INFORMACIÓN BIOLÓGICA Y EPIGENÉTICA
¿Qué selecciona la selección natural? ¿Genotipos o fenotipos?
La selección natural
La selección natural es un concepto aparentemente fácil pero ha sufrido un frondoso
crecimiento. Desde su formulación por Darwin,
en “El
origen de las especies”, este concepto ha sido objeto de gran
controversia.
Sin realizar un abordaje prolijo, me interesa
resaltar la diferencia fundamental entre la concepción de Darwin y la de muchos
neodarwinistas.
Frecuentemente se critican aspectos de la selección natural darwiniana –como el
reduccionismo genético o el gradualismo- que o bien no estaban (ni podían
estar) o bien no constituían los pilares fundamentales de su teoría evolutiva,
aunque si constituyan los pilares de la teoría sintética que, nacida entre los
años treinta y cuarenta del siglo XX, se ha constituido en una especie de
albacea del darwinismo.
La teoría
sintética propone un modelo centrado
en la población como unidad evolutiva, y donde las únicas fuentes de variación
recaen en la mutación y recombinación genéticas al azar. Es un modelo
reduccionista, sobre todo en las versiones representadas por algunos genetistas
de poblaciones matemáticos, que pone el foco de la evolución en la variación
de las frecuencias alélicas de las poblaciones como resultado de la selección
natural, entre otros factores. La selección natural constituiría el principal
mecanismo que operaría sobre cambios genéticos graduales y lentos de los
genotipos de las poblaciones. En esta formulación de la teoría sintética el
genotipo (más aún, las frecuencias alélicas) es lo substantivo y el fenotipo queda
postergado a un segundo e impreciso plano.
No obstante, Ernst
Mayr, en el capítulo 9 de su libro “Una larga controversia: Darwin y el
darwinismo”, nos dice
-respecto a la teoría sintética o síntesis (de la que él es uno de los
principales autores no genetistas)- que: “durante el periodo reduccionista de
la genética matemática se ignoró la cohesión
del genotipo que propuso Weismann” “En otras palabras, es el genotipo como
un todo lo que responde a las fuerzas de la selección natural”.
Pero, en sentido contrario,
Mayr también marca las diferencias con los ambientalistas al afirmar que: “Los
naturalistas que hasta entonces no lo sabían aprendieron de los genetistas que
la herencia siempre es dura, nunca blanda. No puede haber influencia del
ambiente heredable, ni herencia de los caracteres adquiridos”. “Los
naturalistas habían sido los más firmes defensores de la selección natural,
pero al igual que Darwin, casi todos ellos tendieron a creer simultáneamente en
la existencia de una cierta proporción de herencia blanda”.
Mayr, que representa una de
las posiciones más equilibradas de la teoría sintética y más abierta a integrar
nuevos hechos y teorías, también afirma: “La unificación de la biología
evolutiva conseguida por la síntesis dibujó la escena a grandes rasgos: la
evolución gradual se debe al ordenamiento por selección natural de la variación
genética y todos los fenómenos evolutivos pueden explicarse en términos de
mecanismos genéticos conocidos. Esto constituyó una simplificación extrema,
teniendo en cuenta que los procesos en la biología de los organismos suelen ser
muy complejos, implicando a menudo varios niveles jerárquicos y soluciones
variadas”. “….los seguidores de la síntesis evolutiva….empezaron a resolver sus
discrepancias…. entre las tendencias reduccionistas de los genetistas y los
puntos de vista organicistas de los sistemáticos y los paleontólogos…”.
Pero lo que realmente ocurre
es que, a pesar de los esfuerzos de Mayr, esta versión reduccionista de la
síntesis, expuesta de forma matemática por algunos genetistas de poblaciones,
aparece de hecho como su dogma fundamental.
Aún así, Mayr insiste en el
capítulo 10: “los críticos han puesto objeciones continuamente a la afirmación
de que la evolución darwiniana se debe a
la selección de mutaciones al azar…..los biólogos que estudian organismos
han considerado al individuo en su conjunto como el nivel de actuación de la
selección y, por lo tanto, se ha considerado que la recombinación y la
estructura del genotipo tienen una importancia mucho mayor que las mutaciones
que ocurren en loci individuales”. Aunque más adelante reconoce que: “Para los
genetistas, o al menos para aquellos influidos por Muller, Fisher y Haldane, el
gen siguió siendo el nivel de actuación básico de la selección y se consideraba que la mayoría de los genes
tienen valores de aptitud (fitness) constantes”.
Mayr arremete incansablemente
contra esta visión: “la creencia de algunos reduccionistas de que el papel de
los genes se agota en la contribución de cada gen, básicamente de forma
independiente, a algún aspecto concreto del fenotipo ignora el hecho de que el
genotipo es un complejo sistema de interacciones”.
En este sentido, bajo el
epígrafe Dominios del genotipo nos
dice: “Hoy sabemos que hay diferentes clases de genes y que no solamente
desempeñan papeles diferentes en la ontogenia sino también en la evolución.
Además, algunos genes parecen estar agrupados en unidades funcionales y parecen
controlar el desarrollo como tales unidades. Aparentemente, representan
dominios bien definidos que otorgan una estructura jerárquica al genotipo. La
existencia de tales dominios no está necesariamente en conflicto con la
segregación mendeliana. Aún no se ha comprendido cómo se consigue la
conservación de tales dominios en el desarrollo y en la evolución, aunque el
descubrimiento de la presencia muy extendida (desde las levaduras a los mamíferos)
de homeoboxes (Robertson, 1985) y el estudio de grupos completos de genes
inmunitarios han abierto algunas posibilidades”.
En mi opinión, la
segregación mendeliana de los genes en los cromosomas responde básicamente al
fenómeno citológico de la meiosis, mientras que los dominios del genotipo están relacionados con las redes de
interacciones proteicas implicadas en determinados sistemas funcionales de las
células y de los individuos pluricelulares. Aún más, para el paradigma
proteocéntrico la importancia de los genes relacionados con el control del
plan corporal u homeoboxes –que no presentan ninguna característica genética
distintiva respecto a los denominados genes estructurales- radica en las
proteínas que codifican y en la secuencia espaciotemporal de interacciones que
estas proteínas establecen durante el desarrollo. Quizá la diferencia esté en
la posible flexibilidad o plasticidad de las proteínas relacionadas con uno u
otro tipo de genes: menos flexibles para los estructurales y más flexibles para
los reguladores, donde la interacción entre proteínas y estos genes está sometida
a mayores variaciones ambientales, tanto internas como externas.
Sobre el uso, desuso y herencia de los caracteres adquiridos
Como ya hemos visto en
entradas anteriores, la herencia genética implica la transmisión de ADN que
contiene información secuencial, y que ésta condiciona más o menos la información
conformacional. Pero en todos los niveles biológicos (proteico, celular y
pluricelular) se da cierta plasticidad frente al ambiente, como la que hace que,
bajo determinadas circunstancias, en las proteínas no se manifiesten mutaciones
-ya que la coherencia estructural y funcional de las proteínas impone las
conformaciones anteriores, con la ayuda de proteínas de choque térmico o de
estrés (HSPs) que actúan como “capacitors” (condensadores o almacenadores de
mutaciones)- hasta llegar a un periodo de cambio ambiental drástico (estrés)
donde todas las mutaciones almacenadas se expresen a la vez.
Así, durante el periodo de
equilibrio (estasis) se podría decir que el efecto del “uso” (el fenotipo tensado
al máximo) se manifestaba y “heredaba”, ya que lo que se heredaba era un
ambiente molecular determinado y la conformación correspondiente de las
proteínas, que se mantenía en un determinado tipo coherente con él. Esto constituiría un carácter adquirido, no genético, dentro de los límites de la plasticidad fenotípica,
en este caso proteica, frente a determinadas condiciones ambientales
perdurables.
Se suele poner como ejemplo
de la no herencia de los caracteres adquiridos, cómo la adquisición de una gran
musculatura en un gimnasio no determina que los hijos desarrollen esos
músculos. Pero también podríamos poner el ejemplo de mineros que desarrollan
musculatura de mineros, y cuyos descendientes “heredan” la condición de
mineros durante varias generaciones, con todas sus consecuencias.
Estas
ideas ya estaban presentes de alguna manera en Darwin, como afirma Ernst
Mayr en el capítulo 8 del libro citado anteriormente: “Darwin hace no menos de
tres grupos de concesiones a la posibilidad de que el ambiente, en el más
amplio sentido de la palabra, pueda inducir variación genética y de que los
caracteres adquiridos puedan heredarse. Primero, especuló sobre el efecto
directo del ambiente en ciertas estructuras; segundo, emitió hipótesis sobre el
efecto indirecto del ambiente en el aumento de la variabilidad; y tercero,
discutió los efectos del uso y de la falta de uso…”
“La
tesis principal de Darwin era que el cambio evolutivo se debe a la producción
de variación en una población y a la supervivencia y éxito reproductivo
[selección natural y selección sexual] de algunas de esas variantes. Darwin
consideraba que la variación era un fenómeno intermitente, que ocurría
fundamentalmente en circunstancias especiales. Sin embargo, estaba bastante convencido
de que en la naturaleza hay una inmensa reserva de variación que está siempre
disponible como material para la selección”.
También
conviene recordar que, fundamentalmente, Darwin adoptó el gradualismo como
postura de oposición frente al catastrofismo creacionista, pero sus
consideraciones sobre la variación como fenómeno intermitente, recuerdan más a la
teoría evolucionista de los equilibrios intermitentes de Gould y Eldredge que a
la teoría sintética. Él no puede hablar de variacionismo gradualista genético
y, sin citar el término fenotipo, siempre se refiere de hecho a características fenotípicas de los organismos. No hay que identificar a Darwin de forma simplista
con la teoría sintética –ni siquiera con la versión menos reduccionista de
Mayr- él sólo habla de “una fuente inagotable de variabilidad” y de “selección
natural” como reproducción diferencial de los individuos de una especie, no
como mecanismo generador de cambios.
Así,
en el comienzo del capítulo VI de “El
origen de las especies por selección natural” Darwin se plantea algunas
dificultades y objeciones sobre su teoría. En el primer grupo de éstas, aborda
sus dudas sobre el gradualismo: “Si las especies han descendido por grados de
otras especies, ¿por qué no encontramos en todas partes innumerables formas de
transición? ¿Por qué no está toda la naturaleza confusa, en lugar de estar las
especies bien definidas según las vemos?
Por
otra parte, en el capítulo IV (Selección
natural o la supervivencia de los más adecuados) nos dice: “Verdaderamente
puede decirse que, en domesticidad, todo el organismo se hace plástico en
alguna medida. Pero la variabilidad que encontramos casi universalmente en
nuestras producciones domésticas no está producida directamente por el
hombre…..; el hombre no puede crear variedades ni impedir su aparición; puede
únicamente conservar y acumular aquellas que aparezcan……; pero cambios
semejantes de condiciones pueden ocurrir, y ocurren, en la naturaleza. Tengamos
también presente cuán infinitamente complejas y rigurosamente adaptadas son las
relaciones de todos los seres orgánicos entre sí y con condiciones físicas de
vida, y, en consecuencia, qué infinitamente variadas diversidades de estructura
serían útiles a cada ser en condiciones cambiantes de vida”. “Si esto ocurre,
¿podemos dudar –recordando que nacen muchos más individuos de los que acaso
pueden sobrevivir- que los individuos que tienen ventaja, por ligera que sea,
sobre otros tendrían más probabilidades de sobrevivir y procrear su especie? A
esta conservación de las diferencias y variaciones individualmente favorables y
la destrucción de las que son perjudiciales, la he llamado yo selección natural o supervivencia de los más
adecuados.”
Más
adelante, Darwin vuelve a subrayar el carácter conservador y acumulador –y no
generador directo de variaciones- de la selección natural, merced a la
reproducción diferencial de los individuos de una especie que presentan los
fenotipos más adecuados: “Varios autores han interpretado mal o puesto reparos
a la expresión selección natural.
Algunos hasta han imaginado que la selección natural produce la variabilidad,
siendo así que implica solamente la conservación de las variedades que aparecen
y son beneficiosas al ser en sus condiciones de vida”.
Para
terminar este apartado vamos a comparar dos casos diferentes de herencia ovina.
El
primer caso aparece frecuentemente en los libros de texto como ejemplo explicativo
de la teoría sintética. Se trata del nacimiento súbito de un carnero con patas
cortas y torcidas. Este carnero, que probablemente no habría dejado
descendencia por selección natural, fue objeto de selección artificial con el
propósito, beneficioso para el granjero, de criarlos en cercados con vallas más
bajas. Del cruce de este carnero con una oveja normal se transmitió la mutación
y lograron dos crías con patas cortas y torcidas. Seleccionando sucesivamente
carneros y ovejas de patas cortas y torcidas se logró una raza pura de ovejas
de patas cortas, donde todo el rebaño tenía esta mutación dominante.
Aquí
estamos ante un caso sencillo de herencia mendeliana clásica.
El
segundo caso es más complejo y desconcertante para la concepción clásica de la
herencia (ver Temas 81 de Investigación y Ciencia: Epigenética, pg 44). En
resumen: “Hace veinte años nació Oro Macizo, un carnero singular que, en virtud
de una mutación en el cromosoma 18, presentaba unas ancas poderosas. Oro Macizo
transmitió este rasgo a la mitad de la descendencia, de acuerdo con el patrón
típico de un gen dominante. En generaciones posteriores, sin embargo, se observó
que los individuos que heredaban la mutación de la madre mostraban un aspecto
normal, incluso cuando le acompañara la mutación del padre. A causa de los
efectos epigenéticos, los únicos corderos que desarrollan ancas robustas son
los que reciben una sola copia de la mutación y ésta proceda del padre”. Esta
peculiar herencia implica: un gen codificador de proteína, uno o más genes de
solo ARN, dos efectos epigenéticos y una pequeña mutación muy alejada de los
otros genes. Además podría haber impronta genómica en la genealogía. Toda esta complejidad
parece muy alejada de una simple variación de las frecuencias alélicas, ¿no?
Evolución modular y plasticidad fenotípica
Forma y variación
¿Puede
haber una síntesis entre
esencialismo y variacionismo? ¿La
síntesis tiene que incluir la teoría
de niveles de integración y la contingencia?
En
la forma, ¿qué es lo contingente y qué lo seleccionado?
¿Tenemos
en la multiplicidad innúmera (unicidad de lo vivo) unas pocas formas básicas
que edifican modularmente estructuras más complejas, donde las pequeñas
variaciones son casuales?
Posiblemente
las respuestas se orienten en el sentido de que:
1. Cuanto más elemental sea el nivel de integración energético-material
más deterministas serán sus posibilidades de interacción y los posibles caminos
a seguir, esto es se reduce la contingencia.
2. Al llegar a lo protobiótico, es decir a las proteínas, tenemos:
a) Las formas (conformaciones) básicas de las proteínas.
b) Las interacciones, condicionadas por las formas, por la información posicional y por la contingencia medioambiental,
que aquí se va ampliando.
Este
juego va generando nuevas estructuras, es decir, nueva información biológica, en
forma de patrones epigenéticos. La epigenética implica el manejo modular de los
genes: cuáles se usan y en qué orden. En este sentido, resulta muy interesante
el hecho de que el 88% de los polimorfismos de un solo nucleótido (single
nucleotide polymorphism, SNP), que están asociados a un determinado fenotipo,
se encuentran en regiones no codificantes como intrones y regiones
intergénicas. Esto es un gran golpe a la teoría sintética, ya que estas
mutaciones no tienen que ver con la variabilidad de la información genética
sino con su manejo por proteínas, con efectos epigenéticos.
De
nivel en nivel (y también en el aumento de complejidad de cada nivel) las variaciones de forma se construyen con los elementos modulares formales
del nivel inferior (que una vez experimentados se fijan), de manera que estos módulos (estructurales y/o funcionales), una vez fijados, permiten los cambios
experimentales nuevos, sujetos a la contingencia de cada momento. Es decir, paulatinamente,
se va tejiendo una jerarquía de posición y de interacción.
La selección natural actúa sobre los fenotipos (proteico, celular, pluricelular) resultantes de
todas estas fuentes de variación, según sea su papel en la supervivencia.
Además, como ya hemos visto, el fenotipo proteico está muy condicionado por las
proteínas implicadas en la regulación y propagación de sus conformaciones
(HSPs, priones y quizá otras). La actuación de estas proteínas tiene que ver
con el ambiente (por ejemplo situaciones de estrés). Así, estas proteínas pasan
en cada división celular somática a las células hijas, proporcionando
información conformacional y posicional de la peripecia vital anterior. Estas
células somáticas tendrán el genoma heredado de sus progenitores y los cambios
fenotípicos proteicos adquiridos en su respuesta al ambiente.
Como
ya hemos visto, aunque a lo largo del tiempo se acumulen mutaciones en la línea
germinal, el fenotipo tiende a mantenerse estable (periodo de estasis) regulado
por HSPs, hasta que, en condiciones de estrés, las HSPs liberen estas
mutaciones (periodo de evolución rápida), lo que implicaría el cambio
genotípico y la especiación.
Estos
mecanismos moleculares propician la integración, no ecléctica, de tres de las
principales teorías evolucionistas neodarwinistas, que responden a diferentes
aspectos de la realidad: las mutaciones se irían acumulando gradualmente en el
ADN (gradualismo) pero, controladas por las HSPs, no se
manifestarían fenotípicamente (neutralismo) y el cambio fenotípico, con implicaciones
macroevolutivas, se manifestaría en condiciones de estrés, y sería
saltacionista (equilibrios
intermitentes).
Teoría de los niveles de integración y evolución modular
La
teoría de niveles se opone a la concepción de evolución gradual al azar. En
el surgimiento de cada nuevo nivel se produce un salto cualitativo donde se
fijan, se automatizan, las conquistas del nivel anterior y, posteriormente, se
experimenta con ellas (evolución “chapucera” o thinker, en vez de nuevo
diseño): dominios proteicos y exones, unidades funcionales animales, evolución
humana e información, etc. Cada nuevo nivel de integración, o incluso de
complejidad (p.e. tejidos, órganos, etc.), se eleva sobre lo anterior, no parte
de cero, no es el resultado de la mera acumulación de cambios en el ADN (aunque
esté el ADN).
Cada
conquista nueva surge de la evolución
modular de lo anterior. De esta forma,
como en la evolución cultural humana, el despliegue evolutivo es cada vez más
rápido, ya que nunca se parte de cero. Eso sería como si a un hombre analfabeto
le diéramos una máquina de escribir y pretendiéramos que, tecleando al azar,
escribiera un texto coherente, y no digamos el Quijote. Para lo primero hace
falta determinada instrucción en las
conquistas culturales de la especie humana, y para lo segundo un proceso único
y contingente como el que vivió Cervantes.
En
esta evolución articulada por módulos de conquistas previas hay que distinguir
muy bien los agentes de los instrumentos.
De
nivel en nivel, desde lo inorgánico a lo vivo, las interacciones dan formas
(y estas son información de
las nuevas interacciones) que pueden
reducirse a unas pocas esenciales. Sabemos que, por ejemplo, es imposible conseguir una forma
viva compleja, desde lo inorgánico, a partir de interacciones al azar de
partículas subatómicas. Pero también sabemos que es posible si consideramos la
perspectiva evolucionista de los niveles de integración-complejidad (genuinos niveles de información): partículas subatómicas, átomos, moléculas,
células, individuos pluricelulares.
La
información que “circula” por los distintos niveles de un ser vivo complejo
(p.e. un animal) no puede limitarse al ADN, ni siquiera a la información
conformacional. El ser vivo y su ambiente es un todo informativo.
En
este sentido, el objetivo de la proteómica debe ser desentrañar las interacciones de los
complejos puzzles proteicos, su jerarquía, su naturaleza y su evolución.
Actualmente no podemos conformarnos con descripciones del tipo: el gen
responsable, el gen implicado, etc. No podemos contemplar la “expresión génica”
como palomitas de maiz saltando en una sartén, hay que conocer el complejo
proceso de las interacciones proteicas.
La evolución articulada de niveles de
complejidad supera la concepción
azarosa de la mutación, pero no es teleológica: sólo se apoya en las conquistas previas.
La
selección natural y la sexual son importantes, no obstante, para seleccionar
los individuos que, de generación en generación, transmiten su patrimonio
hereditario (genético y epigenético). Pero la selección natural es
también el mecanismo moldeador que hace (en todos los niveles de ser vivo) que
las características somáticas estén tensadas al máximo en un abanico de fenotipos, aunque no parece ser la responsable de los grandes
cambios tipológicos. Está claro que no se puede llamar fenotipo a un chichón,
pero tampoco a las amputaciones de las colas de varias generaciones de ratones,
como hizo Weismann para ridiculizar la teoría de la herencia de los caracteres
adquiridos. El fenotipo es cambiante y tiene un marcado carácter temporal,
sobre todo si tiene muchas influencias ambientales
Al
estudiar un proceso o una estructura hay que distinguir bien qué aporta cada parte.
Por ejemplo, ante la observación de un panal de abejas podemos pensar en las
abejas calculando la forma hexagonal de las celdillas, o suponer que un
determinado gen o conjunto de genes es el responsable de un comportamiento
instintivo que se manifiesta en la construcción del panal con celdillas
exactamente hexagonales. Pero también podemos comprobar cómo las gotas de cera
(como cualquier gota) tiende a adoptar una forma esférica, y cómo formas
esféricas agrupadas estrechamente tienden a adoptar formas hexagonales. Vemos
aquí cómo la información estructural circula libremente: dadas unas condiciones
iniciales, dada una forma.
Como
la macroevolución es modular (módulos proteicos, módulos genéticos, etc.), y
estos módulos estan conservados estructuralmente, los patrones conformacionales básicos de
las proteínas (módulos proteicos) son independientes de (y
anteriores a) la variación
secuencial producida en los procesos de
generación de diversidad genética. Pero los cambios de especificidad fina de
las proteínas deben darse dentro del marco restrictivo de las conformaciones
básicas, con las que dichos cambios deben ser permisivos. Además, las HSPs como
“capacitors” regulan las conformaciones en el contexto de la interacción entre
proteínas. Una proteína puede tener una determinada conformación sola (en
libertad) y otras en interacción con otras proteínas (al igual que ya hemos visto
que ocurre con las gotas). En definitiva, la conformación es relativamente independiente de la secuencia.
El
ser vivo mantiene su independencia activamente (se mantiene vivo) alejándose
del estado estacionario. Para ello realiza y despliega variantes de las
funciones vitales. En el despliegue de estas variantes plantea una estrategia
de duplicación de módulos genéticos que sirven para la ordenación y relación espaciotemporal de funciones (algo así como un programa informático general de
diseño), que puede servir para distintos diseños. Las “pinceladas finas” van
respondiendo a las variaciones ambientales, pero sin modificar el programa
general.
En
resumen, debe haber programas
generales de diseño (como los genes
Hox) que respondan a las distintas jerarquías de seres vivos (taxones). Estos
bauplanes responderían, así, a una concepción esencialista y saltacionista. Por otra parte, dentro de estos tipos generales se despliegan
multitud de formas diferentes (específicas) que obedecen a una concepción variacionista gradualista. Todos los niveles de integración biológicos están
perfectamente trabados por la coherencia del cambio evolutivo.
Entre la genética y la “necesidad” fisiológica
Hemos visto que las
proteínas que forman parte de las máquinas proteicas no disponen de espacios
libres en su superficie para nuevas interacciones con otras proteínas. En
coherencia con ello, cualquier variación en un gen de estas proteínas, que tuviera un efecto
estructural-funcional en ellas, tendría que venir armonizada por una constelación de variaciones en los
genes de otras proteínas de las máquinas, para que la funcionalidad conformacional
global no se pierda.
La otra alternativa es la
ya citada contención y acumulación de
mutaciones, llevada a cabo por HSPs y priones, mientras las máquinas sigan
funcionando ante un ambiente coherente y estable.
Perspectiva sistémica del cambio genético
Esta perspectiva sistémica
del cambio genético afecta profundamente a la concepción genética clásica del
modelo evolutivo neodarwinista, centrado en el gen y en las frecuencias de las
mutaciones génicas.
En este sentido, los genes
Hox y otros sistemas genéticos, implicados en el desarrollo de las formas y
funciones animales, nos dan un poco la clave del problema de la forma y su
relación con la genética.
Los genes Hox (y otros similares) dan sólo la pauta general segmental
(a modo de programas generales de diseño). Pero es que los denominados genes down-stream también son muy
parecidos (tienen que serlo ya que van a originar proteínas similares). La
similitud de estas proteínas está mucho más acentuada a nivel estructural, y
las diferencias interespecíficas pueden afectar a las interacciones de estas
proteínas en las complejas máquinas y factorías que integran.
Así, el manejo de los genes Hox y otros sistemas
genéticos se basa en la afinidad de la
interacción de las proteínas que los regulan con las respectivas porciones
de ADN que son sus ligandos. La afinidad de la interacción radica en la información conformacional
de las proteínas, como podría esperarse si éstas fuesen las que llevasen la
batuta de los procesos supramoleculares.
Además, parece que la afinidad de la interacción
depende de otras proteínas que podrían actuar como “mandos de volumen celular o sintonizadores”, publicado por el grupo
de Víctor Muñoz (Science, 13 de diciembre de 2002). Todo esto abunda en la idea
de la primacía de la información
conformacional en la relación entre genotipo y fenotipo.
No es ya que muchas
proteínas (“expresión del genotipo”) tengan más de una conformación y más de un
estado funcional, pasando de forma discreta (encendido y apagado) de uno a otro bajo la influencia ambiental; sino que ahora nos
encontramos frente a toda una serie de posibilidades intermedias. Cada una de
estas variantes somáticas fenotípicas no responde a un alelo distinto, son
variantes estructurales y funcionales de la misma secuencia de aminoácidos
frente a variaciones ambientales (pH, temperatura, concentración de
metabolitos, interacciones entre proteínas, etc.).
Así, en las interacciones
entre proteínas (“máquinas proteicas”) la conformación y el estado funcional de
cada proteína debe repercutir en la conformación y estado funcional de todas
las demás, según sea su posición y papel en el conjunto de máquinas.
Esta explosión de variabilidad fenotípica emana de la plasticidad conformacional y funcional
implícita en las interacciones entre las proteínas y su ambiente, en una
suerte de ecología molecular.
La información biológica
Información genética e información estructural
En la penúltima entrada concluíamos con la idea de
que la genética debería rendirse a la evidencia de que los organismos vivos tienen muchos menos genes que mensajes biológicos –y
no sólo por la amplificación informativa de algunos mecanismos sobre el ARN
mensajero, como el corte y empalme alternativo y la edición de ARN, entre
otros- sino que, además, estos mensajes tienen otra naturaleza que la mera
relación secuencial entre ADN y proteínas.
En este sentido, en su tratado de Genética (2008),
Griffiths, Wessler, Lewontin y Carroll, al tratar de los genes, el ambiente y
el organismo, plantean tres modelos de herencia y de desarrollo del organismo:
·
“Modelo I.
Determinación genética. La posibilidad de gran parte de la genética
experimental depende del hecho de que muchas diferencias fenotípicas entre
individuos mutantes y de tipo salvaje que resultan de diferencias alélicas son
insensibles a las condiciones ambientales. Por ejemplo en la anemia falciforme.
Es el modelo inicial de la Genética”.
·
“Modelo II.
Determinación ambiental. En este modelo los genes inciden en el sistema para
darle ciertas señales generales para el desarrollo, pero es el medio ambiente
el que determina el curso real de la acción. Por ejemplo, dos gemelos
monocigóticos educados en dos países muy distintos, China y Hungría, adquirirán
costumbres, idioma y valores culturales muy distintos”.
·
“Modelo III. Interacción
genotipo-ambiente. Para un organismo es importante no sólo qué ambientes
encuentra, sino en qué orden se los encuentra. Una mosca de la fruta (D.
Melanogaster) se desarrolla normalmente a 25º C. Si la temperatura se eleva
hasta 37º C durante un breve periodo de tiempo en la etapa inicial de su
desarrollo de pupa, algunas de las moscas adultas carecen de parte del patrón
normal de venas de sus alas. Sin embargo, si este choque térmico se administra sólo 24 horas después, la mosca
desarrolla el patrón normal de las venas. En un sentido biológico, los
individuos sólo heredan las estructuras moleculares del cigoto a partir de las
cuales se desarrollan. Los individuos heredan sus genes, no los resultados
finales de su desarrollo histórico particular”.
“Así, esperamos variaciones aleatorias en rasgos
fenotípicos tales como el número de células del ojo, el número de cabellos, la
forma exacta de pequeños caracteres o las conexiones de las neuronas en un
sistema nervioso central muy complejo, aún cuando el genotipo y el ambiente
estén alejados de forma precisa. Los acontecimientos aleatorios durante el
desarrollo conducen a una variación en el fenotipo que se denomina ruido del
desarrollo (contingencia)”.
Para el paradigma
proteocéntrico, más que interacciones entre genotipo y medio ambiente se
dan interacciones entre proteínas y
medio ambiente. Así, cada “mensaje”, digamos mejor este
tipo de información biológica, es el
resultado de las interacciones
proteína-proteína (rutas de interacciones conformacionales y máquinas
proteicas) y proteína-ligando
(incluidos el ADN y el ARN como ligandos) en forma de ecología molecular.
También decíamos que, desde una perspectiva de
niveles de integración, conviene distinguir tres niveles de desarrollo
y tres niveles de fenotipo: proteico (tanto secuencial como conformacional),
celular y pluricelular.
En estos niveles, según sean más determinados
genéticamente o más abiertos a alternativas celulares más complejas, deben
actuar proteínas con menor o mayor plasticidad conformacional: tipo
llave-cerradura, ajuste inducido, proteínas alostéricas, chaperones, priones).
En este sentido, la información genética secuencial
atendería a las conformaciones de los módulos proteicos, seleccionados
básicamente en una primera etapa evolutiva y, así, presentes en todos los seres
vivos. Por otra parte, la denominada epigenética
respondería a la información y herencia relativa a la evolución singular de
los seres vivos de los niveles celular y pluricelular, que comprende los
cambios heredables de la expresión génica o del fenotipo sin que se produzcan
cambios en las secuencias de ADN. La epigenética es claramente información
estructural, mientras que la genética lo es indirectamente, ya que los genes
serían los depositarios secuenciales de la información estructural de las
proteínas.
Bajo la denominación epigenética se incluyen dos
significados distintos:
·
Epigenética, sensu estricto, sobre el genoma, como información almacenada en las proteínas y
metabolitos que se unen al ADN en un proceso selectivo de la utilización de su
información genética.
·
“Epigenética”, sensu lato, como información sobre
procesos celulares, que constituiría
una suerte de herencia estructural y fisiológica, como ya hemos visto en
algunos procesos inmunológicos, o como, por ejemplo, se cita en la pg. 667 del
Molecular Biology of the Cell (Alberts, 2002): “Un nuevo RE no puede ser hecho
sin otro preexistente. La información requerida para construir un orgánulo de
membrana no reside exclusivamente en el ADN que especifica las proteínas del
orgánulo. También se requiere información
epigenética en forma de alguna proteína que preexista en el orgánulo. Tal información es esencial para la
propagación de la organización compartimental celular”.
Realmente, esto es pura información estructural y supondría admitir cierta
herencia de caracteres adquiridos somáticos, al menos a nivel celular. En
cualquier caso, como ya hemos visto, hay que admitir una especie de herencia
medioambiental que marca una coherencia
de información epigenética y de la consiguiente herencia epigenética.
A mi juicio, la epigenética debe desentrañar qué genes se expresan en cada
momento (el denominado patrón epigenético) controlados por proteínas que los
marcan de diferentes maneras según las circunstancias medioambientales.
En
los organismos que sobreviven hasta dejar descendencia, ésta hereda las
características secuenciales, conformacionales y posicionales de las proteínas,
y también las características epigenéticas de otras estructuras celulares de
sus progenitores.
Además de la coherencia interna de cada uno de los
niveles biológicos, y de su información intrínseca, hay que prestar atención a
la coherencia entre cada nivel y su medio ambiente; determinantes ambas
coherencias, interna y externa, de la evolución particular de cada organismo.
Es decir, en general, las interacciones entre cada nivel de ser vivo y su medio ambiente van
tejiendo una red de relaciones causales y contingentes, auténtica información estructural epigenética,
cuya coherencia histórica constituye el polo externo de la herencia biológica
sobre la que opera la selección natural.
Desde
esta perspectiva, parece claro que la selección natural actúa sobre organismos
distinguibles por un conjunto de caracteres
fenotípicos, basados en interacciones
proteicas, que tienen un substrato
heredable, tanto secuencial (genético) como estructural (epigenético).
Esta información
biológica estructural heredable, fundamentada en las proteínas, ha debido propagarse de forma continua desde el origen
de la vida hasta la actualidad, y constituye el núcleo central del paradigma proteocéntrico.
