La pulga de agua nos gana en genes

Eran las 11 de la mañana del 27 de diciembre del pasado año 2022. Habíamos llegado a la ansiada balsa de la casa de la Mata, situada a 912 metros de altitud en el macizo de Sant Llorenç del Munt (Barcelona), con la intención de ver su superficie helada. Mis nietas estaban ansiosas por recoger trozos de hielo y lanzarlos sobre el pequeño estanque para ver como resbalaban velozmente, tal como habían hecho años atrás. Sin embargo, este año las condiciones climáticas eran muy diferentes. No había hielo y la transparencia del agua permitía ver pequeños insectos acuáticos, como las ubicuas “notonectas”, buceando tranquilamente entre dos aguas, gracias al movimiento de sus enormes patas traseras en forma de remos.

[ads_google]div-gpt-ad-1623832500134-0[/ads_google]

Las niñas se olvidaron pronto del hielo y lo sustituyeron por unos enormes juncos que cortaron y utilizaron para perseguir a las numerosas notonectas, que eran capaces de bucear y también volar fuera del agua. Después de unos minutos de semejante hostigamiento de hemípteros acuáticos, la menor gritó: “¡Aquí hay muchos bichitos juntos!”. Acudí a comprobarlo y, en efecto, una nube formada por centenares de animalitos acuáticos blanquecinos, de entre uno y dos milímetros de longitud, nadaba como si fuera un minúsculo banco de sardinas. Tomé una pequeña botella de plástico y aspiré parte de la nube para observarlos de cerca. En realidad, no eran insectos acuáticos sino crustáceos. Se trataba de la conocida pulga de agua dulce del género Daphnia, un singular invertebrado planctónico, cuyo genoma ha supuesto una gran sorpresa para los genetistas. ¡Resulta que posee más genes que el propio ser humano! Las personas tenemos unos 23.000 genes, mientras que la pulga de agua (Daphnia pulex) posee alrededor de 31.000 pero apiñados en un genoma 15 veces menor que el del hombre. ¿Cómo es posible que un diminuto crustáceo acuático sea más complejo, desde el punto de vista genético, que el ser humano?

El genoma de este microcrustáceo fue secuenciado en el año 2011 y se descubrió que tan elevado número de genes se debe, en parte, a una alta tasa de duplicación que los produce en tándem.¹ Pero esta duplicación de genes no es aleatoria o al azar sino que responde a las diversas necesidades ambientales con las que se pueden encontrar estos animales, tales como depredadores, productos químicos tóxicos, diferencias extremas de temperatura, etc. Es decir, que el ambiente determina qué genes se expresan y cuáles no, según ha descubierto la reciente disciplina de la epigenética. Además, un 36% de los genes de Daphnia son exclusivos de estos crustáceos. No existen en ningún otro ser vivo y parecen estar relacionados, como decimos, con una respuesta eficaz a los desafíos ecológicos. Habitualmente suelen reproducirse de manera sexual pero cuando las condiciones lo exigen pueden clonarse de manera asexual. Todo esto implica una programación previa en su ADN con el fin de solucionar futuros problemas ambientales. Y, como es bien sabido, toda programación requiere un Programador. No existen programaciones al azar capaces de prevenir o anticipar el futuro.

Por ejemplo, se sabe que el cadmio es un contaminante muy tóxico para la mayoría de los organismos acuáticos y que también resulta letal para el ser humano. Sin embargo, las pulgas de agua dulce se pueden adaptar pronto a niveles altos de este metal, gracias a una proteína especial que elaboran sus genes en el momento oportuno y lo mismo ocurre con otros contaminantes diferentes. Hasta tal punto semejante comportamiento ha sorprendido a los científicos que ha contribuido, junto a otros, a la creación de esta nueva disciplina epigenética o genómica ambiental, que estudia cómo el medio ambiente interactúa con los genes.

[photo_footer]La pulga de agua dulce (Daphnia pulex) se alimenta de algas microscópicas. En la imagen pueden verse numerosas vorticelas adheridas a la parte posterior de la cabeza o céfalon de una pulga de agua. Se trata de protozoos fijos o sésiles que se nutren de bacterias y se benefician del movimiento de la pulga (Foto: Antonio Cruz).[/photo_footer]

Otro dato interesante de la pulga de agua es que tiene en común con el ser humano muchos más genes que cualquier otro artrópodo cuyo genoma haya sido estudiado hasta ahora. Es sabido que los gorilas comparten con el hombre entre un 95% y un 99% de sus genes; los chimpancés hasta un 96%; los gatos y los cerdos un 90%; los ratones un 85%; vacas y toros un 80%; perros un 75%; las moscas de la fruta (Drosophila melanogaster) un 75% y un vegetal como el plátano hasta un 60%. ¿Significa esto que somos todos esos tantos por ciento simios, gatos, puercos, moscas o bananas? ¿Acaso sólo somos aquello que está especificado en nuestros genes o hay mucho más en nosotros que nuestro ADN?

El dogma biológico centrado en los genes, que dominó durante todo el siglo XX, fue la creencia de que la información contenida en el ADN se transcribe al ARN y de éste es traducida a las proteínas. Por lo tanto, solamente seríamos el resultado de aquello que está escrito en nuestros genes. Sin embargo, hoy se sabe que esto es sólo una verdad a medias que distorsiona la realidad. En las últimas décadas, se ha acumulado suficiente evidencia de que existen complejos sistemas de herencia epigenética capaces de transmitir variaciones no relacionadas con el ADN. Se ha visto que, después que las secuencias de ADN se transcriben a ARN, muchos de estos ARN se modifican y ya no coinciden con la transcripción original.

Esto ocurre mediante el llamado splicing o empalme alternativo de ARN en las células con núcleo, que hace que las secuencias de ADN que codifican proteínas estén interrumpidas por segmentos que no codifican proteínas, llamados “intrones”. Cuando se transcribe el ADN, estos intrones se incluyen en los ARN mensajeros pero luego se cortan y desaparecen, con lo cual las regiones que sí producen proteínas se vuelven a unir entre sí. Estas uniones o empalmes se pueden realizar de varias formas alternativas, lo que origina que muchos ARN mensajeros finales tengan secuencias que ya no se corresponden con las que tenía el ADN original. Todo esto se ha estudiado sobre todo en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) y se ha comprobado que los ARN de una secuencia de su ADN pueden generar más de 18 000 proteínas diferentes, por medio de estos empalmes alternativos o splicing. Pues bien, esto mismo ocurre también en todas las especies vegetales y animales, incluido el propio ser humano.

Además de semejante corte y empalme alternativo, existe también lo que se ha llamado la “edición del ARN”. Se trata de un proceso que se da habitualmente en las células humanas² pero también en otros animales y que consiste en la sustitución de una base nitrogenada por otra en una molécula de ARN mensajero. Esto provoca que el ARN mensajero afectado cambie su secuencia y la de los aminoácidos de la proteína que traduce, pudiendo también cambiar su función. Se estudió a fondo en el calamar costero de aleta larga (Doryteuthis pealeii) y se comprobó que en sus neuronas, el ARNm se editaba fuera del núcleo de las células nerviosas, en el llamado axón. Lo cual permite a las especies de calamares adecuar las proteínas que producen al ambiente en que viven, sean las aguas frías de la Antártida o las cálidas de los trópicos.³ Por tanto, las secuencias de las proteínas así formadas ya no coinciden con la secuencia en el ADN original.

Por otro lado, se sabe que la función de las proteínas depende también de su forma tridimensional y que ésta no siempre viene especificada por la secuencia de aminoácidos de que está formada. Algunas proteínas adoptan formas en 3D similares, a pesar de tener secuencias de aminoácidos muy diferentes⁴ y, al revés, otras proteínas, con formas tridimensionales distintas, resulta que poseen la misma o muy parecida secuencia de aminoácidos. A estas últimas se las conoce como proteínas “metamórficas”.⁵ Finalmente, las proteínas pueden también modificarse químicamente por medio de la adición de moléculas de azúcar y cambiar en el tiempo según las necesidades del organismo.⁶

Todo esto significa que la expresión final de la información biológica que portan los genes depende de tantos factores, es tan compleja y cambia tanto que va mucho más allá del ADN. Se puede decir que el antiguo dogma central de la biología de “un gen, una proteína” ha muerto. La creencia de que el genoma contiene toda la información necesaria para formar al organismo es sencillamente falsa. En el ADN de cada ser vivo no reside el secreto de su vida sino que éste depende de muchos factores más, algunos de los cuales están todavía por descubrir. Por esto, animales que son muy diferentes, tienen genes de desarrollo similares.

[ads_google]div-gpt-ad-1623832402041-0[/ads_google]

Cuando se dice, por ejemplo, que los chimpancés y los humanos tenemos de un 96% a un 98% de ADN común, y esto se interpreta en el sentido de que ambas especies descenderíamos de un antepasado común, que supuestamente habría vivido hace unos seis millones de años, se olvida que el genoma de ambas especies genera proteomas (o conjunto de proteínas de un organismo) muy diferentes. Resulta que ese gran parecido entre el ADN de simios y personas disminuye notablemente a tan solo un 20% de parecido proteico. Dicho de otra manera, el 80% de las proteínas que hacen funcionar el cuerpo humano no tiene nada que ver con las de los demás simios. Conviene recalcar que las proteínas son en realidad las moléculas encargadas de realizar casi todas las funciones biológicas celulares. Esto significa que la información del ADN se expresa de distinta manera según la especie que la posea y el ambiente en que ésta viva.

Aunque la pulga de agua dulce nos gane en genes y muchos de ellos se parezcan a los nuestros, esto no significa que descendamos de ellas o de algún simio ancestral. Puede que el materialismo siga creyendo en el determinismo del ADN pero -tal como se ha dicho- éste está lejos de ser el secreto de la vida.

Notas

1 Colbourne, J. K. et al., 2011, The Ecoresponsive Genome of Daphnia pulex, Science, Vol. 331, Issue 6017, pp. 555-561. DOI: 10.1126/science.1197761

2 Bahn, J. H., et al., 2015, Genomic analysis of ADAR1 binding and its involvement in multiple RNA processing pathways, Nature Communications, Vol. 6, Art. N. 6355.

3 Vallecillo-Viejo, I. C. et al., 2022, Spatially regulated editing of genetic information within a neuron, Nucleic Acids Res, 48 (8):3999-4012.

4 Rusell, R. B. & Barton, G. J., 1994, Structural features can be unconserved in proteins with similar folds, Journal of Molecular Biology, 244: 332-350.

5 Murzin, A. G., 2008, Metamorphic proteins, Science, 320: 1725-1726.

6 Spiro, R. G., 2002, Protein glycosylation: Nature, distribution, enzymatic formation, and disease implications of glycopeptide bonds, Glycobiology, 12:43R-56R.