Investigadores del Instituto Nacional del Genoma Humano (NHGRI), perteneciente a los Institutos Nacionales de Salud (NIH), han conseguido la primera secuencia de ácido desoxirribonucleico (ADN) de extremo a extremo de un cromosoma humano, el cromosoma X.
Los resultados, que aparecen hoy en la revista Nature, muestran que ahora es posible generar una secuencia precisa, base por base de un cromosoma humano. Este hito científico permitirá producir una secuencia completa del genoma humano.
Para Eric Green, director del NHGRI, “con este logro comienza una nueva era en la investigación genómica. La capacidad de generar secuencias verdaderamente completas de cromosomas y genomas es una hazaña técnica que nos ayudará a obtener una comprensión integral de la función del genoma e informar el uso de información genómica en la atención médica”.
Después de casi dos décadas de continuas investigaciones, la secuencia de referencia del genoma humano es la de genoma de vertebrados más precisa y completa jamás producida. Sin embargo, hay centenares de secuencias de ADN que faltan que todavía se desconocen.
Estas brechas suelen contener segmentos de ADN repetitivos que son excepcionalmente difíciles de secuenciar. No obstante, estos segmentos repetitivos incluyen genes y otros elementos funcionales que pueden ser relevantes para la salud y las enfermedades.
Debido a que un genoma humano es increíblemente largo y consta de unos 6.000 millones de bases, las máquinas de secuenciación de ADN no pueden leer todas las bases a la vez. En cambio, los investigadores cortan el genoma en piezas más pequeñas, luego analizan cada una de ellas para producir secuencias de unos cientos de bases a la vez. Esas secuencias de ADN más cortas se deben volver a unir.
El autor principal de este avance, Adam Phillippy, del NHGRI, comparó este problema con la solución de un rompecabezas.
El cromosoma X, vinculado a enfermedades
“Imaginé -recuerda Phillippy- que tenía que reconstruir un rompecabezas. Si se trabaja con piezas más pequeñas, cada una contiene menos contexto para averiguar de dónde vino. Lo mismo sucedió para la secuenciación del genoma humano. Hasta ahora, las piezas eran demasiado pequeñas y no había forma de unir las partes más difíciles del rompecabezas del genoma”.
De los 24 cromosomas humanos (incluidos X e Y), Adam Phillippy y Karen Miga, de la Universidad de California en Santa Cruz, optaron por completar primero la secuencia de cromosomas X, debido a su vínculo con una miríada de enfermedades, incluidas la hemofilia, enfermedad granulomatosa crónica y distrofia muscular de Duchenne.
Como es sabido, las personas tenemos dos juegos de cromosomas, uno de cada padre. Por ejemplo, los humanos biológicamente femeninos heredan dos cromosomas X, uno de su madre y otro de su padre. Sin embargo, esos dos cromosomas X no son idénticos y contendrán muchas diferencias en sus secuencias de ADN.
En este estudio, los investigadores no secuenciaron el cromosoma X de una célula humana normal. En cambio, usaron un tipo de célula especial, una que tiene dos cromosomas X idénticos.
Esta célula proporciona más ADN para la secuenciación que una célula masculina, que tiene una sola copia de un cromosoma X. También evita las diferencias de secuencia que se encuentran al analizar dos cromosomas X de una célula femenina típica.
Y para ello utilizaron las nuevas tecnologías que pueden secuenciar segmentos largos de ADN. En lugar de preparar y analizar pequeñas piezas de ADN, utilizaron un método que deja las moléculas de ADN en gran parte intactas. Estas grandes moléculas de ADN fueron analizadas por dos instrumentos diferentes. Cada uno de ellos genera secuencias de ADN muy largas, algo que los instrumentos anteriores no podían lograr.
Plataforma informática para ensamblar segmentos
Después de analizar el cromosoma X humano de esta manera, los científicos utilizaron su programa informático recientemente desarrollado para ensamblar los muchos segmentos de secuencias generadas.
El grupo de la Universidad de California lideró el esfuerzo para cerrar la mayor brecha de secuencia restante en el cromosoma X, los cerca de tres millones de bases de ADN repetitivo que abarca 3,1 millones de pares de bases (las bases A, C, T y G forman pares en la doble hélice de ADN y codifican la información genética en su secuencia).
Así pudieron identificar variantes dentro de la secuencia de repetición para servir como marcadores que utilizaron para alinear las lecturas largas y conectarlas para abarcar todo el centrómero.
Para Karen Miga, “la idea de que podemos armar una repetición en tándem de 3 megabase de tamaño es simplemente alucinante. Ahora podemos llegar a estas regiones repetidas que cubren millones de bases que antes se consideraban intratables”.
Esta investigadora reconoce que “nunca antes hemos visto estas secuencias en nuestro genoma y no tenemos muchas herramientas para comprobar si las predicciones que estamos haciendo son correctas. Es por eso que es importante contar con especialistas en la comunidad de genómica que evalúen y garanticen que el producto final es de alta calidad”.
Esta investigación forma parte de una iniciativa más amplia del consorcio Telomere-to-Telomere (T2T), parcialmente financiado por el NHGRI. Tiene como objetivo generar una secuencia de referencia completa del genoma humano.
“Todavía no sabemos qué encontraremos en las secuencias recién descubiertas”, explica Phillippy. Y vaticina que hay grandes desafíos. Los cromosomas 1 y 9, por ejemplo, tienen segmentos de ADN repetitivos que son mucho más grandes que los que se encuentran en el cromosoma X.
