12.3: Métodos del genoma completo y aplicaciones industriales
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- Explicar los usos de los análisis comparativos de todo el genoma
- Resumir las ventajas de los productos farmacéuticos genéticamente modificados
Los avances en la biología molecular han llevado a la creación de campos de la ciencia completamente nuevos. Entre estos se encuentran campos que estudian aspectos de genomas completos, denominados colectivamente métodos de genoma completo. En esta sección, proporcionaremos una breve descripción de los campos del genoma completo de la genómica, la transcriptómica y la proteómica.
Genómica, Transcriptómica y Proteómica
El estudio y comparación de genomas completos, incluyendo el conjunto completo de genes y su secuencia de nucleótidos y organización, se llama genómica. Este campo tiene un gran potencial para futuros avances médicos a través del estudio del genoma humano así como de los genomas de organismos infecciosos. El análisis de genomas microbianos ha contribuido al desarrollo de nuevos antibióticos, herramientas de diagnóstico, vacunas, tratamientos médicos y técnicas de limpieza ambiental.
El campo de la transcriptómica es la ciencia de toda la colección de moléculas de ARNm producidas por las células. Los científicos comparan los patrones de expresión génica entre células hospedadoras infectadas y no infectadas, obteniendo información importante sobre las respuestas celulares a enfermedades infecciosas. Adicionalmente, la transcriptómica puede ser utilizada para monitorear la expresión génica de factores de virulencia en microorganismos, lo que ayuda a los científicos a comprender mejor los procesos patógenos desde este punto de vista.
Cuando la genómica y la transcriptómica se aplican a comunidades microbianas enteras, utilizamos los términos metagenómica y metatranscriptómica, respectivamente. La metagenómica y la metatranscriptómica permiten a los investigadores estudiar los genes y la expresión génica de una colección de múltiples especies, muchas de las cuales pueden no ser fácilmente cultivadas o cultivadas en el laboratorio. Una micromatriz de ADN (discutida en la sección anterior) puede ser utilizada en estudios de metagenómica.
Otra aplicación clínica prometedora de la genómica y transcriptómica es la farmacogenómica, también llamada toxicogenómica, que implica evaluar la efectividad y seguridad de los medicamentos a partir de la información de la secuencia genómica de un individuo. Las respuestas genómicas a los fármacos se pueden estudiar utilizando animales experimentales (como ratas de laboratorio o ratones) o células vivas en el laboratorio antes de embarcarse en estudios con humanos. Los cambios en la expresión génica en presencia de un fármaco a veces pueden ser un indicador temprano del potencial de efectos tóxicos. La información personal de la secuencia genómica puede usarse algún día para recetar medicamentos que serán más efectivos y menos tóxicos sobre la base del genotipo del paciente individual.
El estudio de la proteómica es una extensión de la genómica que permite a los científicos estudiar todo el complemento de proteínas en un organismo, llamado el proteoma. A pesar de que todas las células de un organismo multicelular tienen el mismo conjunto de genes, las células en varios tejidos producen diferentes conjuntos de proteínas. Así, el genoma es constante, pero el proteoma varía y es dinámico dentro de un organismo. La proteómica puede ser utilizada para estudiar qué proteínas se expresan bajo diversas condiciones dentro de un solo tipo celular o para comparar patrones de expresión de proteínas entre diferentes organismos.
La enfermedad más destacada que se estudia con abordajes proteómicos es el cáncer, pero esta área de estudio también se está aplicando a las enfermedades infecciosas. Actualmente se están realizando investigaciones para examinar la viabilidad de utilizar enfoques proteómicos para diagnosticar diversos tipos de hepatitis, tuberculosis e infección por VIH, que son bastante difíciles de diagnosticar utilizando las técnicas disponibles actualmente. 1
Un análisis proteómico reciente y en desarrollo se basa en la identificación de proteínas llamadas biomarcadores, cuya expresión se ve afectada por el proceso de la enfermedad. Actualmente se están utilizando biomarcadores para detectar diversas formas de cáncer así como infecciones causadas por patógenos como Yersinia pestis y virus Vaccinia. 2
Otras ciencias “-ómicas” relacionadas con la genómica y la proteómica incluyen metabolómica, glicomia y lipidómica, que se enfocan en el conjunto completo de metabolitos de moléculas pequeñas, azúcares y lípidos, respectivamente, que se encuentran dentro de una célula. A través de estos diversos enfoques globales, los científicos continúan recopilando, compilando y analizando grandes cantidades de información genética. Este campo emergente de la bioinformática puede ser utilizado, entre muchas otras aplicaciones, como pistas para tratar enfermedades y comprender el funcionamiento de las células.
Adicionalmente, los investigadores pueden utilizar la genética inversa, una técnica relacionada con el análisis mutacional clásico, para determinar la función de genes específicos. Los métodos clásicos de estudio de la función génica implicaban la búsqueda de los genes responsables de un fenotipo determinado. La genética inversa utiliza el enfoque opuesto, comenzando con una secuencia de ADN específica e intentando determinar qué fenotipo produce. Alternativamente, los científicos pueden unir genes conocidos (llamados genes informadores) que codifican características fácilmente observables a genes de interés, y la ubicación de expresión de dichos genes de interés se puede monitorear fácilmente. Esto le da al investigador información importante sobre lo que podría estar haciendo el producto génico o dónde se encuentra en el organismo. Los genes indicadores comunes incluyen lacZ bacteriano, que codifica beta-galactosidasa y cuya actividad puede ser monitoreada por cambios en el color de la colonia en presencia de X-gal como se describió anteriormente, y el gen que codifica la proteína medusa proteína verde fluorescente (GFP) cuya actividad puede visualizarse en colonias bajo exposición a luz ultravioleta (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
- ¿En qué se diferencia la genómica de la genética tradicional?
- Si quisieras estudiar cómo responden dos células diferentes en el cuerpo a una infección, ¿qué campo —ómico aplicarías?
- ¿Para qué se utilizan los biomarcadores descubiertos en la proteómica?
Foco Clínico: Resolución
Debido a que los síntomas de Kayla eran persistentes y lo suficientemente graves como para interferir con las actividades diarias, el médico de Kayla decidió ordenar algunas pruebas de laboratorio. El médico recolectó muestras de sangre de Kayla, líquido cefalorraquídeo (LCR) y líquido sinovial (de una de sus rodillas hinchadas) y solicitó análisis de PCR en las tres muestras. Las pruebas de PCR en el LCR y líquido sinovial dieron positivo por la presencia de Borrelia burgdorferi, la bacteria que causa la enfermedad de Lyme.
El médico de Kayla inmediatamente le recetó un ciclo completo del antibiótico doxiciclina. Afortunadamente, Kayla se recuperó completamente en unas pocas semanas y no sufrió los síntomas a largo plazo del síndrome de la enfermedad de Lyme (PTLDS) posterior al tratamiento, que afecta al 10— 20% de los pacientes con enfermedad de Lyme. Para prevenir futuras infecciones, el médico de Kayla le aconsejó usar repelente de insectos y usar ropa protectora durante sus aventuras al aire libre. Estas medidas pueden limitar la exposición a las garrapatas portadoras de Lyme, que son comunes en muchas regiones de los Estados Unidos durante los meses más cálidos del año. También se le aconsejó a Kayla que se acostumbrara a examinarse en busca de garrapatas después de regresar de las actividades al aire libre, ya que la extracción rápida de una garrapata reduce en gran medida las posibilidades
La enfermedad de Lyme suele ser difícil de diagnosticar. B. burgdorferi no se cultiva fácilmente en el laboratorio, y los síntomas iniciales pueden ser muy leves y parecerse a los de muchas otras enfermedades. Pero si no se tratan, los síntomas pueden llegar a ser bastante severos y debilitantes. Además de dos pruebas de anticuerpos, que no fueron concluyentes en el caso de Kayla, y la prueba de PCR, se pudo usar una transferencia Southern con sondas de ADN específicas de B. burgdorferi para identificar ADN del patógeno. La secuenciación de genes de proteínas de superficie de especies de Borrelia también se está utilizando para identificar cepas dentro de la especie que pueden transmitirse más fácilmente a los humanos o causar enfermedades más graves.
Tecnología de ADN recombinante y producción farmacéutica
La ingeniería genética ha proporcionado una forma de crear nuevos productos farmacéuticos llamados productos farmacéuticos de ADN recombinante. Dichos productos incluyen antibióticos, vacunas y hormonas utilizadas para tratar diversas enfermedades. En la\(\PageIndex{1}\) tabla se enumeran ejemplos de productos de ADN recombinante y sus usos.
Por ejemplo, las vías naturales de síntesis de antibióticos de diversas Streptomyces spp., conocidas desde hace mucho tiempo por sus capacidades de producción de antibióticos, pueden modificarse para mejorar los rendimientos o crear nuevos antibióticos mediante la introducción de genes que codifican enzimas adicionales. Se han generado más de 200 nuevos antibióticos a través de la inactivación dirigida de genes y la nueva combinación de genes de síntesis de antibióticos en hospedadores Streptomyces productores de antibióticos. 3
La ingeniería genética también se utiliza para fabricar vacunas subunitarias, que son más seguras que otras vacunas porque contienen solo una sola molécula antigénica y carecen de cualquier parte del genoma del patógeno (ver Vacunas). Por ejemplo, se crea una vacuna para la hepatitis B insertando un gen que codifica una proteína de superficie de la hepatitis B en una levadura; la levadura produce entonces esta proteína, que el sistema inmunitario humano reconoce como antígeno. El antígeno de la hepatitis B se purifica a partir de cultivos de levadura y se administra a los pacientes como vacuna. A pesar de que la vacuna no contiene el virus de la hepatitis B, la presencia de la proteína antigénica estimula al sistema inmune para producir anticuerpos que protegerán al paciente contra el virus en caso de exposición. 4 5
La ingeniería genética también ha sido importante en la producción de otras proteínas terapéuticas, como la insulina, los interferones y la hormona del crecimiento humano, para tratar una variedad de afecciones médicas humanas. Por ejemplo, en un momento, solo fue posible tratar la diabetes administrando a los pacientes insulina porcina, lo que provocó reacciones alérgicas debido a pequeñas diferencias entre las proteínas expresadas en insulina humana y porcina. Sin embargo, desde 1978, la tecnología de ADN recombinante se ha utilizado para producir cantidades a gran escala de insulina humana usando E. coli en un proceso relativamente económico que produce un producto farmacéutico más consistentemente eficaz. Los científicos también han modificado genéticamente E. coli capaz de producir la hormona del crecimiento humano (HGH), que se utiliza para tratar trastornos del crecimiento en niños y ciertos otros trastornos en adultos. El gen de HGH se clonó a partir de una biblioteca de ADNc y se insertó en células de E. coli clonándolo en un vector bacteriano. Finalmente, la ingeniería genética se utilizará para producir vacunas de ADN y diversas terapias génicas, así como medicamentos personalizados para combatir el cáncer y otras enfermedades.
| Producto de ADN recombinante | Aplicación |
|---|---|
| Péptido natriurético auricular | Tratamiento de enfermedades cardíacas (por ejemplo, insuficiencia cardíaca congestiva), enfermedad renal, presión arterial alta |
| DNasa | Tratamiento de las secreciones pulmonares viscosas en la fibrosis quística |
| Eritropoyetina | Tratamiento de la anemia severa con daño renal |
| Factor VIII | Tratamiento de la hemofilia |
| Vacuna contra la hepatitis B | Prevención de la infección por hepatitis B |
| Hormona del crecimiento humano | Tratamiento de la deficiencia de hormona del crecimiento, síndrome de Turner, quemaduras |
| Insulina humana | Tratamiento de la diabetes |
| Interferones | Tratamiento de la esclerosis múltiple, diversos cánceres (por ejemplo, melanoma), infecciones virales (por ejemplo, Hepatitis B y C) |
| Tetracenomicinas | Utilizado como antibióticos |
| Activador del plasminógeno tisular | Tratamiento de la embolia pulmonar en el ictus isquémico, infarto de miocardio |
Ejercicio\(\PageIndex{2}\)
- ¿Qué bacteria se ha diseñado genéticamente para producir insulina humana para el tratamiento de la diabetes?
- Explicar cómo los microorganismos pueden ser diseñados para producir vacunas.
Tecnología de interferencia de ARN
En Estructura y función del ARN, describimos la función de ARNm, ARNr y ARNt. Además de estos tipos de ARN, las células también producen varios tipos de pequeñas moléculas de ARN no codificantes que están involucradas en la regulación de la expresión génica. Estas incluyen moléculas de ARN antisentido, que son complementarias a regiones de moléculas de ARNm específicas que se encuentran tanto en células procariotas como eucariotas. Las moléculas de ARN no codificantes desempeñan un papel importante en la interferencia de ARN (ARNi), un mecanismo regulador natural mediante el cual se impide que las moléculas de ARNm guíen la síntesis de proteínas. La interferencia de ARN de genes específicos resulta del emparejamiento de bases de moléculas de ARN antisentido monocatenario cortas con regiones dentro de moléculas de ARNm complementarias, evitando la síntesis de proteínas. Las células utilizan interferencia de ARN para protegerse de la invasión viral, la cual puede introducir moléculas de ARN bicatenario como parte del proceso de replicación viral (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Actualmente, los investigadores están desarrollando técnicas para imitar el proceso natural de interferencia de ARN como una forma de tratar infecciones virales en células eucariotas. La tecnología de interferencia de ARN implica el uso de ARN interferentes pequeños (ARNip) o microARN (miARN) (Figura\(\PageIndex{3}\)). los ARNip son completamente complementarios al transcrito de ARNm de un gen específico de interés, mientras que los miARN son en su mayoría complementarios. Estos ARN bicatenarios están unidos a DICER, una endonucleasa que escinde el ARN en moléculas cortas (aproximadamente 20 nucleótidos de longitud). Los ARN se unen luego al complejo silenciador inducido por ARN (RISC), una ribonucleoproteína. El complejo ARNI-RISC se une al ARNm y lo escinde. Para miARN, solo una de las dos cadenas se une al RISC. El complejo miRNA-RISC luego se une al ARNm, inhibiendo la traducción. Si el miARN es completamente complementario al gen diana, entonces el ARNm puede ser segmentado. Tomados en conjunto, estos mecanismos se conocen como silenciamiento génico.
Conceptos clave y resumen
- La ciencia de la genómica permite a los investigadores estudiar organismos a nivel holístico y tiene muchas aplicaciones de relevancia médica.
- La transcriptómica y la proteómica permiten a los investigadores comparar patrones de expresión génica entre diferentes células y muestran una gran promesa para comprender mejor las respuestas globales a diversas condiciones.
- Las diversas tecnologías —ómicas se complementan entre sí y juntas proporcionan una imagen más completa del estado de un organismo o comunidad microbiana (metagenómica).
- El análisis requerido para grandes conjuntos de datos producidos a través de la genómica, transcriptómica y proteómica ha llevado a la aparición de la bioinformática.
- Los genes indicadores que codifican características fácilmente observables se usan comúnmente para rastrear patrones de expresión génica de genes de función desconocida.
- El uso de la tecnología de ADN recombinante ha revolucionado la industria farmacéutica, permitiendo la rápida producción de productos farmacéuticos de ADN recombinante de alta calidad utilizados para tratar una amplia variedad de afecciones humanas.
- La tecnología de interferencia de ARN tiene una gran promesa como método para tratar infecciones virales silenciando la expresión de genes específicos.
Notas al pie
- 1 E.O. List, D.E. Berryman, B. Bower, L. Sackmann-Sala, E. Gosney, J. Ding, S. Okada, y J.J. Kopchick. “El Uso de la Proteómica para Estudiar Enfermedades Infecciosas”. Trastornos Infecciosos-Dianas Farmacéuticas (Anteriormente Objetivos Farmacos-Trastornos Infecciosos) 8 núm. 1 (2008): 31—45.
- 2 Mohan Natesan, y Robert G. Ulrich. “Microarrays Proteicos y Biomarcadores de Enfermedades Infecciosas”. Revista Internacional de Ciencias Moleculares 11 núm. 12 (2010): 5165—5183.
- 3 Jose-Luis Adrio y Arnold L. Demain. “Organismos Recombinantes para la Producción de Productos Industriales”. Bichos Bioingeniería 1 núm. 2 (2010): 116—131.
- 4 Departamento de Salud y Servicios Humanos de Estados Unidos. “Tipos de Vacunas.” 2013. www.vacunes.gov/more_info/types/ #subunit. Accedido el 27 de mayo de 2016.
- 5 La lista de medicamentos de Internet. Recombivax. 2015. http://www.rxlist.com/recombivax-drug.htm. Accedido el 27 de mayo de 2016.