La enciclopedia de los elementos del ADN (ENCODE)

Encode

El proyecto ENCODE se inició en el año 2003 para impulsar una colaboración internacional entre diferentes laboratorios,  con idea de identificar los elementos funcionales del genoma humano.

 EC | Madrid | Noviembre 2012

Encode
Portada del número especial sobre ENCONDE. Revista Genome Reseach. Septiembre de 2012

¿Existe realmente un “ADN basura” (junk DNA)? El genetista evolutivo Susumu Ohno utilizó este término para definir en 1972 al ADN que no tiene ninguna función biológica, que se encuentra en el genoma sin aportar características ventajosas o útiles al organismo portador, y que se va acumulando en el mismo, acumulación que en principio es tolerada, al menos hasta cierto punto. Este “ADN basura” incluye los llamados transposones, elementos o trozos de ADN que actúan como “virus informáticos” moviéndose por el resto del ADN, copiándose a sí mismos, dentro del genoma del huésped. Los genes en sentido estricto ocupan el 1% del ADN, que es el que codifica proteínas,  las unidades estructurales y funcionales de las células, sin las cuales no habría órganos ni otros componentes. El resto es ADN no codificante. Este ADN no codificante, en ocasiones, cumple una función reguladora de la expresión de los otros genes, sirven de “interruptores” o activadores de los mismos, por lo que puede estar relacionado con las enfermedades y por tanto ser objeto de investigaciones terapéuticas. Pero la mayor parte del ADN está formado por transposones, pudiendo ser meros parásitos, o puede que jueguen algún papel que aún se desconoce. El proyecto ENCODE se propone averiguar, entre otras cosas, si ese ADN no codificante tiene alguna función específica.

ENCODE es el acrónimo de “Enciclopedia of DNA Elements” (Enciclopedia de los Elementos del ADN). Se trata de un consorcio fruto de una colaboración internacional de grupos de investigación promovido por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano (NHGRI) del gobierno estadounidense, y que fue lanzado en septiembre de 2003. En este proyecto colaboran laboratorios de diferentes países, entre los que se incluyen el Centro de Regulación Genómica en Barcelona y el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) en Madrid. ENCODE busca identificar todos los elementos funcionales de la secuencia del genoma humano, incluyendo los elementos que actúan a los niveles de proteínas y ARN (ácido ribonucleico), y los elementos regulatorios que controlan las células y las circunstancias en las que un gen se activa. El proyecto comenzó con una fase piloto y una fase de desarrollo tecnológico. Las conclusiones de la fase piloto se publicaron en junio de 2007 en Nature y en Genome Research (genome.org).

Todos los datos recogidos por ENCODE son de acceso gratuito, pudiendo ser descargados y analizados libremente. En el proyecto han trabajado unos 442 científicos durante unos 10 años, estudiando mediante 24 tipos de experimentos diferentes un pequeño trozo de ADN en 147 tipos de células humanas diferentes. El 5 de septiembre de 2012 se publicaron simultáneamente diferentes resultados en 30 artículos en las revistas Nature, Genome Research y Genome Biology.

Roderic Guigó, bioinformático de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona, ha intervenido como responsable del grupo de análisis de ARN. El científico explicó al diario digital El Confidencial que las conclusiones del trabajo han permitido confirmar que la parte del ADN que cumple una función reguladora es más  importante de lo que se pensaba. Tras la publicación de los resultados, muchos anunciaron el fin del llamado “ADN basura”. Pero lo que sale a relucir de los datos publicados por ENCODE no es que todo el ADN que se ha denominado hasta ahora “basura” cumpla una función biológica, sino que se ha descubierto que buena parte del mismo, un 80% del genoma humano o puede que incluso más, tiene “funcionalidad bioquímica específica”, realiza algún tipo de actividad, que aún no se sabe si es realmente relevante para la célula.

Por otra parte, tras lo publicado, nos vemos obligados a redefinir el concepto de gen como unidad mínima heredada. El gen en la era post-ENCODE se definiría como “la unión de las secuencias genómicas que codifican un conjunto coherente de productos funcionales, potencialmente solapantes”. Esta definición hace hincapié en el producto funcional que se codifica (de ahí el uso de “coherente” para indicar que se trata de codificar una proteína o un ARN). Con esta definición es probable que se amplíe el número total de genes del genoma, pero al estar centrada en el producto final es más informativa de la función de cada gen concreto.

La publicación de los resultados de ENCODE ha llevado a muchos a concluir que estos han certificado el fin del ADN basura. Los científicos discuten sobre la conveniencia de utilizar o no este término para definir las grandes regiones del genoma cuya función se presupone inútil, pero que con el tiempo se puede descubrir que esa función existe. Una expresión muy similar, la de “ADN oscuro” (dark DNA matter), que se refiere a la parte del genoma cuya función, de tenerla, se desconoce.

Mientras que unos consideran que el “ADN basura” es estrictamente basura, no sirve para nada, otros consideran que éste cumple una función de algún tipo. Entre los que defienden la existencia de alguna función que por el momento no se conoce se encuentran los creacionistas (que consideran que existe un Diseñador Inteligente del Universo, y que este Diseñador no iba a fabricar algo que no tuviese alguna utilidad), y los partidarios del adaptacionismo extremo (que opinan que las partes no funcionales habrían sido apartadas por la selección natural). Científicos como T. Ryan Gregory se oponen a esta concepción del ADN, utilizando argumentos como el del “test de la cebolla”. ¿Cómo podemos explicar que una cebolla necesite cinco veces más ADN no codificante para alguna función que un humano?

Precisamente la “Enciclopedia de los Elementos del ADN” busca encontrar esa posible función desconocida de muchas de las zonas del ADN humano.

Fuentes
Encyclopedia of DNA Elements
The ENCODE Project: ENCyclopedia Of DNA Elements
Nature | Encode
The ENCODE Project Consistorium
El Mundo: Científicos de todo el mundo redefinen el genoma humano
Proyecto ENCODE: en qué consiste el último gran descubrimiento científico
UNAV: El Proyecto ENCODE
El proyecto ENCODE dice adiós al ADN “basura”: el 80% del ADN tiene funciones bioquímicas
FAQ: El Proyecto ENCODE y el supuesto fin del ADN basura
– Los “virus informáticos” del ADN
– Most of what you read was wrong: how press releases rewrote scientific history
– Junk DNA And The Onion Test
– Foto Portada. Licencia Creative Commons: mrHappy/flickr

El descubrimiento de la doble hélice

El descubrimiento de una fórmula tan compleja como la estructura del ADN no surgió de forma azarosa, es decir, Watson y Crick no «inventaron» la doble hélice (puesto que siempre había existido), simplemente fueron los primeros en definirla y mostrarla al mundo. «Se ha escrito tanto sobre nuestro descubrimiento de la doble hélice que me es difícil añadir algo a lo ya dicho» (Crick, 1989), hecho que resalta la gran expectación que creó este hallazgo que ha sido calificado por varios científicos como «uno de los descubrimientos más importantes de la historia».

EC | Madrid | Mayo 2012

Las memorias de James Watson y Frances Crick nos ayudarán a reconstruir la historia del descubrimiento de la estructura del ADN. Estamos en el año 1951. James Watson, de 23 años, llega al “laboratorio Cavendish” de Cambridge para unirse a un pequeño grupo de físicos y químicos que trabajaban sobre las estructuras tridimensionales de las proteínas. Francis Crick trabajaba en una unidad, realizando diversos experimentos. Era un hombre charlatán, de risa sonora, que entonces contaba con 35 años y era casi un desconocido. James Watson era un zoólogo fascinado por la ornitología, que terminaría interesándose por el estudio de la genética. Crick era físico. Antes de la llegada de Watson, Crick apenas se había ocupado del ADN y de su papel en la herencia; además, por aquel entonces, el trabajo molecular sobre el ADN en Inglaterra era considerado propiedad básica de Maurice Wilkins, cuyo principal instrumento de investigación era la difracción de los rayos X. Wilkins trabajaba en el laboratorio de Randall en el King’s College de Londres. Randall había contratado a una cristalógrafa con experiencia, Rosalind Franklin, que será otra de las protagonistas de nuestra historia.

Crick, durante la Segunda Guerra Mundial, había trabajado en el diseño de minas magnéticas y acústicas-minas a distancia. Cuando terminó la guerra, no sabía qué hacer, no tenía una especialización clara, pero comprendió que esto podía resultar una ventaja, porque le permitía dedicarse a lo que quisiera. La formación que fue adquiriendo en biología, y su interés por las fronteras entre lo viviente y lo no viviente le terminaría llevando al laboratorio Cavendish. Para poder trabajar en el Cavendish, Crick tuvo que estudiar cristalografía de rayos X, tanto la teoría como la práctica. Al tener que aprender difracción de rayos X por su cuenta, adquirió un conocimiento amplio y profundo.

Watson y Crick tenían intereses parecidos, aunque era distinta su formación anterior. Entonces Crick sabía bastante sobre proteínas y difracción de rayos X. Watson conocía mucho menos esos temas, pero superaba a Crick en trabajos experimentales sobre fagos (virus bacterianos). Watson también conocía mejor la genética bacteriana. Los conocimientos de ambos sobre genética clásica eran equiparables. Maurice Wilkins fue el primero que avivó el interés del biólogo Watson sobre los trabajos realizados con rayos X sobre el ADN. Sucedió en Nápoles, en una reunión científica sobre las estructuras de las grandes moléculas halladas en las células vivas, en 1951. Wilkins presentó en su conferencia una fotografía de la difracción de los rayos X sobre el ADN. Ahora sabía Watson que los genes podían cristalizar. Por tanto, debían poseer una estructura regular que pudiera ser resuelta de una manera directa. Se corrió por entonces el rumor de que Linus Pauling había resuelto parcialmente la estructura de las proteínas. Su modelo era el de la hélice-alfa. Watson, tras oírle en una conferencia, quiso comprobar con un cristalógrafo si el modelo descrito por Pauling era correcto. Y fue entonces cuando mostró interés en entrar en el laboratorio Cavendish, aunque tuvo problemas con el Consejo de Becas porque consideraban que no debía trasladarse a trabajar en una especialidad para la que carecía de preparación.

No sabía qué hacer, no tenía una especialización clara, pero comprendió que esto podía resultar una ventaja, porque le permitía dedicarse a lo que quisiera.

Watson se entendía muy bien con Crick, también interesado por el  ADN, y por teorizar. Watson quiso saber cómo Pauling había descubierto las hélices-alfa. No tardó en aprender que el logro de Pauling era producto del sentido común, y no resultado de un complicado razonamiento matemático. La clave del éxito de Linus radicaba en su confianza en las sencillas leyes de la química estructural. La hélice-alfa no habría sido descubierta con sólo el estudio de las fotografías a rayos X; los principales instrumentos de trabajo eran un conjunto de modelos moleculares que se asemejaban a los juguetes de los niños en edad preescolar. Watson y Crick pensaron que no había razón por la que no hubieran de resolver el ADN de la misma manera. Todo lo que debían hacer era construir un conjunto de modelos moleculares y empezar a jugar; con un poco de suerte, la estructura representaría una hélice.

Watson y Crick seguían hablando de posibles tipos de estructuras de ADN. Trabajaban diferentes modelos, algunos de los cuales se iban mostrando erróneos. Obtuvieron avances y los expusieron a Wilkins y Franklin, que no les hicieron mucho caso. Sir Lawrence Bragg, profesor de ambos, decidió entonces que debían abandonar la investigación, porque no le veía mucho sentido a que se duplicase la que estaba llevando a cabo el laboratorio de Wilkins. A Watson y Crick les preocupaba que la interrupción por su parte de la construcción del modelo no iba a llevar consigo una mayor actividad en el laboratorio de Wilkins. Aunque se apartaron de la investigación, no abandonaron su interés por el ADN: Crick divagaba sobre disposiciones helicoidales de la hélice-alfa y Watson leía sobre química teórica y hojeaba publicaciones especializadas, con la esperanza de hallar alguna pista olvidada.

Mientras, Watson fue despedido de su beca por no estar trabajando en la institución designada, sino en el Cavendish. Se le concedió una beca distinta, que Watson pensaba aceptar. Había decidido ganar tiempo dedicándose a la investigación del virus de mosaico del tabaco (VTM). Un componente esencial del VTM era el ácido nucleico, y por ello la tapadera perfecta para enmascarar su continuado interés por el ADN.

Las disensiones entre los dos investigadores que trabajaban juntos en el King’s College, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin, se habían acentuado. Y Rosalind Franklin insistía en que sus datos demostraban que el ADN no era una hélice.
Watson tomó las medidas necesarias para que su próxima beca fuese trasladada al Cavendish. Sin embargo, Crick y él no se iban a dedicar por completo a la investigación de  la estructura del ADN. Entonces les llegó la noticia de que Linus Pauling había encontrado ya una estructura para el ADN. Watson y Crick tenían la esperanza de que esto no fuese así, porque Pauling no conocía los trabajos desarrollado en el “King’s College”, no había visto las fotografías de Wilkins y Franklin. Watson confiaba en que la urgencia creada por el asalto de Linus sobre el ADN llevase a Wilkins a pedirles ayuda a Crick y a él. No sucedió así.

Tenacidad y entusiasmo

El modelo sobre el que Pauling estaba trabajando era muy similar al que habían trabajado Watson y Crick, una hélice de tres cadenas, con la cadena azúcar-fosfato en el centro. Sin embargo, al leer una copia del trabajo, se dieron cuenta de que algo iba mal, ya que mostraba poca ortodoxia química. El trabajo de Pauling había sido enviado ya para la publicación, y cuando se publicase sería cuestión de días el que se descubriesen los errores del mismo. Disponían unas pocas semanas antes de que Linus se dedicara de nuevo al ADN.  Watson fue a hablar con Wilkins para comentarle todo lo relacionado con el trabajo de Pauling y sus errores. Éste le comunicó una noticia muy importante: Rosalind Franklin había obtenido la prueba de una nueva forma tridimensional del ADN, una nueva forma que ellos llamaban “estructura B”. Los reflejos negros en forma de cruz que dominaban la fotografía sólo podían provenir de una estructura helicoidal. Pero el problema radicaba en la ausencia de cualquier hipótesis estructural que les permitiese agrupar regularmente las bases en el interior de la hélice. Por eso Wilkins estaba convencido de que Rosalind Franklin, opuesta a la idea de una estructura helicoidal, estaba en lo cierto. Tras esta conversación, y mientras viajaba en tren camino de Cambridge, Watson decidió que debían centrarse en un modelo de dos cadenas. Watson expuso todo lo relacionado con la “estructura B” a Crick y a su profesor, Bragg, que no puso ninguna objeción a que continuase con la tarea de construir nuevos modelos.

El descubrimiento clave, según Crick, fue la determinación, por parte de Watson, de la naturaleza exacta de los pares de bases (adenina con timina, guanina con citosina). No lo logró por lógica, sino por casualidad. En cierto modo, el hallazgo de Watson fue cuestión de suerte, pero la mayoría de los descubrimientos tienen un elemento azaroso. Lo más importante es que Watson estaba buscando algo significativo y que inmediatamente reconoció el significado de los pares correctos cuando los vio por azar…”El azar favorece a la mente preparada”. Este episodio, asegura Crick, también ilustra que muchas veces, en la investigación, es importante jugar.

Crick considera que si Watson y él merecen algún mérito es el de la persistencia y el deseo de desechar ideas cuando éstas se convierten en insostenibles.

El siguiente paso científico era comparar con rigor los datos experimentales de los rayos X con el módulo de difracción que predecía el modelo de Watson y Crick. Wilkins, que no mostró ningún  indicio de amargura por el descubrimiento, prometió que mediría enseguida las reflexiones críticas. Rosalind Franklin, contraria hasta el momento a la estructura helicoidal, vio el atractivo de los pares de bases y aceptó el hecho de que la estructura era demasiado bonita para no ser verdadera. Y cuando llegó a oídos de Pauling lo que había sucedido, su reacción fue de auténtica emoción. Watson, Crick y Wilkins ganaron en 1962 el premio nobel de fisiología o medicina por sus descubrimientos acerca de la estructura molecular de los ácidos nucleicos y su importancia para la transferencia de información en la materia viva. El trabajo cristalográfico de Rosalind Franklin, que ya había fallecido, no recibiría, sin embargo, el debido reconocimiento.
Esta historia es una muestra de los peligros de la especialización; ni Watson ni Crick eran inicialmente especialistas en el ADN, y terminaron descubriendo su estructura con tenacidad y entusiasmo. Es más, Crick, tras descubrir la estructura del ADN, se terminaría interesando por la neurología, en concreto por investigar las bases neuronales de la conciencia.

Bibliografía:

-“La doble hélice”, James D. Watson. Plaza y Janés, 1978
-“Qué loco propósito. Una visión personal del descubrimiento científico”. Francis Crick. Tusquets, 1989.

Crick considera que si Watson y él merecen algún mérito es el de la persistencia y el deseo de desechar ideas cuando éstas se convierten en insostenibles. Un crítico les consideró poco inteligentes por haber seguido tantas pistas falsas, pero no tuvo en cuenta que éste es el modo en que suelen hacerse los descubrimientos. La mayoría de los intentos fallan, no por falta de cerebro, sino porque el investigador se atasca en un callejón sin salida o porque abandona prematuramente. También se les ha criticado por no haber dominado a la perfección todas las áreas de conocimiento necesarias para acertar con la doble hélice; sin embargo, al menos intentaron dominarlas todas, dice Crick, que considera que su mayor mérito, teniendo en cuenta lo temprano de su carrera investigadora, fue seleccionar el problema adecuado y apegarse a él. Es cierto que andando a ciegas tropezaron con oro, comenta, pero no por ello deja de ser verdad que buscaban oro.

La ortografía del ADN

Hay algo más allá de la genética, y ese algo es la epigenética. Si imaginamos nuestra secuencia de nucleótidos como el libro en el que está escrito nuestro destino, la epigenética funcionaría como la ortografía y la gramática, los signos de puntuación y las separaciones que dotan de sentido a la narración. Estos puntos y comas aparecen de forma natural en nuestro ADN, pero además pueden añadirse según interactuemos con el entorno, en función de nuestros hábitos de vida. Nuestro estado físico y mental viene determinado por una combinación de la genética con la que nacemos y los factores ambientales con los que interactuamos. Y la epigenética, una joven disciplina científica, establece un puente entre ambos elementos.

Hasta hace no demasiado tiempo se pensaba que los genes tan solo podían modificarse por medio de alteraciones en la secuencia de ADN conocidas como mutaciones, pero ahora se sabe que existe otro motor de variación: la epigenética, es decir, las modificaciones químicas del material genético que no producen cambios en la secuencia de nucleótidos. Estas modificaciones consisten básicamente en la adición de determinadas moléculas a la cadena de ADN, provocando el silenciamiento del gen sobre el que actúan.

Interruptores genéticos

Uno de los mecanismos epigenéticos más conocidos es la metilación, que consiste en la adición de moléculas de metilo a la cadena de ADN. Cuanto más metilado esté un gen, más probable será que éste no se exprese. Los diferentes estilos de vida, las costumbres o el tipo de alimentación contribuyen al diferente grado de metilación de nuestros genes. El ambiente, por tanto, puede modificar nuestro ADN a nivel epigenético, pudiendo llegar a provocar el silenciamiento de algunos genes.

España, referencia mundial

Nuestro país es una referencia mundial en este campo de la ciencia, gracias a Manel Esteller (San Baudilio de Llobregat, 1968) y a su equipo de investigación del IDIBELL (Instituto de Investigación Biomédica de Bellvitge). Esteller, autor de más de 200 artículos científicos y ganador en 2011 del Premio Nacional de Genética, ha contribuido junto con su equipo de manera notable al avance de la ciencia con sus investigaciones sobre la epigenética y su implicación en procesos fisiológicos y patológicos. Esteller realizó en 2005 un experimento con gemelos en el que estudiaba cómo la epigenética iba diferenciándolos con el paso del tiempo en base a sus distintas formas de vida y cómo se veían afectados por distintas enfermedades a pesar de compartir el mismo ADN. Este joven investigador es también pieza clave en el desarrollo del proyecto para conocer el epigenoma humano en que se halla inmersa la comunidad científica.