Proyecto Zoonomia: el estudio de los genomas de 240 especies reveló qué comparten con los seres humanos

Existen mamíferos de todos los tamaños y peso en el planeta Tierra. Desde el murciélago abejorro que solo pesa dos gramos hasta las enormes ballenas. Las más de 6.000 especies de mamíferos -incluidos los seres humanos- son muy divergentes. En los últimos 100 millones de años, se han adaptado a casi todos los ambientes de la Tierra.

Una colaboración internacional de científicos del Proyecto Zoonomia -el mayor recurso de genómica comparativa de mamíferos del mundo- logró catalogar la diversidad de los genomas de 240 especies de mamíferos, que representan más del 80% de las familias de mamíferos. Incluyeron al oso hormiguero, el elefante africano de sabana, el damán de las rocas de manchas amarillas y el cebú, entre otros.

Sus hallazgos fueron recopilados en 11 artículos publicados en la prestigiosa revista Science. Allí señalan partes del genoma humano que han permanecido inalteradas tras millones de años de evolución. Dan información que puede arrojar luz sobre la salud y las enfermedades humanas.

El equipo de Zoonomia ha demostrado cómo la genómica comparativa no sólo puede arrojar luz sobre cómo ciertas especies logran hazañas extraordinarias, sino también ayudar a los científicos a comprender mejor las partes del genoma humano que son funcionales y cómo podrían influir en la salud y la enfermedad.

Los investigadores identificaron las regiones de los genomas, a veces sólo letras sueltas de ADN, que más se conservan, o que no han cambiado, entre las especies de mamíferos y millones de años de evolución, regiones que probablemente sean biológicamente importantes.

A través de uno de los estudios, se encontró que al menos el 10% del genoma humano se mantiene prácticamente inalterado en todas las especies. Muchas de estas regiones se encuentran fuera del 1% de genes que dan lugar a proteínas que controlan la actividad de las células.

Los investigadores plantearon que las regiones conservadas durante mucho tiempo probablemente sirven para algo y es probable que sean lo que llaman “elementos reguladores” que contienen instrucciones sobre dónde, cuándo y cuánta proteína se produce. Los científicos identificaron más de 3 millones de ellos en el genoma humano, aproximadamente la mitad de los cuales eran desconocidos hasta entonces.

También descubrieron parte de la base genética de rasgos poco comunes en los mamíferos, como la capacidad de hibernar o de percibir olores débiles a kilómetros de distancia. Además, han identificado especies especialmente susceptibles de extinción y variantes genéticas con más probabilidades de desempeñar un papel causal en enfermedades humanas raras y comunes.

Los resultados proceden del análisis de muestras de ADN recogidas por más de 50 instituciones de todo el mundo, que proporcionaron muchos genomas de especies amenazadas o en peligro de extinción.

Para llevar a cabo el Proyecto Zoonomia, que es el mayor recurso de genómica comparativa de mamíferos del mundo, colaboraron más de 150 personas. Está dirigido por la científica Elinor Karlsson, directora del grupo de genómica de vertebrados del Instituto Broad del MIT y Harvard y catedrática de bioinformática y biología integradora de la Facultad de Medicina Chan de la UMass, y Kerstin Lindblad-Toh.

Karlsson es también directora científica de genómica de vertebrados del Instituto Broad y catedrática de genómica comparada de la Universidad de Uppsala, en Suecia.

“Uno de los mayores problemas de la genómica es que los humanos tenemos un genoma muy grande y no sabemos qué hace todo él”, explicó Karlsson. “Este paquete de artículos en Science muestra realmente el alcance de lo que se puede hacer con este tipo de datos, y lo mucho que podemos aprender estudiando los genomas de otros mamíferos”, agregó.

En uno de los estudios, los coautores Matthew Christmas, investigador de la Universidad de Uppsala, e Irene Kaplow, investigadora postdoctoral de la Universidad Carnegie Mellon, junto con Karlsson, Lindblad-Toh y colaboradores, descubrieron que al menos el 10% del genoma humano está muy conservado entre especies, y que muchas de estas regiones se encuentran fuera de los genes codificadores de proteínas. Más de 4.500 elementos se conservan casi perfectamente en más del 98% de las especies estudiadas.

La mayoría de las regiones conservadas -que han cambiado más lentamente que las fluctuaciones aleatorias del genoma- intervienen en el desarrollo embrionario y la regulación de la expresión del ARN. Las regiones que cambian con más frecuencia determinan la interacción del animal con su entorno, por ejemplo, mediante respuestas inmunitarias o el desarrollo de su piel.

Los investigadores también identificaron partes del genoma relacionadas con algunos rasgos excepcionales en el mundo de los mamíferos, como el extraordinario tamaño del cerebro, un olfato superior y la capacidad de hibernar durante el invierno.

Con vistas a preservar la biodiversidad, los investigadores descubrieron que los mamíferos con menos cambios genéticos en lugares conservados del genoma corrían mayor riesgo de extinción.

Karlsson y Lindblad-Toh afirman que incluso disponer de un solo genoma de referencia por especie podría ayudar a los científicos a identificar las especies en peligro, ya que menos del 5% de todas las especies de mamíferos cuentan con genomas de referencia, aunque es necesario seguir trabajando para desarrollar estos métodos.

En otro estudio, Karlsson, Lindblad-Toh y sus colegas utilizaron los genomas de mamíferos para estudiar rasgos y enfermedades humanas. Se centraron en algunas de las regiones genómicas de una sola letra más conservadas descubiertas en el primer trabajo y las compararon con variantes genéticas que los científicos habían relacionado anteriormente con enfermedades como el cáncer utilizando otros métodos.

El equipo descubrió que sus anotaciones del genoma basadas en la conservación evolutiva revelaban más conexiones entre las variantes genéticas y su función que los otros métodos. También identificaron mutaciones probablemente causales de enfermedades raras y comunes, incluido el cáncer, y demostraron que el uso de la conservación en los estudios de enfermedades podría facilitar la búsqueda de cambios genéticos que aumentan el riesgo de enfermedad.

Un tercer estudio, codirigido por Steven Reilly, profesor adjunto de Genética de la Universidad de Yale, y Pardis Sabeti, miembro del Instituto Broad, examinó más de 10.000 deleciones genéticas específicas de los humanos utilizando tanto datos de Zoonomia como análisis experimentales, y relacionó algunas de ellas con la función de las neuronas.

Para Karlsson, Lindblad-Toh y los investigadores que llevan secuenciando genomas de mamíferos para Zoonomia o sus proyectos precursores desde 2005, estos estudios -y la amplitud de preguntas que responden- son sólo una fracción de lo que es posible.