La paleogenómica es un campo de la ciencia basado en la reconstrucción y análisis de 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 y las interrelaciones de poblaciones antiguas, la historia evolutiva de especies de plantas, animales y Homo extintas , y la identificación de características fenotípicas en regiones geográficas. Los científicos también pueden utilizar la paleogenómica para comparar a los ancestros antiguos con los humanos modernos. [1] La creciente importancia de la paleogenómica es evidente por el hecho de que el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2022 fue otorgado al genetista sueco Svante Pääbo [1955-], que trabajó en paleogenómica.
Inicialmente, la secuenciación de ADNa implicaba la clonación de pequeños fragmentos en bacterias, lo que se realizaba con baja eficiencia debido al daño oxidativo que sufrió el ADNa durante milenios. [2] El ADNa es difícil de analizar debido a la fácil degradación por las nucleasas ; Los entornos específicos y las condiciones post mortem mejoraron el aislamiento y el análisis. Fueron necesarios protocolos de extracción y contaminación para realizar análisis confiables. [3] Con el desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa ( PCR ) en 1983, los científicos pudieron 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 vuelto analizables muestras cada vez más antiguas. Durante los últimos 30 años, el ADN mitocondrial con un alto número de copias pudo responder muchas preguntas; la llegada de las técnicas NGS impulsó mucho más. Además, esta revolución tecnológica permitió la transición de la paleogenética a la paleogenómica. [1]
Para secuenciar el ADNa se encuentran disponibles PCR , NGS de segunda generación y varios métodos de biblioteca, además de muchas herramientas bioinformáticas . Al abordar cada uno de estos métodos, es importante tener en cuenta que el ADNa puede modificarse 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.
Antiguamente, los científicos diagnosticaban los daños post mortem mediante reacciones enzimáticas o cromatografía de gases asociada a la 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 uracilo ADN glicosilasa . Hoy en día, se utiliza la secuenciación de alto rendimiento (HTS) para identificar la depurinación (un proceso que impulsa la fragmentación del ADN post-mortem; las muestras más jóvenes presentan más adenina que guanina ), roturas de una sola cadena en la doble hélice del ADN y el sitio abásico (creado por C- >mutación T).
Se puede secuenciar un único fragmento de ADNa en toda su longitud con HTS. Con estos datos podemos crear una distribución que represente una curva de disminución de tamaño que permita una comparación cuantitativa directa de la fragmentación entre especímenes a través del espacio y las condiciones ambientales. A lo largo de la curva de desintegración es posible obtener la longitud media del fragmento de ADNa dado. Esta longitud refleja los niveles de fragmentación después de la muerte, que generalmente aumentan con la temperatura de depósito. [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 extremo romo. Esta técnica utiliza dos adaptadores diferentes: estos adaptadores unen aleatoriamente el fragmento y luego se puede amplificar. El fragmento que no contiene ambos adaptadores no se puede amplificar provocando un origen de error. Para reducir este error, se introdujo la ligadura Illumina T/A: este método consiste en insertar la cola A en una muestra de ADN para facilitar la ligación de los adaptadores de cola T. En este método optimizamos la amplificación del ADNa.
Para obtener 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 u otros microorganismos, el proceso requiere enriquecimiento. Para separar las fracciones endógenas y exógenas se emplean varios métodos:
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 salida de África. expansión, en la que portaba un subconjunto de 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 acotar el momento y la estructura de este fenómeno de diversificación al proporcionar la calibración de la tasa de mutación autosómica y mitocondrial . [7] El análisis de mezclas ha demostrado que se han producido al menos dos eventos de flujo de genes independientes entre los ancestros de los humanos modernos y los humanos arcaicos, como las poblaciones de neandertales y denisovanos , lo que atestigua el modelo de “reemplazo con fugas” de la historia de la población humana de Eurasia. Según todos estos datos, la divergencia humana de los linajes no africanos se produjo alrededor del 45.000 – 55.000 AP . [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 la población, lo que hubiera sido difícil de hacer contando únicamente con el análisis de los genomas actuales. Entre estas cuestiones aún no resueltas, 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 mutaciones de rasgos fenotípicos tras cambios en el medio ambiente y el comportamiento humano. La migración a nuevos hábitats, nuevos cambios en la dieta (tras la transición a la agricultura) y la construcción de grandes comunidades llevaron a la exposición de los humanos a nuevas condiciones que, en última instancia, resultaron en una adaptación biológica .
La migración de humanos fuera de África a 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 tanto, es esencial para la salud ósea, vivir en latitudes más altas significaría una reducción sustancial en la síntesis de vitamina D. Esto ejerció una nueva presión selectiva sobre el rasgo del color de la piel, favoreciendo un color de piel más claro en latitudes más altas. Los dos genes más importantes implicados en la pigmentación de la piel son SLC24A5 y SLC45A2. Hoy en día, los alelos de estos genes de “piel clara” están fijados en Europa , pero sólo recientemente (hace unos 5.000 años) alcanzaron una frecuencia relativamente alta. [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 antiguos del ADN muestran que esta mutación se volvió común sólo en los últimos 5.000 años, miles de años después del comienzo de las prácticas lecheras. [7] Por lo tanto, incluso en el caso de persistencia de lactasa, hay un gran retraso entre el inicio de un nuevo hábito y la propagación del alelo adaptativo, por lo que el consumo de leche puede haberse restringido a los niños o a los productos reducidos en 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 de genes en comparación con los chimpancés . [8]
El sistema inmunológico humano ha sufrido una intensa selección a lo largo de milenios, adaptándose a diferentes paisajes de patógenos. Varios cambios ambientales y culturales han impuesto una presión selectiva sobre diferentes genes inmunoasociados. Las migraciones, por ejemplo, expusieron a los humanos a nuevos hábitats portadores de nuevos patógenos o vectores de patógenos (por ejemplo, mosquitos). Además, 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 específicos del genoma antiguo con una mayor resistencia 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 la tuberculosis , la lepra , la peste , la viruela o la malaria . Por ejemplo, los investigadores han descubierto que todas las cepas de Yersinia pestis anteriores a hace 3.600 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 pudo 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 posneolíticos 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 ) se han reconstruido mediante la recuperación de ADN a partir de fósiles y muestras conservadas a baja temperatura o gran altitud. Los estudios sobre mamuts son más frecuentes debido a la alta presencia de tejidos blandos y pelos provenientes del permafrost y se utilizan para identificar la relación y los cambios demográficos con los elefantes más recientes . Se realizan estudios sobre los osos polares para identificar el impacto del cambio climático en la evolución y la biodiversidad . Los estudios sobre perros y caballos aportan información sobre la domesticación . En las plantas, se ha aislado ADNa de semillas , polen y madera . Se ha identificado una correlación entre la cebada antigua y la existente . 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, transformaciones y evolución de las poblaciones. Sin embargo, aún queda mucho por saber. El primer y obvio problema relacionado con este tipo de enfoque, que será parcialmente superado por 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 en 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 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 proveniente de la época y la región habitada por los ancestros originales de la población no africana actual, todavía sabemos poco sobre su estructura y ubicación. El segundo y más importante desafío al que se enfrenta este asunto es la recuperación del ADN de los primeros humanos modernos (100.000 – 200.000 AP). Estos datos, junto con un número importante de genomas arcaicos para analizar y con el conocimiento del momento y de la distribución de la mezcla genética arcaica, permitirán a los científicos reconstruir más fácilmente la historia de nuestra especie. De hecho, recopilar más datos sobre nuestra historia genética nos permitirá rastrear la evolución humana no solo en términos de migraciones y selección natural , sino también en términos de cultura. En la próxima década, el campo de la investigación paleogenómica centrará su atención principalmente en tres temas: la definición, con gran detalle, 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 de 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 deberán cooperar, como ya lo han hecho con los antropólogos , los arqueólogos y los historiadores . [7]
La bioética en paleogenómica se refiere a 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 comunitarias o individuales, así como revelar información denunciante sobre sus descendientes. Por estas razones, este tipo de estudios siguen siendo un tema delicado. Los estudios de paleogenómica pueden tener consecuencias negativas principalmente debido a las discrepancias entre las articulaciones de principios y prácticas éticas. De hecho, los restos de los antepasados suelen ser considerados 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 susceptibilidad de este tema encamina hacia un compromiso y orientación ética aplicable a diferentes contextos, con el fin de preservar la dignidad de los restos ancestrales y evitar problemas éticos. [11] Finalmente, otra área de interés pionera es el proyecto llamado “des-extinción”, 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 muchas cuestiones éticas. [1]