Herencia generacional de la metilación de ADN. Fuente: Instituto Salk.
El estudio sobre un código oculto en el ADN, publicado por el Instituto Salk de Estudios Biológicos en un nota de prensa, proporciona la primera evidencia de que el código epigenético de los organismos (capa extra de instrucciones bioquímicas del ADN) puede evolucionar más rápido que el genético, y que puede influir fuertemente en los rasgos biológicos. En general, por epigenética se entiende el estudio de todos aquellos factores no genéticos que intervienen en la determinación del desarrollo de los organismos.
Si bien la investigación se ha limitado a una sola especie de planta llamada Arabidopsis thaliana, el equivalente a la rata de laboratorio del mundo vegetal, los resultados insinúan que los rasgos de otros organismos, incluidos los de los seres humanos, también podrían estar influenciados enormemente por mecanismos biológicos que los científicos están ahora empezando a comprender.
"Nuestro estudio demuestra que no todo está en los genes", ha señalado Joseph Ecker, profesor en Salk de Biología Molecular y Celular de laboratorio, y director del equipo de investigación. "Hemos encontrado que estas plantas tienen un código epigenético que es más flexible y más influyente de lo que imaginamos. Es evidente que hay un componente hereditario que no acabamos de entender. Es posible que los humanos tengamos un mecanismo epigenético igualmente activo que controle nuestras características biológicas y se pase a nuestros hijos", comenta Ecker.
Discrepancia entre genes y realidad
Con la llegada de las técnicas de medición del ADN de los organismos, los científicos han podido descubrir que los genes almacenados en el código del ADN no siempre determinan cómo se desarrolla un organismo ni cómo éste responde a su entorno. Los biólogos, tras estudiar los genomas de varios organismos (su código genético completo), están descubriendo las discrepancias entre lo que dicta el código genético y cómo llegan a funcionar los organismos en realidad.
De hecho, muchos de los grandes descubrimientos que llevaron a estas conclusiones se basaron en los estudios de las plantas. Hay rasgos como la forma de la flor y la pigmentación de los frutos que están bajo el control de este código epigenético. Dichos rasgos, que desafían las predicciones de la genética clásica, 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 los ratones delgados que explique esta diferencia de peso.
Si bien la investigación se ha limitado a una sola especie de planta llamada Arabidopsis thaliana, el equivalente a la rata de laboratorio del mundo vegetal, los resultados insinúan que los rasgos de otros organismos, incluidos los de los seres humanos, también podrían estar influenciados enormemente por mecanismos biológicos que los científicos están ahora empezando a comprender.
"Nuestro estudio demuestra que no todo está en los genes", ha señalado Joseph Ecker, profesor en Salk de Biología Molecular y Celular de laboratorio, y director del equipo de investigación. "Hemos encontrado que estas plantas tienen un código epigenético que es más flexible y más influyente de lo que imaginamos. Es evidente que hay un componente hereditario que no acabamos de entender. Es posible que los humanos tengamos un mecanismo epigenético igualmente activo que controle nuestras características biológicas y se pase a nuestros hijos", comenta Ecker.
Discrepancia entre genes y realidad
Con la llegada de las técnicas de medición del ADN de los organismos, los científicos han podido descubrir que los genes almacenados en el código del ADN no siempre determinan cómo se desarrolla un organismo ni cómo éste responde a su entorno. Los biólogos, tras estudiar los genomas de varios organismos (su código genético completo), están descubriendo las discrepancias entre lo que dicta el código genético y cómo llegan a funcionar los organismos en realidad.
De hecho, muchos de los grandes descubrimientos que llevaron a estas conclusiones se basaron en los estudios de las plantas. Hay rasgos como la forma de la flor y la pigmentación de los frutos que están bajo el control de este código epigenético. Dichos rasgos, que desafían las predicciones de la genética clásica, 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 los ratones delgados que explique esta diferencia de peso.
Mecanismo epigenético. Fuente: NIH.
Los científicos han descubierto que, incluso los gemelos humanos idénticos, presentan diferentes características biológicas, a pesar de sus secuencias de ADN correspondientes. Por todo, ahora se tiene la hipótesis de que tales diferencias inexplicables podrían ser el fruto de las variaciones epigenéticas.
Ecker y otros científicos han trazado los misteriosos patrones de dichas variaciones, utilizando indicadores químicos a modo de "capas de control genético" colocadas en la parte superior de secuencias de ADN. De esta manera, han comprobado que, 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 extenderse en la población.
Pero, aunque los científicos han identificado una serie de rasgos epigenéticos, se sabe muy poco acerca de la frecuencia con que ésta surge de forma espontánea, la rapidez con la que podría propagarse a través de una población y la importancia o influencia que podría tener sobre el desarrollo biológico y sus funciones.
Mayor influencia
"La percepción de la magnitud de las variaciones epigenéticas en las plantas de generación en generación varía mucho dentro de nuestra comunidad científica", ha apuntado Robert Schmitz, autor principal del artículo y de la investigación post-doctoral en el laboratorio de Eckers. "En realidad, se hizo el experimento, y se encontró que en general hay muy pocos cambios entre cada generación, aunque sí existen ‘epimutaciones’ espontáneas en las poblaciones, con una tasa mucho más elevada que la tasa de mutación del ADN, teniendo en ocasiones una influencia más fuerte que en la expresión de los genes", añade Schmitz.
En su estudio, los investigadores de Salk y sus colaboradores en el Instituto de Investigación Scripps realizaron un mapa del epigenoma de una población de plantas de Arabidopsis, en la que observaron cómo este paisaje bioquímico había cambiado después de 30 generaciones.
Este mapa consistió en el registro del estado de todos los lugares de la molécula de ADN que pudiera sufrir una modificación química conocida como metilación, un cambio de la epigenética clave que puede alterar la manera en la que ciertos genes subyacentes se expresan. Así, los cientifícos observaron cómo los estados de metilación de estos sitios habían evolucionado a lo largo de las generaciones.
Las plantas fueron todas clones de un mismo ejemplar, por lo que sus secuencias de ADN resultaron esencialmente idénticas a través de las generaciones. De esta manera, era probable que cualquier cambio en la forma de las plantas fuera el resultado de cambios espontáneos en su código epigenético -las variaciones en la metilación del ADN y no el resultado de las variaciones en las secuencias de ADN subyacente.
"A diferencia de las personas, algunas plantas son fáciles de clonar, por lo que podemos ver la firma epigenética sin todo el ruido genético", ha explicado Ecker. Los investigadores descubrieron que al menos uno de los sitios de metilación en el ADN de entre miles de plantas fue alterado en cada generación, lo que supone al menos que ésta se da aunque sea en una pequeña proporción.
Esto sugiere que el código epigenético de las plantas -y otros organismos, por extensión- es mucho más flexible que su código genético.
Conclusiones del estudio
Ecker ha señalado que los resultados del estudio ofrecen algunas de las primeras evidencias de que el código epigenético se puede escribir de forma rápida y tener unos efectos espectaculares. "Esto significa que los genes no son el destino", ha sentenciado. "Si ocurre como con estas plantas, nuestro epigenoma también puede sufrir cambios espontáneos relativamente rápidos, lo que podría tener una poderosa influencia sobre nuestros rasgos biológicos”, ha concluido.
Ahora que han demostrado hasta qué punto se producen las mutaciones espontáneas epigenéticas, los investigadores de Salk planean desentrañar los mecanismos bioquímicos que permiten que estos cambios surjan y pasen de una generación a otra.
También esperan 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. "No sabemos lo importante que son estos epimutaciones hasta que no se mida el efecto sobre las plantas, algo muy emocionante que acaba de comenzar a andar”, finaliza Joseph Ecker.
Ecker y otros científicos han trazado los misteriosos patrones de dichas variaciones, utilizando indicadores químicos a modo de "capas de control genético" colocadas en la parte superior de secuencias de ADN. De esta manera, han comprobado que, 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 extenderse en la población.
Pero, aunque los científicos han identificado una serie de rasgos epigenéticos, se sabe muy poco acerca de la frecuencia con que ésta surge de forma espontánea, la rapidez con la que podría propagarse a través de una población y la importancia o influencia que podría tener sobre el desarrollo biológico y sus funciones.
Mayor influencia
"La percepción de la magnitud de las variaciones epigenéticas en las plantas de generación en generación varía mucho dentro de nuestra comunidad científica", ha apuntado Robert Schmitz, autor principal del artículo y de la investigación post-doctoral en el laboratorio de Eckers. "En realidad, se hizo el experimento, y se encontró que en general hay muy pocos cambios entre cada generación, aunque sí existen ‘epimutaciones’ espontáneas en las poblaciones, con una tasa mucho más elevada que la tasa de mutación del ADN, teniendo en ocasiones una influencia más fuerte que en la expresión de los genes", añade Schmitz.
En su estudio, los investigadores de Salk y sus colaboradores en el Instituto de Investigación Scripps realizaron un mapa del epigenoma de una población de plantas de Arabidopsis, en la que observaron cómo este paisaje bioquímico había cambiado después de 30 generaciones.
Este mapa consistió en el registro del estado de todos los lugares de la molécula de ADN que pudiera sufrir una modificación química conocida como metilación, un cambio de la epigenética clave que puede alterar la manera en la que ciertos genes subyacentes se expresan. Así, los cientifícos observaron cómo los estados de metilación de estos sitios habían evolucionado a lo largo de las generaciones.
Las plantas fueron todas clones de un mismo ejemplar, por lo que sus secuencias de ADN resultaron esencialmente idénticas a través de las generaciones. De esta manera, era probable que cualquier cambio en la forma de las plantas fuera el resultado de cambios espontáneos en su código epigenético -las variaciones en la metilación del ADN y no el resultado de las variaciones en las secuencias de ADN subyacente.
"A diferencia de las personas, algunas plantas son fáciles de clonar, por lo que podemos ver la firma epigenética sin todo el ruido genético", ha explicado Ecker. Los investigadores descubrieron que al menos uno de los sitios de metilación en el ADN de entre miles de plantas fue alterado en cada generación, lo que supone al menos que ésta se da aunque sea en una pequeña proporción.
Esto sugiere que el código epigenético de las plantas -y otros organismos, por extensión- es mucho más flexible que su código genético.
Conclusiones del estudio
Ecker ha señalado que los resultados del estudio ofrecen algunas de las primeras evidencias de que el código epigenético se puede escribir de forma rápida y tener unos efectos espectaculares. "Esto significa que los genes no son el destino", ha sentenciado. "Si ocurre como con estas plantas, nuestro epigenoma también puede sufrir cambios espontáneos relativamente rápidos, lo que podría tener una poderosa influencia sobre nuestros rasgos biológicos”, ha concluido.
Ahora que han demostrado hasta qué punto se producen las mutaciones espontáneas epigenéticas, los investigadores de Salk planean desentrañar los mecanismos bioquímicos que permiten que estos cambios surjan y pasen de una generación a otra.
También esperan 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. "No sabemos lo importante que son estos epimutaciones hasta que no se mida el efecto sobre las plantas, algo muy emocionante que acaba de comenzar a andar”, finaliza Joseph Ecker.