genoma

En los campos de la biología molecular y la genética , un genoma es toda la información genética de un organismo. Consiste en secuencias de nucleótidos de ADN (o ARN en los virus de ARN ). El genoma nuclear incluye genes codificadores de proteínas y genes no codificadores, otras regiones funcionales del genoma como secuencias reguladoras (véase ADN no codificante ) y, a menudo, una fracción sustancial de ADN basura sin función aparente. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Casi todos los eucariotas tienen mitocondrias y un pequeño genoma mitocondrial . ^{[ 1 ]} Las algas y las plantas también contienen cloroplastos con un genoma cloroplástico.

El estudio del genoma se llama genómica . Se han secuenciado los genomas de muchos organismos y se han anotado diversas regiones. El primer genoma que se secuenció fue el del virus φX174 en 1977; ^{[ 3 ]} la primera secuencia del genoma de un procariota ( Haemophilus influenzae ) se publicó en 1995; ^{[ 4 ]} el genoma de la levadura ( Saccharomyces cerevisiae ) fue el primer genoma eucariota en ser secuenciado en 1996. ^{[ 5 ]} El Proyecto Genoma Humano se inició en octubre de 1990, y las primeras secuencias preliminares del genoma humano se publicaron en abril de 2003. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

El término genoma fue creado en 1920 por Hans Winkler , ^{[ 8 ]} profesor de botánica en la Universidad de Hamburgo , Alemania. El sitio web Oxford Dictionaries y el Online Etymology Dictionary sugieren que el nombre es una combinación de las palabras gen y cromosoma . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} Sin embargo, véase ómicas para una discusión más completa. Ya existían algunas palabras relacionadas con -oma , como bioma y rizoma , que formaban un vocabulario en el que genoma encaja sistemáticamente. ^{[ 13 ]}

El término «genoma» generalmente se refiere a las moléculas de ADN (o a veces de ARN) que portan la información genética en un organismo, pero en ocasiones no está claro qué moléculas incluir; por ejemplo, las bacterias suelen tener una o dos moléculas grandes de ADN ( cromosomas ) que contienen todo el material genético esencial, pero también contienen moléculas de plásmidos extracromosómicos más pequeñas que portan información genética importante. En la literatura científica, el término «genoma» generalmente se refiere a las grandes moléculas de ADN cromosómico en las bacterias. ^{[ 14 ]}

Una secuencia genómica es la lista completa de los nucleótidos (A, C, G y T en el caso de los genomas de ADN) que componen todos los cromosomas de un individuo o una especie. Dentro de una misma especie, la gran mayoría de los nucleótidos son idénticos entre individuos, pero la secuenciación de múltiples individuos es necesaria para comprender la diversidad genética.

En 1976, Walter Fiers, de la Universidad de Gante (Bélgica), fue el primero en establecer la secuencia completa de nucleótidos de un genoma de ARN viral ( bacteriófago MS2 ). Al año siguiente, Fred Sanger completó la primera secuencia de genoma de ADN: el fago X174 , de 5386 pares de bases. ^{[ 17 ] [ 18 ]} El primer genoma bacteriano secuenciado fue el de Haemophilus influenzae , completado por un equipo del Instituto de Investigación Genómica en 1995. Unos meses después, se completó el primer genoma eucariota, con la publicación de las secuencias de los 16 cromosomas de la levadura Saccharomyces cerevisiae como resultado de un esfuerzo liderado por Europa que comenzó a mediados de la década de 1980. La primera secuencia genómica de una arquea , Methanococcus jannaschii , se completó en 1996, también por el Instituto de Investigación Genómica. ^{[ 19 ]}

El desarrollo de nuevas tecnologías ha hecho que la secuenciación del genoma sea mucho más barata y sencilla, y el número de secuencias genómicas completas está creciendo rápidamente. Los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. mantienen una de las bases de datos más completas de información genómica. ^{[ 20 ]} Entre los miles de proyectos de secuenciación del genoma completados se incluyen los del arroz , un ratón , la planta Arabidopsis thaliana , el pez globo y la bacteria E. coli . En diciembre de 2013, los científicos secuenciaron por primera vez el genoma completo de un neandertal , una especie humana extinta . El genoma se extrajo del hueso del dedo del pie de un neandertal de 130.000 años de antigüedad encontrado en una cueva siberiana . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Los genomas virales pueden estar compuestos de ARN o ADN. Los genomas de los virus de ARN pueden ser de cadena simple o doble , y pueden contener una o más moléculas de ARN separadas (segmentos: genoma monopartito o multipartito). Los virus de ADN pueden tener genomas de cadena simple o doble. La mayoría de los genomas de virus de ADN están compuestos por una sola molécula lineal de ADN, pero algunos están formados por una molécula de ADN circular. ^{[ 23 ]}

Los procariotas y eucariotas tienen genomas de ADN. Las arqueas y la mayoría de las bacterias tienen un único cromosoma circular , ^{[ 24 ]} sin embargo, algunas especies bacterianas tienen cromosomas lineales o múltiples. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Si el ADN se replica más rápido que la división de las células bacterianas, pueden existir múltiples copias del cromosoma en una sola célula, y si las células se dividen más rápido que la replicación del ADN, se inicia la replicación múltiple del cromosoma antes de que ocurra la división, lo que permite que las células hijas hereden genomas completos y cromosomas ya parcialmente replicados. La mayoría de los procariotas tienen muy poco ADN repetitivo en sus genomas. ^{[ 27 ]} Sin embargo, algunas bacterias simbióticas (por ejemplo, Serratia symbiotica ) tienen genomas reducidos y una alta fracción de pseudogenes: solo ~40% de su ADN codifica proteínas. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Algunas bacterias poseen material genético auxiliar, que también forma parte de su genoma, y ​​que se encuentra en plásmidos . Por ello, no se debe utilizar la palabra genoma como sinónimo de cromosoma .

Los genomas eucariotas están compuestos por uno o más cromosomas de ADN lineal. El número de cromosomas varía ampliamente desde las hormigas saltadoras Jack y un nematodo asexual , ^{[ 30 ]} que tienen solo un par cada uno, hasta una especie de helecho que tiene 720 pares. ^{[ 31 ]} Es sorprendente la cantidad de ADN que contienen los genomas eucariotas en comparación con otros genomas. La cantidad es incluso mayor que la necesaria para los genes codificantes de proteínas y no codificantes de ADN porque los genomas eucariotas muestran una variación de hasta 64 000 veces en sus tamaños. ^{[ 32 ]} Sin embargo, esta característica especial es causada por la presencia de ADN repetitivo y elementos transponibles (TE) .

Una célula humana típica tiene dos copias de cada uno de los 22 autosomas , una heredada de cada progenitor, más dos cromosomas sexuales , lo que la hace diploide. Los gametos , como los óvulos, los espermatozoides, las esporas y el polen, son haploides, lo que significa que solo contienen una copia de cada cromosoma. Además de los cromosomas en el núcleo, los orgánulos como los cloroplastos y las mitocondrias tienen su propio ADN. A veces se dice que las mitocondrias tienen su propio genoma, a menudo denominado " genoma mitocondrial ". El ADN que se encuentra dentro del cloroplasto puede denominarse " plastoma ". Al igual que las bacterias de las que se originaron, las mitocondrias y los cloroplastos tienen un cromosoma circular.

A diferencia de los procariotas, donde la organización exón-intrón de los genes codificadores de proteínas existe, pero es bastante excepcional, los eucariotas generalmente presentan estas características en sus genes y sus genomas contienen cantidades variables de ADN repetitivo. En mamíferos y plantas, la mayor parte del genoma está compuesta de ADN repetitivo. ^{[ 33 ]}

El tamaño del genoma es el número total de pares de bases de ADN en una copia de un genoma haploide . El tamaño del genoma varía ampliamente entre especies. Los invertebrados tienen genomas pequeños, lo que también se correlaciona con un número reducido de elementos transponibles. Los peces y anfibios tienen genomas de tamaño intermedio, y las aves tienen genomas relativamente pequeños, aunque se ha sugerido que las aves perdieron una porción sustancial de sus genomas durante la fase de transición al vuelo. Antes de esta pérdida, la metilación del ADN permite la expansión adecuada del genoma. ^{[ 32 ]}

En los humanos, el genoma nuclear comprende aproximadamente 3.1 mil millones de nucleótidos de ADN, divididos en 24 moléculas lineales, la más corta de 45 000 000 de nucleótidos de longitud y la más larga de 248 000 000 de nucleótidos, cada una contenida en un cromosoma diferente. ^{[ 47 ]} No hay una correlación clara y consistente entre la complejidad morfológica y el tamaño del genoma ni en procariotas ni en eucariotas inferiores . ^{[ 33 ] [ 48 ]} El tamaño del genoma es en gran medida una función de la expansión y contracción de elementos de ADN repetitivos.

Dado que los genomas son muy complejos, una estrategia de investigación consiste en reducir el número de genes en un genoma al mínimo indispensable, manteniendo la supervivencia del organismo en cuestión. Se están realizando trabajos experimentales sobre genomas mínimos para organismos unicelulares y multicelulares (véase biología del desarrollo ). Estos trabajos se llevan a cabo tanto in vivo como in silico . ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Diferencias en el tamaño del genoma debidas a elementos transponibles

Existen enormes diferencias de tamaño en los genomas, especialmente en los genomas eucariotas multicelulares, como ya se mencionó. Esto se debe en gran medida a la distinta abundancia de elementos transponibles, que evolucionan creando nuevas copias de sí mismos en los cromosomas. ^{[ 32 ]} Los genomas eucariotas suelen contener miles de copias de estos elementos, la mayoría de las cuales han adquirido mutaciones que los hacen defectuosos.

Todas las células de un organismo se originan a partir de una sola célula, por lo que se espera que tengan genomas idénticos; sin embargo, en algunos casos, surgen diferencias. Tanto el proceso de copia del ADN durante la división celular como la exposición a mutágenos ambientales pueden provocar mutaciones en las células somáticas. En algunos casos, dichas mutaciones conducen al cáncer porque hacen que las células se dividan más rápidamente e invadan los tejidos circundantes. ^{[ 51 ]} En ciertos linfocitos del sistema inmunitario humano, la recombinación V(D)J genera secuencias genómicas diferentes de tal manera que cada célula produce un anticuerpo o receptores de células T únicos.

Durante la meiosis , las células diploides se dividen dos veces para producir células germinales haploides. Durante este proceso, la recombinación produce una reorganización del material genético de los cromosomas homólogos, de modo que cada gameto tiene un genoma único.

Los genomas son más que la suma de los genes de un organismo y poseen características que pueden medirse y estudiarse sin necesidad de conocer los detalles de genes específicos ni sus productos. Los investigadores comparan características como el cariotipo (número de cromosomas), el tamaño del genoma , el orden de los genes, el sesgo en el uso de codones y el contenido de GC para determinar qué mecanismos podrían haber generado la gran variedad de genomas que existen hoy en día (para obtener información general reciente, véanse Brown 2002; Saccone y Pesole 2003; Benfey y Protopapas 2004; Gibson y Muse 2004; Reese 2004; Gregory 2005).

Las duplicaciones desempeñan un papel fundamental en la configuración del genoma. La duplicación puede abarcar desde la extensión de repeticiones cortas en tándem hasta la duplicación de un grupo de genes, e incluso la duplicación de cromosomas completos o genomas enteros . Estas duplicaciones son probablemente fundamentales para la creación de novedades genéticas ^{[ 54 ]} .

La transferencia horizontal de genes se invoca para explicar la extrema similitud que suele existir entre pequeñas porciones de los genomas de dos organismos que, por lo demás, están muy distantemente relacionados. La transferencia horizontal de genes parece ser común entre muchos microbios . Asimismo, las células eucariotas parecen haber experimentado una transferencia de material genético desde sus genomas cloroplásticos y mitocondriales a sus cromosomas nucleares. Datos empíricos recientes sugieren un papel importante de los virus y las redes de ARN subvirales como principales impulsores de la generación de novedad genética y la edición genómica natural. La primera empresa de genómica para la detección de predisposición fue Myriad Genetics, fundada por Mark Skolnick y Kevin Kimberlin. ^{[ 55 ]}

Las obras de ciencia ficción ilustran la preocupación por la disponibilidad de secuencias genómicas.

La novela de Michael Crichton de 1990, Parque Jurásico , y la posterior película narran la historia de un multimillonario que crea un parque temático de dinosaurios clonados en una isla remota, con consecuencias desastrosas. Un genetista extrae ADN de dinosaurio de la sangre de mosquitos prehistóricos y completa los huecos con ADN de especies modernas para crear diversas especies de dinosaurios. Se le pide a un teórico del caos que emita su opinión experta sobre la seguridad de la ingeniería de un ecosistema con los dinosaurios, y este advierte repetidamente que los resultados del proyecto serán impredecibles y, en última instancia, incontrolables. Estas advertencias sobre los peligros del uso de información genómica constituyen un tema central del libro.

La película Gattaca, de 1997 , se ambienta en una sociedad futurista donde los genomas de los niños se modifican genéticamente para que contengan la combinación ideal de rasgos de sus padres, y se documentan parámetros como el riesgo de enfermedades cardíacas y la esperanza de vida prevista para cada persona en función de su genoma. Las personas concebidas fuera del programa de eugenesia, conocidas como "inválidos", sufren discriminación y se ven relegadas a trabajos de baja categoría. El protagonista de la película es un inválido que lucha por desafiar las supuestas probabilidades genéticas y alcanzar su sueño de trabajar como navegante espacial. La película advierte sobre un futuro donde la información genómica alimenta los prejuicios y las extremas diferencias de clase entre quienes pueden y quienes no pueden permitirse tener hijos genéticamente modificados. ^{[ 56 ]}

• Benfey P, Protopapas AD (2004). Fundamentos de Genómica . Prentice Hall.
• Brown TA (2002). Genomas 2. Oxford: Bios Scientific Publishers. ISBN 978-1-85996-029-5.
• Gibson G, Muse SV (2004). Introducción a la ciencia del genoma (Segunda  edición). Sunderland, Mass: Sinauer Assoc. ISBN 978-0-87893-234-4.
• Gregory TR (2005). La evolución del genoma . Elsevier. ISBN 978-0-12-301463-4.
• Reece RJ (2004). Análisis de genes y genomas . Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84379-6.
• Saccone C, Pesole G (2003). Manual de genómica comparativa . Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-39128-9.
• Werner E (diciembre de 2003). "Biología de sistemas multicelulares in silico y genomas mínimos". Drug Discovery Today . 8 (24): 1121– 27. doi : 10.1016/S1359-6446(03)02918-0 . PMID 14678738 . 

• Navegador genómico de UCSC : visualiza el genoma y las anotaciones de más de 80 organismos.
• genomecenter.howard.edu (archivado el 9 de agosto de 2013)
• Cómo construir una molécula de ADN (archivado el 9 de junio de 2010)
• Algunos tamaños de genoma comparativos
• ADN Interactivo: La Historia de la Ciencia del ADN
• ADN desde el principio
• Todo sobre el Proyecto Genoma Humano —de Genome.gov
• Base de datos del tamaño del genoma animal
• Base de datos sobre el tamaño del genoma vegetal (archivada el 1 de septiembre de 2005)
• GOLD: Base de datos de genomas en línea
• La Red de Noticias del Genoma
• Base de datos del proyecto de genoma Entrez del NCBI
• Primer del genoma del NCBI
• GeneCards : una base de datos integrada de genes humanos.
• BBC News – Se publica el último capítulo del genoma.
• IMG (Sistema Integrado de Genomas Microbianos): para el análisis del genoma por el DOE-JGI.
• Análisis de datos de secuenciación de próxima generación de GeKnome Technologies: análisis de datos de secuenciación de próxima generación para Illumina y el servicio 454 de GeKnome Technologies (archivado el 3 de marzo de 2012).