Los genes son como los jeroglíficos egipcios. Gracias a los avances en la secuenciación del genoma completo, cada vez es más fácil leer cada letra del ADN. Pero las cadenas de A, T, C y G plantean un segundo enigma: ¿qué significan, si es que significan algo?

Es un problema que ha perseguido a los biólogos desde la finalización del Proyecto Genoma Humano. El proyecto suponía que, al acceder a nuestro código genético de base, podríamos controlar las enfermedades heredadas, editarlas a voluntad y predecir fácilmente las consecuencias de cualquier gen que sentara las bases de nuestros cuerpos, funciones y vidas.

La visión no ha funcionado exactamente. Las secuencias de ADN, aunque capturan una información genética extremadamente potente, no se traducen necesariamente en la indicación de cómo se comportan nuestros cuerpos. Los genes pueden activarse o desactivarse en distintos tejidos en función de las necesidades de la célula. Leer la secuencia de ADN de cualquier gen es como analizar el código base del programa interno de una célula. Está el código genético en bruto -el genotipo- que determina el fenotipo, el software de la vida que controla el comportamiento de las células. La vinculación de ambos ha llevado décadas de minuciosos experimentos, construyendo poco a poco una enciclopedia de conocimientos que descifra la influencia de un gen en las funciones biológicas.

Un nuevo estudio se intensificó el esfuerzo. Dirigido por los doctores Thomas Norman y Jonathan Weissman del Memorial Sloan Kettering Cancer Center de Nueva York y de la Universidad de California en San Francisco, respectivamente, el equipo construyó una piedra Rosetta para traducir los genotipos a fenotipos, con la ayuda de CRISPR.

Lo hicieron a lo grande. Modificando la expresión génica en más de 2,5 millones de células humanas, la tecnología, denominada Perturb-seq, trazó un mapa exhaustivo de cómo cada perturbación genética altera la célula. La tecnología se centra en una especie de CRISPR con esteroides. Una vez introducida en las células, Perturb-seq cambia rápidamente miles de genes, una brutal sacudida a escala genómica para ver cómo responden las células individuales.

En otras palabras, Perturb-seq es una herramienta a gran escala que puede ayudar a los científicos a traducir el código del ADN en función, una piedra Rosetta para descubrir el funcionamiento interno de nuestras células. El conjunto de datos, que lleva años elaborándose, está abierto para que cualquiera pueda explorarlo.

«Creo que este conjunto de datos va a permitir todo tipo de análisis que aún no se nos han ocurrido a las personas que vienen de otras partes de la biología, y de repente tienen esto disponible para aprovechar». dijo Norman.

Lost in Translation

¿Cuál es la función de un gen? Es fácil pensar que los genes son tu destino, pero eso está muy lejos de la realidad. Los factores ambientales, como un enorme plato de espaguetis o un paseo por la playa, pueden cambiar fácilmente la expresión de los genes, las funciones corporales y, potencialmente, tu cuerpo y tu mente.

Si es así, ¿qué sentido tiene secuenciar genomas enteros si el resultado está siempre en movimiento? «Un objetivo central de la genética es definir las relaciones entre el genotipo y el fenotipo», dicen los autores. En otras palabras, ¿qué hace cualquier gen¿Realmente lo hacen?

Los científicos llevan mucho tiempo intentando tender un puente entre el genotipo y el fenotipo. Es un proceso minucioso. Un método, por ejemplo, consiste en alterar uno a uno los genes que pueden estar relacionados con un trastorno y observar el comportamiento de las células. Denominada «genética directa», la idea se centra en los genes en lugar de en el fenotipo. Un enfoque alternativo, la «genética inversa», profundiza en cómo cambia el cuerpo o la mente con una edición genética específica.

Cada método es una lucha ardua. Conover 20,000 genes en nuestro cuerpo y cada célula se comporta de forma ligeramente diferente (incluso con los mismos cambios genéticos), descifrar la función de un gen suele llevar años, si no décadas.

¿Hay alguna forma de acelerar el proceso?

La piedra Rosetta de CRISPR

Entra en escena CRISPR. Venerado durante mucho tiempo como una multiherramienta de edición genética, el método se ha convertido en un traductor biológico. Su núcleo es una tecnología denominada Perturb-seq, publicado por primera vez en 2016 para diseccionar la expresión de los genes. Perturb-seq permite seguir las consecuencias de activar o desactivar un gen en una sola célula. Este método permite se hizo famoso en 2020 por su eficacia para alterar varios genes a la vez.

Se trata de una gran victoria para la biología celular, afirma el equipo. Mientras que los científicos han ido desgranando el enorme entramado que conecta los genes y las proteínas, ha sido difícil determinar el papel de cada uno de los genes. A menudo tomamos todas las células en las que se ha eliminado el «gen X» y las juntamos para ver cómo han cambiado». dijo Weissman. «Pero a veces, cuando se derriba un gen, las diferentes células que pierden ese mismo gen se comportan de forma diferente, y ese comportamiento puede pasar desapercibido por la media».

La idea detrás de Perturb-seq es bastante sencilla. Imagina a un niño pequeño rompiendo cosas y dándose cuenta de lo que ha hecho después de ver las consecuencias. Perturb-seq utiliza CRISPR-Cas9 para silenciar varios genes a la vez, lo que a veces puede cambiar el comportamiento de una célula. Aunque es potente, la herramienta ha sido difícil de escalar, estudiando como mucho unos cientos de perturbaciones genéticas a la vez para cuestiones biológicas predefinidas.

Entonces, ¿por qué no ampliar el método a todo el genoma?

«La ventaja de Perturb-seq es que permite obtener un gran conjunto de datos de forma imparcial». dijo Norman. “No one knows entirely what the limits are of what you can get out of that kind of dataset. Now, the question is, what do you actually do with it?”

La vida de una célula

En el nuevo estudio, el equipo encontró por primera vez la salsa mágica para realizar cambios en todo el genoma de las células humanas con CRISPR. Un punto importante fue optimizar una biblioteca de ARN guía (sgRNA), los «sabuesos» que rastrean un gen. A continuación, capturaron células infectadas con CRISPR y analizaron su expresión génica. En total, el equipo se centró en casi 2.000 genes. Al cruzar los genes modificados con el fenotipo de cada célula, agruparon los genes en redes vinculadas a un resultado celular.

Destaca un gen enigmático:C7orf26. La alteración con CRISPR cambió el modo en que una célula construye un enorme complejo molecular, denominado integrador, que ayuda a fabricar moléculas que controlan la actividad de los genes. Antes de Perturb-seq,C7orf26nunca se había asociado con el complejo.

En otro análisis, el equipo encontró un subconjunto de genes que cambia la forma en que las «células hijas» heredan el genoma de los padres. Por ejemplo, la eliminación de algunos genes alteraba la distribución de los cromosomas cuando una célula se divide. Añadir o eliminar un cromosoma puede cambiar fundamentalmente nuestra biología, por ejemplo, dando lugar al síndrome de Down.

Para Norman, este aspecto es la parte más interesante de Perturb-seq. «Captura un fenotipo que sólo se puede obtener utilizando una lectura unicelular. No se puede conseguir de otra manera».

Esta base de datos es sólo el comienzo. El equipo quiere utilizar Perturb-seq en otros tipos de células humanas, y todos los datos están disponibles para la colaboración. Con el auge de Ultima Genomics, una solución de secuenciación genómica de muy bajo coste, es probable que los cribados CRISPR unicelulares desempeñen un papel aún mayor en la biotecnología, como por ejemplo en el análisis de los genomas de las iPSC (células madre pluripotentes inducidas).

Para Weissman, puede incluso provocar un cambio en la forma de abordar los misterios celulares. «En lugar de definir de antemano qué biología se va a estudiar, se tiene este mapa de las relaciones genotipo-fenotipo, y se puede entrar y examinar la base de datos sin tener que hacer ningún experimento», dijo.

Crédito de la imagen: Jen Cook/Instituto Chrysos Whitehead