Mecanismos adaptativos IV. Epigenética.

Por Cristian Aguirre

En el primer post de esta serie vimos que existe una variabilidad genética capaz de recombinarse para producir un gran número de fenotipos posibles que sean más aptos para nuevas condiciones ambientales. Visto hasta aquí, consideraríamos que la variabilidad es un producto exclusivo de cambios paramétricos en el genoma y en consecuencia en la sintesis de proteínas. Pero en realidad no es así. Nuevos descubrimientos han ampliado el escenario de la variabilidad al punto de que muy importantes cambios de fenotipo, incluidos cambios estructurales, pueden ser causados por otros protagonistas que no son los genes. Al estudio de estos procesos que escapan al influjo de los mismos se le ha denominado epigenética, que significa, más allá de los genes.

Los ordenadores tienen un método, creado por ingenieros y no por una autoorganización de la materia, que permiten a los mismos responder a las acciones del usuario. Se les llama vectores de interrupción, dichas interrupciones son programas con una dirección de memoria definida en la ROM BIOS de tal modo que cuando el usuario pulsa una tecla invocará que se active el oportuno vector de interrupción que se encargará, por ejemplo, de detectar que letra a sido pulsada y colocarla en la pantalla en la zona actual del cursor. Del mismo modo otros eventos básicos invocaran a otras interrupciones. Los programas informáticos a bajo nivel también los invocan. En los programas de alto nivel, es decir, más cercanos al usuario, también se usan funciones o procedimientos y pueden invocarse desde distintas partes del programa repetidamente según se necesiten y con juegos de parámetros distintos. Este principio informático de reutilización de un módulo funcional también está presente en la biología esta vez mediante los genes pleiotrópicos.

Aproximadamente el 10% del genoma interviene en la construcción y diseño del cuerpo y de ellos la mayoría son pleiotrópicos lo que significa que son invocados más de una vez durante el desarrollo. Esto implica que un gen no es sólo responsable de una característica del fenotipo, sino de varias en virtud de que se le ha invocado en distintas partes del cuerpo y en distintos estadios de desarrollo. ¿Cómo funciona esto?

Recordemos que para activar la transcripción de un gen se necesita que haga acto de presencia una proteína activadora, que activada a su vez por un operon, se acople a su zona reguladora y dispare así el proceso de transcripción. El hecho de tener una sola zona reguladora no otorga la flexibilidad que necesitaría un gen pleiotrópico. Por ello la forma de solucionar esto es conferirle al gen varias zonas reguladoras. Con ellas se permitirá que existan varios activadores relativos a contextos distintos de posición corporal y secuencia temporal.

A estas zonas reguladoras de un mismo gen se les denomina intensificadores, y a las proteínas que servirían de activadores para esas zonas se les llaman factores de transcripción. Estos factores son a su vez regulados por otros genes que serán quienes dirigirán la secuencia y el lugar donde deberá invocarse la transcripción del gen pleiotrópico.

Lo interesante de este tipo de genes es que pueden expresar cambios fenotípicos, no por causa de una mutación en el propio gen, lo cual devastaría todas su expresiones posibles, sino mediante la mutación de uno de sus intensificadores. De este modo, sólo un aspecto del fenotipo, de los varios posibles, será afectado permaneciendo la funcionalidad del gen intacta y evitando así posibles desastrosas consecuencias.

Ahora bien, como estamos hablando de genes involucrados en el desarrollo anatómico, tenemos que considerar que una mutación en un intensificador implicará que el gen no se exprese en un lugar o momento dado y ello puede inhibir el desarrollo de una determinada sección corporal de importancia, o sólo la presencia o no de una coloración en algún lugar del cuerpo del animal.

Veamos dos ejemplos de estos tipos de cambio fenotipico.

Existe un gen en la mosca de la fruta que está implicado en la coloración de varias partes de su cuerpo. Este gen llamado Yellow codifica una proteína que promueve la pigmentación de color negro. Sí dicho gen resulta mutado las moscas tendrán un color amarillo, de allí el nombre. El caso en cuestión es que el gen Yellow posee distintos intensificadores que lo activan durante el desarrollo de diversas partes del cuerpo de la mosca, alas y abdomen incluidos.

Con un gen Yellow intacto, pero estando mutado, por ejemplo, el intensificador que invoca el proceso de coloración del abdomen, producirá en consecuencia un abdomen amarillo. Sí, en otro caso, el intensificador mutado (o anulado) es el que invoca la coloración de las alas estas perderán la coloración típica de la mosca silvestre.

Otro caso más espectacular y con resultado adaptativo más definido es el del pez espinoso llamado Gasterosteus aculeatus. Este pez tiene tres radios espinosos dorsales. Dependiendo de dónde viven y de cual es el depredador más amenazador de dicho hábitat, estos peces pueden adoptar dos formas: Los espinosos de aguas profundas desarrollan una aleta pelviana espinosa en el abdomen que dificulta que los engulla un pez de gran tamaño; los espinosos de aguas poco profundas han perdido la aleta pelviana, con lo que resulta más difícil que se les adhieran las larvas de insectos que habitan en el fondo y se alimentan de la cría de los peces.

Cada uno de estos peces, que pertenecen a una misma especie, tienen un gen llamado Pitx1 que esta involucrado en el desarrollo de varias estructuras importantes de sus cuerpos. Cada estructura será invocada por un intensificador específico y, como resulta obvio, existe un intensificador específico para el desarrollo de la aleta pelviana espinosa. En el caso de los peces de aguas poco profundas, dicho intensificador ha sufrido una mutación dañina que impide que estos desarrollen dicha aleta. El gen Pitx1 no sufre ninguna mutación y funciona normalmente para el resto de estructuras que involucra. Este ejemplo muestra como cambios no genómicos pueden tener importantes efectos adaptativos y de paso, ponen en relieve la enorme importancia de los intensificadores en el desarrollo morfológico de los seres vivos.

Estos cambios por mutación en la regulación epigenética sumados a su fijación con la especiación resultan ser un nuevo y poderoso mecanismo adaptativo que explicaría muchas destacadas distancias morfológicas entre especies. Por ello, en particular el último ejemplo es invocado como ejemplos de macromutación y, si es macromutación, ¿No estaríamos hablando entonces de macroevolución en sentido estricto y, por tanto, probarían que en efecto esta es posible?

Esta posibilidad a generado un gran entusiasmo como posible mecanismo productor de novedades morfologicas, y no en grado infinitesimales, sino en grado radical. ¿Resucitará con esto el “monstruo esperanzado” de Goldschmidt?, ¿Explicará la epigenética los cambios morfológicos espectaculares que precisa la Teoría del Equilibrio Puntuado y que nos habla el registro fósil?

Reflexionemos ahora sobre lo siguiente ¿Podemos decir qué, sí sobre la base de estos mecanismos, con pulsar un botón (mutar un intensificador) podemos anular una característica, no podríamos esperar también que haciendo lo mismo hagamos aparecer una nueva característica tal como el macroevolucionismo lo esperaría?

Veamos lo que nos dicen Sean B. Carroll, Benjamin Prud’homme y Nicolas Gompel del Instituto Médico Howard Hughes en su artículo “La regulación de la evolución”, Investigación y Ciencia. Julio 2008.

“A pesar de que tendemos a pensar que la presencia de una característica en una especie y su ausencia en otra emparentada con ella indica su adquisición por la primera, no siempre acontece. Antes bien, lo habitual es que la evolución dé marcha atrás y se pierda algún rasgo”. Y luego concluyen: “La perdida de características corporales ofrece quizás el ejemplo más claro de que la evolución de los intensificadores es el mecanismo más probable de la evolución anatómica”. (énfasis en negrita añadido)

Analicemos esto. En primer lugar se admite que en la mayoría de los casos los cambios resultan de perdidas de caracteres, lo cual no nos debe extrañar porque para todo artefacto es inmensamente más probable podarlo funcionalmente que arreglarlo con una alteración aleatoria de su estructura. No obstante, como vimos en el caso del pez espinoso algunos cambios resultan adaptativos y por ello beneficiosos. Ahora bien, ¿Cómo podría añadirse una característica nueva a un organismo mediante este mecanismo?

Para ello, se tendría que mutar o insertar una zona del ADN adyacente al gen que antes no era reguladora para llegar a serlo después de dicha mutación y que además, tenga la distancia definida para hacer posible activar el proceso de transcripción con los demás actores del proceso sin estorbar a los otros. Suponiendo que esto pueda darse, y ello es posible, tendría que aparecer la increíble casualidad de que dicha zona se convierta en coherente con un factor de transcripción nuevo y que sea codificado por otro gen también nuevo perteneciente a un concierto de genes implicados en los detalles de esa característica también nuevos. ¡Esto sencillamente es demasiado inverosímil!.

Y si en verdad hubiera sucedido esto en la historia de la vida los procesos embriogénicos para especies de distintas ramas del árbol filogenético, y por ende con distintos caminos evolutivos, tendrían que diferir unos de otros, tanto en genes como etápas de desarrollo morfológico por efecto de surgir de innovaciones evolutivas distintas.

Pero ¿que es lo que se observa según las últimas investigaciones? Un misterio que causa perplejidad desde la óptica macroevolucionista. Veamos como los autores del artículo anteriormente mencionado lo explican:

“Cuando se observa con detalle un gen concreto, el parecido entre las especies constituye también la norma. Por lo general, las secuencias de ADN de dos versiones cualesquiera de un gen, así como de las proteínas que las codifican, se parecen; que el grado de semejanza sea mayor o menor sólo refleja el período de tiempo que ha transcurrido desde que las dos especies se diversificaron a partir de un ancestro común. Tamaña conservación de las secuencias codificadoras durante el período evolutivo produce desconcierto; aún más, cuando se trata de los genes implicados en la construcción y el diseño del cuerpo.”

A los especialistas en esta área de investigación nos intriga el descubrimiento de que las proteínas utilizadas para construir el cuerpo se parecen entre sí, por término medio, todavía más que el resto de las proteínas. Parece una paradoja: animales tan distintos como un ratón y un elefante se forman a partir de un conjunto muy parecido de proteínas, que intervienen en la formación del cuerpo y cuyas funciones son iguales. Lo mismo se puede decir de los seres humanos y nuestros parientes vivos más cercanos: la mayoría de nuestras proteínas difieren de las de un chimpancé en apenas uno o dos de los varios cientos de aminoácidos que contiene cada proteína; el 29% posee exactamente la misma secuencia”. (énfasis en negrita añadido)

Observemos bien lo que dicen. Se asume que la diferencia de semejanza entre proteínas nos da una idea del tiempo transcurrido desde un antepasado común. Entonces muchos de los genes implicados en el desarrollo morfológico de estructuras homologas en otras especies distantes en el árbol filogenético deberían tener diferencias sustanciales dado que pertenecen a caminos evolutivos distintos, PERO NO ES ASI. Y precisamente para el desarrollo morfologico las diferencias son menores e incluso muchas son simplemente nulas.

Esto me recuerda la estrategia publicitaria que realice hace muchos años en una academia de informática donde yo daba clase a fin de atraer las miradas de los transeúntes. Como desde las ventanas del local se podían ver las pantallas de los ordenadores, diseñé un pequeño programa que realizaba hermosas formas con líneas de colores. Después que se terminaba de formarse una, se formaba otra diferente y así, nuevas formas aparecían vez tras vez hasta que los observadores, por lo general niños, se cansaban de mirarlas.

El programa se basaba en un algoritmo que usaba números aleatorios como parámetros a fin de que, con un juego de ellos, se forme una figura particular. Lo interesante del caso es que, aunque cada forma era diferente, todas partían del mismo algoritmo. Lo que sí cambiaban eran los parámetros.

Del mismo modo los seres vivientes comparten algoritmos similares con parámetros distintos, no sólo en la parte funcional, sino también en la parte morfológica. Siendo los intensificadores (parte del ADN “basura”), no los únicos, pero sí importantes parámetros de la diferenciación fenotípica entre las especies vivientes.

El misterio de la conservación de las secuencias codificadoras aludido anteriormente no seria tal si se reconociera que dichas similitudes son la evidencia del mismo tipo de módulos funcionales que conoce y usa la ingeniería humana. Esto explica la asombrosa conservación de los mismos genes y de las rutas de desarrollo, ya que al ser módulos funcionales servirán para cualquier ser vivo sin necesidad de usar una ingeniería radicalmente diferente para cada ser. La variedad fisonómica resultará, por tanto, de los distintos juegos de reguladores (los intensificadores) que orquestaran con los mismos músicos (los módulos funcionales) distintas partituras produciendo así las distintas estructuras animales.

Finalmente nos tenemos que confrontar con la crucial pregunta ¿Puede surgir de modo natural nueva información biológica tal como lo demanda la macroevolución?

Para discutir este fundamental tema esta dedicado el siguiente post:

Mecanismos adaptativos V. La verdadera dirección de la información genética.

Una Respuesta para Mecanismos adaptativos IV. Epigenética.

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