Los actuales métodos de secuenciación no indican si las variaciones genéticas que se encuentran cerca unas de otros en el mapa genómico fueron heredadas del mismo progenitor, y, si por lo tanto provienen de un mismo cromosoma, o si una parte se encuentran en el cromosoma mate o y otras en el pate o. Este conocimiento tendría una gran variedad de usos, desde la secuenciación del ADN fetal para detectar más fácilmente los genes responsables de varias enfermedades hasta un mejor seguimiento de la evolución humana.
Recientemente, dos equipos han ideado sendas nuevas formas de determinar esta pertenencia--conocida como el haplotipo--en un individuo. Stephen Quake y sus colaboradores de la Universidad de Stanford desarrollaron una forma de separar físicamente los pares de cromosomas y secuenciar cada hebra de ADN separadamente. Jay Shendure y sus colegas de la Universidad de Washington en Seattle secuenciaron el ADN de cromosomas individuales en grupos especialmente seleccionados y utilizaron esta información para reconstruir el genoma. Ambos proyectos fueron publicados esta semana en Nature Biotechnology.
"Se trata una incapacidad técnica real en los genomas [secuencias] que se han publicado hasta la fecha", señala Quake, bioingeniero de Stanford que fue uno de los principales innovadores menores de 35 años de Technology Review en 2002. "Cada genoma que secuenciemos a partir de este momento contendrá información sobre el haplotipo".
El equipo de Quake aprovechó la tecnología de microfluidos que desarrolló para la separación y el análisis de células individuales. En primer lugar, los investigadores capturaron células individuales durante una fase específica del ciclo celular en la que se dividen las dos copias de sus cromosomas. Seguidamente abrieron la célula, repartieron los cromosomas al azar en diferentes cámaras de un chip de microfluidos, y copiaron o amplificaron, y analizaron el ADN en cada cámara.
Shendure, ganador del TR35 en 2006, y su equipo amplificaron 40.000 secciones de letras de DNA escogido al azar de cromosomas individuales. Debido a que cada trozo de ADN proviene de uno de los dos cromosomas que forman la pareja, los investigadores saben que todas las variantes genéticas dentro de su secuencia se encuentran en el mismo cromosoma.
Shendure y Quake aseguran que disponer de información sobre el haplotipo tendrá un enorme impacto en la genética humana, ayudando no sólo en el diagnóstico y la comprensión de las bases genéticas de algunas enfermedades, sino también en el seguimiento de la evolución de nuestra especie a partir de nuestros ancestros primates.
Si una persona tiene dos mutaciones ligadas a una enfermedad dentro de un mismo gen, es difícil determinar mediante los métodos de secuenciación del genoma actuales si el error genético se encuentra una vez en el ejemplar de la madre y otra en el del padre o si ambas variaciones se encuentran en la misma copia del gen. En el primer caso, la persona tiene dos genes defectuosos, lo cual es muy probable que cause problemas de salud. En el último caso, la persona tiene una copia del gen buena y una de mala. En muchos casos, tener una buena copia puede compensar el tener una defectuosa.
nEl haplotipaje también hace que sea posible determinar el tipo de antígeno de leucocito humano (HLA, por sus siglas en inglés) de una persona, a partir de los genes inmunes, los cuales tienen que ir estrechamente emparejados entre donante y receptor en los casos de trasplante de médula ósea o de órganos. "Es una de las partes [variables] más polimórficas del genoma humano", señala Quake. Los métodos actuales para determinar el tipo de HLA generan una lista de variaciones, pero no ofrecen ninguna información sobre cuál de ellos se encuentra en qué cromosoma. "Si no se mantiene un registro adecuado de esto, es posible que se consiga un emparejamiento perfecto ", destaca Quake. "Nosotros demostramos que se puede medir [el haplotipo] y obtener información que, en principio, puede ser usada para una mejor adecuación de los trasplantes de médula ósea".
Esta tecnología también se podría utilizar para secuenciar genomas fetales a partir de ADN obtenido de la sangre de la madre, con el fin de detectar anomalías genéticas. (El ADN en la sangre del feto es una mezcla de la de la madre y la del niño, por lo que es particularmente difícil generar una secuencia de genoma completo.)
Más allá de la medicina, los investigadores señalan que la información sobre el haplotipo facilitará la investigación en genética de poblaciones, por ejemplo en la estimación del tamaño y el momento de las expansiones y las migraciones humanas. "Se puede capturar la diversidad con una mayor resolución si se dispone de información sobre los cromosomas individuales", indica Nicholas Schork, genetista del Instituto de Investigación Scripps, quien no participó en los proyectos y escribió un comentario sobre la investigación para Nature Biotechnology. "Si se observan las cosas a un nivel de genotipo, se pierde mucha información comparado con observarlas a un nivel de haplotipo".
Los investigadores han sido capaces de inferir estadísticamente el haplotipo de las poblaciones europeas, gracias al hecho de que los europeos pasaron por un cuello de botella genético hace miles de años. (Los haplotipos se hacen más cortos muy gradualmente, a medida que los pares de cromosomas se separan y vuelven a montar con cada generación. Los europeos tienen haplotipos largos que aún no se han separado tanto, lo que facilita su análisis.) Sin embargo, estas técnicas estadísticas no han funcionado para las poblaciones africanas, lo que significa que la información genética sobre este grupo es mucho más escasa. Por esta razón, la mayoría de los estudios de asociación de genoma completo realizados hasta la fecha se han centrado en las poblaciones europeas.
Ambos enfoques aumentan el coste de la secuenciación del genoma, por lo que no está claro con qué rapidez serán adoptados, señala Schork. "El enfoque de Shendure es probable que ya se pudiera implementar en los laboratorios", continúa él. El enfoque de Quake genera información mucho más completa--un haplotipo de la longitud de un cromosoma entero--pero es técnicamente más difícil, puesto que requiere el uso de chips especializados para analizar las células individuales. "La secuenciación de células individuales y la capacidad de separar los cromosomas en una placa es algo complicado", explica Schork. "A menos que alguien desarrolle un sistema de análisis económico, no se utilizará de manera rutinaria." Quake explica que los chips que su laboratorio y los de sus colaboradores cercanos utilizan actualmente están siendo producidos en una fundición académica en Stanford. Él comenta, "Tal vez en el futuro habrá una solución comercial."