LA SECUENCIACIÓN DEL GENOMA DEL PEZ CEBRA ACELERARÁ LA CARACTERIZACIÓN DE LOS GENES HUMANOS.

Se cree que miles de genes y sus variantes genéticas contribuyen al desarrollo del ser humano. Estos rigen su fisiología y por ende sus enfermedades, sin embargo las funciones de la mayoría de ellos todavía nos son desconocidas. En los últimos 20 años, el pez cebra ha surgido como uno de los mejores modelos para investigar la función de los genes de los seres humanos. Dos artículos publicados recientemente en la revista Nature nos muestran la secuencia del genoma del pez cebra, y la separación de mutaciones disruptivas en más de 10.000 genes que codifican proteínas. Estas dos publicaciones suponen un tremendo impulso a este esfuerzo.

Una estrategia común para el estudio de la función del gen es determinar cómo una mutación cambia el fenotipo (su aspecto) de un organismo, que incluye su anatomía, fisiología y su comportamiento. Los embriones y las larvas del pez cebra son ideales para este tipo de estudios debido a su pequeño tamaño, la accesibilidad y la transparencia nos permiten el análisis de miles de animales vivos. La mayoría de las funciones de los genes en el pez cebra han sido descubiertas gracias a la fuerza bruta de la genética en la que los cambios genómicos son inducidos al azar y los cambios resultantes sobre el fenotipo se identifican en la siguiente generación. Sin embargo, la identificación de las mutaciones causales utilizando esta estrategia es muy laboriosa. Aun y así, esta estrategia ha ayudado a descubrir vías genéticas sobre el control del desarrollo embrionario, y muy específicamente sobre la fisiología del corazón. Muchas de estas vías se conservan en los seres humanos, lo que refuerza el uso del pez cebra como un sistema modelo para estudiar comparativamente la función de genes humanos.

Se han utilizad 3 estrategias para identificar el papel de genes específicos en la determinación del fenotipo de un organismo en el pez cebra. Genética directa; implica la introducción de mutaciones aleatorias en los adultos, y la identificación de la descendencia con modificaciones fenotípicas para más tarde analizar su genoma y observar sus  mutaciones. Un método alternativo es llevar a cabo mutaciones al azar, y comparar las secuencias de todo el genoma para identificar las mutaciones en la descendencia antes de buscar cambios fenotípicos. Por último, la estrategia en la que las mutaciones se introducen en los genes específicos y el resultado se observa, en la descendencia.

La secuencia del genoma pez cebra que ha elaborado el equipo de científicos de Howe et al1 facilita en gran medida la identificación de mutaciones, ya que hace posible una comparación directa entre las secuencias mutadas y las normales. La secuencia del genoma también ha revelado algo que sospechábamos. Más del 75% de los genes humanos implicados en enfermedades tienen homólogos en el pez cebra, proporcionando por lo tanto una oportunidad para analizar su papel en este modelo.

La pregunta es, ¿cómo puede la función de un gen humano concreto estudiarse en el pez cebra? Las mutaciones han de ser introducidas en el gen homólogo pez cebra; este es seguido por el análisis fenotípico. El otro equipo, el del Dr. Kettleborough et al ha demostrado como puede hacerse a gran escala. Los autores sometieron al pez cebra macho adulto a un proceso de mutagénesis aleatoria, tras la cual se secuenciaron las regiones en el ADN en la descendencia de codifican proteínas. En 1.673 peces cebra se identificaron alteraciones en 10.043 genes – más de 1/3 de todos los genes que codifican proteínas del pez cebra. Estas líneas mutantes ahora proporcionan un recurso para el análisis sistemático de la función de estos genes.

Una estrategia alternativa para interferir con la función de los genes es centrarse en los genes específicos en lugar de la introducción de mutaciones aleatorias en todo el genoma. De hecho los científicos han desarrollo de sistemas para cortar el ADN en sitios específicos. Este hecho tiene el potencial de revolucionar la forma en que llevamos a cabo dicha mutación dirigida. Esta última estrategia es el sistema del CRISPR-Cas9, que ya ha sido aplicado con éxito al pez cebra. Usando este método, una molécula de ARN cuya secuencia es complementaria a una parte de un gen de interés es guiada con una enzima (endonucleasa) a un sitio específico del ADN. Al adherirse la molécula del ARN sobre el ADN de forma específica la endonucleasa es capaz de cortar el gen e impedir su reparación. Ello resulta en la creación de una mutación en el gen que nosotros hemos querido. Este sistema es barato y rápido y puede ser utilizado por los laboratorios pequeños. Así que es sólo una cuestión de tiempo hasta que se generan versiones mutadas de la mayoría de los genes del pez cebra.

A pesar de todos estos avances que aquí se describen, todavía no tenemos una estimación de cuantos genes mutados producirán cambios fenotípicos. Estudios anteriores demostraron que menos del 10% de los genes del pez cebra causan anomalías durante los primeros cinco días de su desarrollo embrionario y larval. De acuerdo con estas observaciones, Kettleborough et al encontró que sólo alrededor del 5% de los más de 800 genes probados son críticos para el desarrollo normal durante ese período de su desarrollo.

¿Significa que más del 90% de los genes del pez cebra son funcionalmente irrelevantes? Varias consideraciones hacen que esta posibilidad sea muy poco probable. En primer lugar, Kettleborough y sus colegas incluyeron características anatómicas evidentes. De esta manera se habrían perdido fenotipos más sutiles de identificar. En segundo lugar, muchos genes sólo son necesarios durante las etapas posteriores del desarrollo o en la fase adulta. En tercer lugar, en esta etapa temprana de desarrollo, la función del gen defectuoso puede a menudo ser enmascarada por la contribución de los productos de genes proporcionados por la madre, que están presentes tanto en el huevo y el embrión. Por último, hay genes con secuencias similares que muy frecuentemente superponen sus funciones redundantemente, lo que resulta en que sus mutaciones producen alteraciones de difícil escrutinio.

Howe y sus colegas han demostrado que ¼ parte de los genes de pez cebra tienen genes hermanos con una alta similitud de su secuencia genómica, lo que sugiere que esta última posibilidad podría ser particularmente importante para el desarrollo del pez cebra. Sin embargo, todas estas posibilidades pueden ser abordadas por las sofisticadas técnicas que ahora disponemos para su uso en el pez cebra: los  fenotipos pueden ser analizados con imágenes de alta resolución, podemos elaborar perfiles sobre su  expresión génica; los peces cebra mutantes pueden ser estudiados en las etapas posteriores de su desarrollo, y es posible generar mutantes que carecen de funciones de genes tanto maternos como  embrionarios, o para interrumpir dos o tres genes relacionados en el mismo animal.

¿Cómo podrían estas nuevas herramientas y recursos en el pez cebra acelerar el estudio de los genes sobre nuestras enfermedades humanas? Parece que esta claro que podemos encontrar y diseñar mutaciones en un gen del pez cebra que sea el homólogo al gen de la enfermedad humana. Podemos analizar las anomalías fenotípicas. Más aún, podemos utilizar plataformas de detección de fármacos de alto rendimiento para descubrir o caracterizar moléculas pequeñas que pueden modular los cambios fenotípicos. Además, la secuencia del genoma del pez cebra podría abrir la puerta a estudiar antiguos problemas con estas nuevas estrategias. Por ejemplo, el pez cebra tienen tasas muy altas de variación genética – El equipo de Howe encontró que 1 de cada 200 bases difieren entre las líneas o incluso entre los individuos. Los estudios en otros organismos han demostrado que tales diferencias pueden tener efectos fenotípicos. Por lo tanto, es concebible que el pez cebra se podría convertir en un gran modelo para el estudio de los genes en vertebrados.

¿La secuenciación del genoma del pez cebra podría derivar en nuevos conceptos biologicos? Muy posiblemente. Ahora es fácil darse cuenta que el impacto total de la secuencia del genoma humano no era tan evidente cuando se publicó. Por ejemplo, ¿quién podría haber predicho el descubrimiento de miles de moléculas de ARN que no codifican proteínas, pero que ahora se sabe que tienen funciones reguladoras que son clave, o previsto de los progresos en el uso de secuencias del genoma para reconstruir la historia de la evolución del ser humano? La secuencia del genoma del pez cebra y las colecciones de mutantes podrían ser el primer paso para nuevas vías de descubrimientos, y que en un futuro no demasiado lejano nos sirvan para nuestros servicios médicos de las clínicas y hospitales de España.

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