La experimentación animal es esencial para la adecuada interpretación del genoma humano y para reproducir las patologías que nos afectan en otros organismos, parecidos a nosotros. Mediante el uso de modelos animales podemos estudiar las patologías humanas, para comprenderlas y poder diseñar tratamientos que logren curarlas o aliviarlas. La publicación del genoma humano en el año 2001y la de otros mamíferos relacionados, como el ratón, en años posteriores fueron hitos fundamentales en la historia reciente de la genética. Las expectativas iniciales hablaban de centenares de miles de genes cuando, en realidad, los números reales de secuencias genéticas portadoras de información, bien sea en forma de proteínas codificadas o de moléculas de RNA parece rondar los 20-25,000, en las estimaciones más recientes (ENSEMBL; visor de genomas europeo: http://www.ensembl.org/).

Los 20-25,000 genes que tenemos, tanto los humanos como los ratones, los compartimos en su inmensa mayoría y se asemejan en un 95%. Tal grado de similitud permite utilizar al ratón como organismo ideal para conocer la función de todos estos genes, puesto que del conocimiento de un gen del genoma del ratón se deriva, en razón de su alto grado de homología, el conocimiento del gen humano correspondiente, del gen homólogo. Aunque en apariencia externa humanos y ratones no compartamos ni el tamaño ni la forma, en realidad, internamente, y lo que es más relevante, a lo largo del desarrollo embrionario, humanos y ratones seguimos procesos equivalentes, siguiendo las mismas pautas génicas. De ahí se deduce que, en lo fundamental, ratones y humanos sí seamos similares, genéticamente comparables, y por todo ello el estudio de las consecuencias del funcionamiento anómalo de genes en el ratón sea relevante para predecir, reproducir y estudiar estas mismas anomalías génicas, cuando afectan al genoma humano, cuando devienen enfermedades.

La utilización del ratón como organismo modelo para los estudios funcionales del genoma (en la disciplina que se ha venido a llamar genómica funcional del ratón) puede razonarse desde muchos puntos de vista. Los ratones son animales mamíferos, como los humanos, con un genoma muy parecido. Son de pequeño tamaño, tienen un tiempo de gestación corto (19-20 días) y un tiempo de generación igualmente corto (alrededor de 3 meses). Alcanzan la madurez sexual a las 6-8 semanas de vida y tienen camadas muy numerosas (de 6 a 12 crías). Permiten la cría continua (una ratona puede estar amamantando una camada y gestando la siguiente, simultáneamente), y se mantienen y crían fácilmente en cautividad. Además, lo que es más importante, conocemos muchos mutantes en el ratón, muchas variantes genéticas que han sido valiosísimas para estudiar los genes asociados a esas mutaciones (ver Figura 1). Finalmente, y de forma especialmente relevante, presentan un genoma que es ampliamente modificable. Esta última característica ha sido esencial para comprender la explosión de modelos animales de enfermedades humanas que ya han sido generados y se están generando en el ratón. En efecto, desde principios de los años 80, en el siglo pasado, sabemos cómo introducir nueva información genética en el ratón, mediante la microinyección de moléculas de ADN en pronúcleos de óvulos fecundados (ver Figura 2). También desde principios de los años 80, desde 1981, conocemos la existencia de las células embrionarias pluripotentes del ratón o células ES (del inglés mouse embryonic stem cells). En esa fecha, dos laboratorios, de forma independiente, Gail Martin y Martin Evans, aislaron por vez primera un tipo celular, presente en el interior de los blastocistos, capaz de convertirse en cualquiera de los más de dos cientos tipos celulares que existen en el cuerpo. Estas células ES pueden mantener intacta su capacidad de diferenciación en el laboratorio, si se cultivan bajo unas condiciones estrictas, y, durante este tiempo, pueden ser objeto de una modificación genética dirigida, específica, utilizando una estrategia denominada de recombinación homóloga, en la que secuencias muy similares a las que se desea modificar se introducen en la célula, junto con sistemas de selección adecuados, siendo el resultado final la inactivación o alteración génica precisa de la secuencia deseada, es decir, la eliminación a voluntad de una función génica, dejando intacto el resto del genoma. Los primeros experimentos de inactivación específica del genoma utilizando células ES se llevaron a cabo en los laboratorio de Mario Capecchi, en 1987, aprovechando los conocimientos que sobre recombinación homóloga había desarrollado otro investigador, Oliver Smithies. Con toda justicia, en el año 2007, estos tres investigadores Martin Evans, Mario Capecchi y Oliver Smithies, recibieron un merecido premio Nobel de Fisiología o Medicina “por sus descubrimientos de los principios para la introducción de modificaciones genéticas específicas en el ratón mediante la utilización de células troncales embrionarias” (http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2007/)

Figura 1. Diferentes ratones mutantes con variantes génicas que alteran la pigmentación. Compendio de fotografías de varios autores, extraídas de la página WEB “Color Genes”, http://www.espcr.org/micemut

Desde 1987 se han obtenido muchos ratones transgénicos y muchos ratones con mutaciones genéticas específicas (denominados, en inglés, ratones knockout o KO). A veces puede tenerse la sensación que se han generado un número ingente de modelos animales, de ratones modificados genéticamente, suficientes para el estudio de todas las enfermedades humanas con base genética conocidas. Sin embargo la realidad es bien distinta. Una consulta periódica a las bases de datos del Laboratorio Jackson (http://www.jax.org/), una de las entidades de referencia a nivel internacional sobre genética del ratón, y del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/), ambas dos instituciones norteamericanas, nos ofrece un resultado distinto al esperado (ver Tabla I). En realidad, actualmente, apenas hemos logrado analizar un 25% del total de genes del genoma de ratón (y, por lo tanto, del genoma humano) mediante algún tipo de modificación genética. Y, lo que es más importante, apenas hemos conseguido reproducir un 5% (unas mil patologías humanas) del total de enfermedades humanas conocidas de base genética (alrededor de 20,000). Por lo tanto es obvio que queda mucho trabajo todavía por hacer. Esta disparidad numérica y el convencimiento de que el ratón sigue siendo el modelo animal que mejor permite estudiar la función de nuestros genes, de los genes humanos, tanto en sus variantes normales, fisiológicas, como anómalas, patológicas, fue clave para que una serie de instituciones internacionales decidieran unir sus fuerzas y recursos para lanzar un proyecto de gran calado, el International Knockout Mouse Consortium (http://www.knockoutmouse.org/) cuyo objetivo es llegar a producir ratones mutantes para todos y cada uno de los genes existentes en el genoma, utilizando las tecnologías de modificación genética específica del ratón mediante recombinación homóloga y las células ES. Se trata de un proyecto internacional en el que participan proyectos europeos (EUCOMM; http://www.eucomm.org/), norteamericanos (KOMP: http://www.komp.org/; TIGM: http://www.tigm.org/) y canadienses (NorCOMM: http://www.norcomm.org/).

Figura 2 : Microinyección de ADN al pronúcleo de un óvulo fecundado de ratón. Fotografía: Lluís Montoliu

La producción de nuevos modelos de ratón para el estudio de enfermedades humanas lleva asociada la puesta en marcha de nuevos centros de investigación, muy específicos, adaptados al modelo animal de trabajo: las clínicas del ratón (Mouse Clinics), idea que surgió en Europa y de la que existen varios centros funcionando en la actualidad, como en Strasbourg (Institute Clinique de la Souris: http://www-mci.u-strasbg.fr/) o en Munich (German Mouse Clinic: http://www.mouseclinic.de/). En estas clínicas del ratón se analizan las características (el fenotipo) de cada uno de estos ratones mutantes, investigando qué puede funcionar mal o incorrectamente en ese ratón al que se le ha inactivado uno solo de los más de veinte mil genes de su genoma. Adicionalmente, todos estos miles de ratones que se están generando es imposible mantenerlos a todos ellos con vida, permanentemente. Por ello, por motivos logísticos evidentes y con la atención debida a los preceptos de bienestar animal, se tiende a criopreservar todos estos nuevos modelos de ratón, en forma de embriones o esperma, congelados a muy bajas temperaturas (-196ºC) para su mantenimiento indefinido y revitalización posterior, cuando sea necesario estudiarlos. Entre los proyectos de criopreservación internacionales destaca, en Europa, el proyecto EMMA (European Mouse Mutant Archive: http://www.emmanet.org/) al que España se ha incorporado recientemente, a través de las instalaciones del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) de Madrid.

Figura 3 : Ratones albinos. El raton de la derecha es, ademas, transgénico y produce L-DOPA en su retina, lo cual le permite corregir los defectos visuales asociados al albinismo. Fotografía: Lluís Montoliu

Un ejemplo de la utilización de los ratones transgénicos para el estudio de enfermedades humanas lo hemos desarrollado en nuestro laboratorio, en el CNB-CSIC, en Madrid. El albinismo, caracterizado por una pérdida de la pigmentación en el cuerpo, es una condición genética rara, que afecta a 1 de cada 17000 personas en la población. Está causado por mutaciones en alguno de los 14 genes cuyas funciones codificadas son esenciales para la producción de melanina (Información sobre albinismo: http://www.cnb.csic.es/~albino/). El principal problemas de las personas con albinismo no es la falta de pigmentación sino los graves déficits visuales asociados. Todo ello puede reproducirse fielmente en modelos de ratón albinos. Utilizando este modelo animal hemos generado ratones transgénicos capaces de producir metabolitos intermediarios en la vía de síntesis de la melanina, como la L-DOPA, cuyo déficit pensábamos era la causa principal de las anomalías visuales. Los ratones transgénicos obtenidos, a pesar de mantener externamente su apariencia albina, ya no presentan anomalías visuales, corregidas por la aportación de L-DOPA durante el desarrollo embrionario de la retina (Lavado A y col. Journal of Neurochemistry 2006: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16445854). Este experimento demuestra que es posible, en ratones, corregir los déficits visuales asociados al albinismo y abre nuevas expectativas terapéuticas para explorar posibles estrategias terapéuticas en humanos.

Fuentes consultadas: Mouse Genome Informatics Statistics (http://www.informatics.jax.org/mgihome/homepages/stats/all_stats.shtml), y Online Mendelian Inheritance in Man Statistics (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/mimstats.html) 8 Diciembre 2009