Genes, genomas y otras genialidades

Los priones saltaron a la fama en los años 90 por ser los responsables de la enfermedad de las “vacas locas”. Los priones son los únicos agentes “infecciosos” conocidos que están formados únicamente por proteína (no contienen ácidos nucléicos). Este hecho singular los hace extremadamente interesantes como mecanismo no genético de trasmisión de información biológica.

Los priones originalmente son proteínas normales, con una función determinada en las células, que por alguna razón cambian su conformación o plegamiento. Lo extraordinario es que una molécula de proteína plegada “normalmente” puede pasar a la forma alternativa de plegamiento simplemente contactando con una molécula plegada de foma anómala. La aparición de priones, por tanto, origina una carambola, o reacción en cadena, similar a los procesos infecciosos.

Los priones más conocidos son los que “infectan” el cerebro de animales. En estos casos, se observa la aparición de agregados de la proteína priónica (junto con otras proteínas que quedan unidas); estos agregados, producen enfermedades crónicas irreversibles del sistema nervioso central, como el scrapie (o tembladera) en ovinos y cabras, la encefalopatía espongiforme bovina (vacas locas) y en humanos el kuru (enfermedad relacionada con prácticas caníbales identificada en poblaciones indígenas de Papúa Nueva Guinea), o la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ), entre otras.

En microorganismos, y concretamente en levaduras, también existen los priones, aunque su presencia no tiene el mismo componente patogénico que en animales. Ya hace casi 10 años se describió que, en levaduras, los priones podían resultar evolutivamente útiles: algunas proteínas normales podían pasar a la conformación priónica, alterándose así su función biológica y permitiendo que se adquiriese una nueva función que, además, podría transmitiese a la siguiente generación (recordar que en este caso no se trata de cambios en la secuencia de los ácidos nucléicos, pero como los priones intervienen en el fenotipo, serían igualmente heredables, siempre y cuando las proteínas priónicas llegasen a las células hijas, vía la división del citoplasma, por ejemplo).

Es especialmente interesante que, en levaduras, la tasa de cambio espontáneo de la conformación hacia la forma priónica de la proteína aumenta en respuesta al estrés ambiental. Por ello, se planteó que en levaduras los priones podían proporcionar un mecanismo para la generación de diversidad fenotípica heredable y promover la supervivencia en ambientes fluctuantes y la evolución de nuevos rasgos.

Esta teoría, aunque interesante, ha sido muy controvertida porque hasta ahora no se habían encontrado priones que generasen nuevos rasgos en cepas silvestres, sino únicamente en cultivos de laboratorio. Sin embargo, un trabajo desarrollado en el Instituto Whitehead para la Investigación Biomédica, de Massachusetts (USA), dirigido por Susan Lindquist y que ha sido publicado en la revista Nature el pasado 16 de febrero de 2012, ha analizado bioquímicamente la presencia de dos priones conocidos, [PSI+] y [MOT3+], en unas 700 cepas de levaduras silvestres de Saccharomyces procedentes de todas partes del mundo. Sus resultados indican que muchas de ellas presentan estos priones. Además, analizaron genéticamente la presencia de priones desconocidos y detectaron que aproximadamente una tercera parte de las cepas los presentan. Además, en el estudio demuestran que los priones confieren diversos fenotipos que, bajo determinadas condiciones selectivas (como estrés ambiental por refrigeración, limitación de nutrientes, etc), resultaron frecuentemente beneficiosos. Ejemplos: una cepa aislada del vino blanco es resistente al ácido; otra cepa aislada directamente de uvas Lambrusco lo es a las quinolinas, los precursores químicos de muchos pesticidas; otra cepa, aislada de mosto de uva, es resistente al fluconazol, un antifúngico común. Todas estas resistencias resultaron ser adaptaciones evolutivas introducidas por los priones.

Los autores concluyen que, por tanto, los priones, en términos generales, rigen las características heredables en la naturaleza de forma que permiten ampliar las oportunidades de adaptación profunda de los organismos.

Algunos científicos ven en estas opciones adaptativas una manera de influencia directa del ambiente y debaten si se trata de un mecanismo de adaptación lamarckiano. Javier Sampedro plantea una discusión interesante sobre este asunto, como casi todas las que propone en su blog de El País.

El demonio de Tasmania (Sarcophilus harrisii), es el mayor marsupial carnívoro que se conoce. Es endémico de la isla de Tasmania, Australia, y los especímenes de esta especie son solitarios, carroñeros y nocturnos. Llegan a pesar hasta 12 kg y suelen vivir entre 5 y 6 años en el medio silvestre.

Tumores faciales en el Diablo de Tasmania

La especie está en peligro de extinción debido a un cáncer facial transmisible que se ha diseminado a gran velocidad entre los miembros de la especie. La enfermedad se caracteriza por la aparición de tumores (ver la imagen), generalmente en la cara y en el interior de la boca de los animales afectados, los cuales con frecuencia producen metástasis y, por lo general, la muerte en cuestión de meses. Las células tumorales se extienden entre los individuos, generalmente a través de mordeduras infligidas en la cara durante el apareamiento y durante las peleas por la  alimentación.

Un trabajo publicado el día 17 de febrero de 20012 en la revista Cell , dirigido por Michael R. Stratton, del Instituto Wellcome Trust Sanger (UK), ha secuenciado y anotado, primero un genoma de referencia para el diablo de Tasmania, (el genoma de una hembra 5-años de edad) y luego el genoma completo normal de otro individuo alejado geográficamente del anterior. Finalmente, han analizado la variación genética de 104 tumores de cáncer facial recogidos a partir de 69 demonios de Tasmania.

Comparando todos estos datos, los autores sugieren que el cáncer surgió por primera vez en una hembra del diablo de Tasmania que murió hace más de 15 años.

Además han detectado que el genoma del cáncer del demonio de Tasmania tiene cerca de 20.000 mutaciones somáticas, un número menor de mutaciones que las que se encuentran en algunos tipos de cáncer humanos. Según los autores esto indica que el cáncer no necesita ser extremadamente inestable para llegar a ser contagioso.

Además, la catalogación de las mutaciones presentes en los tumores, ha aportado pistas acerca cómo se hizo contagioso este tipo de cáncer.

Los cánceres que se transmiten a través de las poblaciones son muy raros. No obstante, algunos investigadores creen que conviene utilizar el ejemplo del demonio de Tasmania para entender esa transmisión tumoral por si ocurriese una epidemia similar en humanos, algo absolutamente improbable a la luz del conocimiento actual.

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La transferencia génica horizontal (TGH) es un mecanismo por el que un organismo transfiere genes o genomas a células u organismos, al margen de la reproducción sexual, es decir, a un organismo o célula que no es descendiente. Aunque la TGH se conoció inicialmente en bacterias, hoy sabemos que sucede en todo tipo de organismos (microorganismos, animales, incluida la especie humana, y plantas).

Aunque pueden existir diferentes mecanismos que permiten esta transferencia entre organismos pertenecientes incluso a especies no relacionadas filogenéticamente, la transferencia mediada por virus y bacterias parece ser el más habitual.

Se postula que la TGH puede haber sido fundamental en el proceso evolutivo, especialmente en la aparición de los primeros seres vivos, ya que permitiría generar nuevas combinaciones de genes y expandir aquellas que presentan una alta eficacia biológica.

Como ejemplo, sabemos que gran parte del genoma humano está constituido por ADN de origen viral, que se ha incorporado al material genético de la célula humana y que forma parte de la estructura del genoma humano con total normalidad. Algunos de estos genes que proceden de TGH no son operativos en el organismo receptor, pero otros sí son transcritos y cada vez hay más evidencias de que este fenómeno representa un mecanismo real para la adquisición de nuevos genes.

Obviamente, la existencia de este intercambio no relacionado con la información genética que los organismos reciben de sus parentales a través de la reproducción sexual, complica enormemente la realización e interpretación de árboles filogéneticos basados en la comparación de secuencias de genes y/o de genomas, los cuales están basados en la suposición de que la única transmisión génica que existe es la vertical (de parentales a descendientes).

Pues bien, pese a la extraordinaria importancia del proceso en términos evolutivos, aún somos incapaces de explicar cómo sucede la transferencia horizontal en muchos organismos. El día 15 de febrero se han publicado en la revista PNAS 3 artículos relacionados con el mecanismo de TGH en plantas.

1.- El primero de los artículos explica el trabajo que ha realizado el grupo liderado por Ralph Bock, del Instituto Max Plank de Alemania. El grupo ha propuesto un posible mecanismo para explicar la TGH de genomas de cloroplastos entre especies distintas de plantas.

La existencia de este tipo de transferencia, denominada “captura de orgánulo”, ha sido propuesta para explicar inconsistencias entre árboles filogenéticos realizados a partir de secuencias génicas nucleares y los obtenidos utilizando marcadores génicos citoplasmáticos. Estas inconsistencias tendrían explicación si en diferentes especies sucediese transferencia del genoma de orgánulos citoplasmáticos (mitocondrias y cloroplastos) sin que sucediese transferencia de genes del núcleo.

Los autores del trabajo proponen un posible mecanismo para explicar la captura de orgánulos: la transferencia de orgánulos puede suceder a través de injertos naturales. Según sus experiencias en el laboratorio, al injertar especies sexualmente incompatibles, se consigue que genomas completos de cloroplastos viajen a través de la unión del injerto entre las dos especies.

2.- El segundo trabajo, realizado por Pal Maliga, de la universidad de Rutgers (Nueva Jersey, EEUU), analiza la TGH de genomas citoplasmáticos entre células de la misma planta.

De trabajos anteriores, se sabía que la transferencia de genes desde los orgánulos denominados plástidos (los orgánulos citoplasmáticos de plantas con excepción de las mitocondrias) hacia el genoma del núcleo, ocurre en una frecuencia sorprendentemente alta.

En el trabajo ahora publicado, analizan si se produce transferencia del genoma mitocondrial y de cloroplastos entre organismos de dos especies de tabaco filogenéticamente relacionadas, Nicotiana tabacum y Nicotiana sylvestris, que se injertan en el laboratorio. Según los autores, el injerto provoca la formación de nuevos contactos célula-célula creando una oportunidad para el movimiento de orgánulos entre células de plantas genéticamente distintas. Y efectivamente, encuentran evidencias de que, en las condiciones experimentales utilizadas, se produce movimiento del genoma completo de plastos, pero no sucede el movimiento del genoma de mitocondrias.

3.- El tercer trabajo, realizado por Jeremy N. Timmis, de la Escuela de Ciencias Moleculares y Biomédicas, de la Universidad de Adelaida (Australia), analiza la transferencia de DNA desde orgánulos citoplasmáticos hacia el núcleo de células de plantas.

Se sabe que los genomas de orgánulos citoplásmicos contienen muy pocos genes en comparación con los genomas de los organismos procariotas que consideramos son sus ancestros. También es conocido que muchos de los genes que se esperarían encontrar en el genoma de estos orgánulos (por comparación con sus ancestros) se encuentran sin embargo en el núcleo de las células de plantas. La propuesta teórica para explicar estas situaciones inesperadas es que durante la evolución se producen “lanzamientos” de genes desde los genomas citoplasmáticos hacia el núcleo.

Los autores han diseñado un experimento en el que, utilizando dos líneas de plantas de tabaco que presentan marcadores génicos identificables en el genoma del cloroplasto y de la mitocondria, observan que la frecuencia de transferencia desde el genoma de los orgánulos hacia el núcleo aumenta notablemente si a las plantas se les somete a estrés por calor.

En resumen, gracias a estos 3 trabajos, ahora disponemos de más información sobre cómo sucede el fenómeno de TGH en plantas.  El efecto de este proceso en la evolución de los seres vivos y la posibilidad de que su frecuencia se vea  incrementada en condiciones de estrés ambiental, resultan igualmente atractivos para comprender la evolución  molecular de los genomas.

Dicen los entendidos que lo que se conoce como capacidad cognitiva general (también  denominada inteligencia general, o G18) es una característica humana que se relaciona con cuestiones como el éxito educativo y profesional, la salud y hasta la supervivencia. Además, el mantenimiento de una buena habilidad general cognitiva en la vejez se ha asociado con una mejor salud física y con la capacidad de realizar tareas diarias en esa etapa de la vida.

Varios trabajos han indicado que las diferencias de inteligencia son altamente heredables. Así, estudios en los que se ha realizado un seguimiento a la capacidad cognitiva general de determinados individuos a lo largo de un cierto tiempo, indican que aproximadamente la mitad de la variación fenotípica en la inteligencia general durante la tercera edad, se explica por su valor en la juventud. Dependiendo de cómo se mire, eso querría decir que hay una parte de la capacidad cognitiva que se mantiene a lo largo de la vida de una persona, pero que otra parte (igual de importante) va cambiando a lo largo de la misma.

Los estudiosos del desarrollo cognitivo llevan tiempo tratando de identificar cuáles son los determinantes implicados tanto en la estabilidad como en el cambio que parece suceder en la capacidad cognitiva a lo largo de la vida de una persona. Como en otras ocasiones, se alude a factores  genéticos y ambientales como responsables tanto de la estabilidad como del cambio.

Para analizar factores genéticos implicados en caracteres cuantitativos complejos, como es el caso de la capacidad cognitiva, un enfoque tradicional es estimar la heredabilidad de un rasgo, o fenotipo. Para ello, la manera habitual de trabajo suele ser comparar grupos de parentesco genético conocido, como los gemelos idénticos (100% de relación) y los gemelos fraternos (aproximadamente el 50%). La fuerza de este enfoque es que estima el efecto neto de la influencia genética, sin la necesidad de saber qué genes son responsables. La ausencia de  información sobre los genes responsables es también su punto débil.

Un trabajo dirigido por el investigador Peter M. Visscher,  de la Universidad de Edimburgo (UK), y que ha sido publicado en la revista Nature el 9 de Febrero del 2012, intenta identificar factores genéticos que puedan estar asociados con la capacidad cognitiva durante la infancia y durante la tercera edad.

Para ello, han realizado un análisis de SNPs (polimorfismos de un único nucleótido) distribuidos por todo el genoma (analizaron 599,011 SNPs autosómicos) en 1940 individuos no relacionados. Los individuos elegidos participaron en un estudio que se realizó en Escocia en 1932 y en 1947 sobre Evaluación Mental : en aquél momento,  cuando contaban con unos 11 años, realizaron un test  de inteligencia general que, según parece,  está bien validado (el test de  Moray House). A los individuos participantes se les ha re-evaluado de nuevo ahora, en su vejez, con el mismo test; además se han tenido en cuenta  numerosos factores médicos y psicosociales, a fin de estudiar su salud mental y su envejecimiento físico.

A pesar de que los propios autores del trabajo lo califican de inusual y valioso, porque se ha realizado sobre una muestra muy amplia de personas y porque se analiza la evolución de la estabilidad y el cambio cognitivo que sucede en más de medio siglo (tiempo que separa las dos evaluaciones  cognitivas realizadas a las mismas personas), parece ser que el poder de significación del estudio es insuficiente. Según indican, hay muchos fenotipos poco frecuentes en su muestra y, por ello, la varianza de los datos es tan grande que no se alcanzan significaciones estadísticas.

No obstante, los autores encuentran una correlación genética sustancial (0,62) entre la inteligencia en la infancia y en la vejez, lo que significa que  los mismos elementos genéticos podrían asociados con este rasgo a lo largo de la vida. Además, en el trabajo se estima que el 24% de la variación fenotípica  que se observa con el envejecimiento cognitivo es explicada  por los resultados de genotipado de los SNPs analizados en el trabajo.

En resumen, se afianza la idea preexistente de que  existen mecanismos genéticos que intervienen en el cambio cognitivo que sucede a lo largo de la vida de las personas y de que las contribuciones ambientales son también muy importantes. Parece que el camino para identificar los factores genéticos y ambientales concretos implicados en este cambio, sigue estando abierto.

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Al margen de las implicaciones éticas que puedan existir, la manipulación del genoma de primates no humanos tiene importantes complicaciones técnicas:

• En el 2001 se publicó en la revista Science el trabajo de generación del primer mono transgénico, el cual portaba en sus células  el gen que produce la proteína fluorescente verde (GFP). Este gen  es un marcador habitualmente utilizado en procedimientos de transferencia génica porque permite detectar muy fácilmente si realmente sucede la transferencia y la expresión del gen, en cuyo caso aparece un color verde fluorescente.  En el trabajo se confirmaba  que el gen se había introducido y se expresaba en algunas células del animal y que, por tanto, la transgénesis realizada había resultado relativamente exitosa. Era la primera vez que se conseguía un primate transgénico y únicamente se pretendía mostrar que su generación era técnicamente posible.
• En el 2008, se publicó en la revista Nature un trabajo en el que se generaba un primate transgénico que pretendía ser  un modelo para el estudio de una enfermedad neurodegenerativa humana: la enfermedad de Huntington, también conocida como “baile de San Vito”. Para ello,  antes de la fertilización, se introdujo en oocitos maduros parte del gen HTT humano mutado. Concretamente, se introdujo  el exon 1 del gen humano con 84 repeticiones del triplete CAG (en humanos, las personas enfermas de Huntington muestran entre 35 y 50 repeticiones del triplete), además del gen GFP, utilizado como marcador del proceso. La imagen de la derecha procede de ese trabajo. Efectivamente los monos conseguidos mostraban la proteína verde en todo su cuerpo (como puede apreciarse en la fotografía) y característicos síntomas de la enfermedad de Huntington: movimientos involuntarios y bruscos (movimientos coréicos).

A pesar de estos dos ejemplos, las dificultades técnicas que presenta la transferencia génica en primates es muy elevada. Sin embargo, existen grandes expectativas en esta tecnología ya que se espera que permita  generar modelos de enfermedades humanas en primates no humanos y que estos modelos  posibiliten avanzar en el conocimiento y tratamiento de las mismas, especialmente en aquellas que tienen que ver con funcionamiento y desarrollo inadecuado del cerebro.

Ahora se plantea una alternativa que quizás resulte técnicamente menos problemática: un trabajo que ha sido publicado el día 9 de febrero del 2012 en la revista Nature, ha desarrollado un método que permite introducir genes específicamente en células del cerebro de macacos, sin necesidad de generar primates no humanos transgénicos (portadores del gene en todas las células de su organismo).

El trabajo, dirigido por Erwan Bezard, del Instituto de Enfermedades Neurodegenerativas de la Universidad de Burdeos (Francia), utiliza virus adeno-asociados (AAV) como vectores para introducir de forma estable el gen GFP en las células del cerebro.

(A) Rostro-caudal representation of observed sections after intravenous injection of AAV9-CMVie-GFP. Color code relates highlighted areas to color frames. (B–D) Extensive GFP expression within cortical neurons was observed (B), including layer II/III pyramidal cell (inset: cortical spiny stellate cell are star-shaped) (C) and layer IV spiny stellate cell (D). Neurons were easily detected in the striatum (left: medium spiny neurons; right: small striatal neurons) (E), globus pallidus (F), thalamus (G), substantia nigra (H), hippocampus (I) and cerebellum (J). Scale bars, 100µm (B); 20µm (C–J).

El grupo ha utilizado una cepa del virus AAV que presenta una propiedad muy interesante: la estirpe AAV-9 tiene la capacidad de atravesar la barrera hemo-encefálica, así que los investigadores han generado en el laboratorio virus AAV-9 portadores del gen GFP y los han introducido en el torrente sanguíneo de un macaco rhesus recién nacido (1 día de vida). Lo que han observado después de la inyección es que el gen se ha introducido  en la mayoría de las regiones del cerebro, ya que la mayor parte de las células del cerebro quedaban marcadas con la proteína GFP (ver la figura de la izquierda).

Obviamente el experimento no aporta información alguna sobre el funcionamiento del cerebro ni sirve como modelo de ninguna alteración o enfermedad humana. Se trata simplemente de un avance técnico.

Mediante esta técnica quizás sea posible  introducir y expresar genes humanos mutados, responsables de alteraciones en el funcionamiento del cerebro, en un tipo concreto de células cerebrales de macaco . Si así fuese, estos macacos serían un buen modelo sobre el que ensayar y validar posibles soluciones para estas patologías.  Así, al menos, lo creen los autores del trabajo.

 

 

Seguramente varios de nosotros nos hemos preguntado alguna vez por qué hay personas que muestran una mayor dependencia a la nicotina que otras. Quizás  la adicción a la nicotina sea uno de esos ejemplos en los que las diferencias, tanto en la dependencia a la nicotina, como en la cantidad de cigarrillos que una persona fuma diariamente, puede ser achacada a factores psicológicos, educacionales, sociales, etc.

En ocasiones, sin embargo, las diferencias en la dependencia se ha relacionado con factores genéticos. Por ejemplo, algunos trabajos realizados en 2007 y 2008 indican que la dependencia a la nicotina es altamente heredable, lo cual nos lleva a pensar que puede existir algún elemento biológico-genético que puede influir en esa adicción.

Sabemos que cuando la nicotina entra a través del torrente sanguíneo, bien por inhalación, a través de la piel o por otros medios, parte de ella se degrada en el hígado y parte llega al cerebro. La nicotina tiene una estructura similar a la acetilcolina y, por tanto, cuando llega al cerebro es capaz de activar los receptores de este neurotransmisor y de activar la rápida secreción de dopamina y serotonina, entre otros. Un uso regular de nicotina, puede producir cambios en la sensibilidad de estos receptores a la nicotina y a la acetilcolina y conducir a que la nicotina deba ser aportada continuadamente para que el cerebro pueda mantener sus funciones normales.

Un grupo de investigadores españoles, dirigido por Félix Gómez-Gallego, de la Universidad Europea de Madrid, ahonda en el estudio de elementos genéticos que puedan influir en las diferencias de comportamiento en el tabaquismo.  El trabajo, que ha sido publicado en la revista PLOS, se ha centrado en analizar si existe una asociación entre el consumo de tabaco y la presencia de variantes genéticas específicas en genes que codifican enzimas hepáticas que degradan la nicotina y en genes que codifican receptores neuronales relacionados con los efectos de la nicotina en el cerebro.

Para ello, han analizado la información genética que aparece en 17 SNPs (variantes que presentan cambios de secuencia en un único nucleótido) existentes en 10 genes candidatos.  La comparación de los genotipos que aparecen en estos 17 SNPs en 126 individuos fumadores y los que aparecen en 80 individuos control (no fumadores) han puesto de manifiesto la existencia de algunas diferencias genéticas entre ambos grupos, para algunos de los SNPs analizados.

Tomados en conjunto, los resultados sugieren que variantes genéticas potencialmente implicadas en la metabolización de la nicotina (principalmente polimorfismos en el gen CYP2A6) muestran una asociación directa con el tabaquismo: las personas que metabolizan rápidamente la nicotina son los que tienen mayor riesgo de ser fumadores y los que presentan un mayor grado de adicción.

Además, según el investigador principal del estudio, quienes presentan la mutación en el gen DRD2 tienen menos receptores neuronales y, por lo tanto, la dopamina ejercería un efecto menor en ellos, por tener menos receptores sobre los que actuar. De alguna manera, esta variante genética supondría un papel protector en los primeros momentos del consumo de tabaco. Sin embargo, si la persona continúa fumando, tendrá más probabilidades de convertirse en un fumador habitual.

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