El Genoma es el conjunto completo de los cromosomas que componen un individuo o una especie con sus genes asociados.
En 1890 los citólogos comenzaron a contar los cromosomas humanos, pero hasta 1956 no se averiguó con exactitud el número correcto de cromosomas, después de que Watson y Crick descubrieran la estructura del ADN.
El número de cromosomas de la especie humana es de 46 (23 pares): 44 autosomas y 2 cromosomas sexuales. Una mujer normal tiene dos cromosomas X, y un hombre normal posee un cromosoma X y un cromosoma Y.
Mediante un cariotipo, es decir, la representación gráfica de los cromosomas (en metafase mitótica) presentes en el núcleo de una sola célula somática, se puede determinar el número, tamaño y forma de los cromosomas e identificar los pares de homólogos (ver Mitosis).
Los cromosomas son las estructuras que llevan los genes y un gen es la secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN que desempeña una función específica, como codificar una molécula de ARN o un polipéptido. En las células eucarióticas, el ADN del genoma se encuentra siempre en asociación con unas proteínas llamadas histonas. Esta combinación recibe el nombre de cromatina, debido a sus propiedades de coloración.
La clave del contenido de la información del ADN está en los cuatro tipos de bases nitrogenadas que forman su estructura, que son adenina, timina, citosina y guanina, y que pueden disponerse en cualquier orden. La secuenciación del ADN consiste en determinar ese orden exacto.
En el genoma ecucariótico, la cantidad de ADN por célula es la misma para cada célula diploide, igual que ocurre en las demás especies de organismos; sin embargo, la diferencia entre especies es muy elevada. La mayor cantidad de ADN encontrada hasta el momento corresponde a la salamandra, con 8 x 1010 pares de bases por genoma haploide. Otra característica del genoma eucariótico es la excesiva cantidad de ADN existente sin funciones aparentes (ADN egoísta), y que según algunos científicos no sirve para nada. A diferencia de otras especies, como bacterias y virus, la cantidad de ADN humano codificante para proteínas puede suponer solamente el 1% y, en general, en las células eucarióticas se estima que no sobrepasa el 10%. Además, casi la mitad del ADN de la célula eucariótica consiste en secuencias de nucleótidos que se repiten centenas, o hasta millones de veces, mientras que según la genética mendeliana un gen debe estar presente sólo dos veces por cada célula eucariótica diploide, y no en multitud de copias. Detalles como éstos podrían revelar los misterios de la evolución humana y de otros organismos.
Por otra parte, el genoma eucariótico también se caracteriza por la existencia de unas secuencias no codificadoras de proteínas, que se encuentran interrumpiendo las secuencias codificadoras. Estas interrupciones no codificadoras reciben el nombre de intrones, mientras que aquéllas que se expresan reciben el nombre de exones. Los intrones se transcriben a moléculas de ARN y se escinden antes de la traducción. Ésta es una de las principales características del genoma eucariótico. Normalmente, cuanto más complejo y más reciente es un organismo en el proceso de la evolución, más grandes y abundantes son sus intrones.
Se piensa que el ADN de cada cromosoma eucariótico se encuentra en forma de una única molécula y cada una de ellas mide entre 3 y 4 cm de largo. Con el ADN de una persona podríamos formar un cordón y rodear varias veces la Tierra, por lo tanto, es difícil imaginar su capacidad para empaquetarse hasta reducir 7.000 veces su longitud en cada célula, y organizarse junto con proteínas para formar los cromosomas. Se estima que su longitud total es de 3.000 millones de nucleótidos y el cuerpo humano entero contiene aproximadamente 25.000 millones de kilómetros de ADN de doble hélice. Con todo esto se comprende lo difícil que resulta averiguar el orden de cada uno de esos nucleótidos.
Además, el ADN de un individuo es tan distintivo como una huella digital. Ninguna persona es idéntica a otra, pues cada ser humano es el producto de combinaciones únicas de las bases nitrogenadas que forman su ADN. Se ha estimado que el número de combinaciones posibles superan el número de átomos del universo, y por tanto no ha habido ni habrá dos personas idénticas en este planeta. Sin embargo, tenemos mucho ADN en común con el resto de seres vivos, lo que puede servir para determinar hasta qué punto el ser humano está relacionado evolutivamente con otros organismos. Un detalle interesante es que en el cromosoma 22 del genoma humano existe un gen que es casi exactamente igual en humanos que en levaduras, a pesar de las grandes diferencias que existen entre ambas especies. Algunos científicos explican el hecho al considerar que si este gen no ha evolucionado con el tiempo, a diferencia de la mayoría, posiblemente indique que debe ser vital para todas las células y que un pequeño cambio en su secuencia puede acarrear graves consecuencias.
Proyecto Genoma humano
Este proyecto ha sido coordinado por numerosas instituciones y se inició en 1990 con el fin de obtener el genoma humano completo. Se esperaba completar para el año 2003, sin embargo, se ha conseguido secuenciar todo el genoma completo en abril del año 2000, tres años antes de la fecha prevista. Siete meses más tarde, los equipos de investigación encargados de ordenar la secuencia genética descubrieron que el genoma del ser humano contiene poco más de 30.000 genes, la mitad de los que los científicos esperaban encontrar. El resultado fue sorprendente porque organismos inferiores como la mosca o el gusano tienen un código genético formado por 13.000 y 19.000 genes, respectivamente.
Las técnicas de genética molecular permiten cortar el ADN por los sitios que más nos interesa, utilizando herramientas químicas de gran precisión denominadas enzimas de restricción. Gracias a ellas, se pueden obtener fragmentos, separarlos y secuenciarlos. El primer triunfo de este proyecto ha sido la descripción completa de la secuencia del cromosoma 22, el segundo más pequeño de los 24 que caracterizan a la especie humana, al que se le han identificado unos 33, 4 millones de nuecleótidos y 545 genes (que suponen menos del 2 % del genoma humano).
El genoma humano es mapeado y secuenciado en su totalidad. Mediante el empleo de endonucleasas de restricción se cortan los clones y se obtienen los mapas de clones contiguos; este es el método de trabajo del grupo Proyecto Genoma Humano (PGH). Los datos obtenidos acerca del tamaño de los fragmentos de restricción de cada clon se introducen en un ordenador, que compara esos tamaños en todos los clones analizados y determina qué clones presentan sitios de restricción comunes, por lo que dichos clones pueden ordenarse según este criterio. Los mapas que se obtengan serán de gran valor en investigaciones acerca de la organización génica y cromosómica, así como en la identificación de genes implicados en ciertas enfermedades genéticas. La correlación de estos mapas con datos de secuencias obtenidas por otros estudios permitiría la secuenciación de todo el genoma humano.
Para obtener buenos resultados es necesario que se investigue en el desarrollo de nuevos vectores de clonaje y en la tecnología necesaria para analizar un gran número de clones. De hecho, ya se han obtenidos mapas de los cromosomas que pertenecen a organismos más sencillos, como E. coli, el moho limoso Dictyostelium y la mosca Drosophila (secuenciada en 6 meses). Sin embargo, en los humanos las técnicas de secuenciación automática deben perfeccionarse, pues el número de pares de bases de que consta nuestro genoma es de 3.3 x 109.
Muchos investigadores piensan que tener todo nuestro ADN descifrado puede producir también situaciones comprometidas, ya que un genoma accesible a todo el mundo podría provocar problemas sociales y graves marginaciones; estaríamos sometidos a un control genético, además del control informático actual, por parte de los estamentos gubernamentales y, por otra parte, los profesionales sanitarios podrían realizar un parte genético en el que se pudiera descifrar claramente una enfermedad futura irreversible. Sin embargo, las averiguaciones que se pueden obtener pueden ser la clave para comprender y tratar los cánceres, así como la terapia de reemplazo de genes. De hecho, ya se han relacionado varios genes del cromosoma 22 con algunas enfermedades. Una secuencia de este cromosoma parece estar implicada en la esquizofrenia y otro grupo de genes en el síndrome de GiGeorge y en trastornos del movimientos catalogados como ataxia espinocerebral. Se supone que una docena de enfermedades genéticas están ligadas a este cromosoma.
Los resultados de la secuenciación del ADN que ha realizado el grupo PGH se han hecho públicos en internet y se han actualizado cada 24 horas. Con su método de trabajo “clon a clon” se ha avanzado en la secuencia a un ritmo de 500 bases cada vez. Por otra parte, la Celera Genomics Systems es una empresa privada que también estaba secuenciando el genoma y ha utilizado un método más rápido para la secuenciación, pero por la complejidad del genoma humano y la gran cantidad de secuencias repetidas que posee, no es más efectivo. El método consiste en dividir todo el genoma en fragmentos y leerlos simultáneamente introduciéndolos en uno de los supercomputadores más potentes del mundo. Pero depende de los resultados del PGH para reunir los fragmentos de forma correcta. En abril del año 2000 la empresa privada Celera ha conseguido secuenciar todo el genoma humano. La firma estadounidense se enfrenta ahora con el reto de ensamblar los 50 millones de fragmentos de ADN.
Los avances en el estudio de los genomas coloca a la biología en un momento clave que hace imprescindible el desarrollo de técnicas informáticas que permitan procesar y examinar toda la información disponible; por ello, el gran auge de lo que se podría llamar una nueva ciencia, la Bioinformática. De esta manera, al estar secuenciado todo el genoma humano, se dispondrá de técnicas de análisis masivo de datos que permitirán deducir la posición de los genes en el cromosoma, millones de puntos significativos en el mapa y toda la información referente a la secuencia de los nucleótidos y a todas las proteínas humanas cuya síntesis está controlada por esos genes.
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