La paleogenómica es un campo de la ciencia basado en la reconstrucción y el análisis de la información genómica en especies extintas . Los métodos mejorados para la extracción de ADN antiguo (aDNA) de artefactos de museos, núcleos de hielo , sitios arqueológicos o paleontológicos y tecnologías de secuenciación de próxima generación han impulsado este campo. Ahora es posible detectar la deriva genética , la migración de poblaciones antiguas y sus interrelaciones, la historia evolutiva de especies extintas de plantas, animales y Homo , y la identificación de características fenotípicas en regiones geográficas. Los científicos también pueden utilizar la paleogenómica para comparar ancestros antiguos con humanos modernos. [1] La creciente importancia de la paleogenómica es evidente por el hecho de que el Premio Nobel de 2022 en fisiología o medicina fue otorgado al genetista sueco Svante Pääbo [1955-], quien trabajó en paleogenómica.
Inicialmente, la secuenciación de ADNa implicaba la clonación de pequeños fragmentos en bacterias, lo que se hacía con poca eficiencia debido al daño oxidativo que el ADNa sufría a lo largo de milenios. [2] El ADNa es difícil de analizar debido a la fácil degradación por nucleasas ; los entornos específicos y las condiciones post mortem mejoraron el aislamiento y el análisis. Los protocolos de extracción y contaminación eran necesarios para realizar análisis fiables. [3] Con el desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa ( PCR ) en 1983, los científicos podían estudiar muestras de ADN de hasta aproximadamente 100.000 años de antigüedad, una limitación de los fragmentos aislados relativamente cortos. Gracias a los avances en el aislamiento, la amplificación, la secuenciación y la reconstrucción de datos, se han podido analizar muestras cada vez más antiguas. En los últimos 30 años, el ADN mitocondrial de alto número de copias pudo responder a muchas preguntas; la llegada de las técnicas de NGS impulsó muchas más. Además, esta revolución tecnológica permitió la transición de la paleogenética a la paleogenómica. [1]
Existen métodos de PCR , NGS de segunda generación y varios métodos de biblioteca para secuenciar ADNa, además de muchas herramientas bioinformáticas . Al trabajar con cada uno de estos métodos es importante considerar que el ADNa puede ser alterado post-mortem. [2] Las alteraciones específicas surgen de:
Los patrones específicos y la aparición de estas alteraciones ayudan a los científicos a estimar la edad de la muestra.
Anteriormente, los científicos diagnosticaban los daños post-mortem utilizando reacciones enzimáticas o cromatografía de gases asociada con espectroscopia de masas ; en años más recientes, los científicos comenzaron a detectarlos explotando datos de secuencias mutacionales. Esta estrategia permite identificar el exceso de mutaciones C->T después del tratamiento con uracil ADN glicosilasa . Hoy en día, se utiliza la secuenciación de alto rendimiento (HTS) para identificar la despurinación (un proceso que impulsa la fragmentación del ADN post-mortem, las muestras más jóvenes presentan más adenina que guanina ), las roturas de una sola cadena en la doble hélice del ADN y el sitio abásico (creado por la mutación C->T).
Un solo fragmento de aDNA se puede secuenciar en su longitud completa con HTS. Con estos datos podemos crear una distribución que representa una curva de decaimiento de tamaño que permite una comparación cuantitativa directa de la fragmentación entre especímenes a través del espacio y las condiciones ambientales. A lo largo de la curva de decaimiento es posible obtener la longitud media del fragmento dado de aDNA. Esta longitud refleja los niveles de fragmentación después de la muerte, que generalmente aumentan con la temperatura de deposición. [4]
Se pueden realizar dos bibliotecas diferentes para la secuenciación de ADNa mediante PCR para la amplificación del genoma :
El primero se crea utilizando el enfoque de extremos romos. Esta técnica utiliza dos adaptadores diferentes: estos adaptadores se unen aleatoriamente al fragmento y luego se puede amplificar. El fragmento que no contiene ambos adaptadores no se puede amplificar, lo que provoca una fuente de error. Para reducir este error, se introdujo la ligación T/A de Illumina : este método consiste en insertar la cola A en la muestra de ADN para facilitar la ligación de los adaptadores con cola T. En este método optimizamos la amplificación del ADNa.
Para obtener las bibliotecas de ssDNA, primero se desnaturaliza el ADN con calor. Luego, el ssDNA obtenido se liga a dos adaptadores para generar la cadena complementaria y, finalmente, se aplica la PCR . [4]
Como el ADNa puede contener ADN bacteriano o de otros microorganismos, el proceso requiere enriquecimiento. Para separar las fracciones endógenas y exógenas se emplean varios métodos:
Hasta ahora, muchos estudios en diferentes campos han llevado a la conclusión de que la población no africana actual es el resultado de la diversificación en varios linajes diferentes de una metapoblación ancestral, bien estructurada, que fue protagonista de una expansión fuera de África, en la que portaba un subconjunto de la herencia genética africana . En este contexto, el análisis del ADN antiguo fue fundamental para probar hipótesis ya formuladas y proporcionar nuevos conocimientos. En primer lugar, ha permitido limitar el tiempo y la estructura de este fenómeno de diversificación al proporcionar la calibración de la tasa de mutación autosómica y mitocondrial . [7] El análisis de mezcla ha demostrado que han ocurrido al menos dos eventos de flujo genético independientes entre los ancestros de los humanos modernos y los humanos arcaicos, como las poblaciones neandertales y denisovanas , lo que atestigua el modelo de "reemplazo con fugas" de la historia de la población humana euroasiática. Según todos estos datos, la divergencia humana de los linajes no africanos ocurrió alrededor de 45.000 - 55.000 BP . [7] Además, en muchos casos el ADN antiguo ha permitido rastrear procesos históricos que han conducido, en el tiempo, a la estructura genética actual de las poblaciones, algo que habría sido difícil de hacer contando únicamente con el análisis de los genomas actuales. Entre estas cuestiones aún sin resolver, algunas de las más estudiadas son la identidad de los primeros habitantes de América, el poblamiento de Europa y el origen de la agricultura en Europa. [1]
El análisis del ADN antiguo permite estudiar las mutaciones de los rasgos fenotípicos tras los cambios en el medio ambiente y en el comportamiento humano. La migración a nuevos hábitats, los nuevos cambios en la dieta (tras la transición a la agricultura) y la creación de grandes comunidades llevaron a la exposición de los humanos a nuevas condiciones que, en última instancia, dieron lugar a una adaptación biológica .
La migración de los humanos desde África hacia latitudes más altas implicó una menor exposición a la luz solar. Dado que los rayos UVA y UVB son cruciales para la síntesis de vitamina D , que regula la absorción de calcio y, por lo tanto, es esencial para la salud ósea, vivir en latitudes más altas significaría una reducción sustancial en la síntesis de vitamina D. Esto puso una nueva presión selectiva sobre el rasgo del color de la piel, favoreciendo el color de piel más claro en latitudes más altas. Los dos genes más importantes involucrados en la pigmentación de la piel son SLC24A5 y SLC45A2. Hoy en día, los alelos de "piel clara" de estos genes están fijados en Europa , pero alcanzaron una frecuencia relativamente alta solo bastante recientemente (hace unos 5000 años). [7] Un proceso de despigmentación tan lento sugiere que los antiguos europeos podrían haber enfrentado las desventajas de la baja producción de vitamina D, como afecciones musculoesqueléticas y cardiovasculares. Otra hipótesis es que los europeos preagrícolas podrían haber cubierto sus necesidades de vitamina D a través de su dieta (ya que la carne y el pescado contienen algo de vitamina D) [8].
Uno de los principales ejemplos de adaptación tras el cambio a una dieta agrícola es la persistencia de la producción de la enzima lactasa en la edad adulta. Esta enzima es esencial para digerir la lactosa presente en la leche y los productos dietéticos y su ausencia provoca diarrea tras el consumo de estos productos. La persistencia de la lactasa está determinada predominantemente por una mutación de una sola base en el gen MCM6 y los datos de ADN antiguos muestran que esta mutación se volvió común solo en los últimos 5000 años, miles de años después del comienzo de las prácticas lecheras. [7] Por lo tanto, incluso en el caso de la persistencia de la lactasa, hay un enorme retraso temporal entre el inicio de un nuevo hábito y la propagación del alelo adaptativo, por lo que el consumo de leche puede haber estado restringido a los niños o a productos con bajo contenido de lactosa.
Otro ejemplo de mutación seleccionada positivamente por el cambio a la agricultura es el número de copias del gen AMY1. AMY1 codifica la enzima amilasa que digiere el almidón , presente en la saliva, y los humanos modernos tienen un mayor número de copias del gen en comparación con los chimpancés . [8]
El sistema inmunológico humano ha sufrido una intensa selección a lo largo de los milenios, adaptándose a diferentes paisajes de patógenos. Varios cambios ambientales y culturales han impuesto una presión selectiva sobre diferentes genes asociados al sistema inmunológico. Las migraciones, por ejemplo, expusieron a los humanos a nuevos hábitats portadores de nuevos patógenos o vectores de patógenos (por ejemplo, mosquitos). También el cambio a la agricultura implicó la exposición a diferentes patógenos y condiciones de salud, tanto debido al aumento de la densidad de población como a la vida cerca del ganado. Sin embargo, es difícil correlacionar directamente cambios particulares del genoma antiguo con una resistencia mejorada a patógenos particulares, dada la inmensidad y complejidad del sistema inmunológico humano. Además de estudiar directamente los cambios en el sistema inmunológico humano, también es posible estudiar los genomas antiguos de patógenos, como los que causan tuberculosis , lepra , peste , viruela o malaria . Por ejemplo, los investigadores han descubierto que todas las cepas de Yersinia pestis antes de hace 3600 años carecían del gen ymt , que es esencial para que el patógeno sobreviva en el intestino de las pulgas . [8] Esto sugiere que en el pasado antiguo la peste puede haber sido menos virulenta en comparación con los brotes más recientes de Y. pestis .
Un estudio de ADN antiguo apoyó o confirmó [9] que la evolución humana reciente para resistir la infección de patógenos también aumentó el riesgo de enfermedades inflamatorias en los europeos post-Neolíticos durante los últimos 10.000 años, estimando la naturaleza, la fuerza y el tiempo de aparición de las selecciones debidas a los patógenos. [10]
Muchos vertebrados no homínidos ( mamuts antiguos , osos polares , perros y caballos ) han sido reconstruidos a través de la recuperación de ADNa de fósiles y muestras preservadas a baja temperatura o gran altitud. Los estudios de mamuts son los más frecuentes debido a la alta presencia de tejido blando y pelo del permafrost y se utilizan para identificar la relación y los cambios demográficos con elefantes más recientes . Los estudios de osos polares se realizan para identificar el impacto del cambio climático en la evolución y la biodiversidad . Los estudios de perros y caballos brindan información sobre la domesticación . En plantas, se ha aislado ADNa de semillas , polen y madera . Se ha identificado una correlación entre la cebada antigua y la actual . Otra aplicación fue la detección del proceso de domesticación y adaptación del maíz , que incluye genes de tolerancia a la sequía y contenido de azúcar . [1]
El análisis de genomas antiguos de humanos anatómicamente modernos ha revolucionado por completo en los últimos años nuestra forma de estudiar las migraciones, la transformación y la evolución de las poblaciones. Sin embargo, todavía queda mucho por saber. El primer y obvio problema relacionado con este tipo de enfoque, que se superará parcialmente con la mejora continua de las técnicas de extracción de ADN antiguo, es la dificultad de recuperar genomas antiguos bien conservados, un desafío que se observa particularmente en África y Asia, donde las temperaturas son más altas que en otras regiones más frías del mundo. Además, África es, entre todos los continentes, el que alberga la mayor diversidad genética . [7] Además de la degradación del ADN, también la contaminación exógena limita los procesos de secuenciación y ensamblaje paleogenómicos. [1] Como no poseemos ADN antiguo que provenga de la época y la región habitadas por los ancestros originales de la población no africana actual, aún sabemos poco sobre su estructura y ubicación. El segundo y más importante desafío que esta materia tiene que afrontar es la recuperación de ADN de los primeros humanos modernos (100.000 – 200.000 AP). Estos datos, junto con un mayor número de genomas arcaicos para analizar y con el conocimiento de la cronología y de la distribución de la mezcla genética arcaica, permitirán a los científicos reconstruir más fácilmente la historia de nuestra especie. De hecho, la recopilación de más datos sobre nuestra historia genética nos permitirá rastrear la evolución humana no sólo en términos de migraciones y selección natural , sino también en términos de cultura. En la próxima década, el campo de investigación de la paleogenómica va a centrar su atención principalmente en tres temas: la definición, a un detalle de escala fina, de las interacciones humanas pasadas mediante un muestreo más denso, la comprensión de cómo estas interacciones han contribuido a la transición agrícola mediante el análisis del ADN de regiones poco estudiadas y, finalmente, la cuantificación de la contribución de la selección natural a los fenotipos actuales. Para interpretar todos estos datos, los genetistas tendrán que cooperar, como ya lo han hecho con los antropólogos y arqueólogos , con los historiadores . [7]
La bioética en paleogenómica se ocupa de cuestiones éticas que surgen en el estudio de restos humanos antiguos, debido a las complejas relaciones entre científicos, gobiernos y poblaciones indígenas . Además, los estudios paleogenómicos tienen el potencial de dañar las historias e identidades de las comunidades o de los individuos, así como de revelar información denunciable sobre sus descendientes. Por estas razones, este tipo de estudios siguen siendo un tema delicado. Los estudios paleogenómicos pueden tener consecuencias negativas principalmente debido a las discrepancias entre las articulaciones de los principios y las prácticas éticas. De hecho, los restos de los antepasados suelen considerarse legal y científicamente como "artefactos", en lugar de "sujetos humanos", lo que justifica comportamientos cuestionables y la falta de compromiso de las comunidades . Por lo tanto, las pruebas de restos ancestrales se utilizan en disputas, reclamaciones en tratados, repatriación u otros casos legales. El reconocimiento de la importancia y la susceptibilidad de este tema se dirige hacia el compromiso ético y la orientación aplicable a diferentes contextos, con el fin de preservar la dignidad de los restos ancestrales y evitar problemas éticos. [11] Por último, otro campo de interés pionero es el denominado proyecto de “desextinción”, que tiene como objetivo la resurrección de especies extintas, como el mamut. Este proyecto, que parece posible gracias a la tecnología CRISPR/Cas9 , está, sin embargo, fuertemente ligado a numerosas cuestiones éticas. [1]