Un código «oculto» relacionado con el ADN de las plantas, ha permitido desarrollar y transmitir nuevas características biológicas mucho más rápido de lo que se pensaba, según las conclusiones de un estudio pionero, realizado por investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos.

El estudio publicado en la revista Science, proporciona la primera evidencia de que el código «epigenético» organismo (una capa extra de instrucciones bioquímicas del ADN), puede evolucionar más rápido que el código genético y puede influir fuertemente en los rasgos biológicos.

Si bien el estudio estaba limitado a una sola especie de planta, llamada Arabidopsis thaliana, algo así como la rata de laboratorio del mundo vegetal, los resultados dejan entrever que los rasgos de otros organismos, incluidos los humanos, también puede estar enormemente influenciados por mecanismos biológicos que solamente ahora los científicos están empezando a comprender.

«Nuestro estudio demuestra que no todo está en los genes», enfatizaba Joseph Ecker, profesor del Salk’s Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory, quien dirigió el equipo de investigación. «Hemos descubierto que estas plantas tienen un código epigenético más flexible y influyente de lo que imaginábamos. Es evidente que hay un componente hereditario que no acabamos de entender. Es posible que los humanos tengamos un mecanismo epigenético, igualmente activo, que controla nuestras características biológicas y se pasa a nuestros hijos.»

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

De hecho, muchos de los grandes descubrimientos que llevaron a estas conclusiones se basaban en los estudios de plantas. Existen 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 clásica genética 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 los ratones delgados que explique esta diferencia de peso.

Los científicos han descubierto que incluso los gemelos humanos idénticos presentan diferentes características biológicas, a pesar de sus coincidentes secuencias de ADN. Así que ellos teorizan que, tales diferencias inexplicables, podría deberse a las variaciones epigenéticas.

«Dado que ninguno de estos patrones de variación y herencia coinciden con lo que la secuencia genética dice que debería suceder, hay un claro componente de la ‘genética’ hereditaria que falta», apuntaba Ecker.

Ecker y otros científicos, han trazado estos patrones misteriosos con marcadores químicos que sirven como una capa de control genético en la parte superior de la secuencia de ADN. Y al igual que las mutaciones genéticas pueden surgir de manera espontánea y ser heredadas por generaciones posteriores, las mutaciones epigenéticas pueden surgir en los individuos y propagarse a la población en general.

Aunque los científicos han identificado una serie de rasgos epigenéticos, se sabía muy poco acerca de la frecuencia con que surgía de forma espontánea, de la rapidez con que podría propagarse a través de una población, y de la importante influencia que podría tener sobre el desarrollo biológico y el funcionamiento.

«La percepción de la magnitud de las variaciones epigenéticas en las plantas de generación en generación, varía mucho dentro de nuestra comunidad científica», señaló Robert Schmitz, un investigador post-doctoral en el laboratorio de Eckers, y autor principal del artículo. «En realidad, al hacer el experimento, encontramos que en general hay muy pocos cambios entre cada generación, pero las epi-mutaciones espontáneas se dan en las poblaciones y aumenta mucho más la tasa que la de la mutación del ADN, y hay ocasiones que tienen una influencia poderosa sobre cómo se expresan ciertos genes.»

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 y observaron cómo este paisaje bioquímico había cambiado después de 30 generaciones. Este mapeo consistía en el registro del estado de todos las localizaciones de la molécula de ADN que pudiera sufrir una modificación química conocido como metilación, un cambio de clave epigenético que pueden alterar la manera en que se expresan ciertos genes subyacentes. Más tarde, vio cómo dichos estados de metilación evolucionaron a lo largo de las generaciones.

Todas las plantas eran clones de un solo antepasado, por lo que sus secuencias de ADN eran esencialmente idénticas a través de las generaciones. De esta modo, cualquier cambio en la forma en que las plantas expresaban ciertos rasgos genéticos, probablemente fuese el resultado de cambios espontáneos en su código epigenético, las variaciones en la metilación de lugares del ADN, no es el resultado de las variaciones en las secuencias del ADN subyacente.

«No es posible hacer este tipo de estudios en humanos, ya que nuestro ADN se reordena en cada generación», señaló Ecker. «Por el contrario, algunas plantas son fáciles de clonar, por lo que podemos ver la firma epigenética sin todo ese ruido genético.»

Los investigadores descubrieron que al menos unos pocos miles de sitios de metilación del ADN de las plantas fueron alterados en cada generación. Aunque esto representa una pequeña proporción, de los potencialmente seis millones de sitios de metilación que se estiman que existen en el ADN de la Arabidopsis, esto 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, por extensión, de otros organismos, es mucho más fluido que su código genético.

Aún más sorprendente fue la extensión con la que algunos de estos cambios activan o desactivan los genes. Una serie de genes de plantas que fueron sometidos a cambios heredables en la metilación, también experimentaron alteraciones sustanciales en su expresión, que es el proceso por el cual los genes controlan la función celular a través de la producción de proteínas.

Esto significaba que no sólo el epigenoma de las plantas se transformaba rápidamente, pese a la ausencia de cualquier presión ambiental muy fuerte, sino que estos cambios podían tener una poderosa influencia en la forma de las plantas y en sus funciones.

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 drástico. «Los que implica que los genes no marcan nuestro destino», afirmó. «Si en algo nos parecemos a las plantas, nuestro epigenoma también puede sufrir cambios espontáneos, relativamente rápidos, que podrían tener una poderosa influencia sobre nuestros rasgos biológicos.»

Ahora queda la cuestión de hasta qué medida se producen las mutaciones epigenéticas espontáneas, los investigadores Salk planean desentrañar los mecanismos bioquímicos que permiten a estos cambios surgir y pasar de una generación a otra.

También esperan explorar cómo las diferentes condiciones ambientales, como las diferencias de temperatura, podría impulsar estos cambios epigenéticos en las plantas, o por el contrario, si los rasgos epigenéticos proporcionan a las plantas una mayor flexibilidad para hacer frente a los cambios ambientales.

«Creemos que estos eventos epigenéticos puede silenciar los genes que no son necesarios, y luego se volverlos a activar cuando las condiciones externas así lo justifiquen», añadió Ecker. «No sabremos la importancia de estas epi-mutaciones hasta que no midamos su efecto sobre las características de las plantas, y recién ahora hemos llegado a ese punto en que podemos hacer estos experimentos. Es realmente emocionante.»

La investigación es apoyada por la National Science Foundation, los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Mary K. Chapman.

• Referencia: ScienceDaily.com, 16 septiembre 2011
• Fuente: Instituto Salk .
• Imagen: Herencia generacional de la metilación del ADN (Crédito: Concept/artwork/ image design: Robert Schmitz, Joseph R. Ecker, Salk Institute for Biological Studies)
• Diario de Referencia: R. J. Schmitz, M. D. Schultz, M. G. Lewsey, R. C. O’Malley, M. A. Urich, O. Libiger, N. J. Schork, J. R. Ecker. Transgenerational Epigenetic Instability Is a Source of Novel Methylation Variants. Science, 2011; DOI: 10.1126/science.1212959 .

Traducido Pedro Donaire