En su laboratorio del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC, Pilar Cubas decidió estudiar si plantas de interés agrícola como el tomate o la patata tenían también genes similares. Y no tienen uno, sino dos genes distintos que, aunque similares, han evolucionado a distinta velocidad.

En la tomatera, BRANCHED1b, que ha evolucionado más despacio, controla el crecimiento de las ramas, de forma que las plantas de tomate mutantes para este gen tienen muchas ramas. Por su parte, BRANCHED1a ha evolucionado mucho más deprisa y puede estar generando una proteína con una nueva función aún desconocida.

La formación de ramas en las plantas no es sólo de interés estético (plantas con aspecto arbustivo o alargado),  sino también económico. Como explica Cubas, “las plantas con más ramas también producen más hojas, flores y frutos”. La importancia agrícola de esta investigación queda bien clara en las dos patentes que el CSIC tiene respecto a la utilidad de estos genes. Los estudios del grupo de Cubas suponen una nueva estrategia para mejorar la producción tanto de tomates como de tubérculos.

Referencias:
Martín-Trillo, M., Grandío, E., Serra, F., Marcel, F., Rodríguez-Buey, M., Schmitz, G., Theres, K., Bendahmane, A., Dopazo, H., & Cubas, P. (2011). Role of tomato BRANCHED1-like genes in the control of shoot branching The Plant Journal DOI: 10.1111/j.1365-313X.2011.04629.x
Ranere, A., Piperno, D., Holst, I., Dickau, R., & Iriarte, J. (2009). The cultural and chronological context of early Holocene maize and squash domestication in the Central Balsas River Valley, Mexico Proceedings of the National Academy of Sciences, 106 (13), 5014-5018 DOI: 10.1073/pnas.0812590106

Como modelo para estudiar cómo los virus causan enfermedades, en el laboratorio de Luis Enjuanes en el Centro Nacional de Biotecnología del CSIC utilizan un virus que causa diarreas en cerdos y problemas respiratorios en humanos (desde un simple catarro hasta pulmonías), el coronavirus de la gastroenteritis porcina transmisible. En su genoma se encuentran tres genes que no son esenciales para la supervivencia del virus. Uno de ellos, el 7, acaban de comprobar que es el causante –según explica Enjuanes- de que este virus “pueda contrarrestar la respuesta antiviral del huésped”, algo que nunca se había descrito antes en virus con genoma de ARN.

Curiosamente, el hecho de disminuir los mecanismos de defensa contra el virus causa una mayor supervivencia de las células del hospedador. Esto es debido a que las defensas contra los virus detienen la replicación del mismo destruyendo parte de su información genética. Algo que generalmente tiene como efectos secundarios la parada de producción de proteínas celulares y la muerte de la célula que tiene el virus y la de las que le rodean.

Para llevar a cabo su trabajo, modificaron al virus genéticamente para que no tuviera este gen 7. De este modo, observaron que la ausencia de la proteína producida por dicho gen causa un aumento en la muerte de las células infectadas por el coronavirus. Aunque resulte llamativo que exista un gen que haga que el virus sea menos dañino, hay que tener en cuenta que necesita que la célula esté viva para poder aprovechar sus funciones y generar más virus.

Según han podido comprobar, la proteína de la que hasta ahora se desconocía su función se une dentro de las células a uno de los factores clave en la respuesta antiviral, la llamada proteína fosfatasa 1. Por ello, el grupo dirigido por Enjuanes propone que aunque la proteína 7 “reduce la enfermedad que causa el virus, aumenta el tiempo en el que el microorganismo se disemina y contagia a otras células”. Evolutivamente, la existencia de dicho gen supone un beneficio tanto para el enfermo, que sufre menos, como para el virus, que es capaz de multiplicarse durante más tiempo.

Referencias:
Cruz, J., Sola, I., Becares, M., Alberca, B., Plana, J., Enjuanes, L., & Zuñiga, S. (2011). Coronavirus Gene 7 Counteracts Host Defenses and Modulates Virus Virulence PLoS Pathogens, 7 (6) DOI: 10.1371/journal.ppat.1002090
Bisbal, C., & Silverman, R. (2007). Diverse functions of RNase L and implications in pathology Biochimie, 89 (6-7), 789-798 DOI: 10.1016/j.biochi.2007.02.006

El hecho de que las mutaciones sean esencialmente neutrales y surjan por azar, o por el contrario, que sean dirigidas por la selección natural es un debate muy antiguo en Biología. Hasta ahora la teoría neutralista –que defiende que las mutaciones surgen al azar- ha facilitado el avance en la comprensión de la evolución molecular, pero también es cierto que no consigue hacer entender claramente cómo finalmente los organismos se adaptan rápidamente a ambientes cambiantes. Recientemente han surgido nuevas teorías sobre la capacidad evolutiva de los organismos, así como experimentos con enzimas y microorganismos que sugieren que la adaptación puede depender de una interacción profunda e inapreciable entre mutaciones neutras y mutaciones beneficiosas. Una prueba empírica de esta teoría es defendida en este trabajo.

En principio la teoría parece sencilla: si una población microbiana es expuesta a un nuevo ambiente, esta se adapta rápidamente mediante la fijación de mutaciones beneficiosas que surgen por puro azar. No obstante, la evolución implica diversos factores no tan obvios que complican bastante este escenario. Una de esos factores, llamado epistasis –que se produce cuando el efecto de una mutación se encuentra modificado por otra- explica porqué algunas poblaciones se adaptan más rápido que otras. Estas diferencias en evolucionabilidad, o tendencia a producir mutaciones beneficiosas, explican muchos resultados en principio sorprendentes (como la emergencia repentina de una adaptación metabólica rápida). El interés en la explicación de la epistasis ha puesto también de manifiesto otro importante papel de las mutaciones neutras en el proceso de adaptación: su capacidad de pasar de neutras a activas.

El descubrimiento clave que relaciona las mutaciones neutrales con cambios beneficiosos es que la neutralidad es muchas veces condicional: una mutación puede no tener efecto detectable cuando surge en un ambiente determinado y dentro de un bagaje genético específico, pero cambios posteriores en el ambiente o en el genoma pueden hacer que salgan a la luz efectos ventajosos previamente ocultos. La teoría sugiere que estas mutaciones neutrales, u “ocultas”, pueden irse acumulando dentro de una población y posteriormente expresarse cuando ocurre un cambio ambiental, ya sea directamente en respuesta a ese nuevo ambiente, o por interacciones epistáticas sobre otras mutaciones. Esta hipótesis es la que fue testada en su trabajo experimental.

En la figura de la izquierda, el recuadro verde indica el fenotipo (que es el resultado de la expresión de los genes (por ejemplo: ojos verdes o ojos marrones son diferentes fenotipos). Los puntos representan mutaciones.

En el ambiente original (a) se expresa una mutación mientras las otras permanecen ocultas. Cuando cambian las condiciones (b) y “es necesario” un nuevo fenotipo, este puede conseguirse de dos maneras: por mutaciones antes ocultas que pasan ahora a expresarse, o por mutaciones ocultas que interaccionan con mutaciones que se expresan mejorando la adaptabilidad.

Los autores “hicieron evolucionar” dos poblaciones de un ribozima (enzima de RNA) bajo selección sobre la actividad frente a su substrato nativo; una población fue sometida a una fuerte selección, la otra a una selección más débil. Las poblaciones fueron acumulando variaciones genéticas ocultas. Posteriormente, cuando estas ribozimas fueron cambiadas de ambiente -lo que consistió en testar su actividad frente a otro sustrato- estas mutaciones se manifestaron. Midiendo el incremento de la actividad catalítica en relación al tiempo en este nuevo ambiente, Hayden y sus colaboradores encontraron que el rango de adaptación era proporcional a la cantidad de variaciones ocultas presentes en cada población, es decir, que las variaciones ocultas que se fueron acumulando en el primer ambiente favorecían la posterior adaptabilidad al nuevo ambiente.

Secuenciando las mutaciones ocultas que se habían producido los autores identificaron las mutaciones causales, y confirmaron que los genotipos beneficiosos para el nuevo ambiente habían surgido de manera neutral en el ambiente anterior, confirmando la hipótesis de una conexión causal entre las mutaciones neutrales y el fenómeno evolutivo.

Extrapolar los resultados obtenidos por Hayden et al. a organismos complejos no se puede hacer directamente ya que no es lo mismo la epistasis que pueda haber entre diferentes sitios de un mismo enzima que entre genes en un genoma completo. No obstante, existen numerosos trabajos que ponen de manifiesto que la epistasis es un fenómeno habitual a escala genómica, por lo tanto, que nuevos ambientes pongan de manifiesto mutaciones ocultas en organismos complejos parece un fenómeno muy probable. Es decir, que estos resultados hallados en poblaciones naturales junto con los recientes datos descubiertos por Hayden y su equipo sugieren un papel generalizado e importante de las variaciones ocultas en el proceso adaptativo de las poblaciones naturales.

En los tiempos que corren el cambio climático hace que los organismos se enfrenten a nuevos ambientes y entren en contacto con nuevos patógenos y con el ser humano, por lo tanto, una teoría sobre como las poblaciones naturales se adaptan y evolucionan será muy útil para mejorar y organizar la conservación de especies, y también nuestra propia salud pública. Además, estos descubrimientos nos proporcionan nuevas pistas y un mayor conocimiento sobre cómo funciona y se produce la enorme y maravillosa diversidad de la vida en nuestro planeta.

Referencias:
Hayden, E., Ferrada, E., & Wagner, A. (2011). Cryptic genetic variation promotes rapid evolutionary adaptation in an RNA enzyme Nature, 474 (7349), 92-95 DOI: 10.1038/nature10083
Masel, J., & Trotter, M. (2010). Robustness and Evolvability Trends in Genetics, 26 (9), 406-414 DOI: 10.1016/j.tig.2010.06.002

Sería completamente inviable que hubiera un gen para cada tipo posible de anticuerpo, por lo que resulta muy interesante conocer cómo es posible generar semejante diversidad. Entre otras cosas, cuando se generan los anticuerpos se produce lo que los científicos llaman hipermutación somática. En los glóbulos blancos que se encargan de producir los anticuerpos, una de las enzimas implicadas en leer el gen de los anticuerpos y pasar la información para que se fabriquen no parece ser la misma que el resto de tejidos y genes. La llamada polimerasa η comete muchos más errores que cualquier otro tipo de polimerasa que podemos encontrar en la célula. Esto produce la aparición de una enorme cantidad de mutaciones (hasta un error por cada mil “letras” que lee) y, por tanto, un mismo gen genera una gran cantidad de anticuerpos distintos.

Pero lo que es una ventaja a la hora de defenderse contra las bacterias, puede generar problemas; tantos errores no pueden ser buenos. En un reciente trabajo dirigido por Elías Campo y Carlos López-Otín, han detectado mutaciones producidas por esta polimerasa relacionadas con casos de leucemia.

Está claro que la lucha contra las enfermedades infecciosas ha sido uno de los grandes retos de los seres vivos a lo largo de los tiempos. Y evolutivamente esta gran cantidad de mutaciones ha traído enormes ventajas adaptativas. Ahora, cuando la esperanza de vida ha aumentado por los avances médicos, nos damos cuenta de algo que antes no era más que un mínimo precio a pagar por sobrevivir, el cáncer. Y no deja de ser curioso observar una y otra vez ejemplos de lo que Stpehen Jay Gould decía: la naturaleza es una magnífica chapucera.

Referencias:
Puente XS, Pinyol M, Quesada V, Conde L, Ordóñez GR, Villamor N, Escaramis G, Jares P, Beà S, González-Díaz M, Bassaganyas L, Baumann T, Juan M, López-Guerra M, Colomer D, Tubío JM, López C, Navarro A, Tornador C, Aymerich M, Rozman M, Hernández JM, Puente DA, Freije JM, Velasco G, Gutiérrez-Fernández A, Costa D, Carrió A, Guijarro S, Enjuanes A, Hernández L, Yagüe J, Nicolás P, Romeo-Casabona CM, Himmelbauer H, Castillo E, Dohm JC, de Sanjosé S, Piris MA, de Alava E, Miguel JS, Royo R, Gelpí JL, Torrents D, Orozco M, Pisano DG, Valencia A, Guigó R, Bayés M, Heath S, Gut M, Klatt P, Marshall J, Raine K, Stebbings LA, Futreal PA, Stratton MR, Campbell PJ, Gut I, López-Guillermo A, Estivill X, Montserrat E, López-Otín C, & Campo E (2011). Whole-genome sequencing identifies recurrent mutations in chronic lymphocytic leukaemia. Nature PMID: 21642962
Odegard, V., & Schatz, D. (2006). Targeting of somatic hypermutation Nature Reviews Immunology, 6 (8), 573-583 DOI: 10.1038/nri1896
Spencer J, & Dunn-Walters DK (2005). Hypermutation at A-T base pairs: the A nucleotide replacement spectrum is affected by adjacent nucleotides and there is no reverse complementarity of sequences flanking mutated A and T nucleotides. Journal of immunology (Baltimore, Md. : 1950), 175 (8), 5170-7 PMID: 16210621
Fanning, L. (1996). Development of the Immunoglobulin Repertoire Clinical Immunology and Immunopathology, 79 (1), 1-14 DOI: 10.1006/clin.1996.0044

• Los grabados de Bilzingsleben, de 400.000 años de antigüedad en unos huesos de elefante y atribuidos al Homo erectus,
• La venus de Tan-Tan, que podría llegar a tener también 400.000 años y ser contemporánea del Homo heidelbergensis, y
• La venus de Berejat Ram, de algo más 200.000 años de antigüedad y atribuida al Homo heidelbergensis.

Eso me hace plantearme de nuevo cuándo surge el arte. Una pregunta similar a la de qué fue primero, si la gallina o el huevo. Como todo en biología, es casi imposible poner un punto de separación. Todo es un continuo y no creo que se pasara de la nada a pintar bisontes en las paredes de Altamira.

Veo lógico que el arte haya surgido en otras especies de Homo, e incluso que algo parecido se diera en alguna de las especies de las que venimos evolutivamente. Pero también veo la enorme capacidad que tenemos de ver animales en la nubes y caras en las montañas. Por eso me pregunto si los ejemplos que pone son de verdad arte o tan sólo imaginación…