ENTENDER EL 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 tenían
partes completas del cuerpo repetidas y colocadas en lugares erróneos. Por
ejemplo, unas tenían 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
habían 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 seis dedos), estaban
enviando a los científicos importantes pistas de cómo 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 así
poder seguir consumiento glucosa. Pero, ¿cómo 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 esté 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? Estas
entradas son señales químicas externas (proteínas) 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 cómo funciona todo esto en
el desarrollo embrionario utilizaré 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.
Se puede imaginar fácilmente qué 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,
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 proteínas (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 con más éxito 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. ¿Qué 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 varía 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 aquí 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
activándose o desactivándose en lugares y tiempos muy concretos.
(2) Estos experimentos son muy delicados y su
uso debe estar controlado. No es necesario señalar las terribles
consecuiencias que conllevaría un mal uso de estos conocimientos.
© 2022 JAVIER DE LUCAS