lunes, junio 28, 2010

Epigenética (entrevista a Thomas Gingeras)

Del ADN se dice que es una molécula inerte, dada su pasividad química. También se dice que es una gran biblioteca, en la que está almacenada la información a partir de la cual se construyen los organismos vivos. No obstante esta Biblioteca de Alejandría de la vida, con todo su conocimiento almacenado, no sería nada sin sus lectores, las proteínas. El hecho de que el ADN contenga dentro de sí toda la información relevante y las proteínas se limiten a leerla nos remite directamente al dilema del huevo o la gallina: ¿Qué fue antes, el ADN o las proteínas que se elaboran a partir de la información que contiene?

Tuvo que comprenderse mejor el papel mediador del ARN y sus propiedades autocatalíticas para que se resolviese el dilema. Hubo un tiempo, antes de que el ADN fuera el centro de la actividad celular, en el que presumiblemente reinaba el ARN en la naturaleza viva, dado que era simultáneamente capaz de autoreplicarse y de servir de portador de la información. No obstante la molécula de ARN es lo suficientemente compleja como para que los bioquímicos se pregunten si pudo haber surgido de forma espontánea a partir de un caldo abiótico. Francis Crick, siempre a la cabeza de las investigaciones en el nacimiento de la biología molecular, llegó a decir que podría haberse dado lo que él, junto con Leslie Orgel, denominaron panspermia dirigida, esto es: que el ARN hubiera sido introducido en la tierra por algún ser inteligente. Esta idea, que sin duda será muy del gusto de los defensores del Diseño Inteligente, envía al espacio exterior, cual si de una sonda se tratase, el problema de los orígenes. Otros muchos autores han propuesto, desde entonces, mundos previos al ARN con otras bioquímicas distintas.

Sea como fuere podría decirse que dentro del ARN está contenido el misterio de los misterios del que hablara Darwin: el del origen de las especies. No habiendo habido un primer replicante no hubiera habido vida, ni evolución, ni selección natural ni diversificación, ni tampoco una mente que se preguntara por sus orígenes ni conjeturara explicaciones para misterio alguno.

La genética vino en ayuda de las ideas de Darwin sobre la evolución por selección natural a principios del siglo XX, cuando se redescubrieron las leyes de la herencia de Mendel. No obstante pasaron unas décadas antes del que surgiera la síntesis neodarwinista, que conjugaba felizmente la selección natural con los genes.

Pero, ¿qué es un gen, que sirve tan bien de cimiento a las ideas de evolución por selección natural darwiniana? Su soporte físico se ha considerado, desde que se descubriera la molécula y su estructura, el ADN. Pero como decíamos más arriba el ADN es una molécula inerte, poco dada a jugar. Si por gen entendemos solamente una molécula de ADN, pues, estamos hablando de una Biblioteca de la Vida sin lectores. Pero si de lo que hablamos es de información el gen es mucho más. Es un proceso dinámico que implica la interacción del ADN con las proteínas y con el ARN, un proceso sin un centro ni un director perfectamente definidos. La célula es un orden espontáneo que surgió de sucesivas interacciones químicas, en algún momento del remoto pasado de nuestro planeta. Y dentro de ella todo es intercambio y flujos de información. La información no está solo en los genes, si por tales entendemos ADN. La información es un movimiento incesante de moléculas, átomos e iones.

Por eso no es sorprendente que la ciencia esté descubriendo que a través de las generaciones no sólo pasan los largos hilos de ADN, debidamente recombinados y alterados, sino también otros sutiles cambios bioquímicos en moléculas proteicas como, por ejemplo, las histonas. El gen egoísta, en este “gen extendido” que son las interacciones ADN-ARN-Proteínas, es un proceso, una forma de hacer las cosas, no una entidad física aislada.

La epigenética es el estudio de este “gen extendido”, de la genética en un sentido amplio. Uno de sus más destacados investigadores, Thomas Gingeras, trabaja en el laboratorio Cold Spring Harbor intentando desentrañar cómo la información contenida en el ADN y otras moléculas relacionadas da forma y función a los organismos y atraviesa las generaciones.

El Profesor Gingeras ha tenido la amabilidad de respondernos unas preguntas, puestas en correcto inglés por el siempre atento José Miguel Guardia.

En ingles:

1.-What is epigenetics?

Epigenetics is the study of inherited changes in physical or biochemical traits caused by alterations in either chemical modifications of a cell’s DNA or DNA-associated proteins that influence the expression potential of the DNA Importantly, there is no change in the inherited DNA sequence itself. Interestingly, the epigenetic marks in a cell can be altered and influenced by the environment.

2.-Is there any lamarkian mechanism in evolution?

One way to consider this question is to consider that epigenetics is a ‘soft” form of inheritance and genetic inheritance is a 'hard' form of inheritance, involving the duplication of genetic material. Epigeneitc inheritance in some ways resembles Lamarkianism in that it is responsive to environmental stimuli and can differentially affect gene expression adaptively, with phenotypic results that can persist for many generations in certain organisms. However, epigenetic inheritance and its significance to the evolutionary process is uncertain. Such epigenetic inheritance mechanisms might best be considered a specialized form of phenotypic plasticity with little evidence that it a mechanism to introduce novel evolutionary traits into a species lineages.

3.- The central dogma dogma of the cell's molecular biology has been, until now: DNA → RNA → Protein. Do we need to establish a new dogma?

This definition of the central dogma was changed by Francis Crick himself seven years after its first description upon the discovery of RNA viruses to allow for RNA to be an important inherited and regulatory element. The establishment of a new dogma seems un-necessary. The current accumulation of genomic data suggests that the organization and regulation of genomes is more complicated than this model suggests. The data suggests that information in the genome is not-colinear and thus an analysis of just the DNA content of an organism’s genome will not give a complete and accurate representation of all of the information encoded in it. Additionally, the functional importance of RNA is increasing and should be considered to be the equal to that of proteins.

4.-How much of DNA is just junk DNA?

I am not sure what junk DNA means? What seems clear is that almost all of genomes in a cell ( prokaryotic and eukaryotic) can be transcribed into RNA. The roles of these transcripts is evolving. Is every nucleotide of a genome essential? No, if essential means the difference between viability and death. If it means that a deletion, duplication or alteration of any base has a phenotype—perhaps. Of course we are no way near what it would take to have such sensitive phenotypic assays.

5.-It has been said that organisms develop from a plan established in the genes. Genes are also compared to a kitchen recipe from which the pie is elaborated with the appropriate environmental constraints. For you, what are genes, in relation to the organism to which they give shape and function?

This is interesting question that I would like to answer by starting with some definitions. First of all the gene is not the genetic “atom”. The transcript is. RNA transcripts are the workhorses of the cell. They encode information AND are functional molecules themselves. The term “gene” was never intended to denote a physical entity. It was intended by, Wilhelm Johannsen (1909) and others after him to be a term that denoted a concept that describes an element of the cell that was inherited (DNA was of course unknown at the time) at which information about a phenotype was located. However, the term gene was co-opted by molecular biologists to mean a physical entity and thus after the discovery of the structure of DNA, regions of a genome were called genes if they were correlated with the inheritance of a trait. We now know that these gene regions encode multiple RNAs each of which could have different phenotypes. Therefore, a gene is a higher order term which embodies different RNA transcripts that effect the same trait. RNA transcripts are the “atoms” of the cell that provide the working elements to give rise to the trait.

6.-What is your hypothesis about origin of life?

I do not have a hypothesis about the origin of life. I think that the current idea that early life evolved from RNA molecules that developed the capacity to replicate and act as enzymes in an RNA world is generally accepted. I would suggest that you consult Professor Gerald F. Joyce’s (Scripps’ Research Institute,La Jolla, CA) on this topic

7.- What are you now working on? What is your most intellectual challenge? What mystery would you wish to unveil?

Our work is focused on understanding the organization of information in genomes and the functional roles that non-protein coding RNAs play in the life of the cell. The most significant challenges can be summarized by two points: a) each cell makes hundreds of thousands of different RNAs and a large percent of these are cleaved into shorter functional RNAs demonstrating that each region of the genome is likely to be multifunctional and b) the identification of the functional regions of a genome is difficult because not only are there many of them but because the functional RNAs can be created by taking sequences that are not near each other in the genome and joining them together in an RNA moleculte. The order of these sequences that are joined together need not be sequential. The central mystery is what controls the temporal and coordinated expression of these RNAs.

En castellano:

1.-¿Qué es la epigenética?

La epigenética es el estudio de los cambios hereditarios de los rasgos físicos o bioquímicos causados por alteraciones en cualquiera de las modificaciones químicas del ADN de una célula o de las proteínas asociadas al mismo que influyen en su potencial de expresión. Es importante destacar que no habría ningún cambio en la secuencia de ADN heredada en sí misma. Curiosamente, las marcas epigenéticas de una célula pueden ser alteradas e influenciadas por el ambiente.

2.-¿Hay algún mecanismo lamarquiano en la evolución?

Una manera de examinar esta cuestión es considerar que la epigenética es una forma “suave” de herencia y que la genética es una forma “dura” que implica la duplicación del material genético. La herencia epigenética se asemeja en cierto modo al lamarquismo en que es sensible a los estímulos ambientales y puede afectar diferencialmente a la expresión génica de forma adaptativa, con resultados fenotípicos que pueden persistir durante muchas generaciones en ciertos organismos. Sin embargo, la herencia epigenética y su importancia para el proceso evolutivo no son claras. Tales mecanismos de herencia epigenética se podrían considerar más como una poco probada forma especializada de plasticidad fenotípica que como un mecanismo para introducir nuevos rasgos evolutivos en el linaje de una especie.

3 .- El dogma central de la biología molecular de la célula ha sido, hasta ahora: ADN → ARN → Proteína. ¿Es necesario establecer un nuevo dogma?

Esta definición del dogma central fue modificada por el mismo Francis Crick siete años después de su primera descripción al descubrirse que los virus de ARN permiten al ARN ser un importante elemento hereditario y regulador. El establecimiento de un nuevo dogma parece innecesario. La actual acumulación de datos genómicos sugiere que la organización y regulación de los genomas es más complicada de lo que este modelo sugiere. Los datos sugieren que la información en el genoma no es-colineal y por tanto un análisis de sólo el contenido de ADN del genoma de un organismo no nos da una representación completa y precisa de toda la información codificada en él. Además, la importancia funcional del ARN está aumentando y esta debe ser considerada como equivalente a la de las proteínas.

4.-¿Cuánto ADN es sólo ADN basura?

No estoy seguro de lo que significa ADN basura (?). Lo que parece claro es que casi todos los genomas de una célula (procariotas y eucariotas) pueden ser transcritos en ARN. Las funciones de estas transcripciones están evolucionando. ¿Son todas los nucleótidos de un genoma esenciales? No, si esencial significa la diferencia entre la viabilidad y la muerte. Si lo que significa es que una deleción, duplicación o alteración de toda base tiene un fenotipo, tal vez. Por supuesto que no estamos en absoluto cerca de disponer de pruebas fenotípicas tan sensibles.

5.-Se dice que los organismos se desarrollan a partir de un plan establecido en los genes. Los genes se han comparado también con una receta de cocina a partir de la cual se elabora el pastel, con las limitaciones ambientales adecuadas. Para usted, ¿qué son los genes en relación con el organismo al que han dado forma y función?

Esta es una interesante pregunta que me gustaría responder comenzando con algunas definiciones. En primer lugar el gen no es el "átomo" genético. Lo es la transcripción. Las. transcripciones de ARN son los caballos de batalla de la célula. Ellas codifican la información y son moléculas funcionales por sí mismas. El término "gen" nunca pretendió designar una entidad física. Fue entendido por Wilhelm Johannsen (1909) y otros después de él como un término que denotaba un concepto que describía un elemento de la célula que era heredado (el ADN era por supuesto desconocido por entonces) en el cual estaba localizada la información sobre el fenotipo . Sin embargo, el término gen fue cooptado por los biólogos moleculares para referirse a una entidad física y, en consecuencia, después de descubrirse la estructura del ADN, las regiones del genoma se llamaron genes si se correlacionaban con la herencia de un rasgo. Ahora sabemos que estas regiones de los genes codifican múltiples ARNs cada uno de los cuales podría tener diferentes fenotipos. Por tanto, gen es un término de orden superior que incorpora diferentes transcritos de ARN que producen el mismo rasgo. Las transcripciones de ARN son los "átomos" de la célula que proporcionan los elementos funcionales que dan lugar a los rasgos.

6.-¿Cuál es su hipótesis sobre el origen de la vida?

No tengo una hipótesis sobre el origen de la vida. Creo que la idea actual de que la vida evolucionó a partir de moléculas de ARN que desarrollaron la capacidad de replicarse y actuar como enzimas en un mundo de ARN es de aceptación general. Le sugiero que consulte al profesor Gerald F. Joyce (Del Instituto de Investigación Scripps. La Jolla, CA) sobre este tema.


7.- ¿En qué está trabajando ahora? ¿Cuál es su mayor desafío intelectual? ¿Qué misterio desearía desvelar?

Nuestro trabajo está centrado en comprender la organización de la información en los genomas y los papeles funcionales que los ARNs no codificantes de proteínas desempeñan en la vida de la célula. Los desafíos más importantes se pueden resumir en dos puntos: a) cada célula hace cientos de miles de ARNs diferentes y un gran porcentaje de estos se rompen en segmentos más cortos de ARN funcional, lo que demuestra que cada región del genoma es probablemente multifuncional y b) la identificación de las regiones funcionales del genoma es difícil porque no sólo porque hay muchas de ellas, sino porque los ARNs funcionales pueden crearse tomando secuencias que no están cerca unas de otras en el genoma y juntándolas en una molécula de ARN. El orden de esas secuencias que se unen entre sí no tiene por qué ser secuencial. El misterio central es qué es lo que controla la expresión temporal y coordinada de estos RNAs.