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La secuenciación del genoma neanderthal arroja resultados sorprendentes, y abre una nueva puerta para futuros estudios.

El velo de misterio que rodea a nuestros extintos primos homínidos, los neanderthales, ha sido levantado (al menos parcialmente), revelando resultados sorprendentes.

Los neanderthales son los parientes homínidos más cercanos de los humanos modernos. Las dos especies co-existieron en Europa y en Asia occidental hasta hace unos 30 000 años.© American Museum of Natural History(pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de los EE.UU. y del Instituto Conjunto del Genoma (JGI) han secuenciado ADN genómico procedente de huesos fósiles neanderthales. Sus resultados demuestran que los genomas de los humanos modernos y de los neanderthales son al menos un 95,5 por ciento idénticos, pero que a pesar de esta similitud genética, y de que las dos especies cohabitaron la misma región geográfica durante miles de años, no hay evidencia de ningún entrecruzamiento significativo entre ambas.

Basados en estos resultados iniciales, Homo sapiens y Homo neanderthalensis compartieron por última vez un ancestro común hace aproximadamente 700 000 (setecientos mil) años.

En un artículo publicado en el número del 17 de noviembre de 2006 de la revista Science, un equipo de investigadores encabezado por Edward Rubin, director de las divisiones genómicas de JGI y de Berkeley Lab, informa sobre el desarrollo de una “biblioteca metagenómica neanderthalense”, que los científicos utilizaron para caracterizar a más de 65 000 pares básicos de ADN de origen neanderthal. Sus resultados no solamente proporcionan nueva información sobre los neanderthales, sino que también indican el camino hacia una nueva estrategia para el estudio de aspectos de la biología neanderthal que quizás nunca serían evidentes en fósiles o en artefactos arqueológicos.

Además, la tecnología descrita en el artículo marca también un importante avance en el campo de la metagenómica, la que está siendo utilizada cada vez más para la secuenciación de mezclas complejas de microbios descubiertos en el medioambiente. Las técnicas metagenómicas son consideradas cruciales para la explotación del potencial de los medioambientes terrestres que contienen más microbios exóticos, a los efectos de encontrar soluciones basadas en la biología para los problemas de la producción de energía renovable, de la limpieza medioambiental, y de la captura del carbono, así como para realizar avances en áreas críticas tales como la agricultura y la farmacología.

“El estado actual de nuestros conocimientos en lo que concierne a los neanderthales y a su relación con los humanos modernos es solamente inferencia y especulación basadas en datos arqueológicos y a un número limitado de restos homínidos”, afirman los autores en su artículo de Science. “En este estudio, hemos demostrado que las secuencias genómicas neanderthales pueden ser recuperadas utilizando una aproximación basada en una biblioteca metagenómica, y que secuencias neanderthales específicas pueden ser obtenidas a partir de esas bibliotecas”.

El título del artículo de Science es “Sequencing and analysis of Neanderthal genomic DNA” (Secuenciado y análisis de ADN genómico neanderthal). Junto a Rubin, fueron co-autores del mismo James Noonan, Graham Coop, Sridhar Kudaravalli, Doug Smith, Johannes Krause, Joe Alessi, Feng Chen, Darren Platt, Svante Pääbo y Jonathan Pritchard.

Dijo Rubin: “Predecimos que en un futuro cercano los antropólogos podrán desarrollar hipótesis sobre nuestros ancestros extintos a través del examen de miles de millones de pares base de secuencias de ADN disponibles en la red, en lugar de únicamente poder estudiar el número limitado de restos óseos y artefactos asociados que están disponibles en colecciones de museo y en campos de trabajo de difícil acceso. Además, las nuevas técnicas que hemos desarrollado tendrán aplicaciones útiles a lo largo de una gran extensión de esfuerzos genómicos relacionados con misiones de energía y medioambiente”.

En el verano de 1856, se descubrió el esqueleto parcial de un homínido en la cueva de Feldhofer, en el valle del Neander en Alemania. Finalmente, este esqueleto sería denominado como “el hombre de Neanderthal” y su descubrimiento generó una enorme curiosidad pública y un gran debate científico que ha continuado a lo largo de los últimos 150 años.

A partir de 1997, los científicos comenzaron a aplicar tecnología genética al estudio de los neanderthales. Una investigación encabezada por Svante Pääbo, quien actualmente trabaja en el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva en Leipzig, Alemania, estableció que eran primos, más que ancestros de los seres humanos. Esta investigación indicó también que los humanos y los neanderthales se dividieron en especies separadas hace unos 500 000 años.

Sin embargo, esos estudios se basaban en análisis de ADN mitocondrial (mtADN), un material genético que se encuentra fuera del núcleo de la célula. Aunque el mtADN tiende a preservarse por más tiempo que el ADN nuclear, proporciona una información biológica limitada. La mayor parte del genoma se encuentra en el ADN nuclear, el que contiene casi todos los genes.

“Toda la biología se ubica en el ADN nuclear”, dijo Noonan, un miembro post-doctoral en el grupo de investigación de Rubin que tiene enlaces con el laboratorio Berkeley y JGI. “Si se desea comprender cómo es que están codificados ciertas características como el lenguaje y el conocimiento, se debe estudiar el ADN nuclear”.

El Dr. Edward Rubin es un geneticista investigador del JGI. Ha sido pionero en el campo de la metagenómica, en la cual el ADN es extraído directamente de una muestra ambiental y utilizado para obtener un perfil de la comunidad microbiana dentro de la muestra. James Noonan es un miembro post-doctoral en el grupo de investigación de Rubin.© Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Creative Services Office(pulsar sobre la imagen para ampliarla)

El estudio de genomas antiguos a partir de material fósil y secuenciando directamente el ADN, tal como ha sido hecho para los genomas de humanos y de otros organismos contemporáneos, representa un gran reto. A medida que el fósil envejece, su ADN resulta degradado por procesos químicos. También se contamina con el ADN de los microbios que colonizan tanto al fósil como a su medioambiente cercano, y por otros organismos, incluyendo a los humanos que manejan el fósil.

Mientras que el grupo liderado por Pääbo intenta secuenciar directamente el genoma neanderthal, Rubin, Noonan y sus colegas están enfrentando el reto ADN con una solución única, que es descrita como “una aproximación dirigida”. Esencialmente, “inmortalizan” todo el ADN de una muestra fósil en bibliotecas metagenómicas donde los fragmentos individuales del ADN antiguo son propagados en microbios. Este ADN propagado puede ser secuenciado, o secuencias específicas pueden ser específicamente “rescatadas” de la biblioteca para su estudio.

Dijo Noonan: “Como la secuenciación directa es aleatoria, no se pueden perseguir secuencias específicas para genes que puedan ser diferentes entre los neanderthales y los humanos modernos. En lugar de eso, hay que esperar que las secuencias aparezcan en las lecturas, lo que puede tomar muchísimo tiempo. Al mismo tiempo, con la secuenciación directa, una vez que el ADN ha sido secuenciado, se ha perdido, y hay que conseguir más a partir del espécimen. En principio, el uso de la aproximación dirigida en la biblioteca permite eludir éste y otros problemas. Una vez que el ADN neanderthal ha sido clonado utilizando nuestro método, lo tenemos para siempre, y podemos tomar secuencias específicas de la biblioteca cada vez que las necesitemos”.

Como los hallazgos informados en el artículo de Science sugieren que únicamente un 0,5 por ciento del genoma neanderthal difiere del genoma humano moderno, el enfocar la atención científica sobre esas secuencias promete ser más eficiente y más barato que el intento de secuenciar directamente todo el genoma neanderthal. A la vez, la aproximación de la biblioteca metagenómica permite a los científicos obtener secuencias específicas de múltiples especímenes neanderthal con precisión y sin la necesidad de generar una gran cantidad de secuencias aleatorias.

Para obtener los resultados informados en su artículo de Science, Rubin, Noonan y sus colegas extrajeron todo el ADN de un fémur de 38 000 años de antigüedad de un espécimen neanderthal macho de Vindija, Croacia. Utilizando una combinación de tecnologías de secuenciación desplegadas en el Proyecto Genoma Humano, más una nueva tecnología de pirosecuenciación paralela masiva, en la cual enormes cantidades de secuencias ADN son generadas rápidamente y con bajo costo, pudieron recuperar seis millones de pares base de ADN contaminante en el fósil. Un factor crítico para ayudar a confirmar que el ADN recuperado era neanderthal y no humano moderno fue la corta longitud de las secuencias individuales neanderthal.

Dijo Rubin: “Hemos determinado que los antiguos fragmentos de ADN neanderthal en la muestra tenían una longitud de 50 a 70 pares base, en comparación con los cientos o miles de pares base en longitud del ADN humano contemporáneo que podría haber contaminado al fósil. Esto tiene sentido, ya que el ADN humano moderno no habría sufrido 38 000 años de ataques que ha experimentado el ADN neanderthal”.

La comparación del genoma neanderthal con los genomas de los humanos modernos y de los chimpancés mostró que en múltiples lugares las secuencias del ADN neanderthal coincidía con el ADN chimpancé pero no con el humano moderno.

“Esto nos permitió calcular por primera vez en qué momento de la prehistoria Homo sapiens y Homo neanderthalensis se unen en un genoma único”, agregó Rubin.

Los estudios genómicos comparativos de esta investigación indicaron que el ancestro genético común de los neanderthales y de los humanos modernos vivió hace unos 706 000 años. Los ancestros de todos los humanos modernos y de los neanderthales se separaron en dos especies diferentes unos 330 000 años después.

Rubin y sus colegas pudieron también arrojar nueva luz sobre la antigua cuestión sobre si los neanderthales y los humanos modernos se entrecruzaron a lo largo de los miles de años durante los cuales las dos especies cohabitaron en diferentes lugares de Europa. Algunos científicos han sugerido que en lugar de extinguirse, los neanderthales desaparecieron por entrecruzamiento con las poblaciones aplastantemente más numerosas del Homo sapiens.

Dijo Rubin: “Si bien no podemos concluir definitivamente que el entrecruzamiento entre las dos especies de humanos no ocurrió, el análisis del ADN nuclear de los neanderthales sugiere una baja probabilidad de que haya ocurrido en algún nivel apreciable”.

Diferenciación humano moderno-neanderthalEl análisis del ADN genómico proveniente de huesos de neanderthales indicó que Homo sapiens y Homo neanderthalensis compartieron por última vez un ancestro común hace aproximadamente 700 000 años. Los dos homínidos se separaron en especies diferentes hace unos 400 000 años, sin que haya evidencia de cruzamiento significativo entre ellas, después de ese momento.© J. Pritchard / University of Chicago / Berkeley Lab (pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Con su aproximación basada en una biblioteca metagenómica para el análisis y la secuenciación de genomas, Rubin y Noonan creen que, en el futuro, los científicos podrán estudiar secuencias específicas dentro del genoma neanderthal para determinar los cambios genéticos que distinguen a los humanos modernos de sus primos neanderthales. Entre otras ventajas, esto podría ayudar a responder al más persistente de los misterios: ¿Por qué se extinguieron los neanderthales?

Además, dijo Rubin, “la investigación de la biblioteca del genoma neanderthal facilitará futuras exploraciones científicas, basadas en secuencias, de las características neanderthales, características que posiblemente nunca podrían haber sido exploradas basándose en los pocos huesos y artefactos asociados que han podido identificar los antropólogos”.

Los co-autores Smith, Alessi, Chen y Platt están relacionados el el JGI. Los co-autores Pritchard, Coop y Kudaravalli trabajan en el Departamento de Genética Humana de la Universidad de Chicago. El co-autor Krause es miembro del grupo investigador de Pääbo en el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva.

Esta investigación fue apoyada por Berkeley Lab y financiada parcialmente por becas de los Institutos Nacionales de Salud. El Departamento de Energía de los EE.UU. proporciona apoyo operativo para los usuarios de la instalación JGI.

Berkeley Lab es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los EE.UU. localizado en Berkeley, California. Realiza investigación científica no clasificada y es administrado por la Universidad de California.

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Traducido para Astroseti.org por Heber Rizzo Baladán

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Web Site: Berlekey Lab News
Artículo: “Neanderthal Genome Sequencing Yields Surprising Results and Opens a New Door to Future Studies”
Autor: Lynn Yarris
Fecha: noviembre 15, 2006

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