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EL PROFUNDO SECRETO OCULTO EN NUESTRO ADN

La naturaleza está repleta de fenómenos asombrosos. Sin duda, el hecho de que un solo microorganismo con capacidad para duplicarse y autoensamblarse sea capaz de fabricar una bacteria, un hongo, una planta, un gusano o un ser humano es sin duda, uno de los fenómenos más increíbles que existen. Esto es posible debido, en gran medida, al programa de cuatro "letras" que contiene el ADN.

Recientemente una nueva disciplina denominada EVO-DEVO (evolutionary development) ha realizado descubrimientos sorprendentes. Estos descubrimientos revolucionarios han cambiado nuestra forma de entender el ADN, la evolución, el desarrollo embrionario y por descontado, todos los seres vivos del planeta. En este artículo analizaremos algunos de estos increíbles descubrimientos.


EVO-DEVO: una ventana a nuevos descubrimientos


Hasta no hace mucho los científicos estudiaban el desarrollo embrionario de las especies de forma separada al estudio genético y evolutivo. Sin embargo, cualquier modificación genética que produzca un cambio físico en cualquier organismo tiene que manifestarse necesariamente durante el desarrollo embrionario, por esto, estas disciplinas deben estudiarse de forma conjunta y coordinada. Este es el objetivo de la EVO-DEVO.


En 1915 el genetista Calvin Bridges identificó una serie de moscas de la fruta mutantes. La mayoría de estos mutantes tenian partes completas del cuerpo repetidas y colocadas en lugares erróneos. Por ejemplo, unas tenian el único par de alas grandes repetidas y situadas en el segmento siguiente del abdomen y otras tenian ¡patas donde las antenas o antenas donde las patas! Lo extraño era que los órganos posicionados en lugares equivocados se habian desarrollado completamente, es como si hubiera una especie de módulo o de "subrutinas" para construir cada tipo de órgano y como si estos módulos hubiesen sido activados en el lugar equivocado. Estas y otras malformaciones (afortunadamente poco comunes como personas con 6 dedos) estaban enviando a los científicos importantes pistas de como funcionaban ciertos mecanismos fundamentales del desarrollo embrionario.


El secreto oculto dentro de nuestro ADN


La bacteria intestinal Escherichia Coli se alimenta casi exclusivamente de glucosa, sin embargo, cuando la glucosa escasea, este simple microorganismo es capaz de detectar la presencia de lactosa y fabricar una enzima para descomponerla en glucosa y galactosa y asi poder seguir consumiento glucosa. Pero, ¿como se las ingenia para detectar la presencia de lactosa y fabricar la enzima solo cuando está presente? La respuesta es sencilla pero de una enorme importancia:










Justo antes del código del gen existe una proteina "enganchada" al ADN denominada "lac repressor" que evita que la maquinaria celular traduzca el código del gen. Cuando aparece lactosa en el entorno esta se fija químicamente al "enganche molecular" del represor y este se desengancha permitiendo la lectura del gen:









De esta forma el represor se comporta como un interruptor que se activa solo en el caso en el que este presente cierta señal química externa. Este descubrimiento fue merecedor del premio nobel de 1965 y marcó el comienzo de una serie de descubrimientos asombrosos y el surgimiento de la EVO-DEVO.


Es ahora cuando llegamos al "secreto oculto" dentro de nuestro ADN. Los científicos han encontrado que en el ADN, justo antes del código útil (el usado para fabricar proteinas) de un gen cualquiera aparecen una serie de secuencias de nucleótidos. Estas cadenas cortas de código actuan como secuencias reguladoras del gen, en el sentido de que el gen solo se activará (o desactivará) cuando se cumplan una serie de condiciones, en concreto, en presencia de las señales externas que se fijan y activan o desactivan estas secuencias reguladoras. Utilizando un símil informático estas secuencias equivalen a la famosa sentencia condicional IF por ejemplo: "IF A and B and not C then X", es decir, si se cumple A y B pero no C entonces se continuará leyendo el código del gen, en caso contrario no se leerá. Pero, ¿cuales son las entradas A, B y C que regulan la activación condicional del gen? Seguramente ya lo han adivinado, estas entradas son señales químicas externas (proteinas) que se comportan de forma equivalente al caso que vimos anteriormente de la bacteria E.coli. Estas señales se llaman factores de transcripción.


Para entender mejor como funciona todo esto en el desarrollo embrionario utilizaremos un ejemplo sencillo: consideremos por ejemplo un embrión de pollo que divididiremos en dos zonas, la zona oeste y la zona este (ver figura inferior). Durante el desarrollo del embrión de este organismo las células al dividirse fabrican la proteína A (factor de transcripción) en el intervalo comprendido entre 20º este a 70º oeste, la proteina B desde 60º este a 10º oeste y la proteina C desde 20º oeste a 80º oeste. Queremos que un gen que llamaremos X y que por ejemplo, contiene el código para fabricar una pata o un ala se active solo en una zona concreta del embrión, por ejemplo en la franja comprendida entre 10º y 20º oeste. Para lograr activar el desarrollo de la pata o ala en el sitio correcto podemos utilizar la siguiente secuencia codificante:

El resultado de combinar los reguladores A (activador) más B (represor) y C (represor) es que el gen X solo se activará en la zona comprendida entre 10º y 20º oeste. ¡De esta forma la naturaleza consigue activar los genes necesarios en las zonas correctas! (1)


Puede uno imaginar fácilmente que sucederá si se produce una mutación en la zona reguladora del gen X. Si por ejemplo la mutación elimina o desactiva el regulador B ¡el gen X se activará entre 20º este y 20º oeste! lo que significaría que se formarían patas o alas consecutivas en toda esta región del embrión. Aunque sin duda podría ser muy beneficioso para el sector alimentario obtener pollos con 4 o 6 alitas o muslos

seguramente esto no sería tan bueno para el organismo (2)


Los efectos de los cambios en los centros de organización del programa universal


La mayor parte de las mutaciones que se producen en nuestro ADN son mutaciones aleatorias y la gran mayoría de estas mutaciones son neutras, es decir, no tienen ningún efecto en el organismo. Además, entorno al 97% del genoma es ADN no codificante y no sirve para fabricar proteinas (aunque como veremos una parte de este ADN "basura" tiene una función crucial). Recientemente, sobre todo con la aparición de la EVO-DEVO este esquema ha cambiado radicalmente: las mutaciones producidas en las zonas donde se encuentran los genes encargados de la organización del desarrollo embrionario, en las zonas reguladoras o en los genes que fabrican los factores de transcripción tendrán consecuencias enormes en el individuo hasta el punto de que estas mutaciones pueden ser el motor principal de la evolución de los seres vivos. Cambios en cualquiera de estas regiones influirán en el tipo de genes que se activan, en la región en que se activan y en el tiempo que permanecen activos. A continuación veremos algunos ejemplos que nos mostrarán las consecuencias tan radicales que produjeron en el pasado cambios en estas zonas del ADN.


Dentro de la clasificación de los animales pluricelulares podemos encontrar dos grandes grupos: los protostomados y los deuterostomados. La diferencia fundamental es que los primeros tienen la médula espinal en la parte delantera y los segundos en la parte trasera (en este último grupo estamos nosotros los cordados). Existen unos genes fundamentales del desarrollo denominados genes hox que determinan, en las primeras fases del desarrollo embrionario, el eje anterior y el posterior del embrión. Resulta que se ha descubierto que los cordados, entre los que nos incluimos nosotros, surgieron a partir de los protocordados debido a una mutación en un gen hox que invirtió el eje delantero por el eje trasero. ¡Nosotros hemos surgido debido a un "error" en el código principal del programa universal!

Existe otro ejemplo espectacular: en 2011 se publicaron los resultados de comparar el ADN humano con el de los chimpancés. Se descubrió que a los humanos nos faltan 510 trozos de ADN con respecto a los chimpancés, muchas de estas delecciones se corresponden con zonas reguladoras. Una de ellas, perteneciente al gen GADD45G hace que este gen incremente su expresión. Este gen está implicado en la reproducción celular y provoca que la parte anterior del cerebro crezca más. Precisamente es en esta zona donde residen las funciones mentales avanzadas tipicamente humanas ¿Es este "borrado informático" el que causó la aparición del ser humano? Esta sería sin duda la manipulación de código más exitosa de la historia de la evolución.


Como ejemplo final, se sabe que los mosquitos evolucionaron antes que las moscas y que mientras que aquellos necesitan 50 horas para desarrollarse y generar una larva la mosca de la fruta necesita solo 22 horas. Esta diferencia se debe a cambios en genes relacionados con el metabolismo de los nutrientes y se sabe que estos cambios se han producido por modificaciones en sus secuencias reguladoras que hacen que estos genes se expresen en tiempos diferentes: mientras que en los mosquitos estos genes se expresan ya durante la formación de los gametos hembras en las moscas se expresan más tarde ya en el huevo fecundado. ¡Un cambio en una zona reguladora produce organismos muy diferentes!


Por otro lado, existen experimientos con embriones de moscas o de pollos que nos muestran los cambios morfológicos producidos por cambios en los factores de transcripción: los científicos inyectaron en un momento concreto del desarrollo embrionario y en una zona concreta del embrión varios nanorecipientes que contenian factores de transcripción. Estos factores de transcripción activaron genes en posiciones y tiempos diferentes de los que están determinados en su desarrolo natural. Estos experimentos generan modificaciones radicales que pueden cambiar completamente la morfología del organismo.


El estadio filotípico


En 1828 un naturalista alemán llamado Karl von Baer que estudiaba los embriones de diversas especies publicó unos dibujos que hoy casi dos siglos después, se han convertido en uno de los emblemas de la EVO-DEVO:
















Observando la primera fila se puede apreciar algo impactante: en este estadio del desarrollo embrionario ¡todas estas especies son prácticamente iguales!

A partir de este estadio las distintas especies comienzan a diferenciarse. Este estadio de máxima semejanza se denomina estadio filotípico. En el mundo existen 35 filos de metazoos y cada uno de estos filos tiene su propio estado filotípico característico. La razón de esto es que todos los vertebrados descienden de un antepasado común del cual empezaron a divergir al separarse la "rama" del "tronco" principal. Este antepasado tenía unas características fundamentales en su desarrollo embrionario y todos sus descendientes han herededado estas características. A partir de este antepasado común la evolución ha modificado el programa de la parte del desarrollo embrionario anterior y posterior al estado filotípico pero ha mantenido casi intacta esta parte del desarrollo porque contiene instrucciones fundamentales para que el desarrollo funcione correctamente. Siguiendo el símil informático podriamos decir que esta parte contiene un trozo de código fundamental sin el cual el programa no puede funcionar, por tanto, todos los programas modificados (descendientes) deben incluir esta parte fundamental de software.


La conexión entre todas las especies


La disciplina EVO-DEVO ha encontrado otro descubrimiento increíble: los genes organizadores y las zonas reguladoras son prácticamente iguales en todos los seres vivos. Por ejemplo, existe un gen organizador denominado Pax6 que controla el desarrollo de los ojos en el embrión. Utilizando técnicas de edición genética los científicos tomaron un grupo de moscas y sustituyeron el gen Pax6 por un gen Pax6 de ratón. ¿Adivinan lo que sucedió?. ¡El desarrollo embrionario del ojo del ratón no se vio alterado! Además se da la circunstancia de que la proteina fabricada por el gen Pax6 de ratón ¡es idéntica a la humana!


Se sabe que los genes hox, que son uno de los grupos de genes más importantes en el desarrollo embrionario son prácticamente identicos en todos los seres vivos complejos del planeta. Lo que varia es su número y su zona-tiempo de actuación. Parece que estos genes han surgido a partir de los ya existentes mediante duplicaciones sucesivas del genoma completo de un organismo común. Muchas de estas duplicaciones sucesivas surgieron durante el llamado periodo Cámbrico. En este periodo sucedió un evento a nivel global que cambió de forma radical las condiciones externas del planeta (algunos indicios sugieren que fue una bajada global de la temperatura). Estos cambios radicales provocaron una fuerte presión evolutiva que produjo un enorme salto en la diversidad de organismos. ¡Probablemente nosotros estemos aqui gracias a enormes cambios y terribles catástrofes planetarias!


Conclusiones


La reciente disciplina EVO-DEVO está desvelando secretos ocultos dentro del ADN de los seres vivos: las zonas reguladoras, los factores de transcripción y los centros organizadores del desarrollo son claves para la formación de los organismos vivos y posiblemente las mutaciones producidas en estas zonas y en las zonas codificantes son el motor principal de la evolución. En el fondo, el componente fundamental de todos los seres vivos que existen se llama ¡ información !


Notas

(1) Por supuesto este ejemplo es una simplificación propuesta para tratar de entender el mecanismo de forma muy general, en la realidad hay implicados cientos o miles de genes diferentes activandose o desactivandose en lugares y tiempos muy concretos.

(2) Estos experimentos son muy delicados y su uso debe estar controlado, creo que no es necesario señalar las terribles consecuiencias que conllevaría un mal uso de estos conocimientos.


Fuentes: El embrión inconformista (Jordi García Fernandez-David Bueno), Endless Forms most beautifull: the new science of Evo Devo (Sean B. Carroll)

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