Arquebionte. Divulgación 34 | Veterinaria Digital

Arquebionte. Divulgación 34

VD | 09 SEP 2012 - 00:00

Arquebionte. Divulgación 34

Debido al origen embrionario común, todas las células de un organismo pluricelular, tienen la misma información genética. Sin embargo no todas la expresan al mismo tiempo y de la misma forma. Así las células hepáticas, cardiacas, intestinales, nerviosas u óseas aun disponiendo de la misma información genética la expresan, cada una de ellas, de una forma diferente y esto permite la realización de funciones especializadas.

Este fenómeno es posible gracias a la existencia de dos tipos de material genético codificado en la información genética y otro epigenético relacionado con el medio ambiente. El primero de los materiales genéticos es codificador, de la síntesis de proteína, y  el segundo controlador, de los mecanismos de encendido y apagado, conocido como interruptores genéticos, y cuyo funcionamiento determina la misión que cada célula desempeña dentro de un organismo complejo.


Si avanzamos mas en esta línea observaremos que existe material genético común en especies aparentemente alejadas, por su aspecto externo, pero muy próximas, o unidas genéticamente, por una línea evolutiva común de material genético codificado, en los últimos 600 millones de años y por el material genético controlador en los últimos 400 millones de años.


Por lo que respecta al material genético codificador  se sabe que seres vivos anteriores a los peces, tal es el caso de Saccharomyces y los nematodos de hace 540 millones de años, tienen parecido  diseño genético, que los mamíferos actuales, basado en unos 23.000 genes codificadores.

 
Saccharomyces cerevisiae una levadura unicelular contiene 12 millones de pares de bases de ADN que forman 6.000 genes, de los cuales por lo menos el 31% tienen equivalentes humanos.


Los estudios de Sidney Brenner y Martin Chalfie permiten concluir que el nematodo Caenorhabditis elegans posee un genoma compuesto por unos 99 millones de pares de bases nitrogenadas, que forman unos 19,100 genes; de los cuales aproximadamente el 40% coinciden con los de otros organismos, posteriores, incluyendo a humanos.


También se conoce que Drosophila melanogaster, animal multicelular posee 165 millones de pares de bases de ADN que forman 13.600 genes, de los cuales aproximadamente el 50% tienen equivalentes humanos y que Mus musculus animal multicelular dispone de 40.000 genes ,como los humanos , que están formados por 3 billones de pares de bases de ADN en  40.000 genes de forma que casi todos los genes humanos tienen una contraparte en el ratón, y se ha encontrado que es imposible distinguir entre algunos bloques de ADN secuenciado de ratón y las versiones humanas.


Esto nos lleva a concluir que existe un patrón básico de ADN codificador que se ha mantenido sin cambiar a lo largo de millones de años de evolución y debe contener en consecuencia información genética de importancia básica vital en forma de genes maestros. Estos genes maestros tienen un origen ancestral y desconocido ya que al desconocimiento del origen protobiontico de los ácidos nucleicos debemos sumar el desconocimiento de como estos se organizaron y como esta secuencia se tradujo en proteínas que formaron órganos.

Por lo que respecta al material genético controlador es la parte del genoma  implicada en controlar cuándo y dónde se producen las proteínas, más allá de simplemente fabricarlas, y es un gran panel de control con millones de interruptores que regulan la actividad de los genes codificadores y sin los cuales estos no funcionarían adecuadamente. Estos elementos funcionales se superponen y constituyen la información necesaria para formar todos los tipos de células y órganos. Así se conoce que la aparición de extremidades articuladas, enfundadas en las aletas pectorales de los celacantos, hace 416 millones de años, y el tiktaalik, fósil de pez sarcopterigio de 380 millones de años, esta unida a la existencia de unos interruptores genéticos denominados CsB  que también están presentes en otros peces (pez cebra, manta raya), en anfibios (rana), reptiles, aves (pollos) y mamíferos (ratones). El material genético es tan idéntico que, como Igor Schneider y Neil Shubin de la Universidad de Chicago  demostraron, el CsB del ratón podía activar la expresión genética en el borde exterior de la región en desarrollo de la aleta del pez cebra, y el CsB del pez cebra, así como  el de la raya, son capaces de activar la expresión genética de los huesos escafoides, trapecio, trapezoide  y falanges de las extremidades del ratón. En conclusión, a pesar de una separación evolutiva de 400 millones de años, los interruptores genéticos que controlan la expresión de los genes en los dedos de los ratones, no solamente están presentes en los peces, sino que las versiones de los peces pueden activar la expresión genética en embriones de los ratones.


Expuesta la existencia del material genético (genes maestros e interruptores) es importante conocer el material epigenético que constituyen los mecanismos de activación y desactivación de los interruptores genéticos. Estos conocimientos constituyen la base de la epigenética que estudia  todos los factores no genéticos que intervienen en el desarrollo de un organismo, desde el óvulo fertilizado hasta su muerte, y que no impliquen cambios en la secuencia del ADN. Se trata por tanto de estudiar los estímulos externos , que mediante cambios fisicoquímicos del ambiente ponen en marcha o frenan un interruptor genético, y los mensajeros bioquímicos, constituyen la capa epigenética de información no codificada,  que interactúan con ellos. De esta forma una determinada condición ambiental da lugar a un mensajero bioquímico, este actúa sobre un interruptor genético, abriéndolo o cerrándolo según la circunstancia, y este transmite la orden al gen codificador de la proteína. Así el medio ambiente, incluida la nutrición, interactúa con el patrón básico de genes maestros. Uno de los mecanismos importantes de la desactivación es metilación del ADN , en la que un residuo químico conocido como grupo metilo se adhiere a las secciones del ADN en especial a las que contienen citosina. El grupo metilo interrumpe la actividad genética evitando que los ribosomas realicen la lectura y en consecuencia evitando que se active la producción de la proteína correspondiente.

Son innumerables los ejemplos sobre estos mecanismos epigenéticos y sus consecuencias en los cambios de la expresión genética pueden tener  duración estacional  regular, duración irregular  y otros son permanentes. Entre los cambios epigenéticos estacionales podemos describir la adaptación del color de las alas de las mariposas, del pelaje de los mamíferos a las temperaturas y longitud del día diferente entre invierno y verano. Esta expresión genética se regula a través de las hormonas del sistema endocrino que actúan como factores epigenéticos.


Entre los cambios epigenéticos espontáneos e irregulares señalaremos los debidos a la concentración de metabolitos, de una especie  que aumentan en el medio ambiente en casos de superpoblación dando lugar a un fenotipo migratorio como en el caso de la langosta Schistocerca gregaria.


Entre los cambios epigenéticos permanentes en los individuos podemos señalar la influencia de la alimentación y la temperatura en la determinación del sexo durante el desarrollo embrionario. Así la alimentación y el contenido en hormona juvenil en la jalea real permite el silenciamiento del gen Dnmt3, retrasando la metamorfosis, permitiendo el desarrollo de ovarios fértiles, originado abejas reinas y en consecuencia controlando la estructura social de la colonia. En lo que respecta a altas temperaturas de incubación en peces, tortugas y cocodrilos, aumenta el porcentaje de hembras en la siguiente generación, a través del efecto de la aromatasa, alterando la relación hormonal entre estrógeno y testosterona.


Estos mecanismos epigenéticos descritos son simples en el sentido de que una causa ambiental única tiene una repercusión epigenética única. Sin embargo existen casos más complejos. Así Borrell, J. (Archivos de Zootecnia Año 1975. Volumen 24 numero 93 paginas 85-108) describe la desviación del porcentaje sexual en las siguientes generaciones de Drosophila melanogaster mediante la diferencia de radiación recibida por machos y hembras. Cuando los sexos reciben igual cantidad de radiación los porcentajes se mantenían equilibrados pero cuando la diferencia de la cantidad de radiación recibida por machos y hembras supera ciertos niveles en la F1 hay un desequilibrio en favor del nacimiento de machos y en la F2 (sin haber radiado la F1) se produce un desequilibrio en favor de las hembras y la F3 vuelve a tener un carácter equilibrado. Estos mecanismos complejos implican que los cambios epigenéticos pueden tener un carácter complejo y que su resultado son diferentes próximas generaciones en función de la fusión de los cambios epigenéticos en la generación anterior. Esto puede atribuirse al silenciamiento completo de cromosomas para obtener expresiones monoalelicas en situaciones extremas que pueden afectar al grupo de los genes maestros.


En conclusión a partir de  ARN y ADN primitivos, de origen desconocido hasta el momento, se ha organizado un material genético maestro capaz de producir proteínas, a través de los ribosomas, y en consecuencia células, órganos y especies diversas. Este material interactúa con el medio ambiente , factores epigenéticos, a través de otro tipo de material genético denominado panel de control de interruptores  De esta forma la aparente diferencia entre los modelos de las levaduras, los nematodos, los peces, los reptiles ,los insectos y los mamíferos es la cantidad de genes interruptores razón por la cual los animales mas evolucionados son mas complejos porque permiten expresarse mas genes codificadores (productores de proteína) y de esta forma su diseño exterior (fenotipo ) es mas complejo pero sus genomas básicos son similares. 

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