Xenética. Conceptos básicos

Cada ser vivo é como é porque cada unha das súas células formouse a partir dunhas “instrucións biolóxicas” que determinan as súas propiedades e características de todo tipo (grupo sanguíneo, a cor do cabelo, os trazos faciais, o ritmo metabólico… ). Estas instrucións biolóxicas son o que se denomina información xenética, cuxo soporte físico é o ácido desoxirribonucleico (ADN).

O máis característico e esencial é que esa información está contida no ADN mediante o que se coñece como código xenético, unha serie de instrucións de lectura que permiten “ler” un fragmento de ADN para obter a información necesaria para, por exemplo, determinar a cor do cabelo.

O ADN e o código xenético teñen unhas características moi importantes:

1. É moi estable. Aínda que poden producirse alteracións, existen sistemas de detección e de reparación das mesmas.
2. A súa estrutura é relativamente sinxela, baseada na repetición de catro elementos básicos diferentes, denominados nucleótidos, representados polas letras A, C, G e T., que forman cadeas sinxelas de miles ou millóns de nucleótidos. Estes 4 elementos pódense “complementar” formando dúos, sempre iguais: A-T e G-C. Por iso é posible formar unha estrutura bicatenaria, con 2 cadeas sinxelas enfrontadas cuxas secuencias son complementarias xa que fronte a unha A nunha cadea, na outra existe unha T e unha G correspóndese cunha C. Desta maneira establécense unións non covalentes entre elas que estabilizan aínda máis a estrutura.
3. A pesar desta sinxeleza, o material xenético humano, por exemplo, consta duns 3.000 millóns de nucleótidos, que se reparten nun conxunto de 23 pares de cromosomas.
4. A orde de aparición deses nucleótidos, denominada secuencia xenética, é absolutamente esencial xa que é o que determina a información que se esconde no ADN. A lectura desta secuencia realízase por grupos de 3 elementos consecutivos (tripletes) onde é importante tanto qué nucleótidos participan coma a posición interna no triplete que ocupa cada un deles (non se le igual ACT que ATC ou que GCT).
5.  Existen unidades funcionais de información xenética, chamadas xenes, que comprenden toda a secuencia de ADN necesaria para construír unha proteína. Tamén inclúen outras rexións do ADN que regulan este proceso. A secuencia de ADN codificante (exón) non necesariamente é continua e os fragmentos de ADN que se intercalan entre os exóns denomínanse intróns.
6.  Para que a información contida no ADN se poda utilizar é necesario extraela mediante un proceso de lectura en 2 pasos. O primeiro deles, a transcrición, copia a secuencia de nucleótidos dunha porción determinada do ADN noutra molécula moi similar, o ácido ribonucleico mensaxeiro (ARNm). A continuación, a información do ARNm tradúcese nunha secuencia de aminoácidos para formar unha proteína. O tipo de aminoácidos codificado e a súa orde é o que determinan as propiedades últimas desta molécula e, en definitiva, do ser vivo que a contén.
7. A gran maioría (>99%) da secuencia xenética é común a todos os seres humanos.
8. Con todo, existen múltiples pequenas variacións na secuencia, de características moi diversas e distribuídas por todo o xenoma de forma diversa, que fan que cada persoa sexa única e diferente de calquera outra.
9.  E, posiblemente o máis importante, o ADN pode copiarse, mediante un proceso denominado replicación, utilizando a cadea “nai” como molde para unha cadea “filla” cuxa secuencia é complementaria á orixinal e que, en definitiva, almacena a mesma información que a primeira. Esta propiedade é esencial para transmitir a información xenética dunha célula a outra e de xeración en xeración.

Unha persoa recibe a metade do seu material xenético de cada un dos seus proxenitores, cuxa combinación dá un resultado único e absolutamente diferente. Á súa vez, será o material xenético que transferirá aos seus descendentes. Esa combinación de material xenético recibido dos proxenitores e transmitido aos descendentes é o que se chamou “herdanza xenética” e constitúe o proceso básico mediante o cal as especies biolóxicas perpetúanse no tempo.

Ao longo da evolución da especie humana fóronse producindo diversas alteracións estruturais (mutacións) na molécula do ADN. A maioría delas adoitan ser reparadas de inmediato. Pero nalgúns casos estas alteracións non se corrixiron e mantivéronse e transmitíronse ás seguintes xeracións, dando lugar ao que se denomina diversidade xenética.

Estas alteracións estruturais producíronse de forma fortuíta, ao azar. Con todo, algunhas delas é posible que dean lugar a cambios nas características dos xenes aos que afectan e, como consecuencia, ás proteínas que se producen a partir da información deses xenes. O resultado é que o individuo que as presenta pode ter unhas características biolóxicas diferentes. Algunhas delas (p. ex., a pigmentación cutánea, a cor dos ollos, …) non parecen especialmente importantes. Pero nalgunhas circunstancias estas diferenzas biolóxicas proporcionan certas vantaxes adaptativas ao medio (por exemplo, resistencia a unha enfermidade producida por un protozoo, capacidade para comer determinada planta...) que pode facer que os individuos portadores se adapten mellor a determinadas condicións ambientais que os que non as portan e, por conseguinte, prevalezan sobre eles, e sexan seleccionados positivamente. En tales circunstancias (xeralmente confinadas a determinadas localizacións xeográficas ou zonas climáticas) a alteración xenética determinante faise presente nunha parte moi importante da poboación, converténdose así nun trazo distintivo da mesma, que pode servir para identificar os membros desa comunidade humana.

Por conseguinte, non é de estrañar que na poboación humana actual existan multitude de diferenzas a nivel do ADN entre diversas persoas e que delas dependan as diferenzas observables (cor do pelo, dos ollos, grupos sanguíneos, …) ou de tipo funcional.

Ao longo da historia da especie humana houbo grandes desprazamentos xeográficos. As diversas liñas migratorias deron lugar a poboacións que, ata fai relativamente pouco tempo, evolucionaron en paralelo pero de forma independente. Por tanto, algunhas das mutacións acumuladas e favorecidas selectivamente por diferentes factores ambientais (dieta, enfermidades, …), aparecen en determinados grupos de poboación pero non noutros. Así, por exemplo, a poboación de orixe asiática teñen algúns destes elementos xenéticos que están ausentes ou moi pouco representados en persoas de orixe africana subsahariana ou en europeos; o mesmo ocorre con descendentes de grupos aborixes suramericanos, que viviron illados durante miles de anos. Posteriormente, a medida que eses grupos poboacionais fóronse mesturando, os seus descendentes foron combinando os elementos xenéticos diferenciais de cada liña.

Este coñecemento ten interese á hora de realizar estudos de identificación de persoas por 2 motivos:

• Poden analizarse estas variacións xenéticas, o seu conxunto, para identificar a unha persoa e para diferenciala de calquera outra que exista. Mesmo se poden deducir algúns trazos fenotípicos característicos desa persoa (pigmentación cutánea ou dos ollos, por exemplo).
• Permite deducir a súa probable orixe xeográfica ou predicir a súa pertenza a un determinado grupo étnico.

Ao longo do xenoma humano (e tamén noutras especies) identificáronse multitude de rexións nas que a secuencia non é igual en todas as persoas. A forma en que cambia a secuencia destas rexións é moi diversa. A análise da poboación demostrou que para cada unha destas rexións é posible identificar dúas ou máis formas alternativas ou alelos. Por iso se fala de polimorfismos xenéticos.

Nalgunhas ocasións estas rexións polimórficas sitúanse dentro da secuencia codificante dun xene e cada un dos alelos pode determinar unha variante do produto do xene. Noutros casos, a súa localización é a rexión promotora, alterando a cantidade e calidade da expresión do xene. Pero tamén poden aparecer en zonas do ADN que non forman parte dos xenes (o mal chamado “ADN lixo”) de tal modo que os distintos alelos non teñen tradución funcional algunha (polo menos coñecida).

Cada persoa conta con 2 cromosomas: un deles no cromosoma que procede do pai e o outro no cromosoma cedido pola nai. Por conseguinte, para cada unha destas rexións polimórficas terá polo menos 2 destes alelos, un en cada cromosoma. Poden ser iguais (homocigosis) ou diferentes (heterocigosis).

Cada persoa herda dos seus proxenitores un conxunto único e exclusivo de alelos destes polimorfismos xenéticos. O resultado da combinación é único e absolutamente diferente ao de calquera outra persoa (coa única excepción dos xemelgos univitelinos). Por iso, a análise dos polimorfismos xenéticos presentes nos individuos permite establecer un patrón xenético individual para cada un deles, unha pegada xenética individual, que os caracteriza.

O desenvolvemento de técnicas analíticas sofisticadas para o estudo destes polimorfismos xenéticos permite diferenciar as distintas formas alternativas que poden ter cada un deles. Por iso utilízanse como marcadores xenéticos, elementos que serven para diferenciar a unhas persoas doutras.

Por outra banda, ao transmitirse estes elementos xenéticos polimórficos de pais a fillos, xeralmente sen cambios, as persoas, que comparten algún vínculo familiar directo, tamén comparten varios destes marcadores. Os científicos estudaron durante décadas este proceso de transmisión da información xenética e das súas variacións e aprenderon a analizar os seus patróns e a determinar, medindo o tipo de marcadores xenéticos compartidos e o grao de similitude entre diversas persoas, se entre estas existe ou non algún parentesco biolóxico e de que tipo. A aplicación dos métodos de estudo máis modernos permite realizar estas análises cun grao de certeza elevadísimo, case absoluto.

A análise dos polimorfismos xenéticos require un gran coñecemento técnico e experiencia na interpretación dos seus resultados. Só os grupos máis preparados, cos mellores equipos e os profesionais máis expertos, poden obter e analizar apropiadamente esta información para dar uns resultados coa máxima garantía.

Existen varios tipos de polimorfismos xenéticos, que difiren entre si na súa estrutura, distribución, estabilidade e forma de transmisión. Como consecuencia destas diferenzas, utilízanse como marcadores xenéticos de maneira complementaria xa que achegan distintos tipos de información sobre o suxeito e a súa ascendencia que, de maneira combinada, resulta moito máis ampla e útil.

Froito da actividade de investigación durante moitos anos, o INCIFOR dispón do máis amplo repertorio de sistemas de marcadores xenéticos de aplicación en xenética forense. Os máis importantes e útiles son:

• Short Tandem Repeats (STR)
• Polimorfismos de nucleótido único (SNP)
• Cromosoma Y
• ADN mitocondrial
• InDels

Short Tandem Repeats (STR)

Os Short Tandem Repeats (STR) son os marcadores xenéticos máis clásicos e comunmente utilizados. Consisten en fragmentos relativamente curtos (entre 2 e 6 nucleótidos) da secuencia xenética que se repiten un número variable de veces, unha a continuación da outra, sendo ese número o elemento diferenciador entre alelos. A secuencia das rexións flanqueantes a ambos os dous lados son iguais en todos os suxeitos.

Un mesmo STR pode ter varias formas alternativas (alelos) de, por exemplo, 2, 4, 7, 9, 12 e 17 repeticións da mesma secuencia básica. Transmítense tanto por vía materna como paterna de maneira que cada individuo recibe un alelo tanto do seu pai como da súa nai biolóxicos. Así, unha persoa, se é heterocigota, pode ter un alelo de 7 repeticións e outro de 12, por exemplo.

Existen moitos STR descritos, localizados en rexións do xenoma perfectamente identificadas, en todos os cromosomas humanos. Non todos eles son igualmente útiles para as análises xenéticas.

No INCIFOR utilízanse de amplos paneis de STRs, distribuídos por tódolos cromosomas humanos, para os estudos de parentesco biolóxico.

Polimorfismos de nucleótido único (SNP)

Os polimorfismos de nucleótido único (Single Nucleotide Polymorphisms, SNP) son a forma máis sinxela de polimorfismo xenético xa que consisten no cambio dun só nucleótido no contexto dunha secuencia xenética. Distribúense de maneira heteroxénea por todo o xenoma e atópanse tanto nas rexións codificantes (exóns) como non codificantes (intróns e rexión promotora) dos xenes así como nas zonas do xenoma onde non existan xenes coñecidos (ás veces chamado “ADN lixo”).

Describíronse varios millóns de SNP distribuídos por todos os cromosomas humanos, estimándose que a súa frecuencia media, aínda que con grandes variacións segundo cromosomas e rexións dentro deles, é de 1 SNP cada 500-1000 nucleóticos.

Este tipo de polimorfismo ten unha grande importancia biolóxica, xa que determinan a maior parte da variabilidade xenética dos individuos, causando moitas das diferenzas fenotípicas (observables) dos mesmos. Crese que se trata de mutacións puntuais acaecidas en diferentes momentos da historia evolutiva da especie e que, no seu momento, foron estabilizadas no xenoma humano por conferir algún tipo de vantaxe adaptativa ao medio nese momento (por exemplo, maior capacidade metabólica ou de detoxificación ao inxerir un novo tipo de alimento) ou por non conferir ningunha desvantaxe.

Dende o punto de vista médico tamén teñen unha gran relevancia pois as diferentes alternativas dun determinado SNP poden determinar, por exemplo, diferente propensión a desenvolver unha enfermidade, unha maior agresividade clínica da mesma ou diferenzas na forma de responder o tratamento.

Dende a perspectiva da Xenética Forense o seu estudo ten especial interese porque, para moitos deles, as diferentes formas alternativas dos mesmos aparecen con moita maior ou menor frecuencia nas persoas procedentes de determinadas rexións xeográficas ou cunha ascendencia determinada. Por iso, a súa análise pode axudar a determinar se unha persoa en estudo procede ou non dunha determinada orixe xeográfica e comparar esta información coa das outras persoas. Adicionalmente, teñen a vantaxe de que, ao ser estruturalmente tan sinxelos (un só nucleótido), adoitan ser identificables mesmo en situacións nas que o ADN da mostra está moi degradado (p. ex. restos óseos antigos) e outros marcadores (p. ex. os STR) non están conservados.

O INCIFOR dispón dunha serie de 52 SNPs localizados nos autosomas que poden utilizarse para complementar aos STR na análise en mostras altamente degradadas nas que a identificación e filiación das persoas mediante análises de STR é moi difícil.

O INCIFOR tamén desenvolveu outro panel de 34 SNPs que pode utilizarse para determinar a orixe xeográfica dunha persoa, distinguindo entre procedencia africana (subsahariana), asiática e europea. Este panel pode completarse con outros máis específicos como o PYMA, específico para nativos americanos, e o PACIFICPLEX, para aborixes das illas do Pacífico.

Polimorfismos de cromosoma Y

Os polimorfismos dos cromosomas sexuais (X e Y) teñen as mesmas características que os localizados nos autosomas. O seu principal interese desde o punto de vista forense é que, no caso dos que asintan no cromosoma Y, ao transmitirse exclusivamente por vía paterna, permiten establecer relacións de parentesco biolóxico a través da rama paterna. Teñen tamén un gran interese como elementos de análises da orixe xeográfica das persoas.

Polimorfismos do ADN mitocondrial

As mitocondrias son organelas intracelulares que interveñen fundamentalmente nos procesos de xeración de enerxía (a respiración celular). Conta co seu propio material xenético formado por ADN, con certas peculiaridades estruturais. De entre elas, destaca que o ADN é bicatenario, circular e preséntase en múltiples copias (>1000) nunha mesma célula. Más do 93 % do ADN mitocondrial é codificante (fronte a tan só o 1,5 % do ADN nuclear) e os seus 37 xenes, varios deles superpostos sobre a mesma secuencia, non teñen intrones.

Un dos aspectos máis relevantes das mitocondrias é que só proceden da nai, xa que se atopan no citoplasma do óvulo fecundado polo espermatozoide (que só achega o núcleo ao novo organismo recentemente constituído). Por tanto, o material xenético mitocondrial de calquera individuo hérdase exclusivamente por vía materna.

Describíronse múltiples marcadores deste tipo localizados nas rexións codificantes do ADN mitocondrial. O seu interese forense radica na forma de transmisión da información xenética mitocondrial que permiten establecer relacións de maternidade entre suxeitos, mesmo cando o material xenético dispoñible non está ben conservado.

Dentro do xenoma mitocondrial atópase a rexión control na que existen 2 zonas, denominadas “rexións hipervariables” (HSV1 e HSV2), onde se acumulan de forma preferente os polimorfismos. As secuencias da rexión control poden ser analizadas facilmente e utilizarse para comparar as mostras de diferentes suxeitos.

En determinadas ocasións a análise da rexión control ten un poder limitado polo que tamén se identificaron múltiples SNPs na rexión codificante do xenoma mitocondrial. A principal utilidade no campo forense do ADN mitocondrial é no esclarecemento de relacións de parentesco por vía materna, sobre todo cando o material biolóxico de partida está mal conservado e existe unha importante degradación do ADN que dificulta a análise doutros marcadores polimórfimos autosómicos.

InDels

En múltiples rexións do xenoma prodúcense fenómenos de inserción ou deleción (InDel) dun ou varios nucleótidos, de tal forma que o xenoma de diversos individuos diferénciase neste aspecto, sen que sexa posible saber se un é o resultado dunha deleción ou o outro se debe a unha inserción. Salvo se o segmento inserido ou delecionado é múltiplo de 3, o resultado destes cambios é unha modificación do marco de lectura, da composición dos tripletes de nucleótidos do ADN.

Os indels son moito menos frecuentes nas rexións codificantes que nas non codificantes.

Os indels están a ser actualmente estudados desde o punto de vista da xenética forense porque poden utilizarse como marcadores polimórficos que axuden a diferenciar entre diversos individuos e a analizar a procedencia xeográfica ou a pertenza a determinados grupos poboacionais.