Genómica y transcriptómica

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Es importante profundizar en los conceptos de genómica y transcriptómica, ya que entender las diferencias funcionales entre el ADN y el RNA es fundamental para conocer la expresión génica, que es el punto de partida para los tratamientos genómicos de precisión. Un mismo individuo, una neurona en el cerebro y un macrófago en el torrente sanguíneo tienen exactamente el mismo ADN y, por lo tanto, la misma información genética, pero las dos células tienen formas distintas, distintos tamaños y funciones completamente diferentes. ¿Cómo es posible esto? ¿A qué se debe?

Concepto de genómica

La genómica se define como la ciencia que estudia el genoma de un organismo, siendo el genoma la secuencia de ADN del organismo, secuencia de ADN que incluye los cromosomas y los genes. El genoma de un individuo es algo único y propio de él. Está almacenado en cada una de sus células y no se modifica con el tiempo. En argot popular se puede decir que el ADN es el libro de instrucciones de los organismos, y es siempre el mismo e idéntico a lo largo de una vida.

El estudio del ADN proporciona una imagen estática y fija de lo que una célula u organismo puede ser o en lo que puede convertirse. Este sirve de guía para su desarrollo, pauta las funciones de cada órgano y se autor repara cuando se daña. Cuanto más se sepa del genoma, más se sabrá sobre el ser humano y su salud.

Con la genómica se pueden estudiar:

Genomas completos.
Genómica (estudio de la información genética para enfermedades).
ADN antiguo.
Metagenómica (diversidad microbial).
Metilación.

Transcriptómica

El transcriptoma es el conjunto de moléculas que configuran el ARN. El nombre genérico de ARN incluye el ARN mensajero, el ARN ribosómico, el micro ARN, el ARN no codificante y el ARN de transferencia. Cuando se mira el transcriptoma lo que se observa en realidad es la actividad genética que hay en ese momento, es decir, qué genes están funcionando y con qué niveles de actividad.

Las diferencias estructurales y funcionales entre las distintas células del cuerpo se deben a la activación o desactivación de combinaciones de genes. Estudiando el ARN que se transcribe a partir de estos genes, se puede conocer cuáles son activos en determinadas células y comprender cómo una célula puede desarrollar un trabajo especializado.

El ARN permite saber qué está haciendo en ese momento exacto una célula u organismo, es dinámico y la expresión de los genes va variando para adaptarse a las necesidades del organismo.

Utilidad del transcriptoma

Aparte de comparar los genes que están activos y los que no, el transcriptoma también permite estudiar distintos patrones de expresión génica, y cómo estos varían en el tiempo o se modifican como respuesta a un estímulo. La transcriptómica ayuda a comprender acciones concretas, como por qué tomar una aspirina alivia el dolor o qué efectos secundarios produce.

Los estudios del transcriptoma permiten conocer las transcripciones de ARN producidas por el genoma en circunstancias específicas y en el lugar y momento concreto. Al comparar la expresión génica se pueden llevar a cabo estudios de dosis-respuesta con el fin de determinar la respuesta genética antes y después de un tratamiento.

Debido a la estructura y a la poca estabilidad no se puede trabajar directamente con ARN, sino que hay que transformarlo a ADNc (ADN complementario): mediante una enzima llamada transcriptasa reversa se consigue transformar la hebra de ARN en una doble cadena complementaria, dándole estabilidad a la molécula y permitiendo que se pueda trabajar en ella.

Tarjetas microfluídicas

Se sabe que normalmente las combinaciones de genes producen una u otra reacción, con lo que el estudio de las diferencias de expresión también debería hacerse con combinaciones de genes. Técnicamente esto supuso un reto a principios del siglo XXI. Hasta entonces se determinaba la expresión de los genes individuamente mediante sondas de expresión y control endógeno, pero para la transcriptómica se necesitaba una herramienta con más capacidad.

Applied Biosystems fue el primero en sacar un formato de rendimiento medio, y presentó las tarjetas microfluídicas o TLDA (TaqMan Low Density Array) basadas en las sondas TaqMan. Las tarjetas microfluídicas permiten determinar la expresión de 48 genes a la vez en 8 muestras, pero su mayor ventaja fue la reducción del volumen de trabajo, que aquí es tan solo de 0,2 ul por reacción. Cuando se quieren determinar muchos genes, la cantidad de RNA inicial que se necesita es uno de los factores limitantes, y aquí el problema se minimiza.

Microarrays

La tecnología de los microarrays permite estudiar miles de genes a la vez: son unos chips en la superficie de los cuales se han pegado miles de secuencias de ADN complementarias a la gran mayoría de los genes. Estas secuencias actúan a modo de cebador, y se pegan al gen del cual son complementarios. Al pegarse y formar una estructura de doble cadena permite añadir un fluorocromo, de modo que se puede ver si el gen está presente o no.

De esta forma no solo se puede determinar la presencia o ausencia del gen, sino que, mediante la intensidad de la luz emitida, un software específico permite determinar de forma cuantitativa si el gen está presente en muchas o pocas copias mediante un código de colores.

Los cebadores se posicionan en coordenadas conocidas, de modo que al final se puede generar una imagen de colores que va a indicar qué genes están presentes y cuáles no, junto a una estimación de su intensidad. Los microarrays suelen utilizarse para hacer una primera aproximación a la identificación de genes con expresión diferencial en distintas condiciones, ya que es una técnica rápida y bastante económica, aunque no muy cuantitativa.

NGS para expresión génica (RNA-SEQ)

Al igual que en la genómica, la aparición de la segunda generación de secuenciadores (NGS) ha revolucionado el estudio del transcriptoma aportando una herramienta altamente precisa y sensible para medir la expresión génica. La gran capacidad de los equipos NGS permite no solo detectar las diferencias de expresión, sino que además se puede detectar isoformas de transcripción, fusión de genes o mutaciones de una sola base.

Tanto en las tarjetas microfluídicas como en los microarrays los genes se pegan en cebadores previamente diseñados, de modo que es necesario conocer la secuencia de antemano. En la NGS se secuencia todo sin necesidad de conocer previamente la región, de modo que se pueden detectar nuevas variantes o mutaciones.

La gran capacidad de los equipos permite trabajar con el transcriptoma entero. Pero si en lugar de esto se acota el estudio a los genes de interés lo que se obtiene es una cantidad de datos suficientemente grandes para el diagnóstico. Esta opción ha tomado fuerza en los últimos años gracias al desarrollo de paneles de expresión por parte de las casas comerciales.