Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1993 — Roberts y Sharp: los genes están divididos en fragmentos
Lo que aprenderá al leer este artículo
Comprenderá la sorprendente realidad de que los genes no están organizados de forma continua como el código fuente, sino divididos en múltiples fragmentos. En 1977, Richard Roberts y Phillip Sharp descubrieron de forma independiente, mientras estudiaban los genes del adenovirus, que la secuencia del ADN y la del ARNm no coincidían exactamente, y que el ARNm se ensamblaba a partir de varios fragmentos. Este descubrimiento abrió el camino al concepto de la estructura de exones (exon) e intrones (intron) en los genes de los eucariotas, así como al de splicing del ARNm, y constituye la base de hoy del splicing alternativo, la terapia génica, las vacunas de ARNm y los nuevos fármacos que regulan el splicing (los tratamientos para la AME, spinraza y risdiplam).
Una historia contraria al sentido común: los genes contienen segmentos que se eliminan
Hasta mediados de la década de 1970, el conocimiento convencional en genética era claro. Gen = instrucción para fabricar proteínas. La secuencia continua del ADN se transcribe en ARNm, y el ARNm se traduce en proteínas. Un mundo claro definido por el dogma central establecido por Crick.
Este sentido común fue exacto para las bacterias (procariotas), pero no era cierto para los humanos, animales y plantas (eucariotas). En los genes de los eucariotas, hay segmentos que no se reflejan en la proteína final (intrones) intercalados entre los segmentos que forman la proteína (exones). Cuando el gen se transcribe, el pre-ARNm largo inicialmente producido contiene tanto exones como intrones; posteriormente, mediante un proceso llamado splicing, se eliminan los intrones y solo se unen los exones para formar el ARNm maduro.
Para ilustrar lo extraordinario de este descubrimiento: el genoma humano tiene aproximadamente 3.000 millones de pares de bases, pero la secuencia que codifica realmente las proteínas representa solo alrededor del 1,3 % de ese total. La mayor parte del resto corresponde a intrones y varias secuencias reguladoras. Mientras que los genomas procariotas están densamente aprovechados, el genoma eucariota tiene una estructura más dispersa.
En el lenguaje de la ciencia computacional, esta imagen equivale a un código fuente con comentarios intercalados. Las instrucciones realmente ejecutables son los exones, y los intrones son comentarios o espaciadores que se eliminan durante la compilación. El compilador (el espliceosoma) reconoce secuencias específicas que marcan el inicio y el final de los intrones (la regla GT-AG), corta estas regiones y une únicamente los exones.
Lo más sorprendente es el splicing alternativo. A partir de un solo gen, se pueden producir varios tipos de ARNm según el modo de splicing. Se incluyen ciertos exones y se excluyen otros para generar distintas isoformas proteicas. Esto es comparable a crear múltiples archivos ejecutables mediante compilación condicional (#ifdef) durante la fase de compilación. Posteriormente se descubrió que más del 90% de los genes humanos sufren splicing alternativo, lo que se estableció como el mecanismo que permite generar una gran variedad de proteínas con solo unos 20.000 genes.
Las repercusiones de este descubrimiento continúan expandiéndose. Se ha determinado que los errores de splicing son la causa de diversas enfermedades genéticas, y recientemente han ingresado a la clínica nuevos fármacos dirigidos al splicing.
El panorama de la época: la reconfiguración mundial posterior a la Guerra Fría y el año inaugural de las reformas en Corea
1993 fue el año de la primera reconfiguración mundial tras el fin de la Guerra Fría y el año inaugural de la política reformista en Corea.
En la historia mundial, el 13 de septiembre se firmaron los Acuerdos de Oslo entre Israel y la OLP: un apretón de manos entre el primer ministro israelí Yitzhak Rabin y el presidente de la OLP Yasser Arafat en el jardín de la Casa Blanca en Washington, símbolo de la paz en Oriente Medio. El 1 de noviembre entró en vigor el Tratado de Maastricht, marcando el lanzamiento oficial de la Unión Europea (UE). El 12 de diciembre se aprobó por referéndum la nueva constitución de Rusia por parte de Yeltsin, consolidando el orden constitucional ruso tras la disolución de la Unión Soviética. Se completó el proceso de fin del apartheid en Sudáfrica, sentando las bases para la elección de Mandela al año siguiente.
En la historia de la tecnología, el 22 de abril se lanzó el navegador web Mosaic: este navegador, creado por Marc Andreessen, popularizó la World Wide Web (WWW), dando inicio a la genealogía de navegadores que luego derivó en Netscape → Internet Explorer → Firefox → Chrome. En julio se lanzó Microsoft Windows NT 3.1, integrando la computación personal y la computación de servidores. También se lanzó el procesador Intel Pentium.
En la historia de Corea, el 25 de febrero asumió la presidencia Kim Young-sam, marcando el inicio práctico del gobierno civil. El 12 de agosto se implementó el sistema de nombres reales financieros: una medida de transparencia patrimonial ejecutada de la noche a la mañana mediante un decreto presidencial urgente, que cambió fundamentalmente el panorama de los fondos de los chaebols y la política. En abril se disolvió el Grupo Hana, un golpe decisivo para la reforma del ejército al erradicar las organizaciones militares clandestinas. El 10 de octubre se hundió el ferry Seohae, causando 292 muertos y exponiendo las deficiencias del sistema de seguridad de los transbordadores de pasajeros en Corea. Este evento es el punto de origen de una triste genealogía que culminaría con el desastre del Sewol (2014).
En este año de reconfiguración, el Comité Nobel reconoció a dos personas por haber revelado la estructura real de los genes. Mientras los políticos editaban nuevamente el código fuente antiguo, se reconoció la imagen de cómo se edita y utiliza realmente el código fuente de la vida.
Richard Roberts: el desafío de la genética del chico de la química
Richard J. Roberts (1943~) es un genetista británico. La historia de su infancia constituye un ejemplo interesante en la narrativa del Premio Nobel.
El primer momento decisivo fue el encuentro con un maestro en la escuela primaria que despertó su interés académico. Gracias a las enseñanzas de ese maestro, aprendió a disfrutar de las matemáticas y la lógica.
El segundo factor fue el apoyo familiar. Su padre, técnico automotriz, instaló varios equipos de laboratorio químico en casa, lo que le permitió realizar experimentos con entusiasmo. Aunque los equipos eran muy peligrosos e incluso podían explotar, sus padres apoyaron la curiosidad intelectual de su hijo.
Obtuvo el doctorado en química en la Universidad de Sheffield en 1968 y luego se dedicó a la biología. Entre 1972 y 1991 trabajó como investigador en el Instituto de Investigación de Cold Spring Harbor, donde realizó investigaciones que le valieron el Premio Nobel. Desde 1992 ha sido investigador principal en New England Biolabs, una empresa clave en la investigación y comercialización de enzimas de restricción.
Phillip Sharp: El descubrimiento del investigador del MIT sobre el cáncer
Phillip A. Sharp (1944–) es un genetista estadounidense. Obtuvo el doctorado en la Universidad de Illinois en 1969, trabajó como investigador en el Instituto de Investigación de Cold Spring Harbor entre 1971 y 1973 y, a partir de 1979, se convirtió en profesor del MIT.
Sharp estaba estudiando la expresión génica de los virus de ADN que causan cáncer. La pregunta que intentaba responder era clara: ¿cómo se transcribe la información genética del ADN al ARNm y cómo el ARNm produce proteínas? Para observar este proceso, diseñó un experimento en el que hibridó fragmentos específicos de ADN con el ARNm transcrito correspondiente y los observó mediante microscopía electrónica.
El descubrimiento clave: la forma circular revelada por el microscopio electrónico
Los hallazgos experimentales de ambos son sorprendentes.
Observación de Roberts: Al analizar la secuencia de bases del adenovirus, descubrió que la secuencia de ADN de un gen específico no coincidía exactamente con la secuencia del ARNm transcrito a partir de ese ADN. Aunque había regiones coincidentes entre el ADN y el ARNm, no estaban conectadas de forma continua, sino distribuidas en el ADN.
Observación de Sharp: Al observar el experimento de hibridación ADN-ARNm bajo microscopía electrónica, se comprobó que ciertas partes del ARNm se separaban del ADN formando una estructura en forma de lazo. Estas estructuras corresponden a los intrones: regiones presentes en el ADN pero ausentes en el ARNm.
En 1977, ambos investigadores presentaron sus respectivos descubrimientos en un simposio del Instituto de Investigación de Cold Spring Harbor. Se trataba de investigaciones completamente independientes pero realizadas casi simultáneamente. Este hallazgo redefinió la imagen fundamental de la genética.
Posteriormente, se aclara el mecanismo detallado del empalme. Un enorme complejo de ARN y proteínas llamado esplaisosoma reconoce los extremos de inicio y fin de los intrones (regla GT-AG), los corta y une los exones. Las reglas del empalme, los factores reguladores y los mecanismos de error se aclaran en detalle durante los siguientes 30 años.
Marco de la informática (CS): código fuente con anotaciones y compilación condicional
Si reconstruimos el sistema de genes divididos en el lenguaje de la informática, obtenemos la siguiente figura.
Gen = código fuente mezclado con anotaciones y código ejecutable: Los exones son las instrucciones que se ejecutan; los intrones son anotaciones que se eliminan durante la compilación. El ADN es el código fuente original, y el ARNm es el archivo ejecutable compilado.
Esplaisosoma = preprocesador del compilador: El esplaisosoma reconoce el inicio (sitio de empalme 5', GT) y el final (sitio de empalme 3', AG) de los intrones para cortarlos y unir los exones. Es análogo a cómo el preprocesador maneja las anotaciones y macros.
Empalme alternativo = compilación condicional: A partir de un único código fuente, se incluyen o excluyen diferentes partes según las condiciones para generar múltiples archivos ejecutables. Por ejemplo, de un solo gen se crean isoformas para tejido cerebral e isoformas para tejido muscular mediante el empalme alternativo. Similar al patrón #ifdef BRAIN ... #else ... #endif.
Error de empalme = error de compilación: Si hay una mutación en los sitios de empalme, los intrones no se eliminan correctamente, lo que genera proteínas incorrectas. Una parte significativa de las enfermedades genéticas (como la beta-talasemia y la DMD) tiene esta causa.
Entrecruzamiento de exones = módulos reutilizables: Durante la evolución, los exones se reutilizan entre genes. El hecho de que ciertos dominios (como el dominio de inmunoglobulina) se reutilicen comúnmente en múltiples genes es similar a la reutilización de funciones de biblioteca en la informática.
Vacuna de ARNm = inyección directa de código ensamblador: Las vacunas de ARNm contra la COVID-19 (Pfizer y Moderna) inyectan directamente el ARNm que codifica la proteína de la espícula. Esto evita el proceso de empalme para entrar directamente en la etapa de traducción. Es equivalente a inyectar directamente código ensamblador que hace que las células humanas produzcan proteínas patógenas.
Nuevos fármacos reguladores del empalme = manipulación de opciones de compilación:
- Spinraza (nusinersen, 2016) — Oligonucleótido antisentido, induce la inclusión del exón 7 del gen SMN2, cambiando el panorama del tratamiento de la atrofia muscular espinal (AME)
- Risdiplam (Evrysdi, 2020) — Modulador pequeño del empalme, medicamento oral para el tratamiento de la AME
- Terapia de omisión de exones (Exondys 51, 2016) — Induce la omisión de un exón específico en la distrofia muscular de Duchenne (DMD)
Esta analogía no es completa. El empalme es probabilístico y se regula según el tejido y la etapa del desarrollo, y ocurre mediante la cooperación de múltiples factores. Es una regulación mucho más sofisticada que una simple compilación condicional.
Impacto académico: reorganización fundamental de la genética de los eucariotas
Tras este descubrimiento, la genética de los eucariotas se reestructura fundamentalmente.
Origen de la diversidad proteica: La capacidad de generar más de 200.000 tipos de proteínas a partir de aproximadamente 20.000 genes humanos se debe al empalme alternativo. Más del 90% de los genes humanos experimentan empalme alternativo, produciendo un promedio de 3 a 4 isoformas por gen.
Reestructuración de la anotación génica: Tras el Proyecto Genoma Humano (completado en 2003), el mapeo preciso de exones, intrones y sitios de empalme, en lugar de la secuencia del genoma en sí, se convirtió en el principal desafío de la genética. Bases de datos como GENCODE y RefSeq proporcionan actualmente esta información.
Comprensión de las enfermedades genéticas: Las mutaciones en los sitios de empalme se encuentran en aproximadamente el 15% de las enfermedades genéticas humanas. Esto incluye ciertas formas de beta-talasemia, distrofia muscular de Duchenne (DMD), atrofia muscular espinal (SMA) y fibrosis quística (CF).
Nuevos fármacos que regulan el empalme:
- Spinraza (2016) — Primer fármaco terapéutico dirigido al empalme
- Risdiplam (2020) — Regulador oral del empalme
- Exondys 51 (2016) — Induce el salto del exón 51 en la DMD
- Casgevy (2023) — Tratamiento de la anemia falciforme y la beta-talasemia mediante CRISPR-Cas9
Crecimiento de la tecnología de ARNm: La comprensión del empalme ha impulsado el desarrollo de tecnologías de producción y regulación de ARNm, cuya línea evolutiva conduce a las vacunas de ARNm contra la COVID-19 (2020). El hecho de que las vacunas de Pfizer, BioNTech y Moderna hayan salvado a la humanidad de la pandemia representa la cúspide de esta trayectoria.
Descubrimiento de ARN largo no codificante y microARN: Aunque la mayor parte del genoma eucariota no codifica proteínas, se ha descubierto posteriormente que en estas regiones se expresan moléculas reguladoras como ARN largo no codificante (lncRNA) y microARN (miRNA). Estos descubrimientos están conectados con el hallazgo de la interferencia de ARN por Fire y Mello (Premio Nobel 2006).
La continuidad en Corea y la actualidad
El impacto de esta trayectoria es amplio en Corea. Desde finales de la década de 1990, los laboratorios de biología molecular de las universidades de Seúl, Yonsei, KAIST y POSTECH han realizado investigaciones activas sobre empalme y biología del ARN.
Aplicaciones clínicas: En los departamentos de neurología pediátrica de la Universidad de Seúl, Severance, Asan Medical Center, Samsung Medical Center y Seoul St. Mary's Hospital, la prescripción de Spinraza, Risdiplam y Zolgensma (terapia génica) a pacientes con SMA se ha estandarizado. Esto ha permitido que niños que anteriormente solían fallecer antes de los dos años alcancen un desarrollo normal.
Desarrollo de tecnología de vacunas de ARNm en Corea — Empresas como Samsung Biologics, SK Bioscience e IGEN han desarrollado sus propias tecnologías de vacunas de ARNm. Tras la COVID-19, se ha expandido la infraestructura nacional para el desarrollo de nuevos fármacos basados en ARNm.
Investigación de secuenciación de ARN: Las investigaciones sobre la cartografía del estado celular y de los tejidos mediante la secuenciación de ARN de célula única (scRNA-seq) en la Universidad Nacional de Seúl, POSTECH y KAIST se encuentran entre las mejores del mundo. Cartografía específica de tejido y célula del empalme alternativo.
¿Por qué es importante?
Lo que dejaron dos personas fue la confirmación de que "los genes de los eucariotas no son secuencias continuas simples, sino fragmentos ensamblados".
La comprensión fundamental de la genética de los eucariotas se reconfiguró con este descubrimiento. El principio por el cual los 20.000 genes humanos pueden producir más de 100.000 proteínas, el principio por el que se crean diferentes isoformas de proteínas según el tejido y la etapa del desarrollo, y el principio por el cual una gran parte de las enfermedades genéticas surgen de errores de empalme: todo esto se deriva de este descubrimiento.
Símbolo del descubrimiento independiente. Roberts y Sharp llegaron a este descubrimiento de manera completamente independiente en laboratorios diferentes. Que la misma verdad se confirme mediante enfoques distintos es el poder del descubrimiento científico.
La belleza del linaje personal: En la historia de Roberts, el hecho de que el apoyo de su maestro infantil y de sus padres haya conducido hasta el Premio Nobel simboliza el poder de la educación. El incidente en el que su padre instaló un dispositivo experimental químico con potencial explosivo dentro de su hogar terminó creando a una persona que cambió el panorama de la genética a finales del siglo XX.
Tras este premio, la corriente de investigación sobre ARN y regulación génica fluye hacia lo siguiente:
- 2006 Fire y Mello — Interferencia de ARN (RNAi)
- 2009 Blackburn, Greider y Szostak — Telómeros y telomerasa
- 2020 Charpentier y Doudna (Premio de Química) — Edición génica CRISPR-Cas9
Aplicaciones clínicas e industriales de este descubrimiento:
- Terapéuticos que regulan el empalme: Spinraza, Risdiplam, Exondys 51
- Vacunas y terapias de ARNm: Vacunas contra la COVID-19 de Pfizer y Moderna
- Terapia génica: Zolgensma (AME) y Luxturna (amaurosis congénita de Leber)
- Diagnóstico genético: Estandarización de pruebas de mutación en sitios de empalme
- Análisis de transcriptomas de célula única: scRNA-seq (cartografía celular)
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