Nutrigenómica. El estudio de la influencia de los nutrientes en la expresión de los genes
MICROMATRICES DE ADN O CHIPS DE GENES
Los últimos 15-20 años han sido testigos de avances impresionantes en los campos de la biología molecular y de la genética, como el proyecto Genoma Humano concluido en 2003. Este proyecto internacional cartografió los 20.000-25.000 genes que alberga el ADN de nuestra especie.Así, se averiguó la secuencia exacta de los 3.000 millones de unidades del código genético (o pares de bases) que constituyen el genoma humano. Iniciativas similares han permitido secuenciar el genoma de otros seres vivos: desde microorganismos hasta el ratón, el pollo, la vaca o el cerdo.
Las enormes bases de datos generadas podrían haber quedado desaprovechadas de no ser por un método de análisis revolucionario denominado micromatrices de ADN o chips de genes, como los fabricados por Affymetrix Inc., en Santa Clara, California. La idea es análoga a la del microchip de un ordenador.
Gracias a la combinación de la información recabada en los proyectos de secuenciación de los genomas con los últimos avances en nanotecnología, ya es posible crear chips de genes con máquinas robotizadas que agrupan miles de secuencias génicas de un ser vivo en una superficie no superior a la de un sello de correos.
Cada gen está representado por varios segmentos cortos de ADN llamados sondas. Por ejemplo, el chip del genoma humano reúne 1,3 millones de sondas en esa superficie minúscula, cada una de ellas situada un punto aislado (figura 1).
LA EXPRESIÓN GÉNICA
La unidad básica del ser vivo es la célula. En su centro se encuentra el núcleo celular, que encierra el material genético, llamado ácido desoxirribonucleico o ADN. Este constituye el código o plano con las instrucciones necesarias para fabricar todos los componentes de la célula y asegurar su funcionamiento. El ADN se divide a su vez en genes, cada uno de los cuales representa una unidad funcional con la que se produce una proteína concreta.
Todas las células del cuerpo contienen un repertorio completo de genes idénticos, pero cada tipo de célula activa o expresa solamente una parte de ese repertorio. Ese conjunto de genes expresados confiere a cada tipo de célula sus características estructurales y funcionales propias.
Cuando la expresión del gen está activada o sobreexpresada, su código genético se copia (transcribe) en otro tipo de material genético llamado ARN mensajero (ARNm). El ARNm es una copia exacta del ADN del gen y tiene la facultad de unirse o hibridar únicamente con la secuencia original de ADN o molde a partir de la cual ha sido transcrita, y no con ninguna otra secuencia de ADN. El calificativo de mensajero proviene del hecho de que contiene el código o mensaje que la maquinaria celular traducirá para fabricar una proteína. El ADN codifica miles de proteínas responsables de múltiples funciones, como la biosíntesis enzimática, la transmisión de señales, el transporte o servir como soporte estructural, entre otras; básicamente todos los componentes necesarios para mantener viva a la célula.
Según los estímulos que la célula recibe, la expresión de los genes puede ser activada o reprimida. La estimulación o la inhibición de los genes que codifican ciertos tipos de proteínas aportan indicios importantes de lo que está sucediendo en el seno de cada tipo de célula. Por ejemplo, la estimulación general de los genes que codifican las proteínas implicadas en la activación de la apoptosis (la muerte programada de la célula), puede ser indicativa de daños importantes en el ADN o de una respuesta inflamatoria prolongada. La represión de esos mismos genes indicaría que el tejido está funcionando en condiciones relativamente poco estresantes (figura 2).
¿CÓMO FUNCIONAN LOS CHIPS DE GENES?
La teoría que sustenta el chip de genes aprovecha el hecho de que el ARN se une exclusivamente a la secuencia de ADN (gen) a partir de la cual ha sido transcrito. Básicamente, el ARNm se extrae y se le incorpora un fluorocromo. Cuando el ARNm marcado se deposita sobre el chip Affymetrix, busca el gen que encaja con su secuencia entre el conjunto de sondas y se hibrida o une a él.
Cuando el haz de láser del lector de chips incide sobre las sondas que se han hibridado con el ARN, este emite luz fluorescente y la intensidad de la señal es directamente proporcional a la cantidad de ARN presente. Si un gen está sobreexpresado con respecto a un tejido control, habrá producido o transcrito muchas copias de ARNm y estas emitirán una señal fluorescente intensa en ese gen incluido en el chip. De forma análoga, la represión comporta una señal fluorescente más débil.
El lector de chips toma una fotografía del chip fluorescente y traza una imagen que, a continuación, se transforma en valores brutos de la intensidad de la señal. A partir de ese momento es posible visualizar y analizar los datos con diversos programas informáticos (figura 3).
LA NUTRIGENÓMICA Y EL CHIP DE GENES
Los estímulos que alteran la expresión de los genes no necesitan ser muy complejos. Por ejemplo, una alimentación hipocalórica provoca una serie de cambios en los patrones de expresión génica que ralentiza el proceso natural de envejecimiento. De forma similar, algunos nutrientes pueden causar por sí solos cambios radicales en la expresión génica en diversos tejidos. Estos hallazgos conforman la base de la disciplina conocida como nutrigenómica: el estudio de la influencia de los nutrientes en la expresión génica.
En este tipo de estudios, un grupo de animales recibe una dieta que contiene el o los nutrientes de interés, mientras que otro grupo control recibe esa misma dieta, pero sin esos nutrientes. Una vez transcurrido el periodo de alimentación prefijado, se obtienen muestras de tejido de cada animal para aislar y preparar el ARN que, una vez etiquetado, se deposita sobre un chip de genes Affymetrix donde se hibridará.
Los perfiles de expresión génica de los animales del grupo control se comparan con los de los animales del grupo evaluado. Si bien se suele recurrir a métodos estadísticos estándar como el Anova o la prueba de la t de Student, existen también otros métodos avanzados de visualización como el análisis de componentes principales o agrupación (clustering) para revelar patrones de cambio transcripcional en los miles de genes representados en la micromatriz. Estos procesos de análisis de datos constituyen una disciplina científica en sí misma llamada bioinformática.
Una vez completado el conjunto de datos, el investigador puede identificar qué genes han sido estimulados o inhibidos sustancialmente a raíz de la intervención nutricional. Los genes se clasifican en categorías funcionales (por ejemplo, metabolismo de los carbohidratos) de modo que es posible examinar los efectos del nutriente o los nutrientes sobre rutas bioquímicas concretas. Al final, los miles de puntos de datos génicos se reducen a unos cientos o menos y los efectos más interesantes son verificados con técnicas como la RT-PCR o ensayos bioquímicos (figura 4).
El potencial de esta tecnología
Es posible comparar células normales con células tumorales, células procedentes de animales jóvenes y viejos, neuronas de personas sanas y de enfermos de Alzheimer, entre otros ejemplos. Aporta información esencial relativa a los genes y a las rutas bioquímicas que son importantes en la salud, la enfermedad y en la respuesta a los cambios ambientales y a la alimentación.
¿QUÉ PODEMOS APRENDER?
Por primera vez los científicos pueden examinar el efecto de los nutrientes a la escala más básica posible: la expresión génica.
Puesto que todas y cada una de las funciones de la célula y, por extensión, las del organismo están regidas por la expresión de los genes, la nutrigenómica constituye un método ágil para evaluar los dietas nutricionales en una especie concreta mediante la comparación simultánea de miles de puntos de datos de expresión génica que acaban convirtiéndose en resultados físicos y bioquímicos (figura 5). Cuando uno se para a pensar en la metodología clásica de los estudios con animales, que forzosamente exige un gran número de animales y mucho tiempo y, con todo, solo logra medir unos pocos parámetros, salta a la vista el gran potencial de la nutrigenómica.
Esta disciplina naciente augura nuevas posibilidades en el campo del diagnóstico nutricional, por ejemplo, para identificar marcadores génicos de las deficiencias nutricionales, la presencia de xenobióticos o estados patológicos asintomáticos.
