Naturaleza frente a crianza frente a ruido

Los científicos suelen considerar que el fenotipo de una célula u organismo -los rasgos que expresa en su forma, fisiología y comportamiento- es la compleja suma de factores genéticos y ambientales, o «naturaleza» y «crianza». Una gran parte de la investigación se dedica a identificar las contribuciones de los primeros: a precisar, por ejemplo, cómo determinadas mutaciones pueden determinar la forma de una extremidad o la aparición de una enfermedad. «Es sin duda un paradigma muy potente», afirma Arjun Raj, biólogo de sistemas de la Universidad de Pensilvania. «Todo lo que no se atribuye al control genético tiende a atribuirse a diversos factores ambientales, que van desde la nutrición hasta el estrés y las interacciones sociales idiosincrásicas. Es una línea de pensamiento que «sugiere que debe ser algo ajeno al organismo», afirma Kevin Mitchell, genetista y neurocientífico del Trinity College de Dublín.

Pero hay muchas pruebas de que esto no es del todo cierto. Los gemelos humanos idénticos que comparten genoma y hogar no tienen el mismo aspecto ni actúan exactamente igual. Una mutación que provoca un trastorno en uno puede no hacerlo en el otro. Los gemelos tienen incluso huellas dactilares diferentes.

Lo mismo ocurre con las poblaciones de bacterias, los peces clonados y las moscas y ratones endogámicos. Algunos patógenos o células cancerosas desarrollan resistencia a los medicamentos, mientras que sus células hermanas genéticamente idénticas perecen. Los hermanos del cangrejo de río jaspeado criados en un laboratorio en el que su entorno se mantiene constante no sólo acaban teniendo colores, formas o comportamientos diferentes, sino que sus diferencias son lo suficientemente significativas como para establecer toda una jerarquía social.

Incluso dentro de un organismo individual, surgen asimetrías entre los lados izquierdo y derecho de la cara, el cuerpo y el cerebro. La investigación está dejando cada vez más claro que estas diferencias no pueden ser descartadas como efectos ambientales inexplicables.

Lo que deja el ruido: los temblores y fluctuaciones aleatorias que caracterizan cualquier proceso biológico. «El ruido es inevitable», dijo Andreas Wagner, biólogo evolutivo de la Universidad de Zúrich, «un subproducto inevitable de la vida».

Lo que hace que el ruido sea ineludible, explicó Mitchell, es que cualquier organismo es demasiado complejo para que los genes puedan delinear, de forma exhaustiva y sin ayuda, cómo construirlo exactamente. El cableado del cerebro tiene que surgir con relativamente pocas instrucciones.

«El genoma no es un plano», dijo Mitchell. «No codifica un resultado específico. Sólo codifica algunas reglas bioquímicas, algunos algoritmos celulares por los que el embrión en desarrollo se autoorganizará». Las moléculas rebotan e interactúan en una célula, uniéndose y separándose y difundiéndose al azar. Los procesos que fabrican proteínas y activan y desactivan genes están sujetos a esta «inestabilidad molecular del sistema», como la llama Mitchell, lo que conduce a un cierto grado de aleatoriedad en la cantidad de moléculas de proteínas que se fabrican, en cómo se ensamblan y se pliegan, y en cómo cumplen su función y ayudan a las células a tomar decisiones.

Como resultado, es perfectamente natural que el desarrollo, el complejo proceso que convierte una sola célula en un organismo completo, sea «un poco desordenado», dijo Mitchell.

Pero el ruido en el desarrollo a menudo se desestimó como no más que eso: algo que enturbia cómo deberían funcionar idealmente los sistemas biológicos. No se trataba como una fuente de creatividad biológica por derecho propio y, desde luego, no parecía algo que pudiera subyacer a grandes diferencias en rasgos tan importantes como el comportamiento o la personalidad.

Incluso cuando los científicos querían centrarse en los efectos de ese ruido, se encontraban con un muro: Por definición, el ruido no es sistemático ni predecible y, en consecuencia, es casi prohibitivo aislarlo y medirlo. «Es lo más difícil de controlar, de jugar con él», afirma Bassem Hassan, neurobiólogo del Instituto del Cerebro de París. «Se puede jugar con el genoma, se puede jugar con el entorno, se puede jugar con la fisiología, se pueden activar ciertas células y no otras. … Es mucho más difícil manipular la variación» y demostrar que es la causa de las diferencias en un rasgo de interés.

Mitchell estuvo de acuerdo. «Por su propia naturaleza», dijo, «las cosas al azar son súper difíciles de trabajar».

Pero eso está empezando a cambiar. Las herramientas para estudiar el comportamiento de las células individuales, incluyendo su expresión genética, la producción de proteínas y las decisiones sobre el destino del desarrollo, se han vuelto lo suficientemente sofisticadas como para permitir a los científicos hacer preguntas sobre las causas más sutiles de la variación. Y lo que han descubierto es que el ruido del desarrollo desempeña un papel que ya no puede pasarse por alto. No se trata simplemente de un efecto ineludible que los sistemas vivos tienen que soportar, sino de algo que esos sistemas evolucionaron para aprovechar, convirtiéndolo en un motor necesario para el correcto desarrollo de un individuo y quizás incluso para la evolución en general.

Un arco iris de aleatoriedad

Un punto de inflexión se produjo en 2002. Comenzó con una bacteria y un arco iris.

Michael Elowitz, profesor de biología e ingeniería biológica en el Instituto Tecnológico de California, y sus colegas querían probar la variación en células de E. coli que crecían en el mismo entorno. Insertaron dos copias de un gen en las bacterias: una que codificaba una proteína fluorescente cian y otra que codificaba una amarilla. Como habían diseñado los genes para que se regulasen de forma idéntica, esperaban que las células produjesen ambas proteínas en cantidades iguales. En cambio, dentro de cada célula individual, los genes cian y amarillo se expresaban de forma desigual, y esas proporciones diferían mucho de una célula a otra. Algunas células brillaban más en amarillo que en cian, otras más en cian que en amarillo. Otras eran más bien una mezcla, y todo ello ocurría aparentemente al azar. Este arco iris, se dieron cuenta Elowitz y su equipo, era un claro resultado del ruido inherente al proceso de expresión genética. Desde entonces, los científicos han estudiado el papel que desempeña el ruido intrínseco en otros procesos celulares. Se puede ver en cómo una población de células idénticas da lugar a diferentes descendientes especializados; en cómo algunas, pero no todas, de un grupo de células pueden responder a una señal determinada; en cómo un tejido en desarrollo adquiere un patrón. Las células hacen uso del ruido para crear la variabilidad necesaria en su comportamiento y estado biológico.

Pero eso es a nivel de la célula. Podría ser que esas diferencias tiendan a equilibrarse en muchas de esas células. Por lo tanto, determinar si el ruido podría afectar realmente a los organismos de nivel superior -propagándose a través del desarrollo para influir en el resultado de un animal adulto- era una historia diferente.

Por un lado, se requerirían sistemas experimentales muy específicos consistentes en muchos individuos con los mismos genomas, criados cuidadosamente en las mismas condiciones ambientales. Hasta cierto punto, eso se ha hecho. Los investigadores han descubierto que las moscas endogámicas y genéticamente idénticas en el laboratorio muestran preferencias únicas cuando responden a una tarea de navegación. Los peces clonados muestran comportamientos tan diversos como los observados en los peces genéticamente variables, mientras que la alteración del entorno de los peces tiene un efecto insignificante.

Pero estos resultados aún no prueban que el ruido durante los eventos de desarrollo haya causado esas diferencias específicas. «La preocupación, cuando se dice que hay alguna variabilidad anatómica o fisiológica», dijo Mitchell, «es que la gente siempre puede volver y decir: ‘Bueno, eso es sólo algún factor ambiental que no conocías'».

Pero un nuevo estudio, publicado en el sitio de preimpresión biorxiv.org en diciembre, ha llevado este tipo de trabajo al nivel de la expresión genética, y nada menos que en un mamífero.

Contemplen al armadillo de nueve bandas.

Los cuatrillizos que no lo son

Los armadillos de nueve bandas tienen una estrategia reproductiva inusual. Siempre tienen camadas de cuatrillizos, cuatro bebés de armadillo genéticamente idénticos. Jesse Gillis, biólogo informático del Laboratorio Cold Spring Harbor de Nueva York, y sus colegas decidieron aprovechar ese patrón de nacimiento para determinar cuándo el ruido aleatorio del desarrollo empieza a provocar diferencias en la fisiología y el comportamiento de los animales adultos.

«Es un sistema fantástico para trabajar experimentalmente», dijo Mitchell, que no participó en el trabajo. «Quiero decir, ¿a quién no le gustan los armadillos?»

El equipo de Gillis pronto descubrió que la variación en la expresión de los genes aparece muy, muy pronto.

Obtuvieron muestras de sangre de cinco camadas de armadillos, secuenciaron su ARN tres veces diferentes durante el año posterior al nacimiento de los animales y analizaron esos datos en busca de patrones de expresión genética únicos. Comenzaron observando un proceso aleatorio clásico en genética: la inactivación de un cromosoma X.

En los armadillos, los humanos y la mayoría de los demás mamíferos, las hembras tienen dos cromosomas X en cada una de sus células. Para mantener los niveles de expresión de los genes ligados al X consistentes entre machos y hembras, en algún momento del desarrollo, un cromosoma X se desactiva completamente. Según Gillis, el hecho de que una célula decida desactivar el cromosoma X heredado de la madre del organismo o el de su padre es fruto del azar, como si se lanzara una moneda al aire. Sin embargo, ese lanzamiento de la moneda fija en piedra qué genes ligados al cromosoma X del padre se expresarán en todos los descendientes de esa célula.

El análisis de Gillis descubrió que este lanzamiento arbitrario de la moneda se produjo cuando los embriones de armadillo estaban formados por sólo 25 células. Y como la combinación precisa de 25 selecciones X maternas o paternas al azar era diferente en cada embrión, se convirtió en una «firma de identificación» permanente para cada uno de los miembros genéticamente idénticos de la cría del armadillo.

El grupo dirigió entonces su atención a los otros 31 pares de cromosomas de los armadillos. Ninguno de los cromosomas de esos pares se silencia tan completamente como el X inactivado, pero las diferencias surgen en lo activo que es cada uno y en lo que contribuye a la expresión génica general. Los investigadores utilizaron un método de aprendizaje automático para analizar cuándo se fijaron esas proporciones únicas en los linajes celulares. Estimaron que ocurrió cuando los embriones tenían sólo un par de cientos de células.

En un armadillo que eventualmente tendrá un billón de células más o menos, «estos eventos están ocurriendo muy temprano», dijo Kate Laskowski, una ecóloga del comportamiento en la Universidad de California, Davis, que hace un trabajo relacionado en peces clonales, pero no participó en el estudio. «Tienen la oportunidad de tener efectos descendentes realmente fuertes. Una célula al principio de su desarrollo será la progenitora de cientos, miles, millones de células más adelante en la vida»

Es como las ondas que se expanden en el agua: Arroja una roca a un lago, y su peso y forma, junto con la fuerza con la que se lanza, hará que genere una ondulación diferente a la que generaría otra roca. La física predecible de cómo se propaga una ondulación permite que se propaguen los efectos de esas condiciones iniciales únicas. Del mismo modo, el ruido aleatorio que establece un patrón ligeramente diferente de expresión génica en cada embrión de armadillo se amplifica a través de su influencia en otros procesos de desarrollo y, finalmente, produce diferencias en los rasgos.

Para determinar cuáles podrían ser esos efectos descendentes, los científicos examinaron las diferencias en la expresión génica general. Descubrieron que los hermanos armadillo variaban en su expresión de unos 500 a 700 de sus 20.000 genes (aunque los científicos también esperan que su análisis pasara por alto algunas fluctuaciones, por lo que esto podría ser una subestimación). Además, no siempre eran los mismos 700 genes los que se veían afectados en cada camada, lo que ofrecía una prueba más de que la variación estaba dictada por el azar.

Estas diferencias en la expresión de los genes, a su vez, parecían correlacionarse con diferencias en una serie de rasgos, especialmente los asociados a los procesos inmunológicos y hormonales. Lo más evidente es que, en una camada, algunos de los genes estaban relacionados con el crecimiento muscular, y esos hermanos sí variaban significativamente de tamaño. Aunque es necesario seguir trabajando para consolidar estas asociaciones, Gillis y sus colegas estimaron que aproximadamente el 10% de la variación total que observaron entre los armadillos podría atribuirse al ruido del desarrollo.

«La idea de que tu fenotipo y tu comportamiento puedan ser el resultado de acontecimientos aparentemente aleatorios cuando eres una bola de un par de docenas a un par de cientos de células», dijo Laskowski, «para mí es fascinante».

Las fluctuaciones que afectan al comportamiento

Estos acontecimientos aleatorios parecen desempeñar el mayor papel cuando se trata del comportamiento. En los humanos, por ejemplo, los gemelos idénticos difieren mucho más en rasgos psicológicos que físicos. Y puesto que se cree que las diferencias psicológicas reflejan cómo está formado el cerebro, es en el cerebro donde los científicos están empezando a mirar.

Durante el desarrollo, los cerebros son especialmente ruidosos: las conexiones entre las neuronas crecen y se podan constantemente, a menudo de forma aleatoria. Los canales iónicos se abren espontáneamente y las sinapsis liberan neurotransmisores de forma espontánea, sin ninguna razón evidente.

Se han encontrado genes que rigen la variación del desarrollo en los rasgos anatómicos y de comportamiento. Alterando esos genes, los investigadores han podido comprobar sus hipótesis sobre el papel del ruido en la formación del cerebro y el comportamiento. El ejemplo más tentador de esto se produjo a principios de este mes, en un artículo publicado por Hassan y sus colegas en Science.