13-02-2012
Desvelan la huella de la selección natural a lo largo de todo el genoma
Los primeros resultados del proyecto internacional The Drosophila genetic reference panel, que se publican esta semana en Nature, trazan por primera vez el mapa detallado de la huella de la selección natural a lo largo de todo el genoma del organismo modelo de la genética, Drosophila melanogaster (mosca de la fruta). El proyecto, en el que han participado de una manera destacada la UB y la UAB, ha generado una biblioteca in vivo que permite a cualquier científico analizar la relación entre las variaciones en el genoma y los rasgos observables de los individuos con una potencia estadística sin precedentes, lo que supone un gran avance para el estudio de las enfermedades de origen genético.
Conocer la relación entre la variación genética y las características observables de los individuos de una especie, como puede ser la altura de una persona o la manifestación de una enfermedad hereditaria, es uno de los grandes retos de la biología actual. Hasta ahora, solo una pequeña parte de la variación de estos rasgos —a la que los biólogos llaman fenotipo— se ha podido atribuir a variantes genéticas.
El descubrimiento es fruto de la secuenciación completa de 168 genomas
Para poder analizar la relación entre genes y fenotipo, se ha obtenido la secuencia completa del genoma de 168 líneas procedentes de una misma población de Drosophila melanogaster. Todo científico interesado en estudiar la base genética de un fenotipo concreto puede consultar estas líneas. Se trata de una auténtica biblioteca in vivo, mantenida en condiciones de laboratorio, que facilita la detección de los efectos genéticos en el fenotipo y permite conocer la arquitectura genética de enfermedades hereditarias. En este proyecto internacional, uno de los principales investigadores es el profesor Antonio Barbadilla, responsable del grupo de Bioinformática de la Diversidad Genética del Departamento de Genética y Microbiología de la UAB y del Instituto de Biotecnología y Biomedicina, que ha contado con la colaboración del grupo de Genómica Comparada y Bioinformática, dirigido por Julio Rozas, catedrático del Departamento de Genética de la UB y miembro del Instituto de Investigación de la Biodiversidad de la UB.
El análisis de la ingente cantidad de datos que contienen los 168 genomas completos, una tarea colosal que ha requerido de un gran esfuerzo por parte de especialistas en bioinformática y genética de poblaciones, está empezando a dar sus frutos. El primero, que se publica esta semana en Nature, ha sido la detección de la huella de la selección natural a lo largo de todo el genoma, la firma molecular que ha dejado la selección natural en los patrones de variación genética en cada región del genoma. Toda nueva mutación que contribuye a la adaptación al ambiente de un individuo se expande rápidamente en el seno de la especie —a este proceso se le llama selección adaptativa. Por el contrario, hay regiones del genoma en las que cualquier mutación es perjudicial y acaba siendo eliminada de la población —dicho proceso se denomina selección purificadora—, con lo que la secuencia de estas regiones se conserva inalterada en el tiempo. Ambos procesos de selección, el adaptativo y el purificador, dejan firmas moleculares características en el genoma. Mediante la comparación de los genomas de un gran número de individuos de la misma especie y de otras especies próximas, los científicos han logrado trazar el primer mapa de alta resolución de la selección natural de un genoma, tanto de las regiones que codifican proteínas como de las no codificadoras.
Los investigadores han observado que la huella de la selección natural está presente a lo largo de todo el genoma, aunque la importancia de los diferentes regímenes de selección depende tanto de las clases de sitios funcionales como de las regiones del genoma que se consideren. Por ejemplo, se ha observado que la selección es más intensa y efectiva en el cromosoma X que en el resto de los cromosomas, lo que conlleva una mayor velocidad de evolución del cromosoma sexual. Otra importante observación es que la tasa de recombinación genética (variable a lo largo del genoma) es fundamental en la capacidad que tiene la selección de mejorar adaptativamente las distintas regiones del genoma. La probabilidad de que una región genómica responda eficientemente a la selección natural depende de su contexto recombinacional. En una región con poca o nula recombinación, la selección no puede evitar la degradación funcional de la región.
Un avance en el estudio de las enfermedades hereditarias
Para estimar, almacenar, manejar y visualizar todos los datos de variación en los genomas, los investigadores de la UB y la UAB han diseñado e implementado un navegador para datos de genómica de poblaciones hasta ahora inexistente: The Population Drosophila Genome Browser (PopDrowser). El navegador representa gráficamente toda la información extraída de las secuencias genómicas, incluidas las secuencias de ADN, las anotaciones genómicas, las estimaciones de diversidad nucleotídica, y calcula varios test estadísticos para determinar el efecto de la selección natural a escala nucleotídica. El navegador PopDrowser se describe en un artículo publicado en la revista Bioinformatics y puede consultarse en la dirección http://popdrowser.uab.cat.
Tal y como explica Julio Rozas, catedrático del Departamento de Genética de la UB y Premio ICREA Academia 2010, «lo que ha hecho este proyecto es generar todo un conjunto amplio de recursos para la comunidad científica. No solo se presentan unos datos preliminares, sino que cualquier investigador puede tanto analizar la secuencia genómica como solicitar individuos (vivos) de cada una de las líneas de Drosophila para hacer posteriores análisis». Julio Rozas, que es miembro del Grupo de Investigación Consolidado de Genética Molecular Evolutiva y del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio), ha participado en investigaciones de proyección internacional sobre la secuenciación de genomas de varios organismos. Rozas, que firma el artículo de la revista Nature con su colaborador Pablo Librado, fue el principal autor del trabajo investigador más citado en toda España, con 2.391 citaciones, durante el periodo 2000-2010, según datos del Essential Science Indicators, que se centraba en un potente software bioinformático para analizar los polimorfismos del ADN. Por su parte, otro artículo de Rozas y Librado fue seleccionado en diciembre de 2011 como Emerging Research Front Paper en el campo de las ciencias de la computación (Science Watch; Thomson Reuters).
Para el profesor de la UAB Antonio Barbadilla, uno de los principales autores del estudio, «disponer de 168 genomas de una única población natural es una oportunidad única para llevar a cabo el estudio más completo a escala genómica que se haya hecho nunca en una especie». «Para todo genético de poblaciones es un sueño hecho realidad poder utilizar un conjunto de datos del calibre de este proyecto para poder poner a prueba muchas hipótesis que han estado en disputa durante décadas», añade Barbadilla.
Conocer la relación entre la variación genética y las características observables de los individuos de una especie, como puede ser la altura de una persona o la manifestación de una enfermedad hereditaria, es uno de los grandes retos de la biología actual. Hasta ahora, solo una pequeña parte de la variación de estos rasgos —a la que los biólogos llaman fenotipo— se ha podido atribuir a variantes genéticas.
El descubrimiento es fruto de la secuenciación completa de 168 genomas
Para poder analizar la relación entre genes y fenotipo, se ha obtenido la secuencia completa del genoma de 168 líneas procedentes de una misma población de Drosophila melanogaster. Todo científico interesado en estudiar la base genética de un fenotipo concreto puede consultar estas líneas. Se trata de una auténtica biblioteca in vivo, mantenida en condiciones de laboratorio, que facilita la detección de los efectos genéticos en el fenotipo y permite conocer la arquitectura genética de enfermedades hereditarias. En este proyecto internacional, uno de los principales investigadores es el profesor Antonio Barbadilla, responsable del grupo de Bioinformática de la Diversidad Genética del Departamento de Genética y Microbiología de la UAB y del Instituto de Biotecnología y Biomedicina, que ha contado con la colaboración del grupo de Genómica Comparada y Bioinformática, dirigido por Julio Rozas, catedrático del Departamento de Genética de la UB y miembro del Instituto de Investigación de la Biodiversidad de la UB.
El análisis de la ingente cantidad de datos que contienen los 168 genomas completos, una tarea colosal que ha requerido de un gran esfuerzo por parte de especialistas en bioinformática y genética de poblaciones, está empezando a dar sus frutos. El primero, que se publica esta semana en Nature, ha sido la detección de la huella de la selección natural a lo largo de todo el genoma, la firma molecular que ha dejado la selección natural en los patrones de variación genética en cada región del genoma. Toda nueva mutación que contribuye a la adaptación al ambiente de un individuo se expande rápidamente en el seno de la especie —a este proceso se le llama selección adaptativa. Por el contrario, hay regiones del genoma en las que cualquier mutación es perjudicial y acaba siendo eliminada de la población —dicho proceso se denomina selección purificadora—, con lo que la secuencia de estas regiones se conserva inalterada en el tiempo. Ambos procesos de selección, el adaptativo y el purificador, dejan firmas moleculares características en el genoma. Mediante la comparación de los genomas de un gran número de individuos de la misma especie y de otras especies próximas, los científicos han logrado trazar el primer mapa de alta resolución de la selección natural de un genoma, tanto de las regiones que codifican proteínas como de las no codificadoras.
Los investigadores han observado que la huella de la selección natural está presente a lo largo de todo el genoma, aunque la importancia de los diferentes regímenes de selección depende tanto de las clases de sitios funcionales como de las regiones del genoma que se consideren. Por ejemplo, se ha observado que la selección es más intensa y efectiva en el cromosoma X que en el resto de los cromosomas, lo que conlleva una mayor velocidad de evolución del cromosoma sexual. Otra importante observación es que la tasa de recombinación genética (variable a lo largo del genoma) es fundamental en la capacidad que tiene la selección de mejorar adaptativamente las distintas regiones del genoma. La probabilidad de que una región genómica responda eficientemente a la selección natural depende de su contexto recombinacional. En una región con poca o nula recombinación, la selección no puede evitar la degradación funcional de la región.
Un avance en el estudio de las enfermedades hereditarias
Para estimar, almacenar, manejar y visualizar todos los datos de variación en los genomas, los investigadores de la UB y la UAB han diseñado e implementado un navegador para datos de genómica de poblaciones hasta ahora inexistente: The Population Drosophila Genome Browser (PopDrowser). El navegador representa gráficamente toda la información extraída de las secuencias genómicas, incluidas las secuencias de ADN, las anotaciones genómicas, las estimaciones de diversidad nucleotídica, y calcula varios test estadísticos para determinar el efecto de la selección natural a escala nucleotídica. El navegador PopDrowser se describe en un artículo publicado en la revista Bioinformatics y puede consultarse en la dirección http://popdrowser.uab.cat.
Tal y como explica Julio Rozas, catedrático del Departamento de Genética de la UB y Premio ICREA Academia 2010, «lo que ha hecho este proyecto es generar todo un conjunto amplio de recursos para la comunidad científica. No solo se presentan unos datos preliminares, sino que cualquier investigador puede tanto analizar la secuencia genómica como solicitar individuos (vivos) de cada una de las líneas de Drosophila para hacer posteriores análisis». Julio Rozas, que es miembro del Grupo de Investigación Consolidado de Genética Molecular Evolutiva y del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio), ha participado en investigaciones de proyección internacional sobre la secuenciación de genomas de varios organismos. Rozas, que firma el artículo de la revista Nature con su colaborador Pablo Librado, fue el principal autor del trabajo investigador más citado en toda España, con 2.391 citaciones, durante el periodo 2000-2010, según datos del Essential Science Indicators, que se centraba en un potente software bioinformático para analizar los polimorfismos del ADN. Por su parte, otro artículo de Rozas y Librado fue seleccionado en diciembre de 2011 como Emerging Research Front Paper en el campo de las ciencias de la computación (Science Watch; Thomson Reuters).
Para el profesor de la UAB Antonio Barbadilla, uno de los principales autores del estudio, «disponer de 168 genomas de una única población natural es una oportunidad única para llevar a cabo el estudio más completo a escala genómica que se haya hecho nunca en una especie». «Para todo genético de poblaciones es un sueño hecho realidad poder utilizar un conjunto de datos del calibre de este proyecto para poder poner a prueba muchas hipótesis que han estado en disputa durante décadas», añade Barbadilla.