Los biólogos moleculares ya han secuenciado el genoma humano. Todo parece indicar que el número de genes que codifican proteínas, es bastante menos de lo que se pensaba, no sobrepasando los 25.000 genes. Lo que no codifica proteínas no está bien definido. Pero aún cuando estuviesen, ¿Eso sería todo? Nadie discute que los genes son la base del desarrollo y funcionamiento de todo organismo. ¿Pero son esos 20.000 o 25.000 genes los que bastan para que seamos diferentes a un burro o a un grano de maíz? Parece que no es así. (Consideraciones después del genoma). Son muchas las investigaciones que indican que lo que hace la diferencia no serian realmente los genes, sino que los sofisticados sistemas de control de la actividad de cada uno de ellos, lo que también esta inserto en el DNA (La creciente complejidad del programa genético).

Tal opina, Michael Levin, un biólogo evolucionario de la Universidad de California, Berkeley, que piensa que la diversificación genética que se ha ido produciendo en el proceso evolutivo, es la consecuencia de diferencias producidas en la regulación de la funcionalidad de los genes. Ya sea que al activarse los genes en diferentes momentos, o en un nuevo lugar, o bajo nuevas circunstancias, pueda causar variaciones en la expresión, ya sea del tamaño, la coloración o el comportamiento del organismo. Si llega a suceder que como producto de aquello, aparece una determinada nueva característica, que mejora las posibilidades de un cruzamiento, o la posibilidad de enfrentar exitosamente una situación difícil, puede ésta ser la primera etapa para la evolución de una nueva especie.

Hasta ahora, la mayor parte de los investigadores no habían estado pensando que fuesen los elementos regulatorios del genoma los verdaderos causantes de las variaciones evolutivas que han conducido a la diferenciación de las especies. "Sin embargo, a la luz de lo que ya conocemos, pienso que la complejidad de los elementos regulatorios son los que han constituido la mayor parte de la historia de le evolución" asegura Levin.

Ahora que se ha terminado de descifrar el genoma, los conceptos comienzan a cambiar. Algunos investigadores han estado investigando en el difícil camino de ubicar regiones regulatorias escondidas en las hebras del DNA. Otros, permaneciendo aún en un pensamiento "gene céntrico", han estado fijando la atención preferentemente en los "factores de trascripción", proteínas que podrían interactuar con mecanismos regulatorios del DNA. Es así como tratan de averiguar cómo un gene se activa en un determinado momento y cómo logran que ésta activación se produzca con una determinada intensidad.

Los más, han ido más allá, no sólo buscando mecanismos de regulación unitarios, sino por el contrario, iniciando la búsqueda de elementos reguladores generales, tratando de localizar regiones de regulación dentro de las secuencias en las hebras del DNA. Así por ejemplo, en el California Institute of Technology (Caltech), en Pasadena, un grupo de investigadores está tratando de identificar toda la interacción regulatoria que se articula durante la maduración del embrión. Su objetivo es dilucidar cómo trabajan juntos los genes, organizados por el DNA regulatorio, y cómo estas cambiantes interacciones van variando en el tiempo en la medida que el embrión se va configurando.

Como resultado de todas estas investigaciones está quedando en claro que existen verdaderos códigos regulatorios, insertos en las secuencias de DNA. "Códigos infinitamente más complicados", afirma Michael Eisen, biólogo especialista en computación en Lawrence Berkeley National Laboratory, en California. Ahora se comienzan a dar cuenta que la complejidad del genoma es mucho mayor que lo que se había visualizado durante los últimos 20 años (Mas allá del Código Genético: el Código de las Histonas).


De genes a regulaciones

Todo el Medical Reserch Council del Molecular Biology en Cambridge, Inglaterra, más Francis Crick, codescubridor de la molécula del DNA, Sydney Brenner y sus colaboradores, tomaron parte en las primeras etapas, cuando se llegó a descubrir cómo funcionaba el genoma. En 1966 demostraron que los genes estaban escritos en un código de tres unidades. Tres unidades formaban un “codon” que codificaba un determinado aminoácido. De este modo era capaz de codificar instrucciones para traducirlas en miles de proteínas. El mecanismo descrito, enfocó todo exclusivamente en los genes y en sus regiones codificadoras. Tanto fue así, que por décadas los biólogos despectivamente llegaron a descalificar la parte del DNA genómico, que no intervenía, llegando a llamarlo despectivamente "DNA basura".

Como consecuencia de este errado enfoque, la concepción de mecanismos de reguladores de genes languideció, aún cuando algunos resultados ya destacaban la importancia de mecanismos adicionales. Ya a comienzos de la década de 1970, Alan Wilson de la Universidad de California, en Berkeley, y su estudiante Mary Claire King, demostraron que los humanos y los chimpancés eran muy semejantes en la estructura y número de sus genes, y sugirieron que la clave de lo que los hacía físicamente tan diferentes, estaba en cuándo y dónde se activaban los mecanismos reguladores.

Resultados experimentales de hace sólo dos años comenzaron a descoprrer el velo. Wolfgang Enard del Instituto Max Planck en Alemania, y sus colaboradores, compararon la expresión de muchos genes en diferentes tejidos tomados de chimpancés y humanos. Comprobaron que si bien los genes de diferentes tejidos eran muy semejantes, su expresión podía ser muy diferentes. Algunos de ellos en el cerebro humano eran mucho más que en el cerebro del chimpancé. Sus resultados los publicaron en "Science" de Abril 12 del año 2002 (Pág. 340).

El trabajo de Enard, fue seguido por docenas de otros estudios que sugerían que los genes no eran todo en la innovación evolucionaria. Por el contrario, los investigadores crecientemente comenzaron a atribuir la innovación evolutiva a una variedad de tipos de DNA regulatorios que se fueron paulatinamente descubriendo. Ciertos genes codificaban para proteínas cuya función era desarrollar una maquinaria de trascripción. Ellos tenían promotores que estaban localizados al comienzo de la secuencia codificadora. Otros genes estaban destinados para factores de trascripción, que podían estar colocados en cualquier parte del genoma. Todos enfocados a sus genes objetivos, uniéndose a DNA regulatorios (algunas veces llamados módulos), que usualmente estaban cerca, pero no al lado del gene. Las proteínas que envuelven módulos que estimulan la actividad genética, se llamaron "estimuladores" (enhancers), mientras las que frenaban la actividad, se llamaron "silenciadores".

Como se ha observado, tanto en diversas reuniones científicas, como en publicaciones científicas, los módulos estimuladores se han ido identificando como los importantes. Ellos son pequeños centros de comando genético, consistentes en tiras de aproximadamente 500 bases. A su vez, estos claustros están acondicionados con sitios de factores de trascripción, que pueden tener una longitud de menos de 10 bases. El objetivo de una estimuladora particular, y su efecto, depende del espaciamiento y orden de los sitios de unión (Fig. 2).

Algunas veces el estimulador simplemente contiene múltiples copias del mismo sitio de unión y de este modo a través de toda su longitud, usa el mismo factor de trascripción. Otras veces tiene múltiples factores de trascripción y pequeñas diferencias entre estas proteínas de trascripción puede ser causa de que algún gene se active y otro se inactive (Fig. 1 y 2).

Tanto los estimuladores, como los silenciadores, son especialmente difíciles de encontrar, porque son trozos de secuencias muy pequeños y a diferencia de los promotores, se ubican a distancias variables del gene que regulan. "Tenemos muchas secuencias potencialmente cortas de DNA, intercaladas en trozos de DNA que no tienen importancia", apunta Patrick Phillips, un biólogo evolucionario de la Universidad de Oregón. Los teóricos predicen que la especie humana podría tener aproximadamente 100.000 estimuladores. Hasta ahora se han individualizado algo más de 100. Hasta ahora ellos habían pasado como parte del llamado DNA basura.


El interés en la ruta de los estimuladores

Con el objeto de entender el rol de los estimuladores en el desarrollo embrionario, Levine ha estado estudiando en la mosca de la fruta, su arquitectura y función. Michelle Markstein, una estudiante de grado, desarrolló un programa de computación que facilitó su trabajo. Ellos en conjunto comenzaron trabajando con un factor de trascripción, dorsal, que se sabía que afectaba a un gene llamado zen, y que contenía cuatro sitios dorsales de unión, empaquetados juntos. Los investigadores usaron esta secuencia de señal como una prueba para encontrar otros estimuladores que también tuviera claustros de sitios de unión dorsal.

El método funcionó. El programa les permitió encontrar tres estimuladores que controlaban otros genes. Luego encontraron una docena de claustros que tenían tres o cuatro sitios dorsales de unión. Hasta ahora han encontrado que por lo menos dos que son definitivamente estimuladores.

Eisen, usando una estrategia similar identificó un paquete de estimuladores responsable por el desarrollo antero-posterior de la mosca de la fruta. El grupo publicó sus resultados hace dos años.

Para ese mismo entonces, Levine y Benjamín Berman de la Universidad de California, utilizando la misma aproximación, pero con otras herramientas bioinformáticas, describieron más complejos estimuladores. En lugar de contener sitios de unión repetidos para el mismo factor de trascripción, los complejos estimuladores tenían sitios de unión de diferentes factores, proveyendo de este modo regulaciones precisas de la expresión genética.

Con el programa de Berman, se han encontrado varias docenas de estimuladores complejos, más recientemente estos hallazgos se han duplicado. Así se ha podido comprobar, por ejemplo, que por el mismo paquete de factores de trascripción, 50 genes parecen controlar el desarrollo embrionario, pareciendo que trabajan juntos para guiar el desarrollo primario. Estas informaciones están demostrando que cuando muchos estimuladores tienen el mismo sitio de unión, tienden a trabajar juntos y coordinados en la expresión de un paquete de genes.


El genoma regulatorio

Con todos estos tipos de estudios, los investigadores están comenzando a decodificar el genoma regulatorio. "Si es que se pudiera llegar a clarificar este código, sería posible armar las piezas de cómo se diversifican", dice Nipam Patel, un biólogo de la Universidad de California en Berkeley. Así por ejemplo, describiendo los genes que guían el desarrollo, se pueden identificar dónde se han agregado o perdido los módulos estimuladores. "De este modo comienza a tomar sentido la evolución", dice Michael Ludwig de la Universidad de Chicago. Ello da una visión de cómo los elementos reguladores, incluyendo los estimuladores y silenciadores, pueden ser tan importantes, sino más importantes, que las innovaciones o las mutaciones de los genes. Cambios en un tipo de elementos regulatorios, "los factores de trascripción", al influir en muchos genes, pueden ser tremendamente importantes. Por el contrario, mutaciones de los estimuladores actúan localmente, afectando sólo a su gene específico, y por ello pueden tener efectos deletéreos en el resto del genoma.

En todo caso, tanto Ledwing como muchos otros, tienen claro que aún están lejos de haber llagado a aclarar el código regulatorio y que ello llevará bastante tiempo por delante.




Para saber más


Elizabeth Pennisi; "Searching for the Genome` s Second Code". Science, Octubre 22 del 2004, Pág. 632