Las personas tienen dos copias de la mayoría de los genes, una copia heredada de cada progenitor. Sin embargo, en algunos casos el número de copias varía, lo que significa que una persona puede tener una, tres o más copias de genes particulares. Con menos frecuencia, ambas copias de un gen pueden faltar. Estos tipos de diferencia genética son conocidas como variaciones del número de copias (VCN).
La variación del número de copias es el resultado de inserciones, eliminaciones y duplicaciones de grandes segmentos de ADN de al menos mil nucleótidos de largo (también llamada 1 kilobase o kb). A menudo, estos segmentos son lo suficientemente grandes como para incluir genes completos. La variación en el número de copias es un tipo de variación estructural en la que tienes un fragmento de ADN, que se duplica en algunas personas, y que en ocasiones incluso se triplica o cuadruplica. Y cuando te fijas en esa región cromosómica, podrás ver una variación en el número de copias en personas normales. Algunas veces esas variantes del número de copias incluyen genes, tal vez varios genes, lo cual significa que esta persona tendrá cuatro copias de ese gen en vez de las habituales dos, y alguien más quizás tendrá tres, o incluso cinco. Es muy interesante, porque al principio no esperábamos ver mucho de eso.
La variación del número de copias de genes explica una cantidad significativa de diferencia genética entre las personas. Más del 10 por ciento del ADN del genoma humano parece contener diferencias en el número de copias de genes. La variación en el número de copias de genes puede influir en la actividad de los genes y el funcionamiento de las proteínas fabricadas por ellos, lo que puede afectar muchas funciones del cuerpo.
Descubrimiento y Extensión de las Variaciones en el Número de Copias (VCN)
Lo que hace a las personas diferentes no es sólo la diferencia entre sus genes. Antes se pensaba que las diferencias entre distintos individuos se debían principalmente a mutaciones simples producidas “dentro” de los genes, como el cambio de una base por otra y denominado polimorfismo de nucleótido simple (SNP). Entonces, en los noventa, los científicos descubrieron que el genoma de las personas diferían también en el número de copias que portaban de cada gen, con largas secuencias de ADN que habían sufrido duplicación o incluso habían sido suprimidas cuando se comparaban con el genoma de otra persona.
Dos estudios independientes han demostrado separadamente que el genoma humano tiene una inesperada variabilidad sobre el número de copias que tiene cada individuo de un mismo gen. Esa variación parece afectar nada menos que al 12% de nuestro genoma y hace replantearse la definición de lo que constituye un gen “normal”. Además, este descubrimiento extiende el concepto de la variabilidad genética y cambia el modo ver las enfermedades genéticas y la evolución humana.
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Stephen Scherer del Hospital for Sick Children en Toronto (Canadá) y sus colaboradores se dedicaron a buscar secuencias de ADN duplicadas o eliminadas. Para ello, estos investigadores usaron técnicas de exploración basadas en microformaciones (microarray-based genome scanning techniques) capaces de encontrar secuencias de hasta 1000 bases. Encontraron 70 duplicaciones o supresiones por cada 250.000 bases. Dedujeron que estas duplicaciones o supresiones cubren el 12% del genoma completo y del 6% al 19% por cromosoma. Encontraron que aproximadamente 2900 genes podrían variar en número de copias en segmentos específicos de ADN. En total han descubierto cerca de 24 millones de bases implicadas en ese tipo de variantes. Concluyen que añadiendo esta clase de variación a las mutaciones simples ya conocidas, hay una variabilidad genética entre humanos mucho mayor que la previamente supuesta. Estos cambios no son sólo comunes, sino que además son importantes, pues encontraron supresiones que afectaban a un millón de bases. Estos cambios necesariamente tienen que tener un efecto palpable en enfermedades de origen genético. Además Scheere y sus colaboradores han comparado los dos mapas del genoma humano que realizaron Celera Genomic y el consorcio público Proyecto Genoma Humano, encontrando miles de diferencias. Concretamente encontraron que 30 millones de nucleótidos parecían no estar representados en absoluto o diferían en el número de copias u orientación al comparar ambos mapas. Al utilizar distintos individuos para elaborar ambos mapas los datos obtenidos deben de ser distintos a luz de este nuevo descubrimiento. Hasta ahora se creía que las diferencias encontradas se debían a errores en la secuenciación.
Mientras tanto Matt Hurles del Wellcome Trust Sanger Institute en Cambridge (RU) y sus colaboradores compararon el genoma de 270 personas de cuatro grupos étnicos procedentes de Nigeria, EEUU (descendientes de europeos), Pekín y Tokio. Midieron el número de copias de distintos genes mirando cómo de bien unas secuencias del genoma se unían a otras. Según los autores una de las mayores sorpresas fue ver cuánto de nuestro ADN varía en número de copias y la inmensa contribución de este fenómeno a las diferencias genéticas entre individuos. Para extraer datos significativos de los mapas genéticos los investigadores deben de saber cuanta variación existe. Los algoritmos computacionales son buenos, pero es difícil encontrar algo si no hay referencia con la que comparar. Estos resultados probablemente cambien para siempre el campo de la genética humana.
Contexto Genómico y Avances en el Estudio de la Variabilidad
El estudio de las diferentes razas humanas relacionadas con indicadores de salud, demuestra que existen diferencias genéticas y epigenéticas en sus poblaciones. Los datos del análisis del genoma humano nos permiten entender la variabilidad genómica en las poblaciones y facilitan las vías para los avances en el progreso de la medicina y la biotecnología. Los análisis comparativos de los genomas completos de diferentes poblaciones humanas y de especies cercanas, han identificado dos grandes grupos de variantes genéticas relacionadas con la enfermedad, las primeras relacionadas con enfermedades monogénicas/cromosómicas por variantes genéticas raras que afectan predominantemente una característica fenotípica (por ejemplo, fibrosis quística, enfermedad de Huntington), y el segundo grupo, enfermedades poligénicas multifactoriales más frecuentes, generalmente enfermedades crónico-degenerativas, que implican complejas características fenotípicas (por ejemplo, diabetes, cáncer, enfermedades cardiacas, enfermedades autoinmunes).
En el año 2003, el Proyecto Genoma Humano (HGP) después de 14 años de investigación publicó el primer borrador de la secuencia nucleotídica del DNA humano (secuencia del 97% de la eucromatina del genoma humano haploide). Cuatro años después, Venter y colaboradores publicaron la secuencia del genoma diploide de un individuo. La secuencia del genoma humano permitió la expansión de diferentes campos de la medicina molecular y mejoró el entendimiento de la evolución humana. La información obtenida por el HGP ha logrado avances notables en el inicio del entendimiento molecular de la diversidad genética.
Todos los seres humanos contienen secuencias genómicas únicas, por lo que la secuencias publicadas por el HGP no representan la secuencia exacta del genoma de cada individuo, sino más bien corresponden a la referencia de un grupo pequeño de donadores anónimos. Una vez completada la secuenciación del genoma humano por el HGP, los siguientes estudios de la variación del DNA humano continuaron a través del HapMap Project (HMP), el cual determinó mapas de haplotipos o "haps" asociados a diferentes poblaciones (grupos de secuencias génicas adyacentes), por medio de la identificación metodológica de polimorfismos de un solo nucleótido o single-nucleotide polymorphism (SNPs), junto con algunos haplotipos relacionados al riesgo mayor o menor de desarrollar algunas enfermedades crónico-degenerativas. El proyecto HapMap a través de 3 fases de estudio (2002-2009), determinó los principales haplotipos entre los genomas de poblaciones europeas, asiáticas y africanas, identificados a partir de patrones de grupos de SNPs. Más tarde, el proyecto 1000 Genomes (2008) obtuvo un catálogo más detallado de las variaciones genéticas humanas a partir del análisis de 1,000 donadores anónimos de diferentes grupos étnicos (variaciones estructurales, variaciones en el número de copias, retroelementos, SNPs, etc.).
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Los haplotipos, las mutaciones, los SNPs y otras variantes estructurales en el genoma humano, como el número de copias de segmentos o regiones específicas contribuyen a la diversidad genética en las poblaciones humanas, y algunas de ellas, se han asociado a diferentes enfermedades. Todas estas variantes modifican estructuralmente las regiones codificantes (de proteínas) y las regiones no-codificantes.
La continuación de los estudios del genoma humano han sido coordinados por el Encyclopedia of DNA Elements Project (ENCODE). Recientemente, un numeroso grupo de investigaciones coordinadas por el Consorcio Enciclopedia de los Elementos del DNA, destinadas a encontrar todos los elementos funcionales en el genoma humano, publicaron sus resultados en 30 artículos simultáneos. El Consorcio ENCODE, empleó diferentes tecnologías para la identificación de cambios genéticos y epigenéticos que funcionan como marcas regulatorias de la expresión génica (reguloma), y demostraron que las regiones no-codificantes del DNA humano (más del 80% del genoma total) participan en la regulación funcional de la expresión génica, y que esta regulación se encuentra controlada por múltiples sitios localizados cerca y distante de las regiones codificadoras del gen. Las variaciones en estos sitios se asocian al desarrollo de diferentes enfermedades.
Organización Estructural del Genoma Humano
El genoma humano está constituido por una secuencia de 3.2 x 109 nucleótidos, organizado y compactado en 23 pares de cromosomas (22 pares de autosomas y 2 cromosomas sexuales). El genoma humano globalmente puede ser analizado a partir de sus elementos estructurales y de sus elementos funcionales. Los primeros corresponden por ejemplo a regiones codificantes de proteínas y a regiones no-codificantes; los segundos a los componentes que participan en interacciones, regulación y función biológica. Dentro del genoma humano se encuentran 23,000 genes o regiones codificantes de proteínas (similar al número de genes en otros mamíferos y en algunas plantas); constituidos por exones e intrones en una proporción de secuencias de 1:24).
El DNA humano cuenta con regiones no repetitivas donde se localizan los genes que codifican proteínas y los genes que codifican diferentes RNAs "clásicamente" funcionales (por ejemplo, RNA ribosomal, RNA de transferencia). Sólo el 1% del total del genoma humano, corresponde a regiones exónicas, mientras que el 24% lo abarcan las regiones intrónicas. El DNA codificante está constituido por 20,687 genes aproximadamente; en promedio de 500 a 1,000 genes se ubican en cada cromosoma; un gen en promedio está constituido por 10 a 50 kilonucleótidos o kilobases (kn o kb), pero entre ellos existe gran variabilidad. Las regiones codificantes de los genes corresponden a los exones. En el genoma humano se han identificado 180,000 exones (aproximadamente 10 exones por cada gen), los cuales en conjunto corresponden aproximadamente a 30 megabases de extensión (1% del genoma). Los intrones (regiones intragénicas no-codificantes) corresponden al 24% del genoma humano, son secuencias de DNA cuya longitud es de 10 a 100 veces mayor comparativamente al de los exones; un tipo de ellos son los 5'-UTRs o los 3'-UTRs. Vecinos a los exones/intrones se han identificado a las regiones no-codificantes conocidas como reguladoras (8%-20% del genoma humano) -aunque la identificación de éstas como veremos adelante, se ha ampliado significativamente de acuerdo a los estudios de ENCODE-.
El genoma humano a diferencia de genomas de otros organismos cuenta con mayor cantidad de segmentos o regiones duplicadas; las secuencias repetitivas del genoma humano corresponden a diferentes tipos de regiones: transposones, regiones intergénicas, seudogenes, repeticiones cortas, repeticiones largas y repeticiones en tándem. La larga cadena de 3.2 meganucleótidos o megabases del DNA humano se encuentra enrollada por un complejo de proteínas organizadas, que en conjunto constituyen la cromatina. Las regiones repetitivas del genoma (DNA-RR) abarcan el 98% de su totalidad, e incluyen regiones de RNA no-codificantes, seudogenes, intrones, regiones no traducidas del RNAm (UTRs), secuencias regulatorias, secuencias repetitivas (intergénicas) y secuencias relacionadas con elementos movibles o transposones.
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Los transposones son el componente más grande del genoma humano (45%), los cuales son elementos movibles dentro del DNA y corresponden a secuencias que se pueden replicar e insertar copias de ellos en diferentes localizaciones del genoma ("genes saltarines"), algunos de ellos parecen retrovirus endógenos, los cuales se encuentran integrados permanentemente y son heredados en la duplicación celular. Existen 2 tipos de transposones, los de clase 1 o retrotransposones y los de clase 2 o DNA-transposones. El retrotransposon Alu es el transposón más frecuente intercalado en el genoma humano, cuenta con 300 pb y corresponde aproximadamente al 11% de este (más de un millón de repeticiones), recientemente se identificó que participa en el direccionamiento ribosomal de las proteínas.
Los seudogenes son secuencias de DNA, relacionados o parecidos con genes conocidos, los cuales han perdido su capacidad para codificar proteínas por la acumulación de mutaciones múltiples. Los seudogenes son generalmente no funcionales, y forman los "fósiles genómicos" (genes de nuestros ancestros, que han sido silenciados); por lo que parecen servir como material conservado del proceso evolutivo del individuo. Los RNAs no-codificantes (RNAsnc) participan en el procesamiento del RNAm y en la regulación de la síntesis de las proteínas, el genoma humano contiene aproximadamente 7,000 regiones de RNAsnc.
Impacto de las VCN en Enfermedades, con Énfasis en el Cáncer
Los diferentes estudios de asociación pangenómica de las variantes genéticas estructurales relacionadas con enfermedades poligénicas multifactoriales han logrado solo un éxito limitado en su entendimiento, particularmente porque además de la obtención de la información estructural al secuenciar el genoma humano, se requiere entender la organización funcional y la regulación de la expresión génica. Otro aspecto interesante de este descubrimiento de las VCN es su aplicación a la evolución humana, pues podría dar pistas sobre los procesos evolutivos en la especie humana y su origen.
El cáncer está causado por cambios genéticos que ocurren en nuestras células con el tiempo. Existen dos tipos principales de alteraciones: las mutaciones somáticas, que son cambios en la secuencia de ADN, y las variaciones en el número de copias de un gen en particular. Científicos del IRB Barcelona han publicado nuevos hallazgos en Nature Communications, revelando que la progresión del cáncer está significativamente influenciada por la interacción entre las alteraciones en el número de copias de genes y las mutaciones. De manera inesperada, los investigadores también han establecido un vínculo entre un aumento en el número de copias de genes y mutaciones en genes supresores de tumores, y un vínculo entre un menor número de copias y más mutaciones en diversos oncogenes.
La progresión del cáncer está significativamente influenciada por la interacción entre las alteraciones en el número de copias de genes y las mutaciones. “Nuestra investigación revela que tanto los aumentos como las disminuciones en el número de copias de genes pueden ocurrir de maneras sorprendentes, que impulsan la evolución del cáncer,” explica el Dr. Supek, jefe del laboratorio de Ciencia de Datos del Genoma en el IRB Barcelona y profesor en el Centro de Investigación e Innovación Biotecnológica de la Universidad de Copenhague. Los eventos de “dos golpes” involucran un tipo de alteración genética, como una mutación, que ocurre en combinación con otro evento, comúnmente una alteración en el número de copias. Esta relación era bien conocida en variantes de riesgo de cáncer hereditarias, como las variantes patogénicas en el gen BRCA1, que causan cáncer de mama y de ovario. Aquí los investigadores se centraron en «segundos golpes» menos estudiados que involucran mutaciones somáticas (es decir, no hereditarias). Analizaron datos genéticos de alrededor de 18,000 tumores para descubrir patrones de cambios genéticos. “Estos eventos de doble golpe son cruciales para entender las etapas posteriores de la progresión del tumor. Establecen interacciones complejas entre diferentes cambios genéticos y cómo contribuyen colectivamente al cáncer,” dice la Dra. Besedina. Dado que se demostró que estos genes, paradójicamente, también impulsan el cáncer mediante aumentos en el número de copias, esto sugiere que muchas mutaciones en ellos son las llamadas mutaciones “dominantes negativas”. Estas son, en principio, atacables por terapias. Esta investigación proporciona una hoja de ruta para futuras investigaciones en genética del cáncer. Al explorar las interacciones entre diferentes tipos de cambios genéticos, los científicos pueden obtener una comprensión más profunda de cómo se desarrolla y progresa el cáncer.