Estamos siendo testigos de una revolución del conocimiento de la genómica gracias a la secuenciación del genoma humano y de otras especies. La NGS está aportando una información muy valiosa para el tratamiento de enfermedades, la agricultura y la biotecnología. Además, la NGS está ayudando al entendimiento de la evolución y función del genoma humano. La aplicabilidad de la secuenciación masiva en la clínica nos está derivando hacia una medicina personalizada y más efectiva.

 

Veamos unos conceptos básicos: genómica y secuenciación

 

a genómica es una ciencia enmarcada en la biología molecular que nos aporta información sobre el material genético de los seres vivos.  Así, los estudios genómicos investigan el mapeo, estructura, función y evolución del genoma (conjunto completo del ADN de un ser vivo) y nos permiten predecir la función de un gen a partir de su secuencia o de sus interacciones con otros genes.

La secuenciación es la técnica que emplea la ciencia genómica para definir distintas características de los genes como su posición, la conservación entre especies y la estructura de las proteínas o del ARN. La secuenciación del ADN genera una cantidad abismal de datos que requiere combinar tanto conocimientos biológicos como estadísticos e informáticos. Esta interdisciplinariedad de la ciencia genómica ha revolucionado la investigación básica al unir la secuenciación con la bioinformática y ha supuesto una nueva era científica (1).

¿Vivimos en la Era Genómica?

 

Las tecnologías que se aplican en la NGS están evolucionando muy rápidamente e incrementan de manera exponencial los hallazgos genómicos. Es probable que cuando se observe nuestra época con perspectiva histórica se la considere como la Era de la Genómica por el cambio cualitativo que sin duda provocará en la sociedad humana la irrupción de este conocimiento.  De hecho, el descubrimiento del genoma humano (2) ha permitido la realización de estudios que nos aportan evidencia científica sobre la singularidad del genoma de cada individuo, describen la variación genética humana por etnia o región ancestral, e identifican secuencias que podrían estar relacionadas con alguna enfermedad.

En Abril del 2003 se publicó la secuencia completa del genoma humano (necesitó más de 10 años)

 

El Consorcio NHGRI (The International Human Genome Sequencing Consortium) desarrolló el Proyecto HGP (The Human Genome Project) y publicó la secuencia completa del genoma humano en Abril del 2003 (140000 genes) (2). Esta secuenciación duró algo más de una década y se desarrolló mediante el método Sanger (fig.1 Secuenciación mediante el método Sanger (electroferograma); método descrito por Frederick Sanger en 1975 (3) y considerado como la secuenciación de primera generación. La NGS o secuenciación de segunda generación (Next-Generation Sequencing) ha reemplazado al método Sanger ya que es una tecnología mucho más rápida y económica, capaz de secuenciar un genoma humano en tan sólo un par de días.

La descripción de genomas mediante la NGS está permitiendo crear extensas bases de datos que nos ayudan a alcanzar objetivos como el diagnóstico genético de una enfermedad, la categorización de pacientes para un tratamiento más efectivo y la predicción de la respuesta individualizada frente a un medicamento concreto. Así, la medicina personalizada avanza a pasos agigantados gracias a los estudios a gran escala que la genómica poblacional y la medicina genómica desarrollan sobre los loci y sus efectos.

La NGS está ayudando al desarrollo de la farmacogenómica y a la aplicación clínica de la genómica.

 

La información aportada por la NGS y su aplicación en la medicina individualizada ya se está regularizando en algunos países (USA, Precision Medicine Initiative) (7).

Por ejemplo, la  NGS se está aplicando para la detección de la mutación EGFR T790M en biopsias líquidas de pacientes con adenocarcinoma de pulmón, evitando así una prueba mucho más agresiva como es la biopsia tumoral en un 70% de los pacientes (4). También, la NGS permite detectar mutaciones en los genes BRCA1 y BRCA2 que incrementan en un 60% el cáncer de ovario y en un 80% el cáncer de mama en mujeres (5).

La NGS tiene muchas aplicaciones y continuamente se están desarrollando nuevos métodos de aplicación

 

Los principales usos actuales de la NGS (fig. 2) son:

• Leer y descifrar genomas de distintos organismos (de novo sequencing).
• Medir las variaciones genéticas de un organismo con respecto a otro para entender la diversidad genética natural, esa reserva genética que permite a los seres vivos adaptarse evolutivamente a un entorno siempre cambiante. Pero también para conocer las mutaciones que provocan disfunciones celulares y en último término enfermedades genéticas raras o complejas como el cáncer.
• Analizar los patrones de expresión de genes. Ésto permite comparar el nivel transcripcional de las células en diferentes estados (fisiológicos o patológicos) y determinar las variaciones en los patrones de expresión subyacentes a los diferentes fenotipos. También es posible obtener información acerca de otros fenómenos como el splicing del ARN o la variación en número de copias de los genes (CNV).
• Desarrollar estudios epigenéticos e investigar los mecanismos de regulación del genoma.
• Analizar el estado de los ecosistemas y el impacto de las actividades humanas sobre ellos mediante el del material genético de muestras medioambientales.

Grandes números de la NGS

 

Los genomas que han sido secuenciados han sido muy útiles para la humanidad, pero son una mínima parte del total de genomas existentes. Además, las secuencias genómicas completas de mamíferos ayudarán al entendimiento de la evolución y función del genoma humano. Actualmente se están desarrollando nuevos proyectos de secuenciación a gran escala que pretenden dar el siguiente paso: HPG-Write (The Human Genome Project-Write) (4), The 100000 Genomes Project (5), el GenomeAsia 100K (GA100K) (6), o el HMP (The Human Microbiome Project) (9).

Por ejemplo, The 100000 Genomes Project secuenciará 100.000 genomas de los que ya ha reclutado a 70.000 pacientes por la NHS, generando 21 petabytes de datos e involucrando a 1.500 trabajadores del NHS y a 2.500 investigadores. Por otro lado, The Human Microbiome Project (HMP) ha analizado ya más de 15.000 muestras y ha revelado millones de genes expresados por nuestra microbiota, cuyo conjunto se denomina metagenoma. El HMP ha descrito 2.355 metagenomas a partir de muestras de 6 partes diferentes del cuerpo de individuos sanos (fosas nasales, mejilla, dientes, lengua, intestino y cérvix). Este estudio amplía nuestro conocimiento de la diversidad, la dinámica y la función de nuestro microbioma (10).

La secuenciación de estos genomas nos permitirá seguir avanzando en la medicina personalizada y comprender y mejorar el entorno en que vivimos.

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1. Trends in Next-Generation Sequencing and a New Era for Whole Genome Sequencing. Sang Tae Park, Jayoung Kim. s.l. : Int Neurourol J. , 2016 Nov, Vols. 20(Suppl 2): S76–83.
2. NHGRI. https://www.genome.gov/12011238/an-overview-of-the-human-genome-project/.
3. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Sanger F, Nicklen S, Coulson AR. 1977 Dec, Proc Natl Acad Sci U S A, págs. 74(12):5463-7.
4. GP-write, The Center of Excellence for Engineering Biology |. March de 2018. http://engineeringbiologycenter.org/.
5. England, Genomics. genomicsengland. March de 2018. https://www.genomicsengland.co.uk/the-100000-genomes-project/.
6. genomeasia100k. genomeasia100k. March de 2018. http://www.genomeasia100k.com/.
7. White House announces efforts to accelerate precision medicine initiative, New York (NY). GenomeWeb. 1 de Oct de 2016. https://www.genomeweb.com/molecular-diagnostics/white-house-announces-efforts-accelerate-precision-me.