Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 [Ide@s CONCYTEG] Interacciones genéticas y reconstrucción sistemática de procesos biológicos padecimientos en el ser humano, ya que es de esperar que la gran mayoría de los fenotipos humanos tengan una relación no lineal con el genotipo, debido a que son el producto de una compleja red de genes profundamente interconectada. Cuando la consecuencia fenotípica de una perturbación genética (mutación) depende de la presencia o ausencia de otra mutación, o de un determinado contexto ambiental, nos encontramos frente a una Alexander de Luna Fors1 interacción genética. El uso de interacciones genéticas para descifrar procesos biológicos es una Los de las herramientas más poderosas de los estudios genéticos no sólo nos genetistas (Schuldiner et al. 2005; Segre ayudan a entender mecanismos básicos en et al. 2005). La idea de que los efectos de biología, brindan un gen o un rasgo pueden depender de información sobre la relación entre el más de un gen es tan antigua como el genotipo – contenido genético de un redescubrimiento del trabajo de Gregor individuo en forma de DNA – y el Mendel hace cien años. William Bateson fenotipo – la expresión del genotipo en un (Bateson 1909) usó el término ‘epistasis’ determinado ambiental. (del griego epistanai, detener, verificar) Entender dichas relaciones entre el para describir las distorsiones de la los genotipo y el fenotipo nos brinda el patrones potencial de mejorar nuestra habilidad cuando un gen oculta los efectos de otro. para Poco tiempo después, Ronald Fisher sino prevenir, también nos contexto diagnosticar y tratar describió 1 de la segregación epistasis mendeliana como una desviación de la aditividad en un modelo Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad, CINVESTAV - Campus Guanajuato Correo-e: adeluna@hms.harvard.edu estadístico lineal de dos o más genes que determinan un rasgo dado (Fisher 1918). 832 [Ide@s CONCYTEG] Desde la perspectiva Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 evolutiva afecta la capacidad de la célula para originalmente planteada por Fisher, la crecer en un medio de cultivo particular. naturaleza y el signo de las interacciones Tómese como ejemplo el caso de una genéticas determina importantes procesos cepa de levadura creciendo en un medio como la especiación, el origen de la mínimo que carece de tiamina, una reproducción sexual y el mantenimiento vitamina necesaria para el crecimiento de de la variabilidad genética (Kondrashov este organismo. Un gen cuya deleción 1988; Phillips et al. 2000). resulta en la incapacidad de crecer en este Desde la perspectiva biológica, más contexto es considerado esencial para el afín a la originalmente planteada por crecimiento en estas condiciones. Si la Bateson, las interacciones genéticas o deleción del mismo gen no conlleva a la epistáticas son de importancia particular falta de crecimiento en otras condiciones, para elucidar la asociación funcional de podemos concluir que el gen tiene una dos o más genes (Anholt et al. 2003; función específica en la síntesis de Hartman et al. 2001). Este tipo de tiamina. Si este mismo análisis se lleva a información genética es enormemente cabo de manera sistemática en todos los prometedora en biología de sistemas, ya genes del organismo, entonces podremos que examina el impacto funcional de identificar grupos de genes que son diferentes elementos genéticos, y cómo es necesarios para sintetizar tiamina. Esto es que lo que se conoce como la caracterización estas perturbaciones genéticas interactúan entre sí. El estudio de la genética de un proceso biológico. célula y de los procesos biológicos que le Como nuestro ejemplo ilustra, el dan vida consiste en la caracterización de análisis genético puede asociar genes con la función de los bloques constructores de una función particular. Un siguiente paso, las maquinarias moleculares con una entonces, actividad estructura biológica particular –las proteínas. tratar del de proceso elucidar la biológico examinando cómo es que la combinación El genetista molecular intenta, en muchos es casos, identificar de perturbaciones genéticas afecta el las fenotipo. La idea es simple: se construye perturbaciones genéticas, tales como la una eliminación o deleción de un gen, que mutaciones en dos genes y se analiza su 833 cepa de levadura que tiene [Ide@s CONCYTEG] fenotipo. interactúan Diremos si que dicho estos genes fenotipo Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 detectable en la viabilidad del organismo, es pero que en combinación resultan en inesperado a partir del fenotipo observado pérdida de sencillas. (Hartman et al. 2001). Dada su relativa Consideremos por ejemplo la situación en simplicidad, éstas han sido el sujeto que cada una de las mutaciones sencillas principal de estudios sistemáticos en provoca una pequeña disminución del organismos modelo, como se describe crecimiento en un medio de cultivo sin más adelante. las dos mutaciones completa de la viabilidad vitamina, mientras que la mutante doble Considérese el caso opuesto en es incapaz de crecer en esta misma que cada una de las mutaciones sencillas condición. Esto es a lo que llamamos una resulta en una reducción dramática de la interacción velocidad crecimiento, mientras que la genética sinergística (interacción de agravo) entre dos genes, doble ya que el efecto de la mutante doble es crecimiento, o incluso lo mejora, con mucho más grave del esperado a partir de respecto a las mutantes sencillas. Este es las dos mutaciones sencillas (Segre et al. el caso de una interacción genética 2005). Una observación tan simple como antagonista (interacción de alivio). De la descrita nos está diciendo que los genes encontrarse en vías biológicas distintas, de alguna manera actúan de manera sería de esperar que el efecto de cada una paralela para sintetizar tiamina, de modo de estas mutaciones se combinara y tal que la falta de uno de éstos puede ser conllevara a un fenotipo menos óptimo. amortiguada por la presencia del otro. No Por lo tanto, la interacción antagonista es, pues, de extrañar que las interacciones nos indica que los genes dependen el uno genéticas hayan sido usadas por los del otro. Esto es, la remoción de uno de genetistas mucho se ellos genera una situación en la que la conocieran los mecanismos de replicación remoción del otro no resulta en daño y expresión de la información genética. adicional. Un ejemplo concreto es el caso antes de que mutante no empeora su Un caso extremo de interacción en que dos proteínas son componentes de genética sinergística son las mutantes un complejo activo. En dicha situación, la coletales. Estas son parejas de mutaciones deleción de cualquiera de los dos genes que por sí solas no tienen efecto resultará en el mismo problema – la falta 834 [Ide@s CONCYTEG] del complejo activo. Una situación Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 entre diferentes componentes genéticos. similar se observaría en el caso de dos Los genes que participan en un proceso interacciones genéticas arriba descritos biológico de manera serial, esto es, el pueden extenderse para describir de producto de un gen es utilizado como manera sustrato por el otro gen para dar un biológicos subyacentes que determinan producto final (Segre et al. 2005). dichas interacciones. Esto nos ha llevado ejemplos particulares sistemática los de procesos a proponer que las interacciones genéticas pueden ser utilizadas para entender la organización modular de los sistemas Interacciones genéticas y biología de sistemas biológicos (Figura 1), del mismo modo en que los genetistas han utilizado la En tiempos molecular recientes, celular ha la biología transitado herramienta que brindan las interacciones del genéticas para describir procesos estudio de componentes moleculares biológicos particulares. Gracias a las individuales al estudio del conjunto de interacciones genéticas conocemos en la dichos componentes y sus interacciones actualidad un número importante de vías (Hartwell et al. 1999). Esta aproximación metabólicas, de transducción de señales y de biología de sistemas busca, en la de procesos de desarrollo. El poder del medida de lo posible, una descripción análisis integral y cuantitativa de las células y de mediante los organismos, para lo cual ha sido genotipo-fenotipo, podemos acercarnos a necesario el desarrollo de nuevos métodos los detalles de los sistemas biológicos tanto teóricos como experimentales. cuyos Las interacciones genéticas son particularmente estudio mecanismos no de en que, relaciones pueden ser probados. De hecho, mucho de nuestro conocimiento sobre procesos biológicos sistemas clásicos se recopiló incluso antes de que biológicos, ya que por su naturaleza se describiera el dogma central de la trascienden la interacción meramente biología molecular. modular de los para el consiste este análisis atractivas genético física y reflejan relaciones funcionales 835 [Ide@s CONCYTEG] respir ferment Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 Supra-módulos de interacciones genéticas PENT GLCNG IDP Módulos de interacciones genéticas RESP GLYCOL AT P s TC A E TH Red de interacciones genéticas Red de vías metabólicas (proceso biológico subyacente) Figura 1. Las redes de interacción genética pueden ser utilizadas para describir procesos biológicos subyacentes. En este estudio, evaluamos todas las interacciones genéticas pareadas en un modelo teórico del metabolismo de levadura (Segre et al. 2005). Mediante el uso de un algoritmo de agrupamiento jerárquico que considera el signo de la interacción genética, se lograron describir las principales rutas metabólicas de manera no supervisada. Más aún, estos grupos funcionales pueden ser organizados nuevamente para describir la interacción módulos, extendiendo el concepto de interacción genética entre genes a interacción genética entre módulos biológicos. Estudios sistemáticos de interacciones genéticas representan las secuencias genómicas han resultado en experimentos de alto rendimiento que examinan las propiedades bioquímicas y genéticas Las últimas décadas han visto un de un gran número de genes en progreso el paralelo. De esta forma, podemos desarrollo de la biología molecular. interrogar a los sistemas biológicos de Los avances tecnológicos y de diseño manera sistemática. sin precedente en de protocolos han permitido a los Dado el atractivo particular del científicos automatizar muchos de los estudio de las interacciones genéticas experimentos que tradicionalmente se de los genes entre sí y de éstos con las hacían a mano y a pequeña escala. La condiciones externas, no es de extrañar combinación de dichas tecnologías con que éstas también hayan sido sujeto de los catálogos genéticos completos que análisis funcional sistemático. Dichos 836 [Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 estudios se enfocaron originalmente en parcial, organismos modelo como la levadura parejas de genes. Esto nos permite Saccharomyces cerevisiae (Dudley et construir el mapa de interacciones para al. 2005; Onge et al. 2007; Ooi et al. 2n pares de genes para un número n 2003; Schuldiner et al. 2005; Segre et razonable de genes. Es importante al. 2005; Tong et al. 2001; Tong et al. destacar que el muestreo en estos casos 2004) y el nemátodo de vida libre aumenta de manera exponencial: un Caenorhabditis elegans (Baugh et al. estudio de todas las interacciones de 2005; Lehner et al. 2006), dada la cien parejas de genes implica el facilidad con que estos organismos análisis pueden manipulados experimentales, mientras que para el genéticamente. Es probable que el estudio de mil parejas de genes desciframiento de redes de genes en requeriría 1’000,000 de muestras. Los organismos como el ser humano, y su primeros relación con la susceptibilidad a concentraron en la identificación de enfermedades sea posible en un futuro, parejas una vez desarrollados los métodos para (Davierwala et al. 2005; Ooi et al. medir toda la información relevante. 2003; Tong et al. 2001; Tong et al. Entre aprender 2004). La tecnología más reciente ha principios básicos sobre un número permitido hasta cierto punto el análisis importante de procesos biológicos cuantitativo de interacciones genéticas mediante el estudio de interacciones mediante el estudio de fenotipos tales genéticas en organismos más simples, como la velocidad de crecimiento donde muchas de las herramientas (Onge et al. 2007; Schuldiner et al. pertinentes ya están a la mano. 2005). Algunas variantes de estos ser tanto, Con podemos esta idea en ensayos mente, sobreexpresión, de 10,000 estudios de en muestras sistemáticos mutaciones han etc.) se co-letales examinado las muchos grupos de investigación han interacciones de las perturbaciones desarrollado protocolos para crear genéticas con las condiciones externas combinaciones tales como respuesta a estrés o a la genéticas de de perturbaciones diferente presencia de drogas (Dudley et al. naturaleza 2005; Kishony & Leibler 2003). (inactivación completa, inactivación 837 [Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 Con esta idea en mente hemos trabajado en el desarrollo de un novedoso método paralelo altamente Análisis sistemático de interacciones genéticas en el laboratorio nacional de genómica para la biodiversidad sensible y cuantitativo para la medición de la adecuación de mutantes de la levadura S. cerevisiae. Este método se basa en la competencia directa de dos cepas marcadas con las variantes amarilla (YFP) y cian (CFP) de la proteína verde fluorescente y abre En nuestro describir laboratorio principios la puerta a un sinfín de preguntas en queremos sobre genómica funcional y biología de la sistemas (Figura 2). La metodología arquitectura y la función de los sistemas genéticos, en el contexto de su historia evolutiva. Para ello con recientemente éxito para la genes en el metabolismo de levadura, fenotipo y ambiente-fenotipo. Hasta así ahora, la falta de métodos cuantitativos detectar utilizada sido selección de más de 500 deleciones de genómica las relaciones genotipo- de ha determinación de los coeficientes de estudiamos con detalle y a escala capaces propuesta como la descripción de las interacciones entre 66 parejas de genes fenotipos duplicados incluidas en este grupo marginales ha limitado el análisis (DeLuna et al. en revisión). global de las interacciones entre genes y entre éstos y el medio ambiente. 838 [Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 silvestre–CFP mutante–YFP YFP CFP log (YFP/CFP) 1 2 días … 10 s ≡ coeficiente de selección Tiempo (~50 generaciones) Figura 2. Análisis fenotípico de alta resolución para la exploración cuantitativa de interacciones genéticas en levadura. La determinación del coeficiente de selección (s) de una cepa mutante dada con referencia a la cepa silvestre es lograda mediante la medición de la tasa de cambio de la presencia de cada cepa en la población mixta. El marcaje diferencial de las dos poblaciones en competencia con diferentes variantes de la proteína verde fluorescente (CFP, cian; YFP, amarillo) permite la detección de los cambios en frecuencias genotípicas en varios ciclos de cultivos seriales. Mediante el uso de esta el nivel de pleiotropía (efecto en más metodología, estamos elaborando un de una función) y el nivel de catálogo genético integral contexto- dispensabilidad (ausencia de efecto). dependiente a partir de la medición Para el análisis subsiguiente, los cuantitativa y sistemática de la resultados serán ordenados en una adecuación de mutantes de S. matriz de interacciones gen-condición, cerevisiae bajo numerosas condiciones cuyo de cultivo. Con base en la distribución definidos por la presencia y el signo de y las interacciones permitirá la inferencia la magnitud de los efectos fenotípicos, se estimará para cada gen 839 agrupamiento en módulos [Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007 de relaciones funcionales entre los prospectiva, estamos analizando el genes (Segre et al. 2005). comportamiento de mutantes Una primera versión de este interrumpidas en genes no esenciales catálogo funcional incluirá la colección de levadura. La aparición de mutantes completa de 4,710 mutantes no letales benéficas espontáneas será estimada en caracterizadas bajo más de veinte el laboratorio mediante una variante condiciones de crecimiento en el del método de competencia arriba laboratorio, y en lo subsiguiente se descrito, lo cual permitirá estimar los trabajará en la caracterización de parámetros de frecuencia y magnitud diferentes colecciones de mutantes y (Hegreness condiciones de cultivo como proyecto mutaciones adaptativas observadas en permanente tiempo del laboratorio. La et real. al. A 2006) partir de de las las consolidación de esta caracterización características comunes observadas en fenotípica integral en una base de el proceso de compensación fenotípica, datos de acceso libre actualizada se buscarán relaciones funcionales a regularmente contribuirá a fortalecer la nivel de sistema entre los genes presencia internacional de nuestro estudiados. grupo de investigación. Por estamos la densidad funcional y espectro de estudiando los principios básicos de efectos fenotípicos al nivel molecular generación mutaciones en grupos selectos de genes. De compensatorias y optimización de los manera análoga al catálogo genómico sistemas biológicos. Para esto nos funcional, estamos se adecuación resultante de sustituciones biológico nucleotídicas a lo largo de toda la existen secuencia de un gen. Las variantes son reoptimiza otra Por último, queremos estimar parte, de preguntando un perturbado, sistema esto características cómo es, si la generadas por PCR mutagénica a proceso de reoptimización según la saturación y el método de competencia naturaleza genético arriba descrito será adaptado para perturbado. De manera sistemática y medir la adecuación de las levaduras mediante evolución experimental en transformadas con dichas variantes. elemento en midiendo este del peculiares estamos 840 [Ide@s CONCYTEG] Estos datos pueden tener implicaciones 2. Bateson W. 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