El microbioma humano: la contraparte del genoma humano

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Qué es el microbioma humano

El microbioma humano es un conjunto de células microbianas que suman miles de billones. Está involucrado con la salud y con las enfermedades. Los humanos somos en su mayoría microbios. Estos superan en número a las células humanas. Antes de explicar qué es el microbioma y por qué es importante para la medicina genómica y para el diagnóstico, es necesario definir algunos términos.

Un microbio o microorganismo es una pequeña forma de vida tan diminuta, que no se ve a simple vista. La palabra microbio es un término muy general. Se utiliza para describir muchos tipos de formas de vida, con tamaños y características diferentes. Un microbio puede ser una bacteria, archaea, hongo, protista, virus o animal microscópico.

El cuerpo humano es el hogar de microbios de todas estas categorías. La microbiota es una colección o comunidad de microbios en un nicho específico, como el intestino humano. El microbioma comprende todo el material genético dentro de una microbiota. El microbioma humano incluye a todos los genes de nuestros microbios y puede considerarse una contraparte del genoma humano (todos nuestros genes). Los genes en nuestro microbioma superan en número a los genes de nuestro genoma en aproximadamente 100 a 1.

Microbiota intestinal: conjunto de microbios en el intestino

Microbiota intestinal: conjunto de microbios en el intestino

Los microbios han sido un tema de estudio durante mucho tiempo. Las primeras técnicas de investigación incluyeron tomar una muestra de un paciente y cultivarla en el laboratorio. En este lugar podría estudiarse utilizando una combinación de técnicas de cultivo, microscopía y tinción. Esto funciona bien para los microbios que crecen fácilmente en cultivo, como Escherichia coli (E. coli); pero la mayoría de los microbios no crece en cultivo. No obstante, nuevas tecnologías como la secuenciación de ADN se puede utilizar para los microbios que no se puede cultivar.

Desarrollo del microbioma humano

Antes del nacimiento, todos somos más o menos estériles. Es decir, no tenemos microbios. Al nacer, los microbios colonizan el cuerpo y dependiendo de cómo y dónde nazcamos, estamos colonizados por diferentes tipos de microbios. En unos pocos años, el cuerpo humano se encuentra cubierto de miles de diferentes especies de microbios. Estos se ubican en cada milímetro del cuerpo que está expuesto al mundo exterior. A través de los años, incluso en la vejez, la microbiota sigue cambiando.

El microbioma se ensambla al nacer, se desarrolla con su huésped y está influenciado por factores como la dieta y exposiciones ambientales. Recientemente ha empezado a discutirse sobre el papel de la variación genética humana como un factor en las diferencias entre los microbiomas. Por lo tanto, los genes humanos pueden influir en la salud directamente o promoviendo un microbioma beneficioso. Los estudios sobre la heredabilidad de las microbiotas intestinales revela un subconjunto de microbios cuya abundancia está parcialmente determinada genéticamente por el huésped. Sin embargo, el uso de estudios de asociación de genoma completo (GWAS, por sus siglas en inglés) para identificar variantes genéticas humanas asociadas con fenotipos de microbioma ha resultado ser un desafío.

Objetivo de la investigación

Un objetivo importante de la investigación del microbioma es definir qué tipos de microbios viven en un cuerpo humano sano. No obstante, las comunidades de microbios pueden ser muy diferentes de una persona sana a otra. Incluso, son diferentes de un lugar a otro en el mismo individuo. Esta variabilidad hace que describir el microbioma “normal” sea una meta y una tarea desafiante. Los investigadores están resolviendo este problema tomando muestras de cientos de individuos y compilando la información. Los grandes datos ofrecen una esperanza de desarrollo, pues como nunca antes hoy se tiene la capacidad de mirar millones de datos en diferentes combinaciones.

investigación del desarrollo del microbioma humano

Secuenciación de ADN y microbioma

Cuando una persona se enferma, el microbioma sufre cambios. Una enfermedad grave puede modificar el microbioma humano por completo y para siempre. Esto no necesariamente conduce a desenlaces fatales.

Los investigadores usan la secuenciación de ADN para identificar microbios. Una técnica común es secuenciar un marcador, secuencia corta y única de ADN que se puede usar para identificar el genoma que lo contiene. Usando marcadores, los investigadores pueden identificar un microbio sin tener que secuenciar todo su genoma. Este atajo permite identificar todas las especies presentes en una gran cantidad de muestras muy rápidamente.

Incluso secuenciar marcadores en lugar de genomas completos genera grandes cantidades de datos. Como resultado, los investigadores que estudian el microbioma dedican mucho tiempo y esfuerzo al desarrollo de nuevas herramientas y tecnologías informáticas para que el análisis de datos sea más manejable.

Los estudios sobre el microbioma hasta la fecha son pequeños para los estándares GWAS. Además, las comparaciones entre estudios se ven obstaculizadas por las diferencias en los enfoques analíticos. Sin embargo, han surgido asociaciones entre microbios o genes microbianos y genes humanos que son consistentes entre las poblaciones humanas.

Es hora de que el microbioma se incorpore a los estudios que cuantifican las interacciones entre el genotipo, el entorno y el microbioma para predecir la susceptibilidad a las enfermedades humanas. Es decir, el nuevo reto de la ciencia consiste en la secuenciación del metagenoma o la estructura microbiana que habita en el cuerpo de todos los seres humanos.

Análisis de los genes de las microbiotas

Análisis de los genes de las microbiotas

La existencia del microbioma se reconoció hasta finales de los años noventa.

Proyecto Microbioma Humano

Más del 99% de la información genética de un individuo proviene de la información contenida en los millones de microbios que viven en su cuerpo. Comprender el microbioma humano y cómo se puede modificar es un desafío y una gran oportunidad, ya que tiene una enorme influencia en la salud. Las iniciativas de investigación a nivel mundial están mapeando el microbioma humano, descubriendo especies y genes previamente inexplorados.

El Proyecto Microbioma Humano (HMP, por sus siglas en inglés) comenzó en 2008 como una extensión del Proyecto Genoma Humano. El propósito del HMP es estudiar al ser humano como un superorganismo compuesto por células humanas y microbianas, con el objetivo de describir el microbioma y analizar su papel en la salud y las enfermedades.

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Fases del proyecto

El trabajo de investigación se llevó a cabo durante 10 años y se dividió en dos fases. Esto con el fin de proporcionar recursos, métodos y descubrimientos que vinculen las interacciones entre los seres humanos y sus microbiomas con la salud. La primera fase del proyecto consistió en el análisis de los microbios para descubrir qué especies nos habitan. Mientras que la segunda fase del proyecto analizó la interacción entre estos microbios y el cuerpo humano.

La segunda fase, recientemente completada (2019) y nombrada Proyecto Integrativo de Microbiomas Humanos, comprendió estudios de cambios dinámicos en el microbioma y el huésped en tres condiciones: embarazo y parto prematuro, enfermedades inflamatorias intestinales y factores de estrés que afectan a las personas con prediabetes.

Proyecto Microbioma Humano: cambios dinámicos en el microbioma y el huésped

Estos avances comienzan a exponer los mecanismos de las interacciones huésped-microbioma. Además, proporcionan recursos únicos de datos y representan un paradigma para futuros estudios del microbioma.

“La gran ventaja de todos estos estudios es que nos estamos empezando a dar cuenta que en medicina, no podemos usar parámetros comunes para todas las personas… nuestra salud es más personalizada. A menos que incluyamos el microbioma en las evaluaciones de salud de rutina, estamos dejando a un lado una gran parte de la historia”.

– Lita Proctor, coordinadora del Proyecto Microbioma Humano

El microbioma y la medicina de precisión

La posibilidad de terapias médicas individualizadas (medicina de precisión), que se personaliza para una eficacia máxima, ha acelerado los descubrimientos terapéuticos y diagnósticos que incorporan perfiles completos de pacientes. Esto incluye datos demográficos y antecedentes familiares; datos de laboratorio tradicionales y datos ómicos de la próxima generación, como las lecturas genómicas, metabolómicas y proteómicas humanas. Como resultado, los estudios de cohorte involucrados en el descubrimiento de biomarcadores se están volviendo más sofisticados para incluir bioestadística compleja, aprendizaje automático y algoritmos de inteligencia artificial. Todo esto para analizar asociaciones con enfermedades que solo aumentarán la utilidad terapéutica de estos tipos de datos suplementarios.

 Microbioma y medicina de precisión

Microbioma y medicina de precisión

Se ha creado nuevos programas, como la Iniciativa All of Us de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH), para crear y analizar los tipos de datos que se cree que pueden aportar refinamiento al descubrimiento de biomarcadores de medicamentos de precisión.

El microbioma humano y las comunidades dinámicas de microbios que colonizan el cuerpo proporcionan una variedad de funciones metabólicas y señales moleculares para mantener una salud adecuada. También proporcionan resistencia a la colonización de patógenos peligrosos como Clostridium difficile. La comprensión cada vez mayor de cómo el microbioma afecta la salud sugiere claramente que los datos de microbiomas humanos debe incluirse en los enfoques de medicina de precisión.

Conclusiones

La implementación de estrategias de secuenciación de nueva generación como un medio para perfilar la composición microbiana completa en un sitio corporal determinado ha acelerado el estudio de las redes de microbios, cuyo contenido genómico supera las funciones codificadas por el huésped en un individuo dado al menos un orden de magnitud.

El campo de la investigación de microbiomas en los últimos años ha sido paralelo al de la genómica y genética humana. Esto en el sentido en el que los avances en las plataformas de secuenciación genómica han creado gran expectativa al desbloquear el código genético, tanto humano como microbiano, para revelar oportunidades de tratamiento para innumerables enfermedades.

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Fuentes

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