{"id":3419,"date":"2016-07-27T11:44:21","date_gmt":"2016-07-27T09:44:21","guid":{"rendered":"http:\/\/www.cannabis.es\/pw\/?p=3419"},"modified":"2020-06-05T16:27:35","modified_gmt":"2020-06-05T14:27:35","slug":"secuenciacion-del-genoma-del-cannabis-herramienta-para-extrapolar-el-conocimiento-adquirido-en-arabidopsis-thaliana","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.cannabis.es\/pw\/2016\/07\/27\/secuenciacion-del-genoma-del-cannabis-herramienta-para-extrapolar-el-conocimiento-adquirido-en-arabidopsis-thaliana\/","title":{"rendered":"Secuenciaci\u00f3n del genoma del cannabis: herramienta para extrapolar el conocimiento adquirido en Arabidopsis thaliana."},"content":{"rendered":"\n

Por Dr, Pedro Serra<\/p>\n\n\n\n

Saludos. En este art\u00edculo voy a hablar sobre la importancia que est\u00e1 adquiriendo la secuenciaci\u00f3n de genomas como herramienta para identificar genes y prever su funci\u00f3n apoy\u00e1ndose en el conocimiento generado en estudios con organismos modelo.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

Para no hacerlo largo y tedioso voy a dividir el art\u00edculo en dos entregas: esta primera que ser\u00e1 m\u00e1s conceptual y tratar\u00e1 sobre organismos modelos y sobre la publicaci\u00f3n anexa a la  secuenciaci\u00f3n del genoma de cannabis, y una futura segunda entrega en la que explicar\u00e9 con alg\u00fan ejemplo pr\u00e1ctico c\u00f3mo, utilizando la aplicaci\u00f3n inform\u00e1tica (browser), se identifican y localizan genes de cannabis cuya funci\u00f3n ha sido estudiada en A. thaliana<\/em>. Dicho esto vamos al l\u00edo.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfPor qu\u00e9 se utilizan organismos modelos?<\/h4>\n\n\n\n

Los trabajos de Mendel<\/a><\/strong> reflejan muy bien el concepto de este tipo de organismo. Mediante cruces entre guisantes verdes y amarillos, Mendel<\/strong> determin\u00f3 como se transmite a la descendencia el factor gen\u00e9tico \u201ccolor del guisante\u201d. Posteriormente repiti\u00f3 este experimento a\u00f1adiendo un segundo factor \u201crugosidad de la piel\u201d. En este caso cruz\u00f3 guisantes amarillos lisos con guisantes verdes rugosos y demostr\u00f3 la segregaci\u00f3n independiente de ambos factores.<\/p>\n\n\n\n

\"guisantes\"\/<\/figure>\n\n\n\n

Mendel<\/strong> utiliz\u00f3 el guisante porque ten\u00eda ciertas ventajas como modelo experimental. Era un cultivo que dominaba, ten\u00eda variantes y pod\u00eda obtener descendencia en tiempos relativamente cortos. Si a Mendel<\/strong> se le hubiese ocurrido realizar estos estudios en c\u00edtricos por ejemplo (desde que un c\u00edtrico se siembra hasta que se obtiene una semilla pueden pasar f\u00e1cilmente 20 a\u00f1os), hubiese tenido que vivir varias veces para llegar a las mismas conclusiones. Tras verificar c\u00f3mo segrega un \u00fanico car\u00e1cter, Mendel<\/strong> se apoy\u00f3 en el mismo modelo experimental para estudiar la segregaci\u00f3n conjunta de varios caracteres, de forma que ampli\u00f3 su estudio sobre un conocimiento ya adquirido. A pesar de que sus experimentos se hicieron \u00fanicamente con guisantes se ha comprobado que sus resultados son extrapolables a cualquier organismo diploide de reproducci\u00f3n sexual.<\/p>\n\n\n\n

B\u00e1sicamente, el guisante de Mendel<\/strong> cumple los tres requisitos esenciales por los que se utilizan organismos modelo:<\/p>\n\n\n\n

1- Todos los seres vivos provenimos de un ancestro com\u00fan y por tanto compartimos las mismas caracter\u00edsticas biol\u00f3gicas fundamentales. A pesar de que los organismos modelo representan s\u00f3lo una \u00ednfima fracci\u00f3n de la biodiversidad que existe en el planeta, se asume que el conocimiento de estos organismos puede extrapolarse a otras especies.<\/p>\n\n\n\n

2- Los organismos modelo han sido seleccionados por ser f\u00e1ciles de mantener y reproducir en un entorno de laboratorio y\/o por tener ventajas experimentales particulares.<\/p>\n\n\n\n

3- La gran cantidad de datos acumulados a lo largo de los a\u00f1os sobre organismos modelos los hace m\u00e1s atractivos para estudiar y esto es una consecuencia de que la investigaci\u00f3n se apoya en el m\u00e9todo cient\u00edfico, resolviendo preguntas muy concretas que ampl\u00edan conocimientos previamente adquiridos.<\/p>\n\n\n\n

Con lo dicho anteriormente podr\u00eda entenderse que todos los organismos comparten las mismas caracter\u00edsticas biol\u00f3gicas y por tanto la elecci\u00f3n del organismo a estudiar es simplemente una cuesti\u00f3n de facilidad de manejo y de las veces que ha sido objeto de estudio. Sin embargo, a medida que se estrecha la distancia filogen\u00e9tica entre dos especies, mayor es la similitud de sus procesos bioqu\u00edmicos, gen\u00e9ticos y fisiol\u00f3gicos.<\/p>\n\n\n\n

Los humanos por ejemplo, compartimos muchos mecanismos moleculares con las bacterias, pero estas semejanzas se incrementan respectivamente con una mosca, un rat\u00f3n y un chimpanc\u00e9. Es por ello que existe un gran n\u00famero de organismos modelos, cada uno utilizado para representar a un grupo de la escala biol\u00f3gica que arbitrariamente puede ser m\u00e1s o menos extenso. De esta forma, Escherichia coli<\/em> se utiliza como modelo bacteriano, Saccharomyces cerevisiae<\/em> como modelo unicelular eucariota, Drosophilla melanogaster<\/em> como modelo pluricelular animal, Caenorhabditis elegans<\/em> como modelo para el estudio de la gen\u00e9tica del desarrollo, Mus musculus<\/em> como modelo mamifero, etc\u2026<\/p>\n\n\n\n

En el caso de las plantas el modelo m\u00e1s utilizado y estudiado sin duda es A. thaliana<\/em>. Esta planta pertenece a la familia de las cruc\u00edferas, relacionada a plantas comestibles como las coles, los r\u00e1banos y los nabos. Crece naturalmente en regiones de Asia, Europa y el norte de \u00c1frica, y se ha introducido en otras \u00e1reas como Norteam\u00e9rica y Australia.<\/p>\n\n\n\n

\"a<\/figure>\n\n\n\n



A. thaliana<\/em> tiene unas caracter\u00edsticas que la hacen id\u00f3nea como modelo experimental. Su tama\u00f1o es peque\u00f1o (30 cm), por lo que es posible cultivar un gran n\u00famero en un espacio reducido. Su ciclo de vida es relativamente corto (seis a ocho semanas). Tiene una abundante producci\u00f3n de semillas (m\u00e1s de 10.000 semillas por planta). Es diploide y se autofertiliza, lo cual facilita mantener l\u00edneas y realizar cruces controlados. Existen diferentes \u201cecotipos<\/strong>\u201d, cuyas variaciones gen\u00e9ticas naturales son muy valiosas en el estudio de diversas caracter\u00edsticas. Su genoma se ha secuenciado, est\u00e1 organizado en 5 cromosomas, y es uno de los m\u00e1s peque\u00f1os detectados en plantas (125 Mb, poco m\u00e1s de 20 veces el de E. coli<\/em>, 10 veces el de S. cerevisiae<\/em> y similar al tama\u00f1o del genoma de D. melanogaster<\/em>). Es f\u00e1cilmente transformable empleando a la bacteria Agrobacterium tumefaciens<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Este \u00faltimo punto es muy importante para dilucidar la funci\u00f3n de los genes. A. tumefaciens<\/em> es una bacteria capaz de introducir secuencias de DNA propias en el genoma de las plantas a las que infecta. Mediante ingenier\u00eda gen\u00e9tica se puede sustituir estas secuencias por cualquier otra y utilizar a la bacteria para introducir genes for\u00e1neos (transgenes<\/strong>) en la planta. La secuencia que se transfiere (tDNA) se inserta en el genoma de forma aleatoria. Frecuentemente el tDNA se inserta dentro de una regi\u00f3n g\u00e9nica creando un mutante para este gen debido a que la prote\u00edna que codifica ya no se traduce correctamente. Utilizando el tDNA como mut\u00e1geno se obtienen colecciones de mutantes que pueden sembrarse en diferentes condiciones experimentales y detectar aquellos que responden de una manera diferente a las plantas control (screening).<\/p>\n\n\n\n

Por ejemplo, si queremos identificar genes involucrados en tolerancia a la salinidad podemos sembrar una colecci\u00f3n de mutantes y unas plantas control en un medio con salinidad elevada e identificar las plantas mutantes que mejor responden a dichas condiciones. Una vez seleccionados los mutantes, se puede secuenciar las regiones gen\u00f3micas adyacentes al tDNA insertado e identificar el gen involucrado. A partir de aqu\u00ed comienza una caracterizaci\u00f3n funcional del gen mediante su sobrexpresi\u00f3n, su represi\u00f3n, cruces con mutantes de genes de misma funci\u00f3n, etc\u2026<\/p>\n\n\n\n

\"tDNA\"\/<\/figure>\n\n\n\n



Con el avance de las t\u00e9cnicas de secuenciaci\u00f3n y la creaci\u00f3n de bases de datos gen\u00e9ticos se han desarrollado nuevas t\u00e9cnicas que no se amparan en el screening de mutantes o en la comparaci\u00f3n de ecotipos para identificar la funci\u00f3n de los genes.<\/p>\n\n\n\n

En la actualidad, la estructura y funci\u00f3n de todos los genes de un genoma se puede analizar de forma global. Se han creado nuevas disciplinas como la gen\u00f3mica estructural<\/strong> que tiene como objetivo la determinaci\u00f3n de la secuencia de un genoma y la definici\u00f3n de sus genes, y la gen\u00f3mica funcional<\/strong> que tiene como objetivo el estudio de su funci\u00f3n. Esta \u00faltima se apoya en la transcript\u00f3mica<\/strong> (an\u00e1lisis global del genoma a nivel de transcrito), la prote\u00f3mica<\/strong> (an\u00e1lisis global a nivel de prote\u00ednas) y la metabol\u00f3mica<\/strong> (an\u00e1lisis global a nivel metabolitos). Estas disciplinas crean gigantescas bases de datos que son analizadas inform\u00e1ticamente para identificar y clasificar por familias a los genes y a las prote\u00ednas que codifican. A nivel funcional los an\u00e1lisis transcript\u00f3micos muestran de una forma global qu\u00e9 genes se expresan o reprimen en determinadas condiciones ambientales. En A. thaliana<\/em> se han realizado numerosos estudios de este tipo. Se han identificado todos sus genes y se conoce la funci\u00f3n de muchos de ellos. Este tipo de estudios se ha extendido a muchas plantas de inter\u00e9s comercial como el tomate, el ma\u00edz, la patata, ornamentales\u2026<\/p>\n\n\n\n

En 2011 se public\u00f3 el art\u00edculo cient\u00edfico \u201cThe draft genome and transcriptome of Cannabis sativa<\/a>\u201d que describe la secuenciaci\u00f3n del genoma y del transcriptoma de varios tejidos de la variedad \u201cPurple Kush<\/strong>\u201d como ejemplo de cannabis medicinal y de la variedad \u201cFinola<\/strong>\u201d como ejemplo de c\u00e1\u00f1amo de uso industrial. Para ello utilizan la secuenciaci\u00f3n masiva \u201cillumina<\/strong>\u201d en el caso del genoma y la secuenciaci\u00f3n \u201c454<\/strong>\u201d en el caso del transcriptoma.<\/p>\n\n\n\n

Sin entrar en mucho detalle, la secuenciaci\u00f3n masiva se realiza rompiendo el genoma en fragmentos de entre 50 y 300 pb a los que se les acopla un adaptador de secuencia conocida. Utilizando cebadores cuya secuencia coincide con la de los adaptadores, se amplifican los fragmentos por ambos sentidos y estos amplicones se incluyen en una matriz que posee hebras complementarias a los adaptadores para que se unan a ellos y as\u00ed posicionarlos independientemente. Esta matriz se introduce en el secuenciador que, por medio de fluorescencia, va leyendo cada nucle\u00f3tido de los fragmentos situados en cada uno de los puntos de la matriz. De esta forma se obtienen millones de peque\u00f1as secuencias en un solo an\u00e1lisis. Los datos generados se procesan inform\u00e1ticamente para eliminar aquellas secuencias que contienen errores y, solapando los peque\u00f1os fragmentos por homolog\u00eda de sus extremos (contigs), se obtiene la secuencia completa del cromosoma.<\/p>\n\n\n\n

En el caso del transcriptoma el proceso es muy similar pero se parte de cDNAs transcritos a partir del extremo polyA de los RNAs mensajeros extra\u00eddos en distintos \u00f3rganos de la planta (tallo, ra\u00edz, \u00e1pice, preflores y flores). En este caso, se utiliza la tecnolog\u00eda 454 que puede secuenciar fragmentos de hasta 600pb. El transcriptoma es muy importante porque nos indica qu\u00e9 genes se expresan en cada tejido de la planta y, a diferencia DNA gen\u00f3mico, su secuencia no contiene intrones y sigue sin interrupciones la pauta de lectura para la traducci\u00f3n a prote\u00ednas (profundizaremos en esto en la pr\u00f3xima entrega).<\/p>\n\n\n\n

\"secuenciaci\u00f3n<\/figure>\n\n\n\n

Siguiendo esta metodolog\u00eda el art\u00edculo indica que se han secuenciado 534 Mb del genoma (casi cinco veces m\u00e1s que el genoma de A. thaliana<\/em>) y 30.000 genes del transcriptoma. Todas estas secuencias est\u00e1n disponibles en las bases de datos del NCBI<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

La informaci\u00f3n generada se procesa bio-inform\u00e1ticamente con algoritmos matem\u00e1ticos muy potentes que comparan cada secuencia con todas las existentes en bases de datos de organismos estudiados anteriormente. Estos algoritmos buscan homolog\u00edas de secuencia con el fin de detectar motivos caracter\u00edsticos y dominios de prote\u00ednas para identificar y clasificar los distintos genes.<\/p>\n\n\n\n

En el art\u00edculo comparan la proporci\u00f3n de clases funcionales de genes de A. thaliana<\/em> y la obtenida mediante los algoritmos inform\u00e1ticos a partir del transcriptoma de la variedad Purple Kush<\/strong>. Se evidencia claramente la similitud funcional de los genes de estas dos especies y es una buena demostraci\u00f3n de la validez del uso de organismos modelo.<\/p>\n\n\n\n

\"comparaci\u00f3n<\/figure>\n\n\n\n

Bueno, vamos a dejarlo aqu\u00ed por ahora para no volvernos locos. En la pr\u00f3xima entrega haremos alg\u00fan ejemplo pr\u00e1ctico para identificar genes de cannabis cuya funci\u00f3n ha sido estudiada en A. thaliana<\/em>. Para ello utilizaremos el interfaz online que han creado los autores del art\u00edculo y las bases de datos del NCBI<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Saludos.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Tiempo de lectura:<\/span> 6<\/span> minutos<\/span><\/span>Por Dr, Pedro Serra Saludos. En este art\u00edculo voy a hablar sobre la importancia que est\u00e1 adquiriendo la secuenciaci\u00f3n de genomas como herramienta para identificar genes y prever su funci\u00f3n apoy\u00e1ndose en el conocimiento generado en estudios con organismos modelo. 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