Después de la finalización del Proyecto Genoma Humano en el 2003, los NIH continuaron subvencionando tres centros de secuenciación a gran escala para investigar las aplicaciones de la secuenciación genética en el estudio de las enfermedades en seres humanos: el Centro de Secuenciación del Genoma Humano en la Facultad de Medicina de Baylor; el Instituto Broad en las universidades de Harvard y MIT; y el Instituto del Genoma en la Universidad de Washington, en St. Louis. En este artículo, los investigadores del Instituto del Genoma de la Universidad de Washington comparten sus perspectivas sobre el futuro de la secuenciación del genoma completo en la medicina oncológica.
Lanzado en 1990 y finalizado formalmente en el 2003, el Proyecto del Genoma Humano demoró 10 años en producir el primer borrador de la secuencia de un genoma humano completo.
Hoy en día, un borrador de la secuenciación del genoma humano completo se puede producir en unos 10 días, de acuerdo con la doctora Elaine Mardis, codirectora y directora de desarrollo tecnológico del Instituto del Genoma.
En menos de una década, los investigadores han dado un 'salto espectacular total' en tecnología, prosiguió la doctora Mardis. Este salto implica utilizar la secuenciación del genoma completo en las decisiones cotidianas para el tratamiento del cáncer, pasando de la especulación tipo ciencia ficción a la realidad, con el objetivo de proporcionar terapias mejor adaptadas individualmente a cada paciente y, en última instancia, mejorar los resultados.
Salto cuántico y otros avances
El Proyecto del Genoma Humano utilizó un proceso denominado secuenciación de Sanger, el cual requiere de un trabajo muy intenso. En la secuenciación de Sanger, las dos hebras del ADN se separan para formar hebras individuales, o modelos, y se mezclan con hebras cortas de ADN llamadas 'primers' o cebadores, las cuales se adhieren a secuencias complementarias en los modelos. Una enzima llamada ADN polimerasa y versiones radioactivamente marcadas de los cuatro nucleótidos del código genético: timina (T), citosina (C), guanina (G) o adenina (A), se utilizan luego para extender la cadena de cebadores, uno por uno, con base en la secuencia del molde. Este proceso produce numerosas extensiones marcadas de cebadores que difieren en longitud solo por un nucleótido.
Luego, se utiliza un proceso independiente llamado electroforesis en gel para separar por tamaño los productos marcados de ADN. Aquellos que terminan en T, C, G o A se depositan en líneas separadas en un gel, y las moléculas más cortas se desplazan a puntos más lejanos en el gel que las más largas. El orden final de los productos se puede utilizar para reconstruir, o leer, la secuencia del molde de ADN. (Ver la imagen de la derecha). Posteriormente, en el Proyecto del Genoma Humano se simplificó ligeramente el proceso del gel al introducir tintas fluorescentes, pero no redujo considerablemente el tiempo requerido para completar la secuenciación de un genoma completo.
Sin embargo, a partir del 2005, surgió una nueva tecnología que eliminó la necesidad de la fase de secuenciación en gel. Con esta nueva tecnología, al añadirse los nucleótidos a la secuencia del ADN que surge del cebador se produce una reacción química que libera un haz luminoso de una frecuencia específica para cada uno de los cuatro nucleótidos del código genético. Una máquina registra las pulsaciones de luz, proporcionando una lectura inmediata de la secuencia. Este proceso a veces se conoce como 'técnica de secuenciación de última generación', pero la doctora Mardis prefiere el término de 'secuenciación masiva paralela', para destacar la capacidad de esta nueva tecnología.
'En la secuenciación masiva paralela, la reacción de la secuenciación y la detección de la reacción de la secuenciación ocurren simultáneamente', explicó. 'Esto permite no solo eliminar por completo la separación por gel sino examinar cientos de miles o de millones de reacciones al mismo tiempo'.
El salto obtenido mediante la secuenciación masiva paralela es difícil de comprender. Para explicarlo, la doctora Cherilynn Shadding, del Instituto del Genoma, se vale de una comparación geográfica. Ella les dice a los visitantes que se necesitarían 20 parques centrales llenos de secuenciadores de Sanger para conseguir el mismo resultado que las dos salas con equipo de secuenciación de última generación en la Universidad de Washington.
Desde la demostración del concepto hasta problemas de atención médica reales
En el 2001, después de la publicación del borrador de la secuencia del genoma humano, explicó el doctor Richard Wilson, director del Instituto del Genoma, 'pensamos que podríamos comenzar a aplicar la secuencia del genoma de referencia y algunas de las tecnologías que habíamos desarrollado para analizar las regiones del genoma que originan las enfermedades. Obviamente, no nos faltaban enfermedades para elegir, pero como buscábamos lograr el mayor impacto optamos por el cáncer”.
En trabajos iniciales conjuntos con la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington y con el Centro Oncológico Memorial Sloan-Kettering, el doctor Wilson y sus colegas lanzaron proyectos piloto sobre mutaciones en prospectos de genes a estudiar –pero no en todo el genoma– en la leucemia mieloide aguda (LMA) y el cáncer de pulmón de células no pequeñas. Pese a que el cáncer de pulmón ofreció nueva información (como el hecho de que ciertas mutaciones en el gen RFCE hacen al cáncer sensible a los fármacos erlotinib y gefitinib), 'en realidad no descubrimos nada nuevo' al estudiar áreas conocidas del genoma en la LMA, recordó.
'En el 2005, con algunas de estas tecnologías de secuenciación de última generación, pensamos que la mejor forma de estudiar la genética del cáncer no sería solo hacer una lista de nuestros genes favoritos y concentrarnos en ellos, sino elaborar la secuencia del genoma completo, usando tejido neoplásico y sano de pacientes individuales para identificar todas las mutaciones', prosiguió el doctor Wilson.
Los investigadores de la Universidad de Washington publicaron en el 2008 los hallazgos del primer genoma del cáncersecuenciado, el de un paciente con LMA. El seguimiento de ese estudio reveló que una de las nuevas mutaciones descubiertas, en un gen llamado DNMT3A, puede ayudar a identificar a pacientes con LMA con riesgo de recidiva. En el 2009, el equipo secuenció su segundo genoma completo, correspondiente a un paciente con LMA, y en el 2010, fue secuenciado el primer genoma de una mujer con cáncer de mama inflamatorio.
El costo para realizar la secuenciación del genoma completo se ha reducido drásticamente en los últimos 3 años. En el 2008, el estudio de la LMA fue de poco más de USD$1,5 millones. Más de medio millón de dólares se destinó tan solo a elaborar la bioinformática requerida para comparar el tumor con los genomas normales, 'porque esto nunca se había realizado', dijo la doctora Mardis. En la actualidad, la misma secuenciación cuesta solo USD $10 000.
Esta disminución en el costo, combinada con las mejorías continúas en la velocidad, han permitido a los investigadores pasar de estudios de demostración del concepto a proyectos más grandes, en los que se plantean cuestiones sobre el impacto de mutaciones genéticas raras en la respuesta a tratamientos y resultados. En su Iniciativa del Genoma del Cáncer, investigadores de la Universidad de Washington han secuenciado los genomas completos de tejido sano y neoplásico de 150 pacientes.
Los resultados de 50 de estos pacientes, presentados este año en el congreso anual de la Asociación Americana de Investigación Oncológica, compararon las alteraciones genéticas en mujeres cuyos tumores respondieron al tratamiento con inhibidores de la aromatasa con las de mujeres que presentaron resistencia a la terapia. Los resultados están siendo analizados para dilucidar pistas genéticas que permitan identificar la resistencia antes de comenzar el tratamiento.
En otro proyecto, en colaboración con el Hospital de Investigación Infantil St. Jude, se están secuenciando los genomas de al menos 600 niños con cáncer, con la esperanza de encontrar nuevas dianas para la terapia genética.
El futuro es ahora
Estos estudios generarán preguntas de investigación que se someterán a estudios clínicos futuros. Un aspecto todavía más futurista de la secuenciación completa del genoma del cáncer es su potencial para influir en las decisiones individuales de tratamiento, no en varias décadas de distancia sino hoy en día.
En mayo pasado, investigadores de la Universidad de Washington publicaron un informe de caso sobre el uso de la secuenciación del genoma completo para guiar el tratamiento de una mujer con un subtipo inusual de LMA que responde bien a una terapia dirigida específica, con lo que le evitaron un agresivo trasplante de células madre. Este subtipo de enfermedad solo se pudo identificar definitivamente en su caso a través de la secuenciación del genoma completo.
El análisis, explicó la doctora Mardis, demostró que la secuenciación del genoma completo puede ofrecer importante información para las decisiones de tratamiento, al mismo costo y en el mismo lapso de tiempo que las técnicas patológicas y citogenéticas tradicionales que se usan para el diagnóstico de la LMA.
'La citogenética y las pruebas moleculares limitadas se utilizan ahora para proporcionar información pronóstica a pacientes con LMA, pero las pruebas actuales no nos permiten clasificar con precisión el riesgo de todos los pacientes. Además, el grupo completo de las pruebas actuales puede costar hasta USD $10 000 por paciente, y ese costo seguirá aumentando a medida que se descubran nuevos genes para el pronóstico', dijo el doctor Timothy Ley, subdirector del Instituto del Genoma.
Para mejorar el diseño del tratamiento, el doctor Ley y sus colegas planean secuenciar el genoma completo de todos los pacientes con LMA de riesgo intermedio que son atendidos en el Centro Oncológico Siteman, a partir de finales de este año. Resulta difícil asignar estos pacientes a quimioterapia o trasplantes de células madre más agresivos con solo las técnicas tradicionales de diagnóstico.
'A más de 200 pacientes con LMA ya se les han secuenciado sus exomas [la porción del genoma que contiene los genes codificadores de proteínas] o el genoma completo y podremos saber más de las mutaciones relevantes en los resultados de salud a finales del año', explicó el doctor Ley. 'A todos los pacientes que se les hace la secuenciación se les dará un seguimiento para verificar si las decisiones que tomamos con base en los datos de la secuenciación se traducen en una mejoría de la supervivencia'.
Un problema importante cuando se estudia el genoma completo del cáncer es que muchas de las mutaciones descubiertas a la fecha no están presentes en un gran número de pacientes con un solo tipo de cáncer o se sitúan en áreas del genoma cuyas funciones desconocemos.
El doctor Wilson cree que la diversidad genética del cáncer observada hasta ahora 'en lugar de desanimarnos, nos incentiva más como investigadores'. Es un recordatorio de que hemos decidido trabajar con una enfermedad difícil', comentó. 'Si fuera fácil de entender, no necesitaríamos la secuenciación del genoma completo'.
—Sharon Reynolds
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