El ARN no codificante largo y la estructura 3D de los cromosomas

Dibujo20130523 Long Noncoding RNAs May Alter Chromosome 3D StructureLa función biológica de las secuencias largas de ARN no codificante (lncRNA) no está clara. Jesse Engreitz, doctorando de Mitchell Guttman y Eric Lander en el Instituto Broad en Cambridge, Massachusetts, ha estudiado la función de uno de ellos, XIST, conocido desde hace 20 años y que cierra uno de los cromosomas X en las mujeres. XIST ayuda a modelar la estructura 3D del cromosoma. Los lncRNA podrían influir en la forma de la cromatina, regulando así la actividad del cromosoma. El genoma humano tiene casi 21.000 genes que codifican proteínas, pero también incluye otros “genes” no codificantes. Se estima que tiene unos 13.000 “genes” que especifican secuencias largas de ARN no codificante (lncRNA). Aún es pronto para generalizar el nuevo hallazgo, pero lo que parece claro que parte de los lncRNA podría tener una función (contradeciendo la hipótesis de que representan “ruido” evolutivo (ADN que se transcribe al azar en ARN sin una función biológica concreta). Nos lo cuenta Elizabeth Pennisi, “Long Noncoding RNAs May Alter Chromosome’s 3D Structure,” Science 340: 910, 24 May 2013.

El experimento realizado por Engreitz y sus colegas consiste en mover la posición del gen XIST en el ADN del cromosoma X. Gracias a ello comprobaron cómo interacciona con la cromatina. Lo más curiosa es que esta interacción no depende de las secuencias  de ADN que tenga alrededor. Por ello, el nuevo estudio sugiere que los lncRNAs representen un nuevo tipo de gen regulador de la expresión génica. Resultados preliminares con otros lncRNAs sugieren que su función biológica es similar a la de XIST, según ha indicado Engreitz.

Por cierto, ya hay otras funciones de los lncRNAs que han sido documentadas, como su función en la regulación de la producción de eritrocitos o glóbulos rojos (eritropoiesis) en ratones. Los lncARNs parece que pueden regular la expresión genética mediante una diversidad de mecanismos, como la modificación de la cromatina, la potenciación de la transcripción y la promoción de la degradación del ARNm. Más información en Wenqian Hu et al., “Long noncoding RNA-mediated anti-apoptotic activity in murine erythroid terminal differentiation,” Genes and Development, 2011.

Francis en ¡Eureka!: La clonación de células troncales pluripotentes humanas

Dibujo20130518 Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutarlo. Como siempre una transcripción libre.

La noticia de la semana ha sido la clonación de células madre humanas. Desde que se clonó la oveja Dolly en 1996 muchos investigadores han tratado de clonar células humanas por sus aplicaciones en medicina regenerativa. ¿Por qué ha costado tanto tiempo clonar células humanas? La oveja Dolly fue clonada a partir de una célula adulta mediante una técnica llamada transferencia nuclear somática. Se tomó el núcleo de una célula de la glándula mamaria de una oveja y se introdujo en un óvulo no fecundado y sin núcleo. Fueron necesarios 277 embriones fallidos para producir un nacimiento y en 2003, la oveja Dolly murió de vejez prematura (vivió la mitad que una oveja normal).

Todas las células tienen el mismo ADN en su núcleo, pero son muy diferentes entre sí (basta comparar una neurona y una célula de la piel). Pero todas las células pueden nacer a partir de células troncales pluripontentes, las llamadas células madre, capaces de diferenciarse en cualquier otra célula del cuerpo. Shoukhrat Mitalipov (del Centro Nacional de Investigación en Primates de Oregón, en EEUU) y sus colegas, entre ellos la embrióloga española Nuria Martí, emigrada a EEUU por los recortes en ciencia en España, han logrado aplicar la técnica utilizada con la oveja Dolly a células humanas.

Algunos oyentes recordarán que un científico surcoreano, el Dr. Hwang, experto en células madre, afirmó haberlo logrado en marzo de 2004, pero en diciembre de 2005 se descubrió había falsificado los datos de sus experimentos sobre la clonación de embriones humanos. Se levantó un gran escándalo y fue condenado a dos años de cárcel por un tribunal de Seúl. Ha costado casi 10 años de intenso trabajo lograr la clonación humana y lo más curioso es que la clave ha sido utilizar la cafeína.

Recomiendo leer a Gretchen Vogel, “Human Stem Cells From Cloning, Finally,” News & Analysis, Science 340: 795, 17 May 2013, y a David Cyranoski, “Human stem cells created by cloning. Breakthrough sets up showdown with induced adult lines,” Nature 497: 295–296, 16 May 2013. El artículo técnico es Masahito Tachibana et al., “Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer,” Cell, AOP, 15 May 2013. La cafeína se introdujo en la clonación de monos en S.M. Mitalipov, “Reprogramming following somatic cell nuclear transfer in primates is dependent upon nuclear remodeling,” Human Reproduction 22: 2232-2242, 2007.

En español recomiendo leer a Nuño Domínguez, “La clonación humana, cuestión de cafeína,” esMateria, 17 mayo 2013, y a Alfredo Pascual, “Nuestra generación no verá un órgano clonado, y mucho menos un ser humano,” El Confidencial, 17 mayo 2013.

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Las limitaciones de la biología sintética mediante BioBricks

Dibujo20130314 Composition of irregular transcription and translation genetic elements

El mayor problema de la biología sintética es que un gen insertado en el ADN de un organismo no se comporta siempre de la misma forma. Una solución es insertar junto al gen un promotor adecuado (una secuencia de ADN que induzca inicio de la transcripción de dicho gen). Hay muchos promotores, pero todos no se portan igual de bien para un gen concreto, como muestra un nuevo artículo que ha estudiado la acción de 77 promotores en dos genes en la bacteria procariota E. coli. Las diferencias en la expresión de dichos genes son enormes (recuerda que el ADN del gen es transcrito a ARN mensajero y luego traducido a proteínas en los ribosomas; el promotor controla la cantidad de proteína traducida de forma indirecta a través del control de lo que se transcribe). Muchos lectores dirán que el resultado era esperable, pero la doctrina de muchos biólogos sintéticos era que el promotor importa, pero poco (muy pocas veces se prueban de forma sistemática decenas de promotores). Junto a varios colegas estudié la posibilidad de diseñar un calibrador de promotores (capaz de comparar la acción de un promotor cualquiera con respecto a un promotor de referencia); no lo logramos (todo se quedó en un modelo teórico que sólo funcionaba in silico). El nuevo estudio muestra que aún no se entiende bien el funcionamiento de los promotores y cómo su acción afecta a lo que interesa, la expresión final de la proteína. El camino hacia el diseño de redes genéticas sintéticas parece más arduo y tortuoso de lo esperado. Nos lo cuenta Ewen Callaway, “DNA tool kit goes live online. Standard control sequences aim to make genetic engineering more predictable,” Nature 495: 150–151, 14 Mar 2013, que se hace eco de los artículos Vivek K Mutalik et al., “Quantitative estimation of activity and quality for collections of functional genetic elements,” Nature Methods, AOP 10 Mar 2013, y Vivek K Mutalik et al., “Precise and reliable gene expression via standard transcription and translation initiation elements,” Nature Methods, AOP 10 Mar 2013.

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El genoma de los pinzones de Darwin

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Se ha secuenciado el genoma de las 14 especies de pinzones de las Islas Galápagos (Ecuador) que documentó Charles Darwin en su viaje en el Beagle y que se supone que le ayudaron a idear su teoría de la evolución (aunque muchos historiadores dudan de ello); por cierto, en realidad son 13, pues el décimocuarto vive en la Isla del Coco, Costa Rica. La mayor diferencia entre estos pájaros está en el tamaño y forma del pico (también difieren en su comportamiento y en su canto). Su genoma contiene unos 13.291 genes que codifican proteínas y su ADN tiene unos 991,0 Mb (millones de bases). Hay dos genes relacionados con la forma y tamaño del pico (Igf2r y Pou1f1), pero además hay otros 5 genes entre 47 que presentan cambios asociados a su aislamiento en las diferentes islas de las Galápagos. El análisis genético indica que se diversificaron hace más de 1 millón de años (y menos de 3 millones). El artículo técnico es Chris M Rands et al., “Insights into the evolution of Darwin’s finches from comparative analysis of the Geospiza magnirostris genome sequence,” BMC Genomics 14: 95, 12 Feb 2013 [acceso gratuito al pdf].

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Esta entrada participa en el XXI Carnaval de Biología organizado por Torjo Sagua (@torjosagua) en su blog “Enciclopedia Galáctica.”

¿Golpe fatal contra ENCODE y la “utilidad” del ADN “basura”?

Una de las grandes noticias científicas de 2012 fue la publicación de los resultados del proyecto ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements), que reclamaban una “función” bioquímica para gran parte del mal llamado ADN basura (“junk ADN” que no “garbage ADN”). Este resultado requería una revisión de ciertos aspectos de la teoría evolutiva y la genética, por lo que causó un gran enfrentamiento entre los expertos. Se han escritos muchos artículos en contra de la posible “función” del ADN basura, pero el definitivo es Dan Graur et al, “On the immortality of television sets: “function” in the human genome according to the evolution-free gospel of ENCODE,” Genome Biology and Evolution, AOP February 20, 2013 [copia gratis]. Me he enterado vía Robin McKie, “Scientists attacked over claim that ‘junk DNA’ is vital to life. Rivals accuse team of knowing nothing about evolutionary biology,” The Guardian, 24 Feb 2013, por lo que he buscado con urgencia a PaleoFreak (gran crítico de ENCODE en Twitter) y me he encontrado con un aplastante y demoledor “Golpe final al ENCODE (y viva el ADN basura),” 21 Febrero, 2013. Recomiendo su lectura, “no exenta de ironía y cierta crueldad.”

El nuevo artículo es contundente. El Consorcio ENCODE ha caído en una falacias lógica llamada afirmar el consecuente: Si A→B, y se da B, entonces se da A (lo correcto es el modus ponens: Si A→B, y se da A, entonces se da B). En concreto, los trozos de ADN que muestran una función biológica suelen mostrar ciertas propiedades, como se han observado trozos de ADN con las mismas propiedades, entonces dichos trozos de ADN tienen una función biológica (donde A=función y B=propiedad). Por ello, el Consorcio ENCODE ha publicado que más del 80% del genoma humano es funcional, es decir, que casi todos los nucleótidos tienen una función y que estas funciones se conservan evolutivamente sin sufrir selección. Todo indica que el proyecto ENCODE abusa del concepto “función” olvidando el último siglo de genética, que ha demostrado que sólo el 10% del genoma humano se ha conservado evolutivamente gracias a la selección; si fuera cierta la afirmación de ENCODE, el 70% del genoma humano sería invulnerable a mutaciones perjudiciales (un sinsentido en genética y teoría evolutiva). ENCODE ha caído también en la trampa de la apofenia, consistente en ver patrones y conexiones entre sucesos y datos aleatorios. Para ello han utilizado métodos experimentales que sobreestiman de forma consistente la posible “funcionalidad” de cada nucleótido.

En biología se pueden usar dos significados diferentes para la palabra “función” que no hay que confundir. Por un lado, la función seleccionada (“selected effect” en el artículo de Graur et al.) que es resultado de la selección natural y se ha conservado porque permite al ser vivo estar mejor adaptado a su entorno. Y por otro lado, la función circunstancial (“causal role” en el artículo de Graur et al.) que no tiene nada que ver con la selección y la evolución (por ejemplo, la función del corazón es bombear sangre, pero también tiene otras funciones circunstanciales, como producir sonidos, incrementar el peso corporal, etc.). El proyecto ENCODE abusa del concepto de función circunstancial al afirmar que un trozo de ADN tiene “función” si (1) es transcrito, o (2) está asociado a una histona modificada, o (3) está en una zona donde la cromatina está abierta, o (4) se acopla a factores de transcripción, o (5) contiene dinucleótidos CpG metilados. Estas funciones circunstanciales no son funciones seleccionadas y por tanto no son “funciones” en un sentido biológico estricto.

Una cuestión que permea el trabajo del Consorcio ENCODE es la función que tienen los intrones. Los genes en células eucariotas están divididos en intrones y exones, los primeros tras ser transcritos a ARN son “desechados” mientras que los segundos se unen entre sí para formar las secuencias de ARN mensajero que son traducidas a proteínas en los ribosomas. Los intrones no codifican proteínas y su papel biológico no está claro, por lo que la decisión del Consorcio ENCODE de marcarlos como “funcionales” es excesiva y muy discutible. Otra cuestión importante es el papel de los transposones, trozos de ADN que pueden moverse a lo largo del ADN y que constituyen alrededor del 30% del genoma humano y alrededor del 31% del transcriptoma humano. No está claro si algunos transposones tienen una “función” biológica, pero parece claro que la mayoría son simples parásitos, parásitos de parásitos y restos de parásitos. Asignarles una función no tiene sentido biológico.

Desde un punto de  vista metodológico, el proyecto ENCODE cae en graves errores. Para comprobar si algo tiene o interviene en una función hay que eliminarlo y comprobar que la función desaparece o se modifica. Cualquier otra opción es incorrecta desde un punto de vista metodológico. El consorcio ENCODE cae en este tipo de errores constantemente.

¿Ha merecido la pena el proyecto ENCODE? ¿Servirá para algo todo el dinero gastado en este proyecto? Solo el tiempo lo dirá. En ciencia, como en las batallas, el reposo del guerrero es necesario para valorar la gesta.

La posible relación de la epigenética con la heterogeneidad intratumoral en el cáncer

Dibujo20130201 Non-synonymous SNVs that are enriched in 2nd and 4nd recipients

Ya hemos hablado en este blog de lo heterogéneas que son las células dentro de un tumor malignos (heterogeneidad intratumoral) en “el cáncer es único y diferente en cada paciente,” 21 ene 2013. La inestabilidad genética inherente al cáncer se cree que produce una heterogeneidad genética y una jerarquía de diferenciación celular en las diferentes poblaciones del tumor. Un nuevo artículo en Science sugiere que puede haber otros mecanismos adicionales, quizás relacionados con la epigenética. Kreso et al. han estudiado la “evolución” de una célula de 10 tumores colorrectales humanos diferentes, las han clonado y luego las han xenoinjertado en ratones. Las mutaciones en 42 genes que se han observado presentan un patrón muy diferente, casi aleatorio, en los diferentes xenoinjertos. Estas variaciones son mayores de lo esperado según los modelos matemáticos y estadísticos de la heterogeneidad genética. Conforme más profundizamos en la dinámica de los tumores más complicados resultan. Nos lo cuentan Andriy Marusyk, Kornelia Polyak, “Cancer Cell Phenotypes, in Fifty Shades of Grey,” Science 339: 528-529, 1 Feb 2013, que se hacen eco del artículo técnico de Antonija Kreso et al., “Variable Clonal Repopulation Dynamics Influence Chemotherapy Response in Colorectal Cancer,” Science 339: 543-548, 1 Feb 2013.

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La “evolución” por selección artificial de la cresta en la cabeza de las palomas

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Las palomas domésticas tienen como ancestro común a la paloma bravía (Columba livia) que anida en las paredes rocosas, por lo que en inglés se la llama “paloma de las rocas.” Se publica en Science un genoma de referencia para la paloma bravía que se utilizado para estudiar la filogenia y “evolución” por selección artificial de los diferentes tipos de paloma doméstica (algo que será del agrado de todos los colombofílicos). En relación a la cresta que presentan algunas razas en la cabeza, se cree que el gen EphB2 es el candidato más firme para caracterizar este rasgo en el fenotipo. El nuevo estudio mediante genómica comparada muestra que la cresta es un rasgo adquirido que el ancestro no tiene, un rasgo constructivo, lo que coloca a la paloma doméstica como animal modelo prometedor para el estudio genético de la aparición de rasgos constructivos y derivados en el fenotipo. El artícul0 técnico es Michael D. Shapiro et al., “Genomic Diversity and Evolution of the Head Crest in the Rock Pigeon,” Science, AOP Jan 31 2013 [DOI].

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El metagenoma fecal y el microbioma intestinal humano

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Un laboratorio de biología molecular y genética suele ser un lugar limpio, pero a veces hay que trabajar con muestras de entornos “sucios.” El metagenoma es el conjunto de genomas de un determinado entorno, obtenido a partir de muestras de ese ambiente, sin necesidad de aislar y cultivar las diferentes especies por separado. Se publica un nuevo estudio en Nature que analiza la variabilidad del metagenoma de las heces humanas (se han estudiado 252 metagenomas fecales de 207 personas de Europa y Norteamérica). El estudio ha detectado 10,3 millones polimorfismos de un único nucleótido (SNPs), que son bastante estables cuando corresponden al mismo individuo y algo menos entre individuos. Las técnicas de secuenciación genómica de alto rendimiento están permitiendo estudios de las poblaciones microbianas intestinales que podrían tener aplicaciones en el análisis de los efectos de la dieta o la ingestión de fármacos en el bienestar humano. Me ha resultado curioso este artículo, que raya lo escatológico, Siegfried Schloissnig et al., “Genomic variation landscape of the human gut microbiome,” Nature 493: 45-50, 03 Jan 2013.

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Publicado en Nature: Un estudio en ratones apunta a que cierto tipo de autismo podría ser reversible

El autismo causado por la “hiperconectividad” neural asociada a la producción de proteínas fuera de control podría ser reversible gracias al uso de inhibidores de dichas proteínas. Los trastornos del espectro autista afectan a una de cada ciento diez personas. Nahum Sonenberg (Univ. McGill en Montreal, Canadá) y su equipo ha creado un nuevo modelo animal para el autismo, “ratones autistas” y ha logrado revertir los síntomas. Estos ratones genéticamente modificados carecen del gen Eif4ebp2, asociado a la proteína 4E-BP2 que suprime la traducción de ciertos ARN mensajeros; bloquear Eif4ebp2 permite que las proteínas asociadas a estos ARN mensajeros sean sintetizadas por encima de los niveles normales. Los ratones que carecen de Eif4ebp2 presentan muchos síntomas parecidos al autismo, como una interacción social pobre, comunicación alteranda y comportamientos repetitivos. Sonenberg y sus colegas han descubierto que cierto grupo de proteínas llamadas neuroliginas proliferan en ausencia de Eif4ebp2; estas proteínas se encuentran en la membrana de las neuronas, ayudando a crear y mantener las conexiones (sinapsis) entre ellas. La producción de neuroliginas en exceso produce una “hiperconectividad” que genera una propensión a la sobreestimulación; ciertas hipótesis asocian este fenómeno al trastorno de espectro autista. Los síntomas son reversibles gracias a una molécula que bloquea la traducción de esta familia de proteínas; con este tratamiento se reduce la hiperconectividad sináptica y desaparecen en los ratones los síntomas similares al autismo que habían exhibido previamente. Obviamente, que nadie se equivoque. El medicamento utilizado es muy tóxico y solo en menos del 1% de los autistas se asocia el trastorno a problemas genéticos. Sin embargo, se abre una puerta a la esperanza, algo que nunca está de más. Nos lo cuenta Dan Jones, “Autism symptoms reversed in mice. Neural ‘hyperconnections’ caused by runaway protein production can be undone,” Nature News, 21 November 2012, quien se hace eco del artículo técnico de Christos G. Gkogkas et al, “Autism-related deficits via dysregulated eIF4E-dependent translational control,” Nature, AOP, 21 Nov. 2012 [Supplementary Info.].

El aprendizaje asociativo del comportamiento social en los nemátodos

Estudiar el sistema nervioso humano es muy complicado porque es una red muy compleja de células interconectadas entre sí. Todas nuestras acciones, sentimientos, recuerdos, sueños, incluso nuestra conciencia, emergen de su funcionamiento. Para entenderlo se utilizan modelos animales con un sistema nervioso mucho más sencillo, como el nemátodo Caenorhabditis elegans, un “gusano” de solo 1 mm de largo con menos de 400 neuronas, cuyo genoma codifica tantos neurotransmisores, receptores de neurotransmisores, canales iónicos y componentes de la sinapsis como los seres humano. En los humanos, las hormonas oxitocina (OT) y vasopresina (VP) estimulan comportamientos maternales, reproductivos, agresivos y afiliativos; no solo en humanos, también en los mamíferos. Siendo hormonas cuyo origen genético se remonta hasta hace al menos 700 millones de años, podemos esperar que también sean importantes en los invertebrados. Sendos artículos en Science han encontrado una hormona del nemátodo C. elegans, llamada nematocina (NTC-1) que es análoga a OT y VP, cuya función es regular el comportamiento reproductivo y la plasticidad gustativa (quimiotaxis) en estos invertebrados. Nos lo cuenta Scott W. Emmons, “The Mood of a Worm,” Science 338: 475-476, 26 October 2012, quien se hace eco de los artículos técnicos de Jennifer L. Garrison et al, “Oxytocin/Vasopressin-Related Peptides Have an Ancient Role in Reproductive Behavior,” Science 338: 540-543, 26 October 2012, y Isabel Beets et al, “Vasopressin/Oxytocin-Related Signaling Regulates Gustatory Associative Learning in C. elegans,” Science 338: 543-545, 26 October 2012.

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