En Abril de 1953 James Watson y Francis Crick anunciaron el descubrimiento de la estructura del DNA, y más tarde otros lograron descifrar el "código genético" que esta molécula utilizaba para traspasar información de una generación a otra, como también para guardar la información necesaria para dirigir toda la actividad celular.

Ya han pasado cincuenta años desde que se conoció la estructura del DNA y nuevos conocimientos e investigaciones han permitido desentrañar muchos de los mecanismos íntimos y la funcionalidad del proceso. Algo que a primera vista nos parecía relativamente simple, hoy vemos que es de una tremenda complejidad. Cada nueva investigación, más que entregar respuestas, nos abruma con nuevas preguntas que requieren de nuevas investigaciones. Aun estamos lejos de entender a cabalidad lo que sucede en el interior del núcleo celular, y más específicamente, en el interior de un cromosoma, que permite guardar tanta información y utilizarla oportunamente. ¿Cómo se regula la expresión de algunos genes mientras otros permanecen silenciosos? ¿Cómo partiendo de un genoma común para todas las células, estas se van diferenciando hasta llegar a cumplir funciones tan diversas como son las de una célula hepática, un linfocito o una neurona?

Llama la atención el hecho de que al interior de un cromosoma hay dos veces más proteínas que DNA. Todo parece indicar que ellas no están demás. Probablemente dirigen el proceso y regulan su desarrollo, modulando la actividad del DNA que las rodea, de acuerdo a un misterioso código que aun no conocemos.

Probablemente ese código está escrito en una familia de proteínas, llamadas "histonas", las que hasta ahora sólo las habíamos visualizado como necesarias para envolver los paquetes de DNA. Ahora parecen poseer un crítico código que controla las condiciones en que los genes deben activarse, como también cuándo y cómo deben permanecer en reposo.

Este nuevo código tiene aun que ser descifrado, pero todo parece indicar que tiene una función clave, que permite a nuestro genoma una gran flexibilidad y capacidad de respuesta frente a diversas variables. Así por ejemplo, dentro de la diferenciación celular, él debería explicar cómo las diferentes células "recuerdan" qué tipo de células debería llegar a ser y cómo en el proceso traspasan esta información cada vez que la célula tiene que dividirse hasta llegar a constituir una unidad funcional madura.


Complejidad de funciones del código de histonas

Descifrar este código no va a ser fácil, pero la información sería muy valiosa para llegar a conocer todos los procesos fisiológicos normales de las células, y sus desviaciones que llegan a expresarse en enfermedades. Allí en ese código puede estar la clave para entender el proceso del envejecimiento y tal vez intervenir para regularlo. También con lo que ya se ha avanzado, se pueden vislumbrar nuevas vías para revertir el proceso de un cáncer, solucionar problemas de fertilidad, o conocer los mecanismos reguladores de maduración de células troncales y así poder inducir la formación de tejidos diferenciados de acuerdo a lo que se desee. "Creo que éste es un campo de investigación crucial" señala David Allis de la Escuela de Medicina de la Universidad de Virginia, quien acuñó el nombre de "código de histonas".

Hasta ahora las histonas se habían considerado sólo como un andamiaje necesario para guardar adecuadamente los dos metros de DNA que constituyen nuestro genoma, usando el pequeño espacio de un núcleo dentro de una célula. Ya se conoce algo más de su estructura, que en conjunto se ha llamado "nucleosoma" ( ver figura). El esta formado por ocho proteínas histonas. Estas proteínas están aglomeradas, formando una bola de cuya superficie, como colas, emergen los extremos de la estructura molecular de cada proteína. La doble hélice de DNA se enrolla en dos vueltas alrededor de esta bola proteica, para salir el extremo y enrollar otro nucleosoma, de modo que el conjunto llegue a formar una especie de collar de perlas peludas. Luego estas perlas se apilan formando una fibra de cromatina, que en definitiva se empaquetan dentro de un cromosoma (ver figura).

En la década del 60, antes que se entendiera la estructura del nucleosoma, numerosos investigadores habían hecho notar que las histonas estaban decoradas con grupos químicos llamados acetilos y metilos. Pronto se dieron cuenta que cuando estos grupos faltaban, los genes que rodeaban esta región parecían estar inactivos. Al principio parecía que ello era debido a que cuando faltaban estos grupos, el DNA estaba unido más estrechamente al andamio proteico, bloqueándose así el acceso a la maquinaria que transcribía genes a proteínas.

En la década de los 80, investigadores comenzaron a notar que muchas de estas modificaciones químicas ocurrían en las colas de las histonas. Allis Turner de la Universidad de California en Los Angeles, sugirió que estos cambios de los grupos químicos podrían ayudar a que otras proteínas se unieran a la cromatina, y en alguna forma influyeran en su expresión.

Desde entonces los investigadores han comenzado a darse cuenta que los grupos acetilo y metilo son sólo una parte del cuadro. La decoración de las colas de histonas se completa con grupos fosfatos, con pequeños grupos proteicos llamados ubiquitín y ribosil, y otras modificaciones que pueden tener efecto de gatillar cambios químicos.

Hace tres años, Allis y sus colaboradores ordenaron todas estas ideas en una publicación en la revista Nature (vol. 403, p.41), y allí proponían que los grupos químicos de las colas de las histonas realmente constituían un código, que sería lo suficientemente sensible no sólo para controlar cada gene individual, sino también para controlar la actividad de todo el grupo de genes que son vitales para la división celular, y la diferenciación posterior entre los distintos tipos de células.

Según decían, este código debería estar escrito por la colección de enzimas que hoy día se sabe que agregan o remueven grupos químicos de las histonas, como las metil transferasas, que agregan grupos metilos, o las deacetilasas que remueven acetilos. A la fecha se han identificado varias docenas de enzimas que potencialmente modulan las características del código de histonas, y se ha visto que algunas activan expresión de genes.

En resumen, el código de histonas estaría comprometido en el conjunto de grupos químicos que decoran las colas de las histonas. Parecen operar, atrayendo proteínas hacia la cromatina y que tienen la propiedad de activar o copiar genes. Las modificaciones de las histonas también parecen influir en cual apretado debe quedar el rollo de cromatina, lo que en definitiva controla cuan accesible puede ser el DNA para que los genes se activen o se inhiban. De acuerdo con Eric Seilcer de la Universidad. de Oregon, algunas características de estas proteínas tienen la propiedad de silenciar genes, mediante el proceso llamado metilación del DNA, lo que hacen atrayendo enzimas que unen grupos metilos en las bases de la cadena de DNA. Esto puede ser una forma en que la actividad de los genes puede heredarse de los padres, sin que necesariamente se cambien los genes mismos; lo que se ha llamado "herencia epigenética”.

El efecto total de este código de histonas, puede ser realmente complicado. El número de combinaciones en un solo microsoma pueden ser miles. Las modificaciones de las colas pueden tener un efecto bloqueador, o de gatillar enzimas que pueden afectar las características de otras partes de la cola, o aun de otra cola. Y el código puede estar cambiando constantemente en la medida que enzimas continuamente agregan o remueven los grupos químicos. A diferencia del código de DNA que es el mismo para todos los organismos, el código de histonas puede variar de uno a otro. "Es un enorme puzzle", dice Allis. "No creo que nunca se llegue a escribir el funcionamiento de este código en forma esquemática como para permitir escribir un libro para estudiantes".

Sobre todo esto, el código parece funcionar en diferentes escalas de tiempo. En el largo plazo puede asegurar que las células recuerden que son ellas. El mensaje a largo plazo podría ser tan estable como el código genético, persistiendo de una generación a la siguiente. Mientras en un embrión comienzan a multiplicarse las células, también se van diferenciando, hasta llegar a formar por ejemplo, células cardíacas que deben mantener activos todos los genes específicos necesarios para esa función, mientras deben también estar callados los genes irrelevantes. "El código puede trabajar como la memoria celular", dice Turner. Las características se copian en las histonas asociadas con nuevas hebras de DNA, de modo que ellas pueden pasar a la nueva generación de células.

Pero las marcas de las histonas pueden también actuar como sistemas de respuestas rápidas. Un equipo conducido por Louis Mahadevan de la Universidad de Oxford en Inglaterra observa que estresando una célula, como exponiéndola a tóxicos químicos o luz ultravioleta, ésta cambia la estructura de los grupos fosfatos en las colas de las histonas, y esto es lo que gatillan genes que protegen a la célula. "La célula puede responder en minutos" dice Mahadevan. De hecho la respuesta es tan rápida que hace difícil considerar que la modificación de la histona corresponda realmente a un código.

De cualquier modo, las histonas parecen proveer una ligazón importante entre el ambiente y nuestros genes. "Es interesante pensar de las histonas como una forma de sistema integrado" dice Turner. El sistema puede ser como el centro en que se coordina la recolección de señales internas y los factores ambientales que recibe la célula, los que posteriormente pueden inducir cambios en la expresión genética.

Así por ejemplo, en respuesta a infecciones virales, se desencadenan tres reacciones de acetilación, que pueden gatillar la transcripción del gene para beta-interferón, una señal química que estimula el sistema inmune para atacar el virus. También hormonas, como es el estrógeno puede alterar la expresión del gene gatillando reacciones de acetilación. Incluso en muchas otras situaciones como el reloj biológico del ciclo circadiano que responde a la luz, o en la disponibilidad de energía, en la comida y el ejercicio, parecen existir cambios rítmicos en la acetilación que ocurren en el centro de las histonas.


Enfermedades de las histonas

Una interesante implicancia de la flexibilidad de la expresión de genes, es que ciertas enfermedades que pensamos como de origen genéticas pueden no estar causadas por mutaciones del DNA, sino por genes que llegan a ser anormalmente activos o que se desconectan como resultados de fallas del código de histonas. Si esto es así, el aprendizaje del lenguaje de las histonas podría abrir nuevos caminos que permitan controlar estas enfermedades.

Esta aproximación ya se está investigando como una forma de enfrentar la devastadora degeneración que se produce en la enfermedad de Huntington. Ella es causada por una mutación en un gene que codifica a una proteína llamada Hungtintina, que la hace excesivamente larga. La porción extra de la proteína mutante, parece deberse a un desorden de una enzima que reduce la capacidad metilante de la histona. Joan Steffan de la Universidad de California en Irvene, sugiere que esto gatilla un evento que causa que las células se suiciden.

Para compensar por la reducción de la acetilación, Steffan trata cultivos de células cerebrales con drogas llamadas inhibidores de la histona acetilasa, que bloquea las enzimas que remueven los grupos acetilos. En ambos casos la droga retiene la muerte celular. Usando estas mismas drogas, el investigador trata ratas con la enfermedad de Huntington y obtiene resultados muy promisorios. Ahora los investigadores, antes de comenzar los ensayos en humanos, están tratando de encontrar enzimas inhibidoras más eficientes.

Manipulando el código puede también ayudar a tratar un tipo de infertilidad masculina. Allis y sus colaboradores, incluyendo Bruce Lahn de la Universidad de Chicago han descubierto recientemente una enzima, llamada CDY, que es una histona acetil transferasa, y que tiene una acción específica en espermios inmaduros. Una alteración de esta enzima, impide que se desarrollen los espermios en la rata, y se sabe que es causa de infertilidad en el hombre. Tratamientos destinados a incrementar los niveles de acetilación, puede ayudar a tratar esta forma de infertilidad.

Incluso los cánceres pueden manipularse, ya que se sabe que muchas histonas que modifican enzimas, están implicadas en la enfermedad. Hasta ahora unas 20 drogas diferentes que inhiben histonas acetiladas, han sido ensayadas en diversos tipos de cáncer. Se espera que estas drogas puedan restablecer la acetilación normal de las histonas. Ellas también pueden afectar la acetilación en muchas otras proteínas.

Según Jay Hess de la Universidad de Pennsylvania, las enzimas metilantes pueden ser responsables de alrededor un 10% de todas las leucemias, ya que la alteración de ellas parece estar en un gene que codifica para enzimas metilantes. Piensa que la mutación afecta las características de la metilación de la histona, al mismo tiempo que afecta la influencia de la estabilidad normal que la metilación tiene en el cromosoma. "La estabilidad genomita es un problema en muchos cánceres", dice Hess.

Para donde uno mire, observa investigadores especulando acerca del rol que las histonas puedan jugar en una enormidad de puzzles no resueltos. Sus modificaciones pueden afectar el ritmo de envejecimiento (New Scientist, Enero 26, 2002, pág. 7). Allí podrían estar las razones del por qué las clonaciones han sido tan difíciles. Tal vez modificando las histonas se podría encontrar la llave para lograr que el DNA adulto se comporte como un DNA de un embrión en desarrollo. Lo mismo podría ser cierto para reprogramar las células para que actuaran como células troncales. Tal vez sería posible desarrollar tratamientos enzimáticos que pudieran limpiar la memoria de las células y permitirle que se desarrolle hacia un nuevo tipo de tejido.

Pero antes que podamos considerar todo esto, necesitamos previamente descifrar el lenguaje de las histonas, lo que no parece fácil. Hemos descifrado el código genético, pero el código de las histonas parece más complejo y tendrá que pasar mucho más tiempo para aclarar esta complejidad.



(Tomado de artículo de Hellen Phillips
New Scientist, Marzo 15, 2003, pág. 44).