Els altres genomes

What about the other genomes? 1995 saw the publication of the first complete genome sequences of prokaryotic cells and a year later the first sequences of an eukaryotic organism were published: those of the yeast Saccharomyces cerevisiae. From this moment on, a new scientific discipline came into being related to the study of the genome. This new field of study came into its own, as far as its presence in the press is concerned, with the announcement of the human genome project. Since then, hardly a week goes by without some news item concerning the human genome. The authors question, however, whether this is the only possible genome structure and if the medical applications are the only relevant ones.

Fent pa i genòmica amb les mateixes eines

En la dècada dels 80, el desenvolupament de les tècniques de seqüenciació del DNA va arribar a tal nivell d’eficàcia que en diferents llocs del món es va començar a plantejar la possibilitat de seqüenciar de manera sistemàtica genomes complets d’organismes. Als Estats Units es va llançar la idea de la seqüenciació del genoma humà. A Europa els projectes van ser més modestos, però potser més realistes, i es va pensar que era preferible seqüenciar organismes model amb genomes més petits. L’avantatge de l’enfocament europeu era que, amb una inversió molt inferior, es podia obtenir gairebé tanta informació sobre els gens d’un organisme eucariota com la que es pensava obtenir amb la seqüenciació del genoma humà. D’altra banda la seqüenciació de genomes petits podia servir per a posar a punt les tècniques necessàries per a afrontar projectes com el del genoma humà, d’una envergadura milers de vegades superior a qualsevol altre projecte de seqüenciació realitzat fins aquelles dates. Com adés s’ha indicat, es va triar el genoma de S. cerevisiae. Els motius eren obvis: era l’organisme eucariòtic més ben conegut, el seu genoma és petit (13 Mb) i compacte, és a dir, amb molt poc DNA no informatiu, es disposava d’un elevat nombre de mutants, i molts dels seus gens ja estaven seqüenciats. El resultat d’aquesta aposta va ser que el genoma d’aquest microorganisme va ser el primer genoma eucariota revelat. Per això, uns quants anys abans que en qualsevol altre organisme es van iniciar projectes de genòmica funcional que han permès conèixer aquest ésser viu millor que cap altre.

«Potser l’aspecte més atractiu del genoma del llevat és la gran densitat gènica, ja que el 72% del genoma són gens»

Potser l’aspecte més atractiu del genoma del llevat és la gran densitat gènica, ja que el 72% del genoma són gens, la qual cosa deixa molt poc d’espai per a DNA no codificant i per a altres elements funcionals. La longitud mitjana d’un gen és de 1922 pb. L’extrapolació d’aquestes dades a tot el genoma del llevat dóna un valor de 6.200 ORFs predites. Una qüestió important és si el nombre estimat de gens anteriorment descrit és el necessari per al funcionament de la cèl·lula. De fet, els estudis d’interrupció de gens han demostrat que només un curt nombre (15%) dels gens de llevat són essencials per al creixement en medis rics. Tot i això, aquesta dada pot ser enganyosa, perquè molts poden exercir funcions no essencials en tot moment, d’altres poden resultar essencials solament en condicions de competència natural entre soques o amb altres espècies de microorganismes i, finalment, molts altres poden tenir còpies més o menys homòlogues dins del genoma de llevat mateix.

Aquesta última dada s’ha pogut establir amb prou precisió amb el coneixement de la seqüència completa del genoma. De fet, un alt percentatge del genoma és redundant. S’han trobat casos de repeticions de gens gairebé (o totalment) idèntics, casos d’homòlegs parcials amb funcions iguals o distintes i finalment duplicacions de regions senceres de cromosomes. La duplicació de bona part dels gens i, en certa manera, de la seua ordenació en els cromosomes ha suggerit que el genoma de S. cerevisiae és el resultat d’una antiga duplicació de tot el genoma en un temps llunyà i una posterior evolució amb pèrdua de part dels gens duplicats i algunes reorganitzacions cromosòmiques. Encara que, d’acord amb el que s’ha dit adés, sembla clar que un cert percentatge de la redundància gènica és, en realitat, només aparent, també podria ser útil per a la cèl·lula que certs gens estiguen completament duplicats a nivell funcional. D’aquesta manera es disposaria d’un cert reservori de gens repetits que impedirien que mutacions esporàdiques o deleciones produïdes per recombinacions entre cromosomes foren perilloses per a la cèl·lula. D’altra banda la duplicació de gens és un ben conegut mètode d’evolució que permet adquirir noves funcions sense perdre les antigues i la seua existència en el llevat pot ser una prova que els eucariotes utilitzen profusament aquest mitjà per a adaptar-se evolutivament al medi.

«La genómica pot ajudar-nos a saber fins quin punt és bo o adequat per a la nostra salut allò que mengem»

Quant a la funció dels gens, només un 30% han estat caracteritzats per mètodes convencionals i aproximadament un altre 30% tenen homòlegs en llevats o en altres organismes amb funcions conegudes. Això ens permet suposar que coneixem també la seua funció (encara que s’han produït algunes sorpreses en aquest tema). Queda un 30-35% de gens que, o bé tenen homòlegs de funció desconeguda (“parelles d’òrfens”) o no tenen homologia ni funció coneguda (“òrfens solitaris”). En alguns d’aquests casos, els ordinadors poden donar-nos-en una certa idea, perquè es pot predir amb certa seguretat l’existència d’hèlixs transmembrana, dits de zinc, llocs de fosforilació, etc. No obstant això aquesta mena de prediccions no aporten més que algunes pistes, no sempre en la direcció correcta, al problema de trobar la funció d’un gen. Amb tot, hem de preguntar-nos si els gens òrfens tenen alguna característica que els haja fet “invisibles” al genètic o al biòleg molecular. La resposta no està clara de moment, però segurament la raó de la seua existència no és una altra que el fet que encara som molt lluny de saber com funciona una cèl·lula i queden encara moltes funcions vitals insospitades per descobrir. En aquest sentit, sense cap dubte, el genoma de l’ésser viu amb què fem pa, cervesa i vi, el llevat S. cerevisiae, continuarà essent una potent eina per a aprendre com funciona la vida.

El coneixement de les interaccions entre dieta i salut arribarà al nivell de les interaccions moleculars. Gràcies a la genòmica funcional podrem conèixer com determinats nutrients afecten l’expressió d’uns gens en concret del nostre organisme.

La seqüènciació de genomes procariotes: una eina per a conèixer quants gens són necessaris per a sustentar la vida

Sens dubte, l’objectiu final de qualsevol projecte en biologia ha de ser conèixer més i millor les seues bases. En aquest sentit una pregunta fonamental és quina és la grandària mínima d’un genoma per a definir un organisme viu. La resposta no és òbvia, però amb l’adveniment d’un nombre creixent de genomes seqüenciats hem començat la comparació sistemàtica dels gens homòlegs ancestrals que comparteixen aquests genomes. De fet, s’ha pensat que aquest podria ser un criteri adequat, encara que n’hi ha d’altres, per a aproximar-nos al nombre de gens capaços de sustentar la vida.

El resultat de la comparació de genomes representatius d’eubacteris, arqueus i eucariotes, les tres grans agrupacions d’éssers vius, dóna un nombre de 80 gens, clarament insuficient. Són diverses les raons que poden justificar l’obtenció d’un nombre tan curt. Una és la pèrdua del senyal d’homologia. En comparar gens d’organismes molt allunyats en el temps evolutiu, hi ha la possibilitat que no puguem determinar si són homòlegs. De fet el nombre augmenta quan comparem organismes més pròxims. És el cas dels bacteris Mycoplasma genitalium i Ureaplasma urealyticum, dos dels patògens bacterians amb longituds genòmiques més petites (580 kb i 750 kb, respectivament), que comparteixen 324 gens. No obstant això, cal assenyalar que les seues adaptacions específiques, i més concretament les relacionades amb la capacitat d’evadir la resposta immune de l’hostatger, diferent en ambdues espècies, porta a identificar la presència d’un nombre notable de gens derivats, propis de cada una d’elles. Com pot observar-se, no resulta senzill establir per aquests, i altres estudis, l’esmentat nombre mínim.

Ara bé, uns bacteris particularment interessants són aquells que viuen en simbiosi amb altres organismes, normalment de major complexitat (protozous, plantes, animals). Contràriament als bacteris patògens, els bacteris simbiòntics coexisteixen en forma mutualista amb el seu hostatger, al qual subministren productes essencials, al mateix temps que aquest els proporciona un ambient estable així com determinat tipus de metabolits. De manera exhaustiva s’estan investigant en l’actualitat els bacteris que viuen en simbiosi intracel·lular amb els insectes. Un n’és Buchnera sp., simbiont dels pugons. Té una propietat particularment rellevant pel que fa al nombre de gens: es tracta d’un genoma extremadament reduït, de l’ordre de les 650 kb. És més, algunes espècies del gènere Buchnera presenten genomes amb grandàries inferiors al de M. genitalium. Cal ressaltar el cas de Buchnera sp. dels pugons que viuen sobre pins i avets, i el genoma del qual està per davall de les 500 kb. Concretament la grandària del genoma de Buchnera sp. del pugó Cinara cedri és de tan sols 450 kb., el menor dels detectats fins al moment. Doncs bé, igual com s’han portat a terme estudis orientats a determinar els genomes mínims per comparació dels genomes de bacteris patògens amb genoma de longitud reduïda, estem en condicions de fer el mateix amb alguns bacteris simbiòntics, alguns dels genomes dels quals ja s’han seqüenciat o s’estan seqüenciant, i inferir el nombre de gens ancestrals compartits. Una altra peculiaritat dels bacteris simbiòntics és que no semblen haver experimentat més que reducció genòmica; no han adquirit nous gens, com sembla haver ocorregut amb els genomes de bacteris patògens, que almenys han guanyat aquells relacionats amb la patogenicitat. Estudis preliminars portats a terme amb genomes de bacteris simbiòntics, concretament les espècies del gènere Buchnera anteriorment esmentades, i assumint gens d’una grandària mitjana d’1 kb, ens indiquen que aquests organismes probablement compartesquen aproximadament 330 gens homòlegs ancestrals, com a cota superior.

El resultat previsible és esperançador si el comparem amb aquells altres obtinguts amb els bacteris patògens de genoma reduït ja esmentats. De forma independent, ambdós grups, patògens i simbionts amb genomes reduïts, semblen tenir un nombre similar de gens compartits, la qual cosa no vol dir que siguen els mateixos gens. El nombre mínim podria ser semblant, però la composició és diferent. Quin missatge s’oculta després d’aquesta informació? Encara no el sabem, però és evident que la genòmica d’aquests procariotes ens ajudarà a entendre’l.

Quan la genòmica ensenya a menjar

La indústria agroalimentària està atenta als desenvolupaments de la genòmica. Sens dubte aquesta és una àrea d’investigació on confluiran molts abordatges distints que impliquen l’estudi dels genomes de diferents organismes i matèries primeres implicades en l’elaboració d’aliments (animals de granja, vegetals comestibles, microorganismes utilitzats en la fermentació d’aliments i begudes), en la seua contaminació, o en l’aplicació de les dades del genoma humà a l’alimentació.

«La genòmica ens ajudarà a entendre com les dietes afecten la nostra salut. Per això hi ha qui ja comença a parlar d’“alimentació al passaport genètic”. Ciència-ficció o realitat? El temps ens ho dirà»

Hi ha projectes de seqüenciació de diversos genomes de vegetals comestibles. N’hi ha molts en mans de companyies privades i això fa necessària una reflexió sobre la necessitat d’aportar capital públic a aquest tipus d’investigacions. No és un fet trivial, ja que els coneixements adquirits a través d’aquests projectes, junt amb els generats per la genòmica funcional i la proteòmica, seran la base per a millorar els conreus per tècniques d’enginyeria genètica. Un exemple interessant a aquest respecte el subministra l’aroma de la maduixa. Sabem que està produïda per més de 300 compostos, entre els quals més de 100 esters. Hi ha, per tant, molts gens implicats en aquesta aroma. Doncs bé, recentment i gràcies a l’ús d’estratègies de genòmica funcional se n’han identificat un bon nombre, la qual cosa sens dubte permetrà en un futur pròxim millorar aquesta característica organolèptica.

S’han seqüenciat els genomes d’una varietat de microorganismes patògens responsables de toxiinfecciones alimentàries, com per exemple Escherichia coli O157:H7, Campylobacter jejuni, Staphylococcus aureus o Listeria monocytogenes. De les dades obtingudes ha estat possible inferir les bases moleculars que permeten a alguns d’aquests microorganismes sobreviure en condicions extremes, i això ha obert la possibilitat de dissenyar processos industrials d’eliminació més eficaç. De la mateixa manera s’han seqüenciat els genomes de diversos bacteris responsables de la producció de derivats lactis com Lactococcus lactis, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus o Streptococcus thermophilus, o probiòtics com Bifidobacterium breu o Bifidobacterium longum. Molts d’aquests projectes han servit per a fer comparacions in silico i determinar quins gens són importants per a portar a terme els processos metabòlics d’interès industrial. I com abans es va indicar, en el cas del llevat S. cerevisiae es disposa de la seqüència i des de fa uns anys de dades de genòmica funcional que indiquen, per exemple, quins gens s’expressen al llarg d’una fermentació vínica. En resum, durant els últims anys s’han obtingut molts resultats que permetran abordar de manera racional estratègies de millora de la qualitat organolèptica, sanitària o nutricional dels aliments.

Però no sols això. La genòmica pot ajudar-nos a saber fins quin punt és bo o adequat per a la nostra salut allò que mengem. Recentment s’ha estudiat en un model experimental animal la interacció entre soques del gènere Bacteroides i el seu hoste utilitzant una tècnica coneguda com a perfil de transcripció del genoma (alguns autors en diuen transcriptoma). Els resultats indiquen com aquests microbis del nostre intestí contribueixen a processar els nutrients. Però potser on més esperances hem posat és en la correlació entre les dades del genoma humà i la nutrició. Des de fa uns pocs mesos l’anomenada nutrigenòmica comença a prendre força, sobretot, i significativament, entre les companyies multinacionals del sector de l’agroalimentación. El coneixement de les interaccions entre dieta i salut arribarà al nivell de les interaccions moleculars i gràcies a la genòmica funcional podrem conèixer com determinats nutrients afecten l’expressió de determinats gens del nostre organisme. I a més a més podrem conèixer la influència de variacions genètiques individuals i la seua resposta fisiològica a dietes particulars. En altres paraules, la genòmica ens ajudarà a entendre com les dietes afecten la nostra salut. Per això hi ha qui ja comença a parlar d’“alimentació al passaport genètic”. Ciència-ficció o realitat? El temps ens ho dirà, però potser no haurem d’esperar molt per a tenir una resposta a aquesta pregunta gràcies a la genòmica.

El coneixement de les interaccions entre dieta i salut arribarà al nivell de les interaccions moleculars. Gràcies a la genòmica funcional podrem conèixer com determinats nutrients afecten l’expressió d’uns gens en concret del nostre organisme.

© Mètode 2013 - 32. Què hi ha darrere del genoma? - Hivern 2001/02

Catedràtic de Genètica, Universitat de València.

Departament de Medicina Preventiva i Salut Pública, Bromatologia, Toxicologia i Medicina Legal, Facultat de Farmàcia, Universitat de València. Departament de Biotecnologia, Institut d’Agroquímica i Tecnologia d’Aliments (CSIC).

Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Universitat de València.