DESCUBREN CÓDIGO "OCULTO" EN EL ADN QUE EVOLUCIONA MÁS RAPIDAMENTE QUE EL CÓDIGO GENÉTICO.

¿Son los genes de nuestro destino?

15 de Septiembre de 2011.

Un código "oculto" relacionado con el ADN de las plantas, les permite desarrollar y transmitir nuevas características biológicas mucho más rápido de lo que se pensaba, de acuerdo con las conclusiones de un estudio pionero realizado por investigadores del Instituto Salk para Estudios Biológicos.
El estudio, publicado en la revista Science, proporciona la primera evidencia de que un organismo con código ""epigenético" - con una capa extra de instrucciones bioquímicas en el ADN - puede evolucionar más rápido que el código genético y pueden influir fuertemente en los rasgos biológicos.

Si bien el estudio se limitó a una sola especie vegetal llamada Arabidopsis thaliana, el equivalente a la rata de laboratorio del mundo vegetal, los resultados insinúan que los rasgos de otros organismos, incluidos los seres humanos, también puede estar influenciados enormemente por los mecanismos biológicos que los científicos están empezando a comprender.
"Nuestro estudio demuestra que no todo está en los genes", dijo Joseph Ecker, profesor en el Laboratorio de Biología Molecular y Celular Vegetal de Salk, que dirigió el equipo de investigación. "Hemos encontrado que estas plantas tienen un código epigenético que es más flexible y más influyente lo que imaginábamos. Es evidente que hay un componente de herencia que no acabamos de entender del todo. Es posible que los humanos tengamos un mecanismo "epigenético" igualmente activo que controla nuestras características biológicas y se pasa a nuestros hijos."

Planta de Arabidopsis. Foto cortesía de Salk Institute for Biological Studies.

Con el advenimiento de las técnicas de mapeo rápidamente el ADN de los organismos, los científicos han encontrado que los genes almacenados en el código del ADN de cuatro letras no siempre determinan cómo se desarrolla un organismo y responde a su entorno. La mayoría de biólogos que han mapeado genomas de varios organismos (su código genético completo), la mayoría están descubriendo las discrepancias entre lo que dicta el código genético y cómo los organismos se ven y funcionan en realidad.

De hecho, muchos de los grandes descubrimientos que llevaron a estas conclusiones se basaron en estudios en las plantas. Hay rasgos como la forma de la flor y la pigmentación de los frutos de algunas plantas que están bajo el control de este código epigenético. Dichos rasgos, que desafían las predicciones de la genética clásica mendeliana, también se encuentran en los mamíferos. En algunas cepas de ratones, por ejemplo, una tendencia a la obesidad puede pasar de generación en generación, pero no hay diferencia entre el código genético de los ratones gordos y en ratones delgados que explique esta diferencia de peso.

Los científicos han descubierto que incluso los gemelos idénticos humanos presentan diferentes características biológicas, a pesar de sus secuencias de ADN correspondientes. Ellos tienen la teoría de que tales diferencias inexplicables podría ser el trabajo de las variaciones epigenéticas.
"Dado que ninguno de estos patrones de variación y la herencia lo que coinciden con la secuencia genética dice que debería suceder, hay un claro componente de la heredabilidad" genética "que está ausente", dijo Ecker.

Ecker y otros científicos han trazado estos patrones misteriosos a los marcadores químicos que actúan como una capa de control genético en la parte superior de la secuencia de ADN. Al igual que las mutaciones genéticas pueden surgir de manera espontánea y ser heredadas por las generaciones posteriores, las mutaciones epigenéticas pueden surgir en las personas y la propagación en la población en general.
Aunque los científicos han identificado una serie de rasgos epigenéticos, se sabía muy poco acerca de la frecuencia con que surgen de forma espontánea, la rapidez con que podrían extenderse a través de una población y lo significativo de la influencia que podría tener sobre el desarrollo biológico y la función.

"La percepción de la magnitud de las variaciones epigenéticas en las plantas de generación en generación varía mucho dentro de nuestra comunidad científica", dijo Robert Schmitz, un investigador post-doctoral en el laboratorio de Eckers 'y el autor principal del artículo. "En realidad, sé realizó el experimento, y se encontró que en general hay muy pocos cambios en cada generación, pero epimutaciones espontáneas se dan en las poblaciones y de presentarse una tasa mucho más alta que la tasa de mutación del ADN, y en ocasiones tuvo una influencia poderosa sobre cómo ciertos genes se expresan ".

En su estudio, los investigadores de Salk y sus colaboradores en el Instituto de Investigación Scripps mapearon el epigenoma de una población de plantas de Arabidopsis luego observaron cómo este paisaje bioquímico había cambiado después de 30 generaciones. Este mapeo consistió en el registro del estado de todos los lugares en la molécula de ADN que pudiera sufrir una modificación química conocida como metilación, un cambio epigenético clave que puede alterar la manera en ciertos genes subyacentes en como se expresen. Luego observaron cómo los estados de metilación de estos sitios evolucionaron a lo largo de las generaciones.

La herencia generacional de la metilación del ADN

Aunque las tasas de mutaciones genéticas espontáneas se conocen bien, las tasas de variación epigenética de la metilación del ADN han sido un misterio hasta ahora. Utilizando la planta Arabidopsis thaliana (representada en el centro), la variación generacional en la metilación del ADN fue identificada en cinco linajes separados por 30 generaciones de crecimiento como lo indica el metilado C de color rosa y el no metilados Cs de color verde.

Imagen: Concepto / arte / imagen de diseño: Robert Schmitz, José R. Ecker, del Instituto Salk para Estudios Biológicos

Las plantas fueron clones de un solo antepasado, por lo que sus secuencias de ADN son esencialmente idénticas a través de las generaciones. Así, cualquier cambio en la forma en que las plantas expresaron ciertos rasgos genéticos que probablemente sean el resultado de cambios espontáneos en su código epigenético - con las variaciones en la metilación de los sitios del ADN-no es el resultado de las variaciones en las secuencias de ADN subyacente.

"No se podía hacer este tipo de estudios en seres humanos, ya que nuestro ADN se baraja cada generación", dijo Ecker. "A diferencia de las personas, algunas plantas son fáciles de clonar, por lo que podemos ver la firma epigenética sin todo el ruido genético".
Los investigadores descubrieron que al menos unos pocos miles de sitios de metilación en el ADN de las plantas fueron alterados en cada generación. Aunque esto representa una pequeña proporción de los sitios de metilación de los potencialmente seis millones que se estima que existen en el ADN de Arabidopsis, que empequeñece la tasa de cambio espontáneo visto en la secuencia de ADN en cerca de cinco órdenes de magnitud.

Esto sugiere que el código epigenético de las plantas - y de otros organismos, por extensión - es mucho más fluido que su código genético.
Aún más sorprendente fue el grado en que algunos de estos cambios se convirtieron en genes o se desactivaron . Una serie de genes vegetales que fueron sometidos a cambios heredables en la metilación también experimentaron cambios sustanciales en su expresión - el proceso por el cual los genes controlan la función celular a través de la producción de proteínas.

Esto significó que no sólo fue el epigenoma de las plantas que se transformo rápidamente a pesar de la ausencia de cualquier presión ambiental muy fuerte, pero que estos cambios podrían tener una poderosa influencia en la forma y función de las plantas.

Ecker dijo que los resultados del estudio ofrecen algunas de las primeras evidencias de que el código epigenético se puede escribir de forma rápida y con un efecto dramático. "Esto significa que los genes no son el destino", dijo. "Si nos parecemos en algo a estas plantas, nuestro epigenoma también puede sufrir cambios espontáneos relativamente rápido que podría tener una poderosa influencia sobre nuestros rasgos biológicos."

Ahora que han demostrado hasta qué punto las mutaciones espontáneas epigenéticas se producen, los investigadores de Salk planean desentrañar los mecanismos bioquímicos que permiten que estos cambios surjan y pasen de una generación a otra.
También esperan para explorar cómo diferentes condiciones ambientales, tales como las diferencias de temperatura, podría impulsar cambios epigenéticos en las plantas, o, por el contrario, si los rasgos epigenéticos dan a las plantas una mayor flexibilidad para hacer frente a los cambios ambientales.

"Creemos que estos eventos epigenéticos puede silenciar genes que no son necesarios, y luego se vuelven a encender cuando las condiciones externas lo justifiquen", dijo Ecker. "No sabemos lo importante que son estas epimutaciones hasta medir el efecto sobre las características de las plantas, y recién ahora estamos en el punto en que podemos hacer estos experimentos. Es muy emocionante."

Fuente: Instituto Salk para estudios biológicos.