apuntes de biología

SOBRE REACCIONES QUIMICAS, CEBRAS Y PECES DE COLORES

El colorido basado en bandas alternativamente claras y oscuras está muy extendido en el reino animal. Lo más tópico es pensar en las cebras o en los tigres, pero moluscos, insectos y peces, entre muchos otros grupos, cuentan con especies vistosamente adornadas con bandas de diferentes colores. Este tipo de coloración se denomina disruptiva, puesto que difumina la silueta del animal sobre un fondo abigarrado. Otra cuestión es el origen y la regulación del desarrollo de estos patrones, un tema apasionante, punto de encuentro de territorios dispares que van desde la cinética de reacciones químicas hasta la Biología del Desarrollo o la Biología Evolutiva pasando por la Teoría del Caos.
En los Vertebrados, el color de la piel está determinado por unas células cargadas de pigmentos, los cromatóforos, que tienen un origen muy particular. Durante la formación del tubo nervioso, las células epiteliales de los márgenes de la placa neural embrionaria se diferencian en células mesenquimáticas migradoras. Son las células de la cresta neural, que juegan un papel clave en la organización de los Vertebrados. Parte de estas células migran por debajo del ectodermo embrionario, y acaban integrándose en la epidermis. En función de su mayor o menor desarrollo y acumulación de pigmentos darán a la piel una tonalidad clara u oscura. Pero, ¿cómo se "ponen de acuerdo" los cromatóforos para organizar bandas?
Alan Turing, el genial matemático británico, precursor de la Ciencia de la Computación, publicó en 1952 un artículo titulado "The chemical basis of the morphogenesis" [Turing, A.M.Phil.Trans.R.Soc., 237:37 (1952)]. Turing señalaba cómo determinadas reacciones químicas podían generar patrones espaciales estables a partir de estados inicialmente homogéneos. Estos patrones espaciales podrían servir de base o de señal para la diferenciación organizada de células o grupos de células. Veamos el proceso de reacción-difusión propuesto por Turing (Figura 1)
. La situación de partida está constituida por dos sustancias químicas A e I. A es un activador e induce tanto su propia síntesis como la de I. Este último es un inhibidor, inhibe la actividad de A y difunde en el medio más rápidamente que esta sustancia. La situación inicial es casi homogénea, con pequeños picos locales aleatorios de una u otra sustancia (Fig. 1A). La predicción de Turing es que, a partir de este estado, se desarrollarán determinados picos aleatorios de A que producirán cantidades crecientes de A y de I. Lo que sucede es que I, al difundir más rápidamente que A en el medio, tenderá a inhibir cualquier otro pico vecino, pero no podrá evitar que el pico original de A siga creciendo (Fig. 1B). El resultado final es la formación de una serie de picos de concentración de ambas sustancias con una estructura espacial muy precisa, una estructura que dependerá de la velocidad de difusión de ambas sustancias. Los picos pueden ser representados en forma de onda estacionaria (Fig. 1C). La concentración de A (o la de I) podrían ser señales para la diferenciación celular, generando un patrón espacial complejo a partir de una reacción química sencilla.
¿Qué sucede si se produce una alteración del sistema? La distancia entre picos, por ejemplo, puede aumentar debido al crecimiento del animal. En este caso la predicción es que los "valles", de tamaño creciente, se convertirían en zonas inestables, en las que podrían emerger nuevos picos aleatorios de A que restablecerían la distancia entre picos y, por tanto, el equilibrio (Fig. 1D).
La propuesta teórica de Turing ha sido plenamente confirmada desde el punto de vista químico, y se conocen actualmente reacciones que se comportan de la forma descrita anteriormente. Otra cuestión es la aplicación de este modelo a la Biología del Desarrollo. Se ha propuesto que el modelo de Turing podría intervenir en la formación del patrón del miembro quiridio de vertebrados (la pata, para entendernos), y que el factor de crecimiento transformante-b (TGFb) sería un buen candidato para desempeñar el papel de activador [Newman, S.A. et al. J. Theoret. Biol., 134:183 (1988)]. Sin embargo no había, hasta ahora, evidencias más directas acerca de esto.
Así las cosas, dos investigadores japoneses han estudiado el patrón de coloración de dos especies de peces, Pomacanthus semicirculatus yP. imperator [Kondo y Asai, Nature, 376:765 (1995)]. En estos peces el patrón de bandas no es estable durante el crecimiento. Dicho de otra forma, mientras las cebras nacen ya con todas sus bandas definidas, bandas que aumentan de tamaño a medida que el animal crece, en las especies de Pomacanthus las bandas mantienen siempre su tamaño y su distancia relativa. Esto se consigue por la intercalación de nuevas bandas. Lo interesante del caso es que los patrones de aparición de nuevas bandas siguen exactamente lo predicho por modelos de reacción-difusión realizados por ordenador. Estos patrones incluyen desdoblamientos, aparición de zonas inestables, salto de un punto de bifurcación de una banda a la contigua, etc. Los autores concluyen que un mecanismo de reacción-difusión parece estar determinando el control de la coloración de estos peces.
Tres comentarios finales: Dado que en estas especies el presunto mecanismo de reacción-difusión se mantiene en estado adulto, esto constituye una buena oportunidad para identificar, por primera vez, las moléculas implicadas en el proceso. En segundo lugar, las implicaciones evolutivas de estos modelos son evidentes: Grandes cambios en patrones de coloración (o de otro tipo) podrían estar determinados por pequeñas modificaciones en las velocidades de reacción o de difusión de algunas moléculas. Por último, hay que destacar que en una época de investigaciones sustentadas por complicados medios técnicos, todo lo que han necesitado los autores del artículo para realizar su trabajo ha sido un ordenador personal, un acuario y una máquina fotográfica. Y, por supuesto, perspicacia, capacidad de observación y talento.

AMPLIFICACIÓN PROTO-ONCOGÉNICA: ¿CAUSA O EFECTO DE LA TUMOROGÉNESIS?

A aquellos genes que pueden convertir una célula normal en una tumorogénica se los denomina ONCOGENES. Una célula normal no posee secuencias oncogénicas pero contiene genes cuya modificación, de secuencia o de nivel de expresión, puede llevarlas hacia un fenotipo transformado; estos genes se conocen como PROTO-ONCOGENES. Los proto-oncogenes aparecen frecuentemente amplificados en las células tumorales humanas por lo que se investiga su uso como marcadores prognóstico adicionales en oncología clínica. Los proto-oncogenes amplificados en los tumores humanos pertenecen fundamentalmente a una de estas tres familias: erb B, ras o myc. La amplificación afecta a cientos o miles de kilobases del DNA, implicando, por tanto, a distintos genes. El nivel de expresión de las correspondientes proteínas se incrementaría en la célula pero a priori es difícil saber si el gen cuya amplificación es detectada participa en la progresión del tumor o sólamente es un "pasajero" del amplicón.
En la mayoría de los casos, la amplificación génica está acompañada de la sobre-expresión de la proteína. Los genes de la familia erb Bcodifican para receptores transmembrana con actividad tirosín-quinasa; los de la familia ras, para pequeñas proteínas que unen GTP, y las proteínas myc son factores de transcripción. Por tanto, los genes de las tres familias codifican proteínas que pueden estar implicadas en transducción de señales; entonces, la amplificación y sobre-expresión de una de ellas hace a la célula responder mejor a niveles bajos de estímulos de crecimiento, permitiéndole proliferar en condiciones en las que células normales no lo harían. Así, para varios genes que se encuentran amplificados en tumores humanos, la sobre-expresión de la proteína normal puede conferir el fenotipo transformado o tumorogénico a células cultivadas in vitro. Además, varios estudios realizados sobre líneas celulares animales y humanas derivadas de tumores con un proto-oncogén amplificado, han establecido una relación entre la amplificación del proto-oncogén y el fenotipo tumorogénico. La amplificación de algunos proto-oncogenes, como es el caso del N-myc, se vincula con la progresión hacia un fenotipo metastásico de las células tumorales. Otros estudios han concluido que la amplificación de proto-oncogenes es significativamente más frecuente en tumores grandes con bajo nivel de diferenciación y en los que ya existe metástasis. Tales tumores se consideran en una etapa de progresión avanzada, lo que sugiere que la amplificación de proto-oncogenes es un evento tardío en la progresión tumoral. Se han propuesto dos hipótesis para tratar de explicar estas observaciones:
1.- Es posible que la amplificación y sobre-expresión de los miembros de las familias erb B, ras y myc sea ventajoso únicamente para aquellas células que hayan alcanzado un punto en el cual escapan de varios de los mecanismos de control de crecimiento y se encuentran en una etapa de proliferación.
2.- Una segunda posibilidad es que sólo células en un estadío avanzado de proliferación tumoral son capaces de amplificar secuencias de DNA. Así, la amplificación génica es una de las manifestaciones de la inestabilidad genómica, característica de las células anormales (transformadas). Además, distintos estudios apoyan la idea de que las células somáticas normales no poseen la capacidad de amplificar regiones de su genoma y que esta capacidad se adquiere durante la progresión del tumor.

Por qué las mitocondrias necesitan un genoma?

Las mitocondrias, junto con los cloroplastos, son los orgánulos celulares que presentan una serie de características muy peculiares que los hacen parecer una célula dentro de otra célula: contienen DNA, poseen ribosomas, están separados del citosol por una doble membrana, contienen proteínas típicas del núcleo (polimerasas, helicasas, histonas...). Todo esto hace pensar que estos orgánulos no surgieron por una diferenciación interna sino que tienen un origen xenógeno. De hecho se acepta la teoría endosimbióntica para explicar su génesis. Esta teoría propone que durante la evolución independiente de las arquebacterias, las eubacterias y los urcariotes (pre-eucariotas muy parecidos a los actuales eucariotas, aunque carecerían de mitocondrias y cloroplastos; fósiles vivientes de este tipo de células son los géneros Giardia y Varimorpha), una bacteria fotosintética púrpura sería fagocitada por una célula urcariota y, en lugar de ser digerida, pasaría a formar parte de ella en forma de lo que hoy conocemos como mitocondria. Posteriormente, una cianobacteria, mediante un proceso similar, entraría en simbiosis con estas células con mitocondrias, y originarían los cloroplastos. La teoría endosimbióntica está avalada por los análisis sobre los pigmentos clorofílicos, la composición y distribución génica de los DNA, y por análisis ultraestructurales. Esta teoría explicaría con facilidad el origen de la doble membrana: la interna pertenecería originalmente a la bacteria, y la externa sería un aporte de la célula anfitriona (de hecho, ambas membranas tienen muy distinta composición y permeabilidad). También encuadra perfectamente dentro de la teoría endosimbióntica la existencia de pruebas que demuestran que a lo largo de la evolución, tanto mitocondrias como cloroplastos han ido perdiendo su material genético. Parte de este material se ha perdido, pero otra parte se ha realojado en el núcleo. La presencia de genes duplicados en los cromosomas que no comparten un ancestro común, la presencia simultánea en el orgánulo y en el núcleo del mismo gen, o que el uso de codones de algunos genes con destino mitocondrial sea más parecido al del orgánulo que al del núcleo, constituyen pruebas contundentes de esta migración. Datos recientes sugieren que las ultimas migraciones se produjeron hace unos 15-60 millones de años.
Una de las consecuencias de esta pérdida de DNA es que más del 90% de las proteínas que necesitan las mitocondrias y los cloroplastos están codificadas en el núcleo, se traducen en el citoplasma y tienen que ser importadas específicamente en el orgánulo. Por eso, ambos orgánulos han adquirido un complejo sistema de importación de proteínas. Este mecanismo implica la presencia de un elevado número de proteínas que actúan de receptores y translocadores. Esta maquinaria está presente tanto en la membrana externa como la interna del orgánulo. Las proteínas a importar deben poseer una secuencia guía que las conduzca específicamente al orgánulo. El que la codificación y síntesis de las proteínas de localización mitocondrial o cloroplastídica se haga utilizando la maquinaria celular supone un claro ahorro, por lo que es sorprendente que habiéndose deshecho de la mayoría de su genoma, todavía queden genes dentro de estos orgánulos (en mitocondrias de humanos, por ejemplo, hay 13 genes). Esto conlleva el coste energético de mantener duplicados un sistema de replicación y traducción (en las plantas está triplicado) para sólo unos pocos genes. ¿Por qué entonces algunos genes no han migrado al núcleo para evitar este despilfarro?
Esta pregunta ha sido abordada concretamente en las mitocondrias donde la respuesta es clara, no siendo así en los cloroplastos. En la actualidad existen una serie de barreras que tiene que superar cualquier gen que quiera salir de la mitocondria para alojarse en el núcleo. Estas barreras son: (1) las diferencias del código genético entre el núcleo y la mitocondria; (2) la modificación posttranscripcional del RNA mitocondrial que se produce en ciertas especies; (3) la probabilidad de encontrar una secuencia guía apropiada o simplemente un promotor y terminador; (4) que tras ser importada, la proteína adquiera su conformación correcta. Sin embargo estas bareras no explican la retención de genes. Otras evidencias apuntaban a que la hidrofobicidad de los genes debía estar implicada en su retención, porque la mayoría de los genes de codificación mitocondrial son hidrofóbicos. De hecho, los dos genes que se encuentran en todas las mitocondrias conocidas, el citocromo b y la subunidad I de la citocromo oxidasa, son genes muy hidrofóbicos. Un elegante análisis ha podido demostrar que no son ni el número de dominios hidrofóbicos ni la hidrofobicidad media lo que justifica la retención, sino que es una combinación de dos parámetros. Para que una proteína pueda, siendo codificada en el núcleo, importarse en la mitocondria y ser activa, necesita no tener ningún dominio muy hidrofóbico y además, que los dominios hidrofóbicos estén separados. De hecho, la mayoría de las proteínas que quedan en los genomas mitocondriales no respetan estas condiciones y por tanto, no pueden ser importadas. En cambio, en los casos en que la misma proteína está en el núcleo y la mitocondria, las propiedades físico-químicas de la forma nuclear permiten su importación.