Epigenética: tachando la enciclopedia de la vida

Hace algunos días un conocido, cuya formación no tiene nada que ver con la ciencia, me preguntaba en qué tipo de investigaciones estaba involucrado últimamente. Yo le contesté que últimamente estoy tocando algunos temas de epigenética. Acto seguido, tuve que explicarle qué es eso de la epigenética. Esa explicación, algo ampliada, es la que os traigo en esta entrada.

La epigenética (más o menos literalmente "la ciencia de lo que está sobre la genética") se suele definir como el estudio de los cambios químicos que se producen en el material genético y no debidos a alteraciones en la secuencia del ADN. Generalmente se deben a la metilación de las citosinas del ADN o a modificaciones en las histonas que empaquetan el ADN. Lo interesante de estas modificaciones epigenéticas es que son reversibles, se pueden heredar y,quizá lo más importante, alteran la expresión del material hereditario provocando cambios fenotípicos (visibles) que provocan que dos células con el mismo genoma muestren aspectos y funciones muy diferentes (por ejemplo, una neurona y una fibra muscular). ¿Qué produce esas modificaciones? Generalmente se trata de factores ambientales como por ejemplo la dieta (de la que se habla en esta entrada de Ameba Curiosa). ¿cómo esas modificaciones regulan lo que marca el conjunto de los genes, el genoma? Voy a tratar de volverlo a explicar de una forma más sencilla, y para ello usaré el símil de que el genoma es como una enciclopedia.

Esquema de las modificaciones epigenéticas.  Some rights reserved by AJC1

El genoma, la enciclopedia de la vida.

El ADN es el material hereditario que contiene las claves para el desarrollo de un organismo. En cada célula de un organismo se encuentran varias moléculas de ADN (cromosomas) que son cadenas de nucleótidos (las famosas cuatro letras A, G, T, C) cuya secuencia define las instrucciones para que esa célula construya proteínas que permiten las funciones que esa célula va a desempeñar y, por tanto, el desarrollo y función de cada célula.

Podemos imaginar que cada uno de esos cromosomas es un tomo de la enciclopedia que forma el conjunto de todos esos tomos. Cada tomo de nuestra enciclopedia contiene un largo texto formado por sólo 4 letras diferentes que se encuentra dividido en párrafos. Algunos de esos párrafos contienen, codificada, la información de cómo tiene que ser determinada proteina. A esos párrafos se les conoce como genes. Otros párrafos contienen información (del tipo "empieza a leer aquí que en un pár de páginas viene un gen") para la maquinaria que tiene que leer e interpretar lo que dice la enciclopedia. Y aún algunos más puede que sean "párrafos de relleno" ya que no sabemos muy bien cual es su utilidad, aunque megaproyectos como ENCODE nos van desvelando su utilidad, como nos cuenta Francis en esta entrada. En la mayoría de organismos que se reproducen sexualmente tenemos dos versiones de cada tomo, una procedente de cada uno de los padres. Esas dos versiones pueden ser bastante diferentes, pero tratan sobre lo mismo.

Así pues, en cada célula tenemos dos versiones de una misma enciclopedia, que la célula leerá con el fin de saber como tiene que hacer las proteínas que necesita para funcionar. Cuando la célula se divide originando dos células "hijas" primero hace una copia de cada versión de la enciclopedia para luego repartir cada una de esas copias entre las dos células resultantes. Ese proceso de copia (llamado replicación del ADN) muchas veces comete errores (mutaciones): copia mal alguna letra, se come algunas otras, mete letras de más o cambia el orden de algunos fragmentos, entre otras posibilidades. Si esos errores de copia se producen en las células que van a originar los gametos se podrán transmitir a la descendencia del organismo provocando que existan variaciones en cuanto al texto contenido en las enciclopedias  (variabilidad genética).

El genoma es como una pila de libros, hay que abrir/desplegar
 el libro adecuado para poder leer la información  almacenada.
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Modificaciones epigenéticas, restringiendo la lectura de la enciclopedia

Hasta ahora tenemos que todas las células de un organismo contienen una misma enciclopedia que leen para saber que proteínas construir y configurar sus funciones. Pero entonces, ¿por qué cada tipo de célula es diferente a pesar de tener copias (prácticamente) exactas de la misma enciclopedia? Pues se debe a diversos elementos que restringen la lectura de partes de esa enciclopedia.

Por ejemplo, puede haber tachaduras que dificulten o imposibiliten la lectura de ciertos párrafos de un tomo y por tanto no se puedan construir las proteínas que ahí se describían. Desde el punto de vista molecular, eso es lo que pasa en el ADN cuando hay metilación del ADN, se unen grupos metilo a las citosinas (C) provocando que las enzimas que tenían que unirse en esa región no lo hagan, inactivando el gen en cuestión. 

Las tachaduras impiden
 la lectura de un párrafo

Otro tipo de modificación es unir mediante un clip una serie de páginas de cada tomo de tal manera que cuando la célula abre el libro para leer no puede leer el contenido de esas páginas unidas. Las histonas son proteínas que participan en el compactamiento de la cromatina. Cuando el ADN ha de expresarse necesita que la cromatina se desenrolle para que las enzimas correspondientes accedan al ADN, como abrir la página de un libro. Ciertas modificaciones de las histonas (acetilación, fosforilación, metilación, deaminación, isomerización de prolinas y ubiquitinización) impiden en cierto grado ese desenrrollamiento y por tanto las enzimas no pueden acceder al ADN en esa zona, silenciando los genes que contiene.


Así pues, estas modificaciones, que están moduladas por el ambiente (disponibilidad de lápices para tachar o de clips), provocan que ciertos párrafos no se puedan leer y eso lleva a que la célula consiga una configuración determinada y sea diferente a otras. Las modificaciones epigenéticas son reversibles ya que en un momento dado podemos borrar los tachones o quitar los clips pudiendo acceder de nuevo al texto original. Cuando una célula hace las copias de sus versiones de la enciclopedia para dividirse, también copia las modificaciones hechas, y así podrían transmitirse a la descendencia de un organismo.


Aquí os dejo este vídeo, tomado del programa REDES en el que describe brevemente la epigenética y su relación con el cáncer.

Importancia de la epigénetica en el contexto evolutivo

Para acabar una simple nota sobre el papel de la epigenética en la biología evolutiva. Las modificaciones epigenéticas pueden estar "programadas" en el propio ADN como respuesta a ciertos estímulos externos. En ese caso el valor adaptativo viene moldeado por la propia genética y es transmitido de generación en generación. Pero en otros casos, las modificaciones epigenéticas se producen por condiciones ambientales independientemente de la programación genética. En esos casos es  muy difícil que esos cambios (puramente lamarckianos, adquiridos) se transmitan por vía germinal, y no hay evidencias claras de que eso suceda. Hay una controversia creciente en el campo de la biología evolutiva sobre el valor adaptativo de esas modificaciones epigenéticas totalmentente independientes de la secuencia de ADN que el reciente campo de la epigenética ecológica debe de intentar resolver en los próximos años.


Esta entrada participa en la XX edición del Carnaval de Biología, que hospeda Multivac42 en su blog Forestalia