Cuando James Watson y Francis Crick describieron la estructura del DNA en 1953, sentaron las bases de lo que seria la biología moderna. Una nueva era se inauguraba: conocíamos ahora el sustrato estructural de la herencia y sólo faltaba descubrir el mecanismo a través del cual el mensaje del ácido nucleico se "traducía" en la síntesis de una proteína. Ocho años más tarde, un joven científico norteamericano, Marshall W. Niremberg, presentó en el Congreso Mundial de Bioquímica de Moscú los primeros resultados que tres años después se coronarían con el éxito al comunicar Severo Ochoa y el mismo Niremberg el descubrimiento del código genético.
No obstante estos éxitos, quedan muchos problemas por resolver. Está más o menos claro "cómo" se transcribe la información genética. Falta descubrir el "cuándo". ¿En qué momento los genes deciden entregar su información? ¿Lo hacen continuamente? ¿Quién o qué maneja el interruptor que pone en "on" u "off" la transcripción del mensaje genético?

El problema inquietó a los biólogos incluso antes de descubrirse el código genético. Ya en 1961, dos científicos franceses del lnstituto Pasteur, Francois Jacob y Jacques Monod, elaboraron la llamada "Teoría de Operón" trabajando en la expresión de la enzima Beta -Galactosidasa de Escherichia coli. Esta teoría plantea que los genes pueden "silenciarse" o inhibir su expresión y que este rol lo cumple una proteína que se une al DNA impidiendo su transcripción. Esta molécula se llamó obviamente represor.

En 1966, esta molécula de represor fue aislada y purificada por Gilbert, de la Universidad de Harvard, confirmando así la teoría de Jacob y Monod.


La empresa de Ptashne

En esos años se encontró otra aproximación al problema: la infección viral. En efecto, si un virus puede infectar una bacteria e integrar su DNA al de ésta, la expresión de esos genes puede ser regulada y el fenómeno observarse con relativa facilidad. Esa fue la empresa que acometió Marck Ptashne en la Universidad de Harvard, utilizando para ello un virus lisogénico: el fago lambda.

Este virus se une a la bacteria y pega el extremo de su cola a la pared externa de ella. Mientras tanto, en la cabeza del virus está el DNA. La cola es un verdadero tubo y a través de él se desplaza el DNA y penetra al interior de la bacteria. Una vez dentro, el virus -utilizando la maquinaria metabólica de la bacteria- comienza a replicarse y en menos de 45 minutos se producen cientos de virus. La bacteria termina por romperse y los virus salen al exterior a buscar nuevas bacterias para infectar.

A Ptashne le interesó este virus lambda porque sabia que tenia una curiosa peculiaridad. A veces cuando se pegaba a la pared de la bacteria e inyectaba el DNA en su interior, en lugar de comenzar a duplicarse inmediatamente podía "quedarse dormido", como si algo impidiera la reproducción de su DNA. Más aun, como se integraba al juego de DNA normal de la bacteria cuando ésta se dividía, quedaba tal DNA incorporado en las nuevas bacterias.

Después de muchas generaciones, en que nada había pasado, este virus dormido (DNA viral) podía "despertarse" y comenzar a reproducirse con gran vigor hasta destruir la bacteria. Esta capacidad podía estimularse ya sea sometiendo a la bacteria a una fuente de luz ultravioleta o colocando en el medio sustancias químicas generadoras de cáncer.

Esto fue lo que interesó a Marck Ptashne desde 1965 y creyó que por este mecanismo podía tomar el hilo de la madeja y llegar a conocer cómo funcionaba la represión y cuál sería el mecanismo que gatillaba la acción o que lo mantenía inactivo. Lo primero era, claro, purificar el represor.

El desafío aparecía como inmenso, ya que se necesitaba purificar unas pocas moléculas de proteínas sintetizadas desde el mensaje integrado (DNA bacteriano y viral) que mayoritariamente codifica para proteínas bacterianas. El problema se resolvió aboliendo la información bacteriana con luz ultravioleta e infectando posteriormente con virus lambda. A esa altura se contaba con una mutante del virus que no produce represor, por lo cual su ayuda podría ser de gran utilidad. Fue así como las bacterias con su DNA dañado se dividieron en dos grupos: Uno que se incubaría con lambda sano y aminoácidos radiactivos (marcados con Tritio) y otro que se incubaría con mutante viral y aminoácidos radiactivos (marcados esta vez con Carbono 14). El resultado esperado era sin duda que el sistema sintetizara sólo proteínas codificadas para el virus, ya que la bacteria tenia su DNA dañado. La figura 1 ilustra en detalle este exitoso experimento.


Gen y represor

De la teoría de Jacob y Monod se deducía que debiera existir una relación estrecha entre el represor (que según estos autores se unía a una pieza del DNA llamada operador) y el gen que se pretende reprimir. En otras palabras, la acción del represor debe ser muy especifica. Al contar con el represor marcado radiactivamente, Ptashne ensayó la unión de esa molécula con el DNA de dos tipos de virus: el lambda y el Fago 434, pariente cercano del anterior. Si el represor se une a lambda quiere decir que su acción la realiza en forma especifica. El método usado fue la centrifugación aprovechando para ello la diferente densidad del DNA y el represor (Fig. 2).

Los datos anteriores, purificación y comprobación de la especificidad del represor, siendo muy importantes, no aclaraban el mecanismo de acción de éste. Ya en 1981 se había demostrado que en su estado de dormancia (adormecimiento) el virus expresaba sólo el gen que producía el represor (los otros 50 genes no se expresaban).

Este represor, que en su forma activa es un dímero, se unía al DNA viral a través de un operador especifico, pero este proceso podía ser abolido por otra molécula. Había entonces un represor del represor. Esta molécula fue aislada por Malthens y Anderson en la Universidad de Oregon y bautizado como Cro.

Así, cuando las circunstancias son normales, Cro y el virus están en silencio, o sea, el represor está activo. Si la célula es irradiada o puesta en contacto con carcinógenos, se produce una enzima llamada Rec A que divide al represor, inactivándolo. Con el represor inactivo, la RNA polimerasa comienza a transcribir para el resto de los genes del virus y no para el represor, lo cual permite la multiplicación viral. Los primeros genes que se expresan transcriben el mensaje para sintetizar nuevas unidades de Cro, las que clausuran la expresión del gen del represor.

Los detalles moleculares se ilustran en la figura 3 y son los siguientes: el represor se junta al DNA en una región denominada operador con tres sitios de unión. Los genes del represor están a la izquierda del operador y el resto de los genes del virus a la derecha. Una molécula del represor activo (dímero) se une al sitio 1 y ayuda a la unión de una segunda molécula de represor al sitio 2. En esta situación la RNA polimerasa transcribe hacia la izquierda, o sea, se producen nuevas moléculas de represor. Cuando se irradia el sistema, Rec A corta el represor en monómeros inactivos y la RNA polimerasa se suelta. La ausencia del represor en el sitio operador permite que la enzima gire y ahora transcriba el resto de los genes del virus. De aquí se produce la síntesis de Cro y la consiguiente multiplicación viral y lisis de la bacteria.

Este hermoso y elegante modelo que nos permite conocer hoy más del control de la expresión genética en bacterios, es el resultado de 16 años de investigación. Nuestra revista ha querido más que nada destacar en detalle esta investigación por su aporte al conocimiento y además porque refleja el esfuerzo de un grupo de científicos que en forma anónima están abriendo a nuestros ojos la maravilla de los procesos celulares. Queda mucho por hacer; estos procesos en animales superiores deben ser muchísimo más complejos, pero estamos seguros de que, más temprano que tarde, la voluntad e inteligencia del hombre nos llevarán a metas que hoy no podemos imaginar.



Para saber más


1. Johnson, A., Poteete, A., Sauer G., Sauer R., Ackers, G. and Ptashne, M.: Represor and Cro-components of an efficient molecular witch. Nature
294:217, 1981.

2. Ptashne, M. et al: How Lambda represor and Cro work. Cell 19:1, 1980.

3. Hits. P.J.: Marck Ptashne Molecular Mission. Science 82, dec. 1982.