Ads-728

Ads-728

Psicología

Astrofísica

Genética

Neurociencia

» » Una breve historia del genoma humano (2)

Referencia: NewScientist.com .
Autor: Michael Le Page, 17 de septiembre 2012

Los beneficios del sexo

Lo fundamental sobre el sexo no es que sea sólo un mezcla de genes de diferentes individuos, por importantes que esto sea para reunir los avances evolutivos realizados en linajes separados. Las células simples llevaban mucho tiempo intercambiando genes sin molestarse con el sexo.

Hay también un proceso conocido como recombinación, en el que pares de cromosomas intercambian las piezas correspondientes antes de ser divididas en óvulos o espermatozoides. La recombinación ayuda a resolver el problema fundamental que tiene un genoma compuesto de muchos genes vinculados entre sí, como las cuentas de un collar.

Imaginemos un collar con una perla realmente magnífica justo al lado de una errónea. Si no podemos cambiar una perla por otra, tendremos que deshacernos de todo o tomar el collar tal como es. De manera similar, si una mutación beneficiosa termina junto a otra dañina, o la mutación beneficiosa se pierde o la mutación perjudicial se extiende a través de la población, arrastrada por su vecina.

La recombinación le da la oportunidad de intercambiar esas perlas. Al igual que puede producir un collar perfecto o uno con defectos, así que algunos descendientes recibirán un número desproporcionado de buenos genes, mientras que otros recibirán un montón de otros malos, tal vez con intrones disruptivos. Habrá entonces desafortunados individuos propensos a morir mientras que aquellos con los genes buenos tenderán a prosperar.

En las grandes poblaciones, surgen tantas mutaciones algunos que contrarrestan los efectos de los genes nocivos, así que no hay necesidad de recurrir a la recombinación. Sin embargo, en una pequeña población, el sexo es el que gana. Por esta razón, se convirtió en la norma para los primeros eucariotas, y por lo tanto, para la mayor parte de sus descendientes. Así que, la próxima vez que hagas el amor, no olvides dar las gracias a ese parásito genético albergado por tu antepasado bacteriano por el placer del sexo.

Con el tiempo, el sexo fue evolucionando, había demasiados intrones para deshacerse de todos ellos. Así que las primeras eucariotas pronto se enfrentó a otro serio problema: conforme los intrones adquirían más y más mutaciones, los mecanismos de auto-empalme comenzaron a fallar. En respuesta, las eucariotas desarrollaron las primeras máquinas especiales, llamadas espliceosomas, capaces de cortar los intrones de las copias de genes de ARN.

Los espliceosomas son el tipo de solución sin sentido, típico de la evolución: cortando los cachivaches de las copias de ARN de los genes, más que eliminar el ADN original, es muy ineficiente. Es más, los espliceosomas son lentos. Habría llegado mucho ARN a las fábricas de proteínas antes de que sus intrones fuesen eliminados, dando lugar a proteínas defectuosas.

Por eso desarrolló el núcleo, propone Koonin. Una vez que el ADN de una célula se encapsula en un compartimento separado de la maquinaria de fabricación de proteínas, sólo los empalmes de ARN podrían salir, impidiendo que células de derrocharan energía mediante la producción de proteínas inútiles.

Incluso así, esto no resuelve todos los problemas. Las espliceosomas suelen montar por error secciones codificdas de genes, conocidas como exones, lo que resulta en versiones mutantes de las proteínas. “El empalme alternativo no era una adaptación", dice Koonin. "Era algo que los organismos tuvieron que enfrentar".

Así que nuestros ancestros evolucionaron capa sobre capa de compleja maquinaria para hacer frente a la proliferación de los intrones, y aún no ha resuelto todos los problemas que causó. Sin embargo, a diferencia de las células simples, podían permitirse este despilfarro porque estaban bien provistas de energía y, a la larga, toda esta complejidad adicional fue llevando a nuevas oportunidades.

La versatilidad y el control

La presencia de intrones, y por tanto de exones, hicieron efectivos los genes modulares. De un gen ininterrumpido, las mutaciones que añaden o quitan secciones suelen cambiar la forma en que se leen el resto de los genes, produciendo un galimatías. Los exones, por el contrario, se puede mover alrededor sin perturbar al resto del gen. Los genes pueden ahora evolucionar al poder barajar a los exones dentro y entre ellas.

Supongamos, por ejemplo, que las mutaciones al azar añadieron un exón extra a un gen. Gracias al empalme alternativo, la versión original de la proteína aún se puede hacer, aunque eso también significa una nueva proteína puede provenir del mismo gen (vea el gráfico "Sala de montaje"). La mutación podría tener poco efecto y de esa menera no serían eliminados por la selección, pero con el tiempo, la nueva proteína podría asumir una nueva función. Por accidente, los esfuerzos sin sentido de las eucariotas para afrontar a los intrones habían hecho a sus genes más versátiles y más capaces de evolucionar.

Si este punto de vista de la evolución de las células complejas es correcta, muchas de las características principales de nuestro genoma, desde los genes modulares hasta el sexo, evolucionaron como un resultado directo de la adquisición de las mitocondrias parásito. Las ideas alternativas no se puede descartar, pero ninguno ofrece una explicación tan hermosa. "Es mi escenario favorito", dice Koonin.

Todas estas características novedosas condujeron a una explosión de la innovación evolutiva, y llevaron a prosperar a las eucariotas que pronto empezaron a diversificarse. Aun así, todavía se enfrentaban a un embestida implacable de la invasión de nuevos tipos de ADN parasitario y de virus. Sin embargo, después de haber trascendido los límites de tamaño de las células simples, las células complejas eran libres de desarrollar mecanismos de defensa más sofisticados.

Uno de ellos fue el de "silenciar" los genes parásitos de los transposones mediante la adición de etiquetas al ADN que para la realización de copias de ARN, un proceso llamado metilación. Otro era destruir los ARN de virus invasores para evitar que se replicaran. Estas defensas tuvieron sólo un éxito parcial. Hoy en día, alrededor del 5 por ciento del genoma humano está formado por restos mutados y en su mayoría inertes de virus, y un sorprendente 50 por ciento que consiste en restos de transposones, un testimonio de las muchas ocasiones en que estos parásitos, de alguna manera, se metieron en los genomas de nuestros antepasados ​​y proliferaron.

Estos mecanismos de defensa fueron pronto reutilizados para otro propósito: controlar la actividad de los propios genes de una célula. "Los mecanismos de control de los transposones se convirtieron en mecanismos para controlar genes", dice Ryan Gregory, de la Universidad de Guelph, Canadá, que estudia la evolución de los genomas.

La construcción de cuerpos

El escenario estaba listo ahora para el próximo gran paso en la evolución, hace aproximadamente 800 millones de años, cuando las células comenzaron a cooperar más estrechamente que nunca. Aunque unas pocas bacterias son pluricelulares, las restricciones a su complejidad nunca les permitió ir muy lejos por ese camino. Las eucariotas, por el contrario, han evolucionado multicelularmente en docenas de ocasiones, dando lugar a organismos de enorme complejidad, como hongos, algas, plantas terrestres y, por supuesto, los animales.

Una razón fue su gran repertorio de genes, que podía ser reutilizado para nuevos propósitos, como los enlaces que unen las células y la comunicación con otras. Aún más importante, la naturaleza modular de sus genes les permitió una evolución más rápida. Las proteínas que se unen las células, por ejemplo, consisten en una parte a horcajadas sobre la membrana celular y otra parte que sobresale hacia el exterior. Con los genes modulares, todo clase de diferentes cosas pueden ser añadidas a dicha membrana, como los distintos accesorios de una aspiradora. Muchos genes cruciales para la multicelularidad evolucionaron a través de los exones.

Además, para controlar los genes, podían ser utilizados los más sofisticados mecanismos eucariotas para permitir la especialización de las células. Al intercambiar diferentes conjuntos de genes en activos o inactivos, los diferentes grupos de células podían asumir distintos papeles. Como consecuencia, los organismos pudieron comenzar a desarrollar diferentes tipos de tejido, permitiendo evolucionar a los primeros animales, desde una simple esponja a los animales con cuerpos cada vez más sofisticados.

El próximo gran salto hacia delante fue el resultado de un par de accidentes genéticos. Cuando las cosas van mal durante la reproducción, el genoma completo puede ser duplicado ocasionalmente, y esto sucedió no una, sino dos veces en el ancestro de todos los vertebrados.
               
Estas duplicaciones del genoma produjeron una gran cantidad de copias adicionales de genes. Muchos se perdieron, pero otros asumieron nuevos roles. Concretamente, las duplicaciones produjeron cuatro grupos de genes maestros que establecían planes durante el desarrollo, los genes Hox, y estos grupos se cree que han jugado un papel crucial en la evolución de un esqueleto interno.

Las duplicaciones totales del genoma son raras, y la mayoría de los nuevos genes se derivan de pequeñas duplicaciones, o desde el exón, o de ambos. La evolución es descarada, explota a cualquier ADN que hace algo útil, independientemente de dónde venga. Algunos genes cruciales han evolucionado a partir de fragmentos de ADN basura, mientras que otros han sido adquiridos de otros lugares.

Hará cerca de 500 millones de años, por ejemplo, el genoma de nuestros antepasados ​​fue invadido por un parásito genético llamado un transposón hAT que se copia a sí mismo usando el mecanismo de "cortar y pegar". El corte se realiza por dos enzimas que se unen a secuencias específicas de ADN.

En algún momento, en algún vertebrado temprano, las secuencias unidas a las enzimas de corte de ADN terminaron cerca o de un gen implicado en el reconocimiento de las bacterias invasoras y virus. El resultado fue que, durante el curso de la vida de un individuo, oonforme sus células se iban multiplicando, las enzimas hAT cortaban trozos del gen. Tras estos cortes en líneas celulares diferentes, se generaron un montón de versiones mutantes de la proteína.
               
En algunos casos, esto resultó ser un salvavidas, debido a que las proteínas mutantes eran mejores para engancharse a los patógenos invasores. Pronto se desarrolló un mecanismo para el reconocimiento de las células que producen las versiones más eficaces y alentarlas a multiplicarse, el sistema inmune adaptativo. El sistema inmunitario humano es ahora increíblemente complejo, pero las dos enzimas que cortan y reorganizan los genes (el proceso fundamental que les permite determinar a los invasores) son descendientes directos de las enzimas hAT. De nuevo tenemos que agradecer a un parásito antiguo por tener nuestra arma más eficaz contra la enfermedad.

El genoma humano

Armado con estas defensas avanzadas y con una caja de herramientas genética que podía estar ajustada para producir una gran variedad de formas del cuerpo, los primeros vertebrados tuvieron un gran éxito. Conquistaron los mares, colonizaron la tierra, subieron a los árboles y volvieron a bajar y empezaron a caminar sobre dos piernas.

?Qué nos hizo tan diferentes de otros simios? Hay una gran y aparente diferencia entre nosotros: tenemos 23 cromosomas en lugar de los 24 de nuestros antepasados ​​simios. Sin embargo, los cromosomas son esencialmente bolsas de genes: esto hace pequeñas diferencias si están separados o se fusionan, aunque todavía tenemos los genes que necesitamos. Más bien, parece una larga serie de pequeños cambios que gradualmente han ido alterando nuestros cerebros y cuerpos. Hemos identificado ya unas cuantas mutaciones clave (New Scientist, 09 de junio, p 34), pero puede haber implicados muchos miles.

Mirando hacia atrás, en un escenario global, está claro que el aumento de la complejidad de las células y órganos comenzó con los aumentos en la complejidad de los genomas. Lo sorprendente, es que muchos de estos aumentos iniciales de la complejidad se debieron a una falta de selección evolutiva, en lugar de ser orientados por ella. "La mayoría de lo que está pasando a nivel genómico es probablemente neutral", apunta Gregory.

En otras palabras, las mutaciones que surgen tienen poco o ningún efecto, conforme un gen es duplicado. En una gran población, tales mutaciones pronto se perderían. Pero en una población pequeña, se puede extender a través de la deriva genética. "Esto es una consecuencia inevitable de la genética de poblaciones", señala Koonin. Es únicamente más tarde que se selecciona esa complejidad, por ejemplo, cuando un gen duplicado adquiere un nuevo papel.

Muchos acontecimientos importantes de nuestra historia, como son las duplicaciones del genoma que produjeron nuestros genes Hox, son el resultado de una relajada selección en una población pequeña. De hecho, un cuello de botella poblacional al principio de la evolución humana, podría explicar la propagación de algunas de las mutaciones que nos hacen tan diferente de los otros simios, así como nuestra pérdida de la fuerza muscular.

Sorprende el papel tan importante que han jugado los virus y parásitos. Muchas de las características principales de nuestro genoma, desde el sexo a la metilación, se desarrollaron como respuesta a sus ataques. Es más, un buen número de nuestros genes y exones, como las enzimas inmunológicas, derivan directamente de estos atacantes. "Los virus han formado parte necesaria de la vida celular desde el principio", añadió Koonin.

Necesaria, pero no placentera. Nuestra evolución ha cargado con un coste tremendo. Dicen que la historia la escriben los vencedores, bueno, nuestro genoma es un registro de victorias, de las experiencias que han tenido éxito o por lo menos las que no mataron a nuestros ancestros. Somos los descendientes de una larga lista de ganadores de la lotería, una lotería en la que el premio consistía en producir una descendencia que sobreviviera lo suficiente para reproducirse. En el camino quedaron incontables fracasos, con miles de billones de animales que murieron de forma horrible.

Nuestro genoma está lejos de ser un perfecto y afinado producto terminado. Más bien, ha sido toscamente parcheado de accidentes genéticos y de restos de parásitos antiguos. Es el producto de una especie de experimentación loca e incontrolable que sería rechazada de plano por cualquier comité de ética. Y este proceso continúa hasta nuestros días, en cualquier hospital probablemente encontraremos niños que mueren de temibles enfermedades genéticas. Pero no hay tantos muriendo como pudo acaecer en el pasado. Gracias a métodos como la selección de embriones, estamos empezando a tomar el control de la evolución del genoma humano. Una nueva era está amaneciendo.


- Primera Parte (1) - Segunda Parte (2) -
- Imagen 1) www.icsia.net . Imagen 2) NewScientist.com
.

«
Next
Entrada más reciente
»
Previous
Entrada antigua
Editor del blog Pedro Donaire

Filosofía

Educación

Deporte

Tecnología

Materiales