

Microevolución y ley de Hardy-Weinberg.

En 1908 el matemático inglés Godfrey H. Hardy (1877-1947) y el médico y genetista alemán Wilhelm Weinberg (1862-1937) descubrieron por separado la ley de Hardy-Weinberg.

Controversia mendelistas vs. biometristas

  El contexto histórico en el que apareció esta ley fue el de la controversia entre mendelistas y biometristas. Estos últimos, siguieron los planteamientos de Francis Galton, biólogo, psicólogo y meteorólogo inglés (1822-1911), además de primo de Darwin. Este científico desarrolló una teoría de la herencia diferente de la de Gregor Mendel y la fundamentó en principios estadísticos. Mendel trabajó con caracteres cualitativos, sin embargo, a principios del siglo pasado no estaba claro cómo se heredaban los caracteres cuantitativos o biométricos. El fenotipo de estos caracteres viene fuertemente influenciado por factores ambientales y hoy día sabemos que también son codificados por bastantes genes. Pues bien, dentro de esta controversia se produjo una discusión entre el matemático británico Udny Yule (1871-1951) (biometrista) y el biólogo británico Reginald C. Punnett (1875-1967) (mendelista), este último era amigo del gran matemático Hardy y le comentó que no era capaz de explicar porqué un caracter mendeliano dominante A no hace desaparecer al recesivo a en una población. Entonces Hardy se decidió a publicar el artículo correspondiente, sin saber que meses antes un médico judeoalemán ya lo había hecho sin que nadie le diera importancia porque, de hecho, el trabajo de Weinberg pasó desapercibido durante 35 años... durante los cuales este principio de genética de poblaciones fue conocido únicamente como ley de Hardy. Así que Hardy tardó 35 años en saber que no había sido el primero en hacer este descubrimiento. Sin embargo, Weinberg murió sin saber que finalmente se le concedería el merecido reconocimiento. Al menos en esta entrada ponemos su fotografía como pequeño homenaje a tan gran científico.

Conceptos básicos de genética de poblaciones.

  Una población mendeliana es un grupo de organismos de una especie con reproducción sexual que habitan en un área geográfica definida y se reproducen entre sí.

  El acervo genético, en inglés "gene pool", de una población o de una especie es el conjunto de todos los alelos de todos los individuos de esa población. 

  Si consideramos únicamente el par de alelos Aa, comprobaremos que el porcentaje de gametos del acervo genético que porten A o a dependerá de las frecuencias fenotípicas de la anterior generación.

Condiciones del equilibrio

1.   La población es panmíctica; es decir, todos los individuos tienen la misma probabilidad de aparearse y la población es lo suficientemente grande como para considerar que el apareamiento es al azar.
2.   No actúa la selección natural; es decir, no hay ni mortalidad ni reproducción diferencial para algún genotipo.
3.   No hay inmigración ni emigración.
4.   No hay mutaciones.
5.   La gametogénesis es normal.

Ley de Hardy-Weinberg

  "Si p es la frecuencia del alelo A, q es la frecuencia del alelo a para el mismo locus y estas frecuencias son iguales en ambos sexos, en la siguiente generación tendremos:

(p+q)² = p²+2pq+q² = 1 "

  Estas frecuencias no cambian de una generación a otra, por eso esta ley también es conocida como equilibrio de Hardy-Weinberg. Aunque en la práctica ninguna población cumple estrictamente las condiciones del equilibrio, resulta que muchos genes se ajustan en límites estadísticamente razonables a las condiciones de equilibrio entre dos generaciones sucesivas. 

Evolución

  La evolución es cualquier cambio en una población a partir de las condiciones de equilibrio. Estos cambios en las frecuencias de equilibrio pueden ser producidos por la reducción del tamaño de la población, selección natural, migraciones, mutaciones, etc. La evolución se convierte así en un problema matemático al que también llamamos microevolución o evolución intraespecífica, para distinguirla de la macroevolución que no se ajusta a estos planteamientos tan reduccionistas y sobre cuyos mecanismos aun provoca encendidos debates y variadas controversias.

Referencias:

- Genética. Teoría y 440 problemas resueltos. (William D. Stanfield)

- Genética: la continuidad de la vida. (Ana Barahona y Ángel Piñero)

Código genético atípico

Esta entrada ha sido migrada al blog "Biología abstracta", puede leerse en:


http://biologiabstracta.wordpress.com/2011/09/08/codigo-genetico-atipico/




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Un saludo