El avance de la Paleogenética parece imparable en la actualidad. La obtención del material genético de diversos
homínidos con las condiciones adecuadas para su estudio, ha posibilitado un
importante avance sobre la comprensión de los mecanismos genéticos responsables
de las diferencias morfológicas que nos distinguen. Científicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén, del Instituto Max Planck de Leipzig y de las universidades de Oviedo y Cantabria
han publicado por primera vez en la revista Science la reconstrucción de los
mapas epigenéticos de los neandertales y los denisovanos, y los han comparado
con los humanos modernos.
Aunque
la noticia es de una gran importancia, la complejidad de la ciencia genética
hace que en cierto modo sea confusa, y no se pueda valorar en toda su magnitud
la trascendencia de su descubrimiento. Parece necesaria cierta aclaración sobre
estos aspectos de genética humana.
El genoma humano
No
es mi intención desarrollar el tema de la genética humana, sino de aclarar los
términos y referencias que se usan en la noticia. En este contexto, hay que
indicar la diferencia entre el genoma y el epigenoma.
- El
genoma
constituye la totalidad del material genético (ADN) que tiene cada célula de
nuestro cuerpo, teniendo en cuenta que este conjunto es el mismo en todas las
células corporales, ya sean de la piel, neuronas o hepatocitos del hígado.
Parece asombroso que teniendo todas las células el mismo material genético, su
manifestación histológica, fisiológica y anatómica sea tan diferente. La clave
reside en la inactivación de gran parte del mismo, actuando solo el resto para
configurar las características celulares de cada parte del cuerpo.
Los seres humanos empezamos nuestro
desarrollo con la mayoría de los genes abiertos, es
decir, totalmente activos para todas
las funciones posibles. Como esto sería un disparate biológico, en el
desarrollo del embrión se va produciendo una desactivación progresiva y
selectiva de gran parte de los genes, actuando solo los característicos
de cada zona del cuerpo. La
pregunta que en seguida plantearíamos sería: ¿Cómo se produce esta
desactivación tan selectiva? Evidentemente, en la actualidad no tenemos
respuestas exactas para todas las preguntas, pero sí grandes avances en la
aclaración de tan complejo proceso.
Lo
que se ha descubierto hace ya bastantes años es que no todos los genes tienen
las mismas funciones. Unos pocos adquieren la capacidad de regulación del resto,
adquiriendo una alta responsabilidad en el desarrollo embrionario. A estos genes que debían de regular tal proceso se les llamó homeóticos u Hox. Tienen una importancia capital en el
desarrollo correcto de todo ser vivo, pues, al ser los responsables de la identidad posicional, indican a las células del
embrión en que región anatómica se encuentran y que estructura anatómica deben
desarrollar y en qué grado. Por tanto, no producen en sí mismos nada, sino que
indican a los demás genes (genes estructurales) el lugar, la tasa y/o el tiempo de actuación que deben de tener.
A
su vez, estos genes Hox dependen de la acción de metilación en sus
diversas cadenas de ADN. Nos preguntamos ¿Qué es la metilación? Consiste en la adición de un grupo
metilo (-CH3, un átomo de carbono y tres de hidrógeno) a una de las cinco bases nitrogenadas que forman parte de los ácidos nucleicos
(ADN y ARN). Es decir, una
simple acción química puede cambiar la acción de los genes Hox, y estos
modificar la formación embriológica y evolutiva del nuevo ser que se estaría
gestando. Esta actividad de metilación nació
evolutivamente como un sistema para inactivar a los transposones, antiguos
genomas de virus que han perdido su capacidad infectiva pero conservan la de
moverse de un sitio a otro por el genoma.
-
El epigenoma.
A estas acciones de importancia embriológica y evolutiva se las llama epigenéticas,
donde lo que cambia no es el ADN sino su funcionalidad. Epigenoma es el conjunto de procesos químicos que actúan sobre (epi-) el genoma
(ADN) y cambia su efecto hereditario, pero sin alterar su
secuencia. Es decir, el
epigenoma solo da instrucciones al genoma de cómo actuar.
En el trabajo anteriormente aludido se
han secuenciado por primera vez el genoma completo de un neandertal, obtenido
gracias al hueso de un pie de un individuo que vivió hace unos 50.000 años.
Igualmente, el mismo equipo había descrito el genoma de un denisovano perteneciente
a un grupo de humanos primitivos originarios de Siberia. Y ambos se han
comparado con el genoma de los humanos actuales.
 |
| Cráneos de Humano neandertal y Humano moderno. Los dos tienen los mismos huesos, pero todos son diferentes en tamaño, grosor y forma. |
Los patrones de metilación de las tres
poblaciones son idénticos al 99% entre los humanos modernos y las dos especies
antiguas. Lo importante reside en el 1% restante, y en los genes Hox donde se
han encontrado diferentes cambios de metilación. Se han localizado dos genes
Hox cuyo patrón de actividad difiere netamente entre las especies antiguas y la
moderna. Estos genes forman filas en el genoma (del Hox1 al Hox13), y definen
zonas igualmente consecutivas del cuerpo. Por ejemplo, cabeza, cuello,
dorsales, lumbares y demás; u hombro, brazo, antebrazo, muñeca, palma de la
mano y dedos. Los cambios de metilación en esos dos genes Hox se corresponden
con las diferencias morfológicas entre los humanos antiguos y modernos, como la
longitud del fémur, el tamaño de las manos y los dedos y la anchura de los
codos y las rodillas.
Importancia evolutiva de estos procesos
No es difícil apreciar la gran trascendencia
que tiene esta comprobación genética y epigenética. Un pequeño cambio
epigenético, posiblemente producido por cambios ambientales (tanto internos de
la madre como externos del medio por estudiar), es capaz de cambiar sustancialmente
la anatomía de cada grupo humano. La selección natural solo actuaría negativamente
si el embrión alterado no reuniera las condiciones fisiológicas necesarias para
el progreso embrionario, y después de nacer si el medio ambiental y social impidiera
su desarrollo hasta la edad de procreación para poder transmitir a sus
descendentes su alteración epigenética.
Este control puede abarcar a todas las
estructuras corporales. Así, algunos pueden estar relacionados, por ejemplo,
con la forma del esqueleto, lo que explicaría por qué unas poblaciones
(neandertales) tenían una osamenta tan potente, con huesos más fuertes, anchos
y cortos, frente a nuestro esqueleto que es mucho más frágil. Pero también otras
diferencias observadas en el estudio se refieren a genes relacionados con el
sistema cardiovascular, o el nervioso, y están asociados a enfermedades como el
Alzheimer o la esquizofrenia. Esta misma relación de causa (alteración
epigenética de genes Hox) y efecto (diferente desarrollo del órgano
controlado) adquiere especial importancia para el estudio de la evolución de
las capacidades cognitivas y su consecuente conducta en las poblaciones humanas
del género Homo.
Aunque aún es pronto, parece posible
que algún día podamos deducir todas las características de una especie partiendo
solo de su genoma. Además, el estudio abre una nueva vía de investigación,
porque el método informático empleado permitirá estudiar el ADN de otros
individuos y especies extinguidas y secuenciar otras muestras para determinar
sus epigenomas. La existencia de estos genes y su relación con las formas de producción evolutiva
parezca un proceso de desarrollo muy actual, lo cierto es que su existencia es
conocida desde hace muchos años.
Desde
1910 se conocen cambios genéticos o mutaciones que son capaces de alterar la
organización y situación de diversas estructuras anatómicas. Las primeras en
conocerse fueron las que mostraban el desarrollo de un determinado elemento
anatómico en un lugar topográfico equivocado, dentro de la embriogénesis de la
mosca del vinagre (Drosophila melanogaster). Se comprobó cómo se desarrollaba
una mandíbula en el lugar topográfico donde debía de haber una anténula. A este
tipo de alteraciones se las denominó mutaciones
homeóticas, y los genes
que debían de regular tal proceso se les llamó homeóticos u Hox. Estos genes tienen una importancia
capital en el desarrollo correcto de todo ser vivo, pues, al ser los
responsables de la identidad
posicional, indican
a las células del embrión en que región anatómica se encuentran y que
estructura anatómica deben desarrollar. Por tanto, no producen en sí mismos
nada, sino que indican a los genes estructurales el lugar, la tasa y/o el tiempo de actuación que deben de tener. Los estudios
realizados sobre estos cambios morfológicos, tradicionalmente se han centrado
en los experimentos con poblaciones de la mencionada Drosophila melanogaster, pues
este insecto es ideal para analizar estos fenómenos biológicos, debido a lo
fácil y rápido que se producen en ellas las mutaciones, y sus consecuentes
cambios anatómicos en las sucesivas generaciones. Así, al final de la década de
1940 el biólogo Edward Lewis emprendió el análisis genético de tales
mutaciones, descubriendo los primeros genes
reguladores del
diseño corporal en la mosca del vinagre. Estos genes organizaban el desarrollo
del tórax, indicando la ubicación de sus diferentes partes anatómicas a lo
largo del eje anteroposterior o longitudinal del embrión. Se les llamó
genéricamente genes Bithorax (Casares y Sánchez-Herrero,
1995). En esta misma línea de investigación, en los años setenta, el equipo de
Thomas C. Kaufman, descubrió un segundo grupo de genes homeóticos de la mosca
que regulaban el correcto desarrollo posicional de la parte anterior del cuerpo
del embrión. El complejo recibió el nombre de Antennapedia (De Robertis et al. 1990; McGinnis y Kuriosa, 1994).
Con
posterioridad, se han ido descubriendo diversos genes que controlaban el
desarrollo ontogénico o embriológico de diversas partes corporales, pero lo más
curioso es que en todos ellos se vio una cadena de ADN con formas muy similares
entre diferentes especies de invertebrados, lo que permitía la posibilidad de
rastrear su presencia en otros seres vivos de mayor complejidad. Efectivamente,
en recientes experimentos realizados por el biólogo Frank H. Ruddle, se han
encontrado estas secuencias homeóticas en ratones. En 1986, el biólogo
molecular Edoardo Boncinelli obtuvo éxitos similares con genes humanos, los
cuales compartían un asombroso parecido con los complejos homeóticos de la mosca (De Robertis et al. 1990; McGinnis y Kuriosa, 1994). Estos genes homeóticos o reguladores producen determinadas
proteínas, que funcionan como controladores de la acción de otros genes dentro
del proceso de desarrollo embriológico de los seres vivos. Aunque su
conocimiento en la actualidad esté limitado a la regulación del esquema
corporal en las primeras fases del desarrollo ontogénico (Jacob, 1998), es
lógico pensar que los que conocemos, u otros aún no descubiertos, deben de tener funciones
específicas en las siguientes fases embriológicas, que afectaran a todos los
órganos (Changeux, 1983;
Flórez et al. 1999). Con estas conclusiones y los
descubrimientos del estudio analizado, se puede afirmar que el desarrollo
embrionario u ontogénico sería el resultado de la acción, jerarquizada y
organizada de los genes reguladores, que indicarían a los múltiples genes
estructurales dónde, cuándo y cuánto pueden comenzar a operar en el
proceso embriogénico.
El conocimiento de la acción de estos
genes, les confiere un valor muy importante como posible causa del cambio
evolutivo. Su descubrimiento permite comprender mejor el mecanismo de acción de
los conceptos de heterocronías, como fuente de muchas de las
variaciones morfológicas (García Barreno, 2000), siendo utilizados teóricamente
por el modelo evolutivo de los equilibrios
puntuados. Por tanto, puede decirse que, en gran medida, cuando vemos que
una especie ha evolucionado en otra, lo que observamos es que su desarrollo ontogénico o
embriológico ha cambiado (Sinha,
1996). Por tanto, hay
que considerar a la embriogénesis como un proceso dinámico por medio del
cual se produce la formación de los nuevos seres vivos, estando sometida a las
leyes biológicas que regulan su desarrollo. Estas leyes limitan los cambios morfológicos a un estrecho margen de posibilidades de variación, pues toda alteración en
este período ontogénico de desarrollo podría afectar globalmente a la
fisiología del ser en formación. Si el cambio no consigue mantener un mínimo de
estabilidad fisiológica, se llega fácilmente a imposibilitar la continuidad del
desarrollo fetal, provocando el aborto.
La
unión de la Genética y Embriología ha generado en la actualidad un nuevo campo
científico denominado como Biología
del Desarrollo (Evo-Devo.
Evolution-Development) (Sean,
2005), de la cual parte la
propia Genética del
Desarrollo. La Biología
del desarrollo puede
explicarnos cómo, pequeñas variaciones genéticas en los genes reguladores de un organismo determinado, pueden
producir cambios anatómicos importantes. El cambio tiene lugar no sólo en el
órgano regulado por estos genes, sino también en las estructuras corporales
que, en su desarrollo, tienen como base de inicio o configuración la anatomía
anteriormente alterada. Así, un cambio morfológico producido por una mutación
de un gen regulador, en un determinado momento de la ontogenia fetal, va a
repercutir en las siguientes fases de la embriogénesis, sin que sean preciso
nuevas alteraciones genéticas. Por tanto, es preciso distinguir dos tipos de
cambios anatómicos en función de su origen. Primario,
producido por la acción directa de la mutación genética, ya sea en los genes
reguladores como en los estructurales. Secundario,
como consecuencia indirecta de los cambios genéticos producidos con
anterioridad, en función de la continuación del proceso embriológico. Pondremos
un claro ejemplo relacionado con el mundo paleontológico y arqueológico. Existe
una determinante relación entre el desarrollo ontogénico del cerebro y las
diferentes partes del cráneo (base, neurocráneo y cara), de tal forma que la
alteración del encéfalo debe de repercutir en la forma estructural de los
huesos de la cabeza (Changeux, 1983; Lieberman, et al. 2000). La función de
esta compleja estructura ósea es la de proteger al cerebro, por lo que debe
ajustarse lo más exactamente posible a su forma anatómica, hecho que nos
permite estudiar la impronta que el cerebro realiza en la cara interna de los
huesos craneales (endomoldes). Sin embargo, el desarrollo óseo del cráneo no
debe de interferir en el normal crecimiento cerebral, por lo que su definitiva
forma anatómica estaría en gran parte condicionada por la configuración
morfológica final del sistema nervioso central. Así, pequeñas y específicas
mutaciones genéticas pueden producir cambios morfológicos importantes.
Relación con la conducta humana
Aunque pocas veces se ha tenido en cuenta, las
características evolutivas de nuestro cerebro estarían muy relacionadas con la
conducta que hemos podido desarrollar a lo largo de todo nuestro linaje humano.
El tema de la evolución neurológica ya lo traté en el blog de Psicobiología del
género Homo (Evolucióndel cerebro). A donde remito a aquellos que quieran profundizar en el tema.
Ahora explicaré brevemente el proceso como base de la conducta humana.
La configuración embriológica de la corteza cerebral, puede
darnos una idea sobre los principios de la evolución del córtex neurológico.
Así, el aumento de superficie del córtex cerebral humano respecto del resto de
los primates, puede ser explicado por medio de un aumento importante del número
de neuronas corticales, durante
la fase de su producción (Allman, 1990; Florez, et al. 1999; Rakic, 1995). Un pequeño aumento en el tiempo de producción de las unidades
proliferativas, daría lugar a
un aumento del número de columnas ontogénicas y su correspondiente aumento de la superficie del córtex cerebral,
respetando la configuración histológica de la corteza y limitándose a un aumento cuantitativo (Changeux, 1983). El fenómeno
puede explicarse muy fácilmente por medio de los procesos genéticos llamados heterocronías, en los cuales una pequeña alteración
de los genes que controlan
este tipo de división celular, es
suficiente para justificar su producción (Florez, et al. 1999; Rakic, 1988;
1995).
Este aumento, presenta en las áreas de asociación terciarias
un aspecto muy poco definido, siendo los estímulos externos los que con su
influencia van a configurar las estructuras neurológicas que van a regular
nuestra conducta. La importancia de las aferencias externas,
tanto en el embrión como en el adulto, en la formación y extensión de las áreas
citoarquitectónicas que, aunque tienen una conformación biológicamente
predeterminada (protomapa), su extensión final será, en última instancia,
determinada por la acción de las aferencias externas y de otras zonas
corticales.
Respecto de la conducta, estos hechos
tendrían una crucial importancia, pues se relacionan directamente con el
concepto evolutivo de exaptación. Como tal se entiende las capacidades
con el carácter de emergentes que aparecen después de realizado los
cambios anatómicos que los hacen posibles, pero que no se crearon
evolutivamente para realizar tal propiedad (Gould y Vrba, 1982).
* Allman, J. (1990): “Evolution of neocortex”. En Cerebral
cortex (ed. A. Peters y E.G.
Jones), Vol. 8. Academic Press,
New York.
* Casares F. y Sánchez-Herrero, E. (1995): El complejo
bithorax de la Drosophila melanogaster. Investigación y Ciencia. Marzo 1995. Prensa Científica S.A.
Barcelona.
* Changeux, J-P. (1983): “L´homme neuronal”. Librairie
Arthème Fayard.
* De Robertis, E. M.; Oliver, G. y Wright,
Ch. (1996): Genes con homeobox y el plan corporal de los vertebrados. Investigación y Ciencia. Temas,
nº3: Construcción de un ser vivo. Barcelona.
* Flórez, J. et
al., (1999): Genes, cultura y mente: una
reflexión multidisciplinar sobre la naturaleza humana en la década del cerebro.
Servicio de publicaciones de la Universidad de Cantabria. Santander.
* Gould, S. J. y Vrba, E. S. (1982):
Exaptation: a missing term in the science of form. Paleobiology 8.
* Lieberman, P. et al. (2000): Basicraneal influence on
overall cranial shape. Journal
of Human Evolution 38:
291-315.
* McGinnis, W. y Kuziora, M. (1994): Arquitectos
moleculares del diseño corporal. Investigación
y Ciencia. Abril. 1994. Prensa Científica. Barcelona.
* Rakic, P. (1995): “Evolution of neocortical parcellation: the
perspective from experimental neuroembryology”. En Origins of the human brain.
Changeux, J. P. y Chavaillon J. (Eds.). Clarendon
Press. Oxford.
* Sean, B. C.
(2005): Endless Forms Most
Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom,
W. W. Norton and Company.
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