Aplicaciones de la genética de poblaciones en las ciencias genómicas Doctor Ricardo M. Cerda-Flores Genetista de Poblaciones Investigador Titular del CIBIN-IMSS Maestro de la Facultad de Enfermería / UANL. Esta dirección de correo electrónico está protegida contra los robots de spam, necesita tener Javascript activado para poder verla La síntesis evolutiva moderna (también llamada simplemente nueva síntesis, síntesis moderna, síntesis evolutiva, teoría sintética, síntesis neodarwinista o neodarwinismo), en general significa la integración de: 1.     La teoría de la evolución de las especies por selección natural de Charles Darwin. 2.     La teoría genética de Gregor Mendel como base de la herencia biológica. 3.     La mutación genética aleatoria como fuente de varia-ción. 4.     La genética de poblaciones matemática. Las figuras importantes en el desarrollo de la síntesis moderna incluyen a Thomas Hunt Morgan, Ronald A. Fisher, Theodosius Dobzhansky, J.B.S. Haldane, Sewall Wright, William Donald Hamilton, Cyril Darlington, Julian Huxley, Ernst Mayr, George Gaylord Simpson, y G. Ledyard Stebbins. GENÉTICA DE POBLACIONES La genética de poblaciones es la rama de la genética cuya problemática es describir la variación y distribución bio-lógica, con el objeto de dar explicación a fenómenos evolutivos. Para ello, define a una población como un grupo de individuos de la misma especie que están aislados reproductivamente de otros grupos afines. Estas poblaciones están sujetas a cambios evolutivos, en los que subyacen cambios genéticos, los que a su vez están influenciados por factores como la selección natural y la deriva genética, que actúan principalmente disminuyendo la variabilidad de las poblaciones, o migración y mutación, que actúan aumentándola. Cabe destacar que la pérdida de variabilidad genética en las poblaciones trae consigo dos graves problemas: 1.     Coarta la posibilidad de que el hombre realice mejoramiento genético en especies de interés comercial y/o recreativo, y 2.     Disminuye la eficacia biológica (fitness) de las especies ante nuevos cambios ambientales. Por otra parte, la presencia de variabilidad genética es deseable no sólo para el mejoramiento genético o la conservación de las especies, ya que el rol fundamental de la variabilidad genética es ser la materia prima para los procesos evolutivos: sin variabilidad no hay evolución. La interacción de estos factores con las poblaciones en el iempo, permite la existencia de gran número de especies con variadas estructuras poblacionales y formas de vida. Así, la genética de poblaciones es un elemento esencial de la síntesis evolutiva moderna. La especie humana, de más de seis mil millones de individuos en la actualidad, se divide en caucásicos, negros y asiáticos. Estos tres grandes grupos, con características genéticas claramente distinguibles, se denominan razas, y cada una de ellas está formada por numerosos subgrupos poblacionales, con ligeras diferencias genéticas entre sí, denominados grupos étnicos. SELECCIÓN DE MUTACIONES La diversidad genética entre razas y subpoblaciones tiene su origen en las mutaciones. El establecimiento de las diferencias genéticas entre las poblaciones se produce como resultado de la selección de mutaciones, en respuesta a condiciones ambientales regionales, a la perpetuación de mutaciones neutrales específicas y aun de mutaciones nocivas, además del grado de reproducción aislada entre los grupos. Existen diferencias muy marcadas entre grupos poblacionales en las frecuencias alélicas, tanto para genes causantes de enfermedades, como para marcadores genéticos neutrales selectivos, como lo son ciertos grupos sanguíneos, algunos polimorfismos proteicos y de DNA. Los primeros son muy significantes para la determinación de riesgos de recurrencia de enfermedades genéticas en poblaciones específicas, y los últimos son importantes como marcadores de la evolución humana reciente. INDIVIDUALIDAD GENÉTICA Cada individuo es genéticamente único. Esta individualidad radica en las variaciones que se presentan dentro de su secuencia nucleotídica de manera silenciosa; es decir, sin provocar enfermedad. Sin embargo, cada individuo mantiene las características genéticas de la raza y subpoblación (grupo étnico) al cual pertenece. Las mutaciones nocivas que producen cambios fenotípicos son fácilmente detectables. Pero un gran número de mutaciones son selectivamente neutras, no causan daño y no se manifiestan fenotípicamente. En estas últimas, la variación se localiza en regiones extragénicas o no codificantes o en regiones heterocromáticas de los cromosomas. En el transcurso de la evolución, el flujo constante de nuevas variaciones nucleotídicas ha asegurado un alto grado de diversidad e individualidad genética. Ésta pue-de manifestarse como cambios en el patrón de tinción de los cromosomas (heteromorfismos cromosomales), variaciones proteicas (Ejemplo: grupos sanguíneos), o cambios nucleotídicos en diversas regiones del genoma (SNPs). Estos cambios se observan en color gris: La identificación de individuos se ha realizado tipificando diferentes marcadores genéticos no moleculares (antígenos de los grupos sanguíneos, los del complejo mayor de histocompatibilidad, isoenzimas y proteínas séricas) y moleculares (VNTRs, RFLPs, RAPDs, SNPs, CNVs) los cuales tienen un alto grado de discriminación e identificación. La identificación de individuos se ha realizado tipificando diferentes marcadores genéticos no moleculares (antígenos de los grupos sanguíneos, los del complejo mayor de histocompatibilidad, isoenzimas y proteínas séricas) y moleculares (VNTRs, RFLPs, RAPDs, SNPs, CNVs) los cuales tienen un alto grado de discriminación e identificación. Probabilidad de un simple locus: D1S80 heterocigoto 16/18 = 2(0.0388)(0.2330) = 0.0180808 HLA-DQA1 heterocigoto 1.1/1.2 = 2(0.0874)(0.1019) = 0.01781212 Probabilidad para un perfil de DNA multilocus: (0.0180808) (0.01781212) = 0.000322 En otras palabras, tres de cada diez mil individuos en Nuevo León tendrán el mismo perfil para estos dos marcadores genéticos, que están en equilibrio de Hardy-Weinberg y en equilibrio de fase gamética. Las frecuencias génicas fueron obtenidas de Cerda-Flores y Cols., 2002a para D1S80 y HLA-DQA1. Si utilizáramos 13 STRs, el poder de discriminación sería de 1 en 2,830,000,000,000,000 de individuos, y la probabilidad de exclusión, en caso de paternidad, de 1 en 8,900,000 (Cerda-Flores y Cols., 2002b). Un gran número de proteínas diversas son utilizadas como marcadores genéticos, cuya utilidad depende de la variabilidad heredable del DNA que las codifica. Actualmente, la tipificación del DNA se utiliza como una he-rramienta poderosa para la identificación de individuos con mayor poder predictivo que el de las pruebas serológicas. Gran cantidad de genes se caracterizan por tener un número relativamente común de alelos, que permiten clasificar a los miembros de una población originada naturalmente dentro de fenotipos finamente distinguibles. Un polimorfismo genético se define cuando un gen tiene múltiples alelos y al menos dos de ellos tienen frecuencias mayores al uno por ciento entre la población y cuando la frecuencia de heterocigotos en la población es de al menos dos por ciento. No obstante, debido a que muchos loci- polimórficos se caracterizan por tener un alto número de alelos diferentes, la proporción de heterocigotos es mucho mayor. A los alelos con frecuencias menores de uno por ciento se les llama variantes raras. (http://uwadmnweb.uwyo.edu/zoology/mcdonald/molmark/index.html#Fdemo). MARCADORES GENÉTICOS Los polimorfismos se utilizan como marcadores genéticos que permiten distinguir el patrón de herencia de un gen en estudios familiares. Tienen aplicación práctica en: a)     Localización y mapeo de genes en cromosomas individuales mediante estudios de análisis de ligamiento. b)     El diagnóstico presintomático y prenatal, así como en la detección de portadores (heterocigotos) de enfermedades genéticas. c)     La evaluación del riesgo en personas con predisposición a desórdenes, como enfermedades coronarias, cáncer y diabetes, entre otras. d)    Estudios de paternidad, forenses y casos de inmigración. e)     Establecer la compatibilidad donador-receptor para realizar transplantes de tejidos y órganos. f)     La identificación de gemelos idénticos. g)    Recientemente, el uso de bloques haplotípicos que serán de gran utilidad en la medicina genómica [New England Journal of Medicine (http://content.nejm.org/misc/genmed.shtml). Aquí se puede buscar más información sobre medicina genómica, en forma gratuita, por los editores Alan E. Guttmacher y Francis S. Collins]. Es sabido que la respuesta del ser humano ante cual-quier estímulo, sea positivo o pernicioso, viene condicionada por dos elementos fundamentales. De una parte, influye la información contenida en los genes. De la otra, los llamados factores ambientales. La suma de ambos, junto con los procesos de carácter infeccioso, desencadenará la presencia o no de la enfermedad. Los factores ambientales responden a un sinfín de formulas. Los estilos de vida, la exposición a sustancias tóxicas (), la nutrición (nutrigenomics) o la higiene, son algunos de ellos. Identificar en un individuo los genes que predisponen a enfermedades coronarias, diabetes o a algunas formas de cáncer, puede ayudar a prevenirlas o a limitar su impacto, modificando este tipo de factores. GRADO DE PROTECCIÓN DE LAS VACUNAS Esa misma información va a ser útil para determinar el grado de protección de vacunas o qué poblaciones son más o menos susceptibles ante determinadas infecciones. Por ejemplo, la vacuna que se emplea para la tuberculosis es sumamente efectiva en los países europeos. No ocurre lo mismo, sin embargo, para amplias capas de la población africana. Curiosamente, esa misma vacuna es eficaz para prevenir la lepra en Malawi. La genética que se ha desarrollado hasta ahora se diferencia de la genómica, en que la primera estudia un gen que causa una enfermedad (como la hemofilia), mientras que la segunda trabaja con varios genes que operan en forma simultánea en enfermedades complejas, que son las más comunes, como hipertensión, diabetes, asma, osteoporosis, etcétera. El conocimiento de la genética/genómica de poblaciones permitirá ampliar específicamente el abanico de la prevención y el diseño de vacunas mucho más específicas, de acuerdo con los rasgos genéticos no sólo de las poblaciones mestizas (contribución de poblaciones caucásicas, indígenas y africanas) sino también las indígenas. Los estudios de genómica de poblaciones requieren, para el desarrollo de la medicina genómica, de dos aspectos: primeramente, del conocimiento de la estructura haplotípica de la población humana a estudiar, y, posteriormente, de estudios de asociación que identifiquen los factores de riesgo genético para determinada enfermedad, con fines de diagnóstico y tratamiento. TAREA COMPLEJA Y COSTOSA La secuencia del genoma humano, si bien permite conocer la secuencia de los genes humanos y su ubicación dentro del genoma humano, también ha hecho evidente la gran variabilidad que existe en la secuencia entre individuos. Esfuerzos adicionales hicieron posible conocer que existen entre seis y diez millones de posiciones en el genoma humano en que puede haber variaciones de un solo nucleótido (SNPs). Algunas de estas variaciones confieren susceptibilidad o resistencia a enfermedades comunes; otras sirven como marcadores dentro de la secuencia del genoma humano. La identificación de estas variaciones en cada individuo resulta de gran importancia para el desa-rrollo de la fase aplicativa de la medicina genómica; sin embargo, la tecnología disponible hasta el momento hace de esta una tarea extraordinariamente compleja y altamente costosa. Recientemente, se ha identificado que la recombinación del material genético (durante la producción de gametos) no ocurre al azar, sino que ocurre en sitios específicos, lo que da lugar a bloques conservados de material genético que se heredan de generación en generación. Esto significa que en lugar de tener que conocer todos los SNPs de un segmento de DNA; por ejemplo, alguno con 100 SNPs, el conocimiento de seis u ocho SNPs en ese bloque serviría para conocer el resto de los SNPs que se heredan en cada bloque o haplotipo. Ejemplo 2. Los bloques haplotípicos se definen hasta el momento como un conjunto de marcadores conti-nuos (SNP1-SNP2-... -SNPn) para los cuales todos los pares muestran desequilibrio de ligamiento (D) > 0.8. Supongamos que tenemos 10 SNPs y mediante el análisis de desequilibrio de ligamiento encontramos que existe un bloque (B) en una agrupación (clúster) de 150 kb en el cromosoma 4: B (1-4) con 69 kb y con D > 0.8. Este análisis está en función de los intervalos de distancia de la distribución de los SNPs en el genoma específico de un cromosoma. Cada haplotipo equivale a la “firma” de SNPs con que se puede reconocer a cada bloque genómico. Esta observación resulta de gran interés científico y práctico, ya que el conocimiento de dichos bloques reduciría la necesidad de analizar a cada una de las variaciones en el genoma humano, a menos del 10 por ciento de ellas, ofreciendo la posibilidad de llevar a cabo proyectos de investigación genómica en forma más precisa, rápida y a menor costo. Sin embargo, este nuevo conocimiento enfrenta el gran reto de identificar las características de dichos bloques que, al parecer, tienden a variar entre cada población. SEGUNDA FASE DEL PROYECTO DEL GENOMA HUMANO La gran importancia que reviste el conocimiento de los bloques de recombinación en diferentes poblaciones mundiales ha servido como base para el desarrollo de la fase II del proyecto del Genoma Humano (Haplotype Map of Human Genome:, por lo que México no puede quedar atrás de los avances de la nueva ciencia y tecnología. Para finalizar, es claro que la investigación en el área de las ciencias genómicas pone de manifiesto la necesidad de: 1.     Formar en México equipos de trabajo con científicos expertos en la genómica comparada, genómica funcional, bioinformática, biología computacional, salud pública, genética de poblaciones, farmacogenómica y terapia génica. 2.     Proporcionar el apoyo económico de los sectores público y privado para el equipamiento de tecnología de punta en todos los laboratorios de Centros de Salud. REFERENCIAS Akey JM, Zhang G, Zhang K, Jin L, Shriver MD. Interrogating a high-density SNP map for signatures of nature selection. Genome Res, 12:1805-1814, 2002. Blazej RG, Paegel BM, Mathies RA. Polymorphism ratio sequencing: a new approach for single nucleotide polymorphism discovery and genotyping. Genome Res, 13:287-293, 2003. Botstein D, Risch N. Discovering genotypes underlying human phenotypes: past successes for mendelian disease, future approaches for complex disease. 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