Primer catálogo de todas las posibles “cicatrices” en el ADN humano

Unos científicos han identificado los 20.000 tipos de “cicatrices” que quedan en el ADN humano reparado tras una rotura. Después las han organizado en un catálogo, el reparoma humano, que queda a disposición de la comunidad científica mundial en una web.

El logro es obra de un equipo de especialistas del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) en España.

El reparoma humano brinda una información muy valiosa como conocimiento básico, pero también desde el punto de vista médico. Por ejemplo, poder interpretar el patrón de cicatrices en las células tumorales de un paciente puede ayudar a determinar el mejor tratamiento para cada cáncer.

“Es un trabajo ambicioso, que esperamos que se convierta en un recurso verdaderamente útil en la investigación oncológica y también en la práctica clínica”, dice Felipe Cortés, jefe del grupo de Topología y Roturas de ADN del CNIO y autor principal del trabajo.

Para Ernesto López, uno de los primeros autores del estudio, “ha sido un esfuerzo arduo y concienzudo porque son unos 20.000 patrones, tantos como genes en el ADN humano”.

Miembros del equipo de investigación. De izquierda a derecha: Israel Salguero, Daniel Giménez, Ernesto López y Felipe Cortés, todos del CNIO. (Foto: Marina Bejarano / CNIO)

Reparaciones que dejan huella

El ADN está en todas nuestras células y es la molécula de que están hechos los genes, las instrucciones moleculares que dirigen el funcionamiento del cuerpo. Pero el ADN sufre roturas continuamente, por el propio funcionamiento celular y a menudo por motivos tan cotidianos como la exposición al sol. Son heridas peligrosas, que la célula debe reparar para sobrevivir.

Las reparaciones, no obstante, dejan huella. Cada reparación deja tras de sí un rastro de alteraciones genéticas, de mutaciones. Los investigadores hablan de “huella mutacional” o, metafóricamente, de las cicatrices que quedan tras la reparación.

Esas huellas encierran una información altamente codiciada. Igual que las marcas en la piel son distintas tras un corte y una quemadura, las alteraciones en el ADN tras una reparación delatan el tipo de daño sufrido.

También revelan otros detalles sobre, por ejemplo, cómo la célula ha reparado la rotura. En la piel, la cicatriz dice al ojo experto el punto de sutura empleado; en el ADN, la huella mutacional dice qué mecanismos de reparación ha usado la célula.

Así, decodificar la cicatriz para entender el daño original, y su reparación, es importante en muchas áreas de investigación y específicamente en cáncer. “Es algo muy relevante para el tratamiento del cáncer, porque muchas terapias oncológicas funcionan precisamente provocando roturas en el ADN”, explica Cortés.

A menudo los tratamientos oncológicos dejan de funcionar porque las células tumorales aprenden a reparar las roturas que producen los fármacos, con lo que los tumores se hacen resistentes a la terapia. Entender cómo la célula repara las roturas en cada caso puede ayudar a vencer las resistencias.

Hay un detalle que da sentido al reparoma humano: el patrón de cicatrices que queda en el ADN de una célula es diferente según qué genes falten o estén presentes.

Este punto es clave, porque ha hecho posible el actual avance. El logro del grupo del CNIO ha consistido en desvelar cómo cada uno de nuestros genes afecta a las cicatrices. El reparoma humano contiene todos los patrones de cicatrices posibles: contempla la huella mutacional provocada por roturas en el ADN en 20.000 poblaciones de células diferentes.

De esta forma, “si se observan unas cicatrices determinadas en el ADN de tumores se puede inferir qué genes no están funcionando, y esto es útil para diseñar tratamientos específicos”, explica Cortés.

Apagar cada uno de los 20.000 genes humanos

La elaboración del reparoma humano ha exigido por tanto una labor exhaustiva. Los investigadores del CNIO generaron unas 20.000 poblaciones celulares distintas, inhabilitando (apagando) un gen diferente en cada una de ellas; después provocaron roturas en cada una de ellas, utilizando la herramienta de edición genética CRISPR. Finalmente observaron la huella (cicatriz) que quedaba en la molécula después de que la célula reparara la herida.

Uno de los principales avances que han hecho posible el estudio ha sido realizar este análisis masivo simultáneamente en las 20.000 poblaciones, y no una a una. Es un desarrollo tecnológico específico que tiene valor por sí mismo y, “puede emplearse para futuros estudios que pretendan analizar simultáneamente el efecto de todos los genes humanos”, señala Israel Salguero, uno de los primeros autores del estudio.

Además, “esto ha requerido de un importante esfuerzo computacional, incluyendo el desarrollo de nuevas herramientas de análisis y representación”, señala Daniel Giménez, investigador del grupo de Dinámica Cromosómica del CNIO, también coautor del estudio.

Por esta razón participan en esta investigación también los grupos de Oncología Computacional y de Integridad Genómica y Biología Estructural del CNIO.

Una ‘cicatriz’ asociada a cáncer de riñón

Tal como señalan los autores del estudio, el reparoma es un catálogo que muestra cómo cada uno de los aproximadamente 20.000 genes humanos influye en los patrones de mutaciones que son consecuencia de la reparación de roturas del ADN. Este catálogo puede aportar información sobre los mecanismos de reparación del ADN, mejorar la edición de genes y explicar los patrones de mutación observados en el cáncer.

El portal web del reparoma humano permitirá a investigadores de todo el mundo consultar rápidamente cómo cualquier gen humano afecta a la reparación del ADN, analizar correlaciones funcionales entre genes y explorar rutas moleculares implicadas. Sus autores consideran a este catálogo una plataforma para nuevos descubrimientos.

De hecho, los autores del reparoma humano han hecho ya varios hallazgos gracias a este. Entre estos hallazgos, hay nuevas proteínas implicadas en la reparación del ADN, tanto promoviéndola como impidiéndola. También han descubierto un patrón de mutaciones asociado al cáncer de riñón así como a condiciones de baja oxigenación (hipoxia) en otros tumores. Es un descubrimiento del que podrían derivarse nuevas estrategias terapéuticas en un futuro.

El reparoma humano contempla específicamente la reparación de uno de los tipos de daño más grave que puede sufrir el ADN: la rotura de doble hebra (en inglés DNA double-strand breaks (DSBs)). Consiste en la rotura simultánea de las dos cadenas de la doble hélice de la molécula ADN, y puede ocurrir por un error durante la replicación del ADN o por factores externos, como la exposición a rayos X, a luz solar (radiación ultravioleta) o a fármacos.

De hecho y como ya se ha dicho, la quimioterapia y la radioterapia oncológicas matan a las células tumorales provocando este tipo de roturas, de ahí la importancia biomédica de entender cómo se reparan y de averiguar cómo evitar la reparación. El conocimiento del reparoma humano puede en ese sentido ayudar a identificar nuevas dianas terapéuticas.

Los autores del catálogo también esperan que contribuya a mejorar las actuales herramientas de edición genética, ya que los nuevos sistemas CRISPR-Cas se basan precisamente en la inducción de roturas para provocar cambios específicos en el ADN.

“Comprender en profundidad cómo operan los mecanismos de reparación de las roturas de doble cadena (…) es un área de extraordinario interés, con implicaciones para la salud humana, incluyendo la biología y el tratamiento del cáncer, así como para nuestros esfuerzos hacia un control total de las tecnologías de edición genética CRISPR-Cas”, argumentan los autores del catálogo.

El equipo presenta su catálogo en la revista académica Science, bajo el título “A comprehensive genetic catalog of human double-strand break repair”. (Fuente: CNIO)