Organización, variación y expresión del genoma humano (III)

Parte 3 de 3

Expresión del genoma humano

Un tema clave en la exploración de los orígenes, estructura y función del genoma humano es entender cómo se determina la expresión apropiada de nuestros 20,000-25,000 genes, cómo puede ser influenciada por la variación genética o por la exposición ambiental, y los mecanismos por los cuales dichas alteraciones en la expresión de los genes pueden derivar en patología evidente en la práctica de la medicina clínica.

El control de la actividad del gen –en el desarrollo, en diferentes tejidos, durante el ciclo celular y durante la vida de una persona tanto en la salud como en la enfermedad- está determinado por un juego complejo de características genéticas y epigenéticas.

Las características genéticas se refieren a aquellas encontradas en la secuencia del genoma, las cuales juegan un papel en la determinación de la identidad de cada gen, su forma particular (alelos), su nivel de expresión (elementos reguladores como promotores, potenciadores, sitios de división, etc.) y su terreno genómico particular (dominios, isocoras). Las características epigenéticas se refieren al empaque del DNA en la cromatina, en la cual forman complejos con una variedad de histonas así como con innumerables proteínas no histonas que influencian la accesibilidad y actividad de los genes y otras secuencias genómicas. La estructura de la cromatina –a diferencia de la secuencia del genoma en sí- es altamente dinámica y en ella subyace el control de la expresión de los genes que da forma de manera profunda tanto a la función celular como la organizacional.

Identificar las secuencias y características genómicas que dirigen los aspectos espaciales y temporales de la expresión genética es un reto increíble en la anotación del genoma. Aunque décadas de trabajo en biología molecular han definido elementos reguladores críticos como los promotores y potenciadores para muchos genes individuales, es una labor titánica realizar dichos estudios en una escala de genoma completo.

A nivel genético, dichos estudios han dependido de la identificación de elementos altamente conservados, cuya conservación de secuencia demostrada durante, en algunos casos, cientos de millones de años, provee evidencia prima facie de su importancia.  Varios elementos ultraconservados han sido validados in vitro como potenciadores de gen, proporcionando confianza en que otros identificados de este modo también jugaran un papel en la regulación de la expresión genética. Sin embargo, por definición, dichos enfoques pasarán por alto elementos reguladores que no están bien conservados a nivel de secuencia y/o que han evolucionado recientemente en el linaje humano.

Un enfoque epigenético complementario ha sido explorar las características de la cromatina asociada con genes activos o reprimidos, como una etapa hacia la identificación de código regulador transcripcional para el genoma humano. Dichos estudios, empleando en gran medida el método de inmunoprecipitación de cromatina seguido de array o análisis de secuencia, han descubierto “firmas” de cromatina predictivas para promotores y potenciadores en el genoma humano.

Estos análisis son parte de un amplio esfuerzo para explorar patrones epigenéticos en la cromatina a nivel genoma completo para entender mejor el control de la expresión del gen en diferentes tejidos o estados de enfermedad.

Evidencia en crecimiento apunta hacia el papel de los cambios epigenéticos en la enfermedad humana en respuesta a influencias ambientales. La naturaleza dinámica de la regulación epigenética –cambios en la metilación de DNA o en la modificación de histona con el tiempo, entre diferentes tejidos o en varios estados de enfermedad- permite lo que se ha llamado “plasticidad fenotípica”, relevante tanto en los orígenes como en el potencial tratamiento de la enfermedad.

El hecho de que mellizos monocigóticos (que comparten genomas idénticos, pero son frecuentemente discordantes con respecto a fenotipos clínicos) muestran diferencias epigenéticas en la metilación de DNA demuestra el potencial de los efectos epigenéticos para extender o modificar la información contenida en el genoma y así ser la base de cuando menos algunas diferencias fenotípicas.

Ejemplos menos conocidos son los de expresión monoalélica del gen, donde solamente una de las dos copias de un gen en una célula diploide es expresada (como impronta genómica e inactivación del cromosoma X); se asume comúnmente que la vasta mayoría de los genes autosómicos en el genoma son expresados desde ambos homólogos a niveles comparables. Evidencia reciente, sin embargo, empleando SNPs expresados para distinguir transcriptos desde los dos alelos, ha demostrado una amplia expresión alélica diferencial para hasta 20% de los genes en el genoma.

Este fenómeno, cuyas bases epigenéticas o genéticas se desconocen, puede estar relacionado a la variabilidad similar observada entre los genes X-ligado en mujeres heterocigosas. Complejidad adicional sugiere el descubrimiento de expresión monoalélica del gen, al azar con respecto al origen de los padres, para aproximadamente 5% de los genes probados.

Esta es un área de estudio constante e implica interacciones entre el genoma y mecanismos de control epigenético como una determinante de expresión genética en el genoma humano.

Por décadas se ha comprendido que hay una alta variabilidad en los niveles de expresión de los genes entre individuos. Varios grupos han comenzado a examinar esta variación como un rasgo cuantitativo complejo, bajo control genético. Varios miles de loci que exhiben dicha variación han sido estudiados, y los factores que controlan la variación han sido mapeados alrededor del genoma.

Una porción significativa de de dichos efectos mapean hacia los genes mismos, un resultado consistente con variación local de secuencia influenciando la expresión de dichos genes; muchas variantes reguladoras locales mapean a la región promotora del gen o la región 3’ no traducida.

La mayoría de la variación mapeada podría ser atribuida a la variación por SNP, pero cerca del 20% es debida a CNVs, subrayando la importancia funcional de este tipo de variación genética. Es factible (aunque sin probar en instancias específicas) que las variantes reguladoras descubiertas se correlacionen con los patrones de modificaciones epigenéticas descritas antes y con el hallazgo de un amplio desbalance alélico alrededor del genoma.

Otras determinantes de variación en la expresión de genes mapean no al locus variable en sí, sino a otro locus en algún lugar del genoma. Esto implica una red de interacciones reguladoras entre diferentes productos del gen en la célula, un descubrimiento que se presta a un enfoque de biología de sistemas para comenzar a definir mejor dichas redes.

Algunas de las diferencias en la expresión de los genes también varían entre poblaciones, en donde los fenotipos son atribuibles a variantes genéticas comunes que son más frecuentes en poblaciones particulares que en otras. Estos hallazgos, sin embargo, pueden ser relevantes para enfermedades genéticas complejas cuya prevalencia difiere entre poblaciones.

En contraste con la impresión que uno tiene cuando mira al genoma como una cadena linear de secuencia, el genoma adopta un arreglo altamente ordenado dentro del espacio tridimensional del núcleo. Esta estructura tridimensional es altamente predictiva del mapa de transcriptoma y refleja los dominios tamaño megabase evidentes al examinar patrones coordinados de expresión de genes a nivel cromosoma.

Las propiedades  biofísicas y/o genómicas que facilitan o especifican el empacado ordenado y dinámico de cada cromosoma durante cada ciclo celular sin reducir el genoma a un desastre enredado dentro del núcleo permanecen desconocidas y son sujeto de mucha investigación en la biología del genoma.

En general, entonces, el fenotipo de la expresión de genes debe ser visto como la suma de varios efectos diferentes e interrelacionados, incluyendo la secuencia de genes, secuencias reguladoras y su empacado epigenético, la organización del genoma en dominios e isocoras, las interacciones programadas entre diferentes partes del genoma y el empacado tridimensional en el núcleo. Todos deben coordinarse en una forma eficiente y jerárquica, y la interrupción de uno de ellos, debido a cambio genético o a procesos relacionados a la enfermedad, alteraría el fenotipo celular global.