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La publicación en 1953 del modelo de la dobl.e hélice,por Watson y Crick, marca un hito en la CIenCia al

comprender cómo la hebra del AnN codifica la secuenciade aminoácidos de una proteina en el orden lineal de susbases. Además, en la doble hélice se encuentra laexplicación de cómo el código genético se replica y se pre­serva para las siguientes generaciones. Con este hechosurge la revolución del ADN . Poco tiempo después se pudodescifrar el enigma del código genético y de cómo setranscribe y se edita en ei núcleo de la célula en la molé­cula mensajera de ARN y de cómo ésta viaja del núcleo alcitoplasma para ser traducida en una protefna. Tan s610dos décadas después del modelo de Watson y Crick surgela ingeniería genéticacon el descubrimientode las enzimas de restric­ción que permiten cor­tar y manipular el ADN .

Encadenado con estehallazgo se genera laprimera unión de dosfragmentos de ADN deorigen distinto, unobacteriano y el otro eu­cari6tico, originando laclonación de la informa­ción genética.

En 1995 se gesta unnuevo paradigma en las ciencias biológicas -la eragenómica- como consecuencia de la publicación de la se­cuencia completa del genoma del primer organismo vivo,la bacteria y agente causal de la gripe, Haemophilusinfluenzae. Este logro titánico -el descifrar el libro de lavida- sin duda se debe a la sinergia entre varias discipli­nas tales como las matemáticas, la computación y la bio­logia. En estos dlas es dificil llevar la cuenta de losorganismos cuya secuencia de genomas se ha concluido o

Investigadora titular C. Investigadora nacional nivel 111 .Cuenta con más de 50 publicaciones y es experta enbiología molecular y genética de plantas

.. Investigador titular C. Investigador nacional nivel 111.C~enta con más de 50 publicaciones y es experto enbiología molecular y señalización entre microorganismos yplantas

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está en vias de ser descifrada (en el orden de 450). Entreéstos se encuentran algunas bacterias patógenas y bené­ficas para plantas y animales; dos levaduras; protozoarios;un nemátodo (Caenorhabditis e/egans); la mosca de lafruta (Drosophila me/anogaster); una planta silvestre, elorganismo modelo por excelencia de la genética de lasplantas, Arabidopsis thaliana, y ia secuencia de dos varie­dades de un cereal del cual depende la alimentación demás de la mitad de la población dei planeta, el arroz (Orizasativa japonica y O. s. indica). Asimismo, la secuencia dedos organismos modelo de vertebrado están muy cercanasa concluirse, la del ratón (Mus muscu/us) y la del pez ce­bra (Danio rerio). Hace unas cuantas semanas fue

publicada la secuenciadel pez globo (Fugurubripes), el vertebradocon el genoma más pe­queño que se conocehasta la fecha, apenasun octavo del tamanodel genama humano. Esinteresante mencionarque el número de genesidentificados en sus 365millones de bases deADNes aproximadamente elmismo, entre 35 mily40mil, que los de iosgeno­

mas de humano y de ratón (Aparicio et a/., 5cience 1301­1310, 2002).

Si bien es cierto que este pez pequeno, consideradocomo un manjar en la cultura culinaria japonesa, no es aúnun organismo modelo, ha contribuido a la identificaciónde cerca de mil genes putativos del humano. Además, hasido un modeio de la eficiencia y coordinación de esfuer­zos que permiten concluir la secuencia de su genama conun tiempo récord de tan sólo 18 meses y un costo de 12miliones de dólares.

Desde luego, el reto más ambicioso ha sido hasta elmomento la secuencia del genoma humano (Hornosapiens) por la trascendencia, las implicaciones Y elesfuerzo compartido que ha significado descifrar ungenoma de tales dimensiones (Baltimore, 2001).

Las técnicas de secuenciacién del ADN han evoluciona·do .. una veiocidad vertiginosa. Tan sólo en dos. décadas

ha pasado de ser una técnica de eleetroforesis en gel, com­plicada y lenta, a una altamente sofisticada, totalmenteautomatizada y muy eficiente. De tal suerte que la canti­dad de información generada y disponible en las basesde datos es tan grande que se ha requerido avanzar hacianuevos horizontes en la estadística y la informática, paradar origen ala bioinformática. Esto ha permitido comparar,extraer y dar sentido a la información, de tal forma queésta se traduzca en nuevo conocimiento. No sólo es im­portante conocer la secuencia contenida en el libro de lavida -el genoma- sino también estudiar cómo esta infor­mación se expresa en un momento particular de la vidade un organismo. El estudiar el universo de moléculas deARN -el transcriptoma- que se producen en la célula, sig­nifica un incremento en varios órdenes de magnitud enla complejidad de la Información, pues las moléculas deARN se editan y procesan, es decir, un mismo gen puede darorigen a muchas versiones de diferentes copias de RNA.

Asimismo, el universo de protelnas de una célula -elproteoma- que se genera cuando el ARN es traducido auna secuencia de aminoácidos, significa otro salto cuánticoen la complejidad de la información que se obtiene, pueses común que a las proteínas se les adicionen moléculascomplejas de IIpidos o azúcares y otras modificaciones quealteran sus propiedades fisicoqufmicas y, por lo tanto, sufunción en la célula.

Finalmente, un reto de proporciones descomunales esel estudio dei perfil metabólico que produce un organis­mo en un momento dado -el metaboloma-. Esta tecnolo­gía poderosa y emergente permite incrementar conrapidez nuestro entendimiento de los procesos biológi­cos fundamentales y tendrá un impacto industrial, tera­péutico y social de proporciones muy grandes.

Esta cadena de paradigmas que se originan de conocerla secuencia del genoma es reconocida como una nuevarevolución en las ciencias biológicas:

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LA ERA POSGENOMICA

En este ensayo revisaremos el impacto que está generan­do el advenimiento de la era posgenómica en las plantas,en lo que se ha denominado la nueva revolución verde,porque permite entender y aplicar el conocimiento desdeuna perspectiva holística y no exclusivamente enfocadaal incremento en la producción de los cultivos sin tomaren cuenta el impacto en el medio ambiente y la salud.

LA NUEVA REVOlUCiÓN VERDE

Las plantas son la base de la vida sobre la tierra. Enmuchos sentidos las plantas son organismos más exitososque los animales: fueron los primeros en colonizar la su­perficie de nuestro planeta. Aún ahora son capaces decrecer en lugares donde ningún animal podría existir. Lasplantas alcanzan tamaños mucho mayores que cualquieranimal, pueden vivir por periodos más largos y son ca­paces de producir su propio alimento, en tanto que los

animales dependen totalmente de ellas. Por muchos crj.terios, podriamos decir que la vida vegetal domina laTierra. De estos organismos, las plantas con flores(angiospermas) constituyen un éxito en la evolución re­cieme: a pesar de haber surgido hace 200 millones deaños, hoy dia existen 250 mil especies que predominanen casí cualquier ecosistema terrestre y acuático, y entreras que podemos encontrar a la mayorla de las que nossirven de alimento. Un hecho asombroso es la grandiversidad de formas y de compuestos químicos que sepueden encontrar en todas ellas. Sin embargo, debidoasu reciente diversificación, uno podría esperar que lamayoria de los genes identificados en alguna de estasespecies tengan alguna contraparte en las otras. Por ello,conocer la información contenida en el genoma dealgunas de estas especies sería de gran valor paraentender su evolución y los mecanismos involucrados ensu crecimiento y reproducción, así como en sus estrate·

COMPARACiÓN ENTRE LOS TAMAfilos DE lOS DIFERENTES GENOMAS

16,000 Mpb TrIgo}

4,100 Mpb Chícharo

3,000 Mpb Humano

2,500 Mpb Melz

1,800 Mpb Papa

1,100 Mpb Soya

1,000 Mpb Jltomate

7110 Mpb Alfalfa

6000 Mpb FrijOl

420 Mpb Arroz

a 140 Mpb Canol8

I 125 Mp.b. Arabidop,is

4,800 Mpb Cebada

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gias adaptativas (defensa contra plagas, tolerancia aambientes adversos, etcétera).

En diciembre de 2000 se concluyó la secuencia delgenoma de la primera planta, conocida como Arabidopsisthaliana, pariente cercana de la mostaza y de la coliflor(The Arabidopsis Genome Iniciative, 2000). Tomó cuatroaños descifrar la secuencia del genoma nuclear, que constade aproximadamente 125 millones de pares de bases. LaArabidopsis ofrece muchas ventajas (es un organismomodelo); el tamaño de su genoma es de los más pequeñosque se conocen entre las plantas y en general de otroseucariontes, alrededor de 32 veces más pequeño que elgenoma humano (tabla 1). El tamaño de la planta y ciclovital de entre dos y tres meses ofrece muchas ventajas.Así, la mayoria de los procesos del desarrollo, como la for­mación de hojas, tallos, flores y semillas, así como los procesosfisiológicos como la fotosíntesis, tienen su contraparte enlos genes que controlan estos procesos en otras plantascomo el maíz, el arroz o el trigo.

Una de las herramientas más poderosas con las que secuenta en la biología vegetal desde hace 17 años ha sidoprecisamente la A. thaliana, una planta que, además delo pequeño de su genoma y de su talla, ha resultado serun buen modelo para realizar experimentos de genéticamolecular. Las ventajas de esta planta llevaron a obtenerla secuencia completa de los nucleótidos contenidos ensu genoma. El conocimiento que este logro trajo consigoha representado el avance más importante de este milenioen la biologia vegetal.

La información codificada en el genoma de esta hierbanos deja ver que las plantas son mucho más complejasque lo que muchos biólogos se habían imaginado. Se havaticinado que la Arabidopsis posee un número sorpren­dentemente alto de genes -aproximadamente 26 mil-.Sin embargo, también como producto del análisis de lasecuencia obtenida resulta asombroso el hecho de quecerca de 70 por ciento del genoma de la Arabidopsis se haduplicado, lo cual permite predecir que sólo hay alrede­dor de 15 mil genes diferentes. Asimismo, gracias a unanálisis más exhaustivo de la secuencia de su genoma, seha podido comprobar que este pequeño genoma está or­ganizado en cinco cromosomas, como resultado de la pér­dida de genes y de múltiples arreglos de sus cromosomas.Así, este estudio permite afirmar que el número de genesdiferentes en la Arabidopsis sólo es ligeramente mayor al

de la mosca de la fruta -13 mil 600- y menor que elcalculado para el gusano nemátodo Caenobarditis elegans-18 mil 424--, Por otro lado, la diversidad funcional entrelos genes identificados parece ser muy similar a la encon­trada en la mosca y en el C. e/egans, ya que los genes deestos tres organismos se pueden clasificar en 11 mil tiposdiferentes de proteínas. Esto indica que ésta es la com­plejidad mfnima que se requiere para que diferentes or­ganismos multicelulares se desarrollen de manera normaly respondan adecuadamente a los ambientes que losrodean. Resulta interesante el hecho de que a pesar deque la Arabidopsis comparte la gran mayorla de las fami­lias de proteínas con estos organismos multicelulares,también presenta muchas familias de proteínas nuevas ycarece de varias familias de proteínas comunes. Se ha es­peculado que el tamaño pequeño de los genes de laArabidopsis representa una ventaja selectiva, ya que estole ha permitido tolerar una mayor reorganizacióngenómica. Entre más pequeños sean los genes, es menosprobable que éstos se lleguen a interrumpir en este pro­ceso. La presencia de genes compactos también pareceser común en otras plantas que poseen genomas demayores dimensiones. Sin embargo, la distancia entre es­tos genes suele ser de diez a cien veces mayor que en elcaso de la Arabidopsis .

¿Por qué la multiplicación de ciertos genes se ha selec­cionado en las plantas? Aunque aún nos falta mucho pordescubrir, la información genómica y genética nos hablade que muchos de los genes duplicados en algunas espe­cies vegetales tienen funciones únicas. Esto se ha explica­do a través de mutaciones que se han generado en lasregiones regulatorias. detal manera que se pueden tenergenes duplicados que se expresen diferencialmente du­rante el desarrollo, o bien, en respuesta a cambios am­bientales. También es posible que mutaciones en estosgenes hayan dado como resultado proteínas con funcio­nes ligeramente diferentes. Así se puede imaginar que laevolución de las plantas que florean pudo haber comen­zado con material genético duplicado, el cual se modificóy seleccionó paulatinamente para producir estructuras ycompuestos nuevos, algunos de ellos especificos para cadaespecie.

Aproximadamente 40 por ciento de los genes de laArabidopsis (y de otros genomas) todavía no tienen asig­nada una función. El descifrar esto puede tomar varios años,

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por lo que la genética, la fisiología yla bioquímica, en conjunción sinérgíca,en lo que se conoce como la genómicafuncional, es vital para alcanzar esteobjetivo

La revolución posgenómica, en elestudio de la Arabidopsis y susmutantes, ha permítído entender pro­cesos fundamentales como la respues­ta de la planta al medío ambiente (luz,temperatura, sequía) y a microorga­nismos patógenos como los virus, lasbacterías o los hongos. El perfil meta­bólico durante el desarrollo de la planta y en respuesta acambios fisiológicos, aun durante un día en la vida de laplanta, es ya una realidad. Con la secuencia del genoma dela Arabidopsis es posible identificar muchos de los genesque participan en los procesos arriba mencionados deuna manera más fácil para posteriormente buscarlos en unaplanta cultívada de interés agricola.

Las plantas producen sus propias vitaminas ycatadores, y son el primer punto de concentración decompuestos esenciales como el fosfato, el hierro, el zinc,el magnesio, el potasio y todos los otros nutrientes mine­rales necesarios en la dieta animal. Por otro lado, el me­tabolismo complejo de las plantas les permite sintetizarcompuestos secundarios, los cuales no son esenciales parala vída de la planta, y muchas veces son especificos degénero o especie. Se ha estimado que las plantas queflorean son capaces de producir por lo menos cien milcompuestos secundarios diferentes. Muchos de estos com­puestos no se encuentran en animales y son fuente decolores, sabores, fragancias y de la mayoría de los medi­camentos que usamos. Aun cuando no todas las plantasson capaces de sintetizar todos estos compuestos o meta­bolitas, en la Arabidopsis existen los genes necesariospara producir las moléculas precursoras de estos produc­tos secundarios.

LA EVOlUOON Y ESTABIUDAO DEL GENOMA VEGETAL

Desde hace varios mileníos, la acción dírígida del hombreha tenido un papel fundamental en la domesticación ypropagación de muchas plantas. La era posgenómica haayudado a entender por qué los genomas de las plantasson tan dinámicos. Algunos pastos y cereales, como el trigo

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(Tritieum aestivum) y la cebada(Hordeum vulgare) son enOtlllel,ci nco y 1.5 veces mayores que eldel genoma humano (tres mil 200millones de pares de bases),respectivamente. Hace unos 50años, la doctora Barbara McOIn­tock, después de observar la pig­mentación inestable de los granasde maíz, propuso que un típo deAON era capaz de brincar, produ­ciendo efectos visibles al integrar·se cerca o dentro de algunos

genes. Esto fue el concepto que mereció el premio Nobely que ella denominó como "elementos de transposición-oSi bien primero fueron descritos en las plantas, están pre­sentes en todos los eucariontes y han tenido un papel fun­damental en el diseño y evolución del genoma. Las cienciasgenómícas han cambiado la manera de estudiar estos ele­mentos (Feschotte etal., Nature ReviewGenetics, 329-341,2002) permitiendo el estudio de un gran número de ellos,así como rastrear su origen y evolución. La actividad re­ciente de los elementos de transposición es responsablede la variación en el tamaño de los genomas de plantasreladopadas entre sí, por lo que no resulta sorprendenteencontrar que los elementos de transposición que inducennuevas inserciones, constituyen una fracción muy peque­ña de todos los elementos en el genoma. Los elementosde transposición pueden constituir hasta entre 50 Y SOpor ciento del genoma de algunos pastos, de ahí laimportancia de despertar algunos de estos "geníos doromidas" bajo ciertas condiciones de estrés y en ciertosfondos genéticos mutantes, precisamente por su granpotencial de reestructurar y acelerar la evolución de losgenomas de las plantas.

La disfunción completa de un gen es generalmente lamanera más directa para entender cuál es su posible fun­ción. Ya que no existe un método de recombinaci6nhomóloga o de interrupción dirigida de un gen, como enla levadura y el ratón, la inserción al azar de elementosde transposición, como el TONA y el sistema cojos del maiz,son las armas genéticas más poderosas con que se cuentapara generar tanto mutantes nulas como para activargenes, en lo que se conoce como las "trampas genéticas"(Page y Grossníklaus, 2002).

LA GENOMICA COMPARAn\:-

La genómica compar 'va ha aportadograndes beneficios pa i ,~ntender el ori­gen y evolución de genoma de laArabidopsis y de otros '.nomas de plan­tas. Sin duda, las com, lraciones previasque se hicieron entre e' genoma de ésta ylos de la levadura, la ,"osca de la fruta,un nemátodo y varios vertebrados hanaportado datos funcionales de algo como70 por ciento de los genes de la Arabi­dopsis a las distancias evolutivas que separan a estasespecies. las restringen la comparación a las regionescodificadoras exclusivamente.

Si se considera válido medir la importancia de la se­cuencia de un genoma por sus beneficios prácticos, sinlugar a dudas la secuencia del genoma del arroz (Oryzasativa), del cual depende la más de la mitad de la pobla­ción mundial, ocupa un iugar destacado (Yu, etal., Science296,80-92,2002; Golf, et al., Science 296,92-100,2002).Además, el arroz es un buen modelo para otros pastos,incluyendo los otros cereales importantes como el maíz yel trigo. Al hacer la coMparación obiigada con el genomade la Arabidopsis se encontró que 85 por ciento de susgenes tienen sus horr.ólogos correspondientes en el arroz.Sin embargo, s610 ~() por ciento de estos genes tienenhomólogos en la Arahidopsis, sugiriendo un evento masivode duplicación en la historia evolutiva del arroz. Alrede­dor de un tercio de los genes homólogos entre el arroz yla Arabidopsis son plantas específicas y aproximadamen·te 30 por ciento de los genes más altamente conservadosentre ambas plantas no tienen asignada aún una funciónparticular.

Otro ejemplo lo ofrece la reciente comparación delconjunto de genes únicos de una crucífera como laArabidopsis, una solanácea como el tomate (Lycopersicumsculentum) y una leguminosa como la Medicagotruncatu/a, lo que sugiere fuertemente que los genes muyconservados entre pares de especies tienen una alta pro·babilidad de estar conservados entre otras especies deplantas. Así, la genómica comparativa tiene aplicacionesvaliosas para el mapeo de los genes en los cromosomas,para la generacíón de marcadores moleculares y pararealizar estudios filogenéticos (Hall, et al., 2002; Van derHoeven, et al., 2002).

Como se mencionó, el genoma demuchas plantas es tan grande que hace In.viable en este momento obtener su secuen­cia completa. Tal es el caso del trigo. lacebada y el tomate. Si bien preguntas rel..vantes como la evolución de los genes y susfunciones no serán contestadas hasta quese cuente con la secuencia completa delgenoma, por lo pronto la secuencia de losAANS de genes expresados (,m) en todo elorganismo (hoja, rafz, tallo, fruto, flor) pero

mite generar información muy valiosa. Por ejemplo, sepuede tener un estimado del número de genes presentesen esa especie en particular y la comparación con el con­junto de genes únicos con otras plantas, lo que facilitaencontrar sus equivalencias funcionales.

Del análisis de los diferentes grupos (11 mil familias)en los que se han clasificado los genes en el genoma de laArabidopsis. se concluye que los genes biosintéticos ymetabólicos son mucho más numerosos en esta planta queen otros organismos eucarióticos conocidos, los cualescomprenden aproximadamente 10 por ciento del genoma.Esto no resulta sorprendente si pensamos en que lasplantas tienen que llevar a cabo múltiples transaccionesmetabólicas entre el mundo orgánico e inorgánico. lasplantas utilizan la energfa solar para convertir el dióxidode carbono en azúcares, en polimeros de carbohidratos yen Iipidos. También reducen los iones nitratos y sulfatospara sintetizar aminoácidos.

Conforme sea posible obtener la secuencia de losgenomas de diferentes especies vegetales, podremos con­tar con bancos de datos que serán analizados para obtenerinformación en cuanto a la historia evolutiva de unaespecie particular, o bien analizar los espectros de la diver·sidad entre ellas. Esto nos deja ante la posibilidad In·valuable de contar con bancos de germoplasma y coninformación bien clasificada que nos permita explotar ra­cionalmente nuestros recursos, asf como planear el cuida·

do de los mismos.

LA GENOMtCA OEL FRUOllN LA UNAM

Para México deberla ser de especial interés el desarrollodel proyecto genómico del frijol (Phaseo/uf VlJlg.rls). Eltama~o de su genoma (600 millones de pares de bases) esde los más peque~os de las plantas superiores de Imper-

UNIVE~SIDAD DE MbICO

tancia socioeconómica, junto con el del arroz. El proyectogenómico del frijol representa para México una oportu­nidad única por varias razones fundamentales:

1) Es un cultivo estratégico, estrechamente ligado anuestra cultura, ya que fue domesticado y se cultiva des­de hace varios milenios en nuestro país.

2) México es centro de origen y de especiación impor­tante, donde existe una gran diversidad de variedades,tanto cultivadas como silvestres, del género Phaseo/us.

3) Desde hace varios años, existe en la UNAM un proyectogenómico pionero que estudia la bacteria que fijanitrógeno (Rhizobium etlt) en simbiosis con el frijol.

4) Finalmente, existe la capacidad, tanto en la UNAM comoen diversas instituciones de educación superior yorganismosgubernamentales de nuestro país, de establecer grupos aca­démicamente sólidos que estudian diversos aspectos tan­to de la bioquímica, la fisiología, la genética y la biologíamolecular y celular del frijol.

La posibilidad de consolidar al frijol como un organis­mo modelo y de catalizar el estudio sistemático de la se­cuencia y expresión de su genoma tendrá un gran impactoen los programas de mejoramiento genético y de la pre­servación de la biodiversidad de este cultivo.

~ste es un proyecto detonador en el marco de las cien­cias genómicas que se desarrolla en la UNAM.

El. FV1WO

El reto al que se enfrenta la comunidad cientlfica en lospróximos años es integrar la información generada de lasecuencia del genoma, del transcriptoma, del proteoma,del metaboloma y fenoloma <el cambio fenotfpico obser­vado) de una célula, órgano, individuo en una condiciónpatológica, estado fisiológico o del desarrollo particuiar.Ciertamente, estamos parados ante el umbral de unmilenío donde la revolución de la era genómica sólo tie­ne la frontera de nuestra imaginación.

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REFERENCIAS

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