El genoma como historia

Arqueobiología

En términos fundamentales, toda la vida sobre la Tierra es una sola. Las palabras de tres letras que constituyen el código genético son las mismas en todas las criaturas. CGA significa arginina y GCG alanina, en los murciélagos, las cucarachas, los cocoteros, las bacterias, los hongos y el ser humano. Todos usamos el mismo diccionario genético. Esa unidad biomolecular es evidencia sobrecogedora de que nuestro origen es uno y el mismo. Por más extraordinario que esto parezca (y no es de extrañar que durante mucho tiempo los científicos supusieron que habríamos tenido múltiples orígenes), si pensamos con cuidado, en el fondo no es tan sorprendente que sea así. Porque esto no quiere decir que no haya habido muchos ensayos para crear la vida. Probablemente los hubo incontables, pero es sumamente improbable que encontremos alguna vez indicios de ello, dado el enorme lapso implicado y la necesaria fragilidad de los primeros seres autorreplicadores. Criaturas tan inusitadas, en un mundo inanimado, como esos primeros efímeros seres capaz de reproducirse a sí mismos, debieron estar expuestas a riesgos inimaginables. El mayor de todos, con seguridad, habría sido el propio éxito alcanzado por alguno de entre ellos en su lucha por la supervivencia. Si los seres humanos hemos sido tan capaces de destruir a gran número de especies de gran complejidad y ecológicamente muy bien asentadas en los últimos decenios, imagínense ustedes qué no habría logrado hacer el más fuerte de esos minúsculos replicadores para sacar partido, a su alrededor, de otros replicadores menos dotados que utilizaran materiales similares a los que él necesitaba y cuya ingestión le habría ahorrado unos cuantos pasos en el proceso de su autoproducción. Es sumamente probable que las clases de replicadores se simplificaran rápidamente en número, con la misma velocidad con que se hubiesen inicialmente multiplicado. Muy pronto, aunque suene inconcebible, habría quedado una sola clase de ellos en todo el planeta, común antecesor de todos los seres vivos actualmente existentes⁽¹⁾.

El mecanismo de reproducción de los replicadores iniciales debió ser mucho menos confiable que el que actualmente opera en los seres vivos cuyo genoma está escrito en ADN. Incluso ahora, cuando los genes se replican, siguen ocurriendo errores de copia de vez en cuando. Son los que conocemos como mutaciones ^(a). Los humanos acumulamos como cien de ellas en cada generación. Algunas no son ni dañinas ni benéficas, por ejemplo las que transforman un codón en otro provisto del mismo significado (que representa el mismo aminoácido). Otras resultan fatales, y el embrión afectado no llega al término de su gestación. Otras son simplemente desfavorables, y llevan a la extinción por desventaja competitiva a la variante genética afectada por ellas. Solo unas poquísimas resultan beneficiosas para los organismos dotados de ellas, que empiezan a reproducirse más abundantemente. La acumulación de mutaciones de esta clase, a lo largo de muchas generaciones en poblaciones segregadas, da lugar a la aparición de nuevas especies. Pero en el principio, sin mecanismos de control de calidad, las cosas debieron ser muy diferentes.

De todas las mutaciones que pueden ocurrir, las más influyentes son, desde luego, las que transforman en algún sentido un gen regulador, es decir, un gen cuya expresión influye en la expresión de otros genes. Entre éstas, las más interesantes de todas, son las que, en el espacio de una sola generación, dan lugar a la duplicación o cuadruplicación de una secuencia de genes. Mutaciones como éstas explican que distintas especies se distingan por su número de cromosomas, a su vez resultado de una multiplicación del número de genes. De hecho, en el ADN de todas las especies podemos distinguir grupos de genes homólogos, es decir, que contienen secuencias de ADN muy similares entre sí, obviamente explicables por este tipo de multiplicación. Tales genes han debido originarse de un gen ancestral común para cada grupo. Al comienzo, la producción de una o varias copias del mismo gen no habría tenido ningún efecto en el fenotipo (individuo de la especie). A lo largo de las generaciones, sin embargo, las copias habrían tenido oportunidad de experimentar con variaciones, sin riesgo de que las funciones originales del gen (la producción de ciertas proteínas necesarias para la supervivencia de la especie) se vieran afectadas: una por lo menos de las copias habría continuado cumpliendo diligentemente las funciones tradicionales. Cuando las nuevas formas de los genes resultaran exitosas, por lograr una adaptación al medio más provechosa, los genes con las expresiones novedosas se habrían consolidado en la especie, en beneficio de las futuras generaciones. Comparando las diferencias en las secuencias de estos genes homólogos a través de especies, es posible hacer una estimación aproximada del tiempo transcurrido durante la evolución a partir del gen común original. Una ocupación típicamente arqueológica.

Otro método para investigar la historia del genoma es estudiar los fósiles genéticos. Puede parecer extraño hablar de fósiles en este contexto, pero nos es posible con base en el hecho de que no todos los genes son activos: existen también "genes muertos", inactivados por mutaciones en tiempos evolutivos lejanos. Igualmente, el ADN está lleno de secuencias inertes producto de infecciones de retrovirus. Estos son virus constituidos por ARN el cual, al infectar a una célula en tiempos inmemoriales, habría producido un ADN extraño que se habría episado en algún cromosoma del anfitrión. Y como éstas, muchas otras anomalías genéticas. De hecho, el 97 % de nuestro genoma no consiste de auténticos genes sino de una verdadera colección de basura ancestral. De su gran variedad destacan los pseudogenes que, aunque significativos en cuanto mensajes del lenguaje genético, de hecho nunca se trascriben para producir las correspondientes proteínas por carecer de los "signos de puntuación" necesarios para alertar a las enzimas encargadas de realizar la transcripción.⁽²⁾. Son fósiles químicos inútiles para la célula como instrucciones que pudieran poner en movimiento sus fábricas de proteínas. Paradójicamente, constituyen en cambio un material excelente para los investigadores que tratan de reconstruir el árbol genealógico de la vida. Nada diferente que el caso de otros tipos de arqueólogos que siempre han aprovechado la basura de las comunidades humanas para reconstruir su pasado.

Cuando nos reproducimos, pasamos al nuevo ser una colección completa de nuestro genoma, pero solo después de realizar un intercambio de genes maternos y paternos en el doble genoma que representan nuestros cromosomas. Esa mezcla produce interesantes variaciones de una generación a otra que nos hacen ocupar un puesto único en la biodiversidad que soporta la supervivencia de la especie. Solemos hablar de biodiversidad para referirnos a la riqueza de especies en un determinado territorio o sistema ecológico. Pero podemos usar ese término también para referirnos a la riqueza interna de una especie en particular, por ejemplo la humana. Significa aquí la riqueza de variaciones que corresponde, en cada individuo de una especie, a cada uno de sus genes. Las personas con experiencia en informática pueden pensar en esos lugares del genoma (loci, en latín)^(b) como variables capaces de recibir diferentes valores en distintos individuos. El hecho de que en una determinada población esas variables las puedan llenar muy diversas combinaciones de valores otorga a esa población una enorme capacidad de resistir cambios del medio ambiente. Así, ante un cambio determinado –gradual o catastrófico– siempre habrá un grupo de la población que no resulte desfavorablemente afectado. Es más, como la historia de la evolución lo confirma, algún grupo puede resultar más bien favorecido. Esto contribuye no solo a la supervivencia de la especie sino incluso también a su mejoramiento y hasta –bajo circunstancias favorables– a la generación de nuevas especies. Ante estas realidades científicas se hace claro cuán absurdas eran las ideas sustentadas por algunos pensadores de siglos pasados que estimaron una pretendida "pureza de raza" como un bien deseable, cuando hoy sabemos que una tal "pureza" (pobreza de valores variados para los distintos genes) solo contribuiría a la debilidad genética de la población y a un aumento ominoso de su susceptibilidad a toda clase de taras. Dichosamente, la selección natural nos proveyó de un antídoto muy eficaz para esa pretendida "pureza": el sexo, generador de diversidad.

La maquinaria de la diversidad

Las células ordinarias del cuerpo se multiplican por mitosis, un proceso de división celular que duplica sus dos juegos de cromosomas, contribución de los progenitores, y los distribuye entre las dos nuevas células de manera que ambas posean material genético idéntico al de la célula original. Los gametos, en cambio, como poseen solo una copia del genoma cada uno, deben generarse por otro procedimiento –llamado meiosis– que se las arregla para transmitir, en una sola copia, las contribuciones de ambos progenitores del organismo dueño del gameto. Veamos cómo lo logra.

En el genoma de cada individuo concreto (que identificamos como fenotipo) están presentes variaciones de los genes de la especie que representan solo algunas de las posibilidades alternativas ofrecidas por la especie (cuya riqueza identificamos como genotipo). Decimos que cada gen o lugar genético (locus en latín) puede existir en concreto en alguna de distintas variedades, los llamados alelos. Por ejemplo, el color verde de los ojos lo determina un alelo especial, pero ese mismo gen podría haber estado "habitado" por un alelo para un color distinto. Un mismo locus puede tener como "valor", de conformidad con las reglas de la herencia mendeliana ^(c), algún otro alelo de los que la evolución haya creado para ese gen. Ahora bien, lo que hace la meiosis es mezclar las herencias paterna y materna tanto a nivel de alelos como a nivel de cromosomas enteros, empaquetando el resultado en el gameto (huevo o espermatozoide) para enviarlo como genoma de única copia a la nueva generación (la fecundación unirá los paquetes de padre y madre, formando de nuevo un genoma doble en el bebé). Estas mezclas ocurren durante la primera de dos divisiones celulares que necesita la meiosis para producir gametos (haploides) a partir de la célula germinal (diploide).

La primera mezcla ocurre inmediatamente después de la duplicación del material genético. En ese momento quedan apareadas en una tétrada cuatro copias del genoma, dos de la madre y dos del padre (abuelos que le corresponderían al eventual futuro bebé). Dos de esas cuatro copias –cromosomas homólogos, uno paterno y el otro materno– se entrecruzan en diversos puntos de su secuencia, seccionándose ahí y volviendo a reconectarse de manera controlada, tal que cada segmento se une a un segmento del otro genoma en los mismos loci. El resultado es que se producen dos fenotipos diferentes a los originales. Hablamos aquí de recombinación del material genético. (ROSSIGNOL 92)

La segunda mezcla ocurre en el momento en que, también durante la primera división de la meiosis, el material genético comienza a separarse para integrar los núcleos individuales de las dos nuevas células. Aquí ocurre algo interesante: el genoma humano contiene 23 pares de cromosomas que después de la duplicación preparatoria de la meiosis se convierten en 46, organizados en tétradas según hemos visto. Los radios del huso de división celular van a encaminar a cada mitad de la tétrada, de origen predominantemente⁽³⁾ materno o paterno, hacia polos opuestos de la célula que se está dividiendo. Pero la selección de hacia qué polo se dirige cada mitad de cada tétrada ocurre aleatoriamente. A esta mezcla de cromosomas de procedencia del padre y de la madre la denominamos segregación independiente porque la separación de los pares de cada tétrada se realiza con total independencia de la separación de los otros.

El fruto de las dos operaciones de mezcla es la fantástica originalidad del fenotipo que heredamos a cada uno de nuestros hijos, resultado de esa fabulosa lotería que eleva el número y variedad de características a la enésima potencia, donde "n" es el número de generaciones que queramos considerar, proyectable retroactivamente en teoría hasta los albores del género humano, dos millones de años atrás.

Notas

Nota 1: Compárese esta situación con la descrita en otra parte de esta obra ^(d) en relación con la especie humana: muchas especies de homínidos e incluso varias especies humanas, existieron antes que nosotros. Sin embargo, la selección natural dio cuenta de todas ellas excepto, por el momento, de Homo sapiens sapiens.

Nota 2: Los lectores con conocimientos y experiencia en informática pueden encontrar aquí un paralelo con una rutina que por algún error no es llamada por el programa: tal rutina ocupa memoria en la computadora aunque nunca llegue a expresarse la operación que se suponía que debía hacer. Para completar la analogía, podemos calificar a rutinas así, que el programador olvidó eliminar porque no hacían daño, como "software basura".

Nota 3: La razón de decir "predominantemente" tiene que ver con el hecho de que ya se hizo la mezcla por recombinación y solamente dos de los cuatros genomas son puramente maternos o puramente paternos. Los otros dos son combinados.

Referencias

Nota a: Mutación y deriva genética en Apéndices de la primera colección.

Nota b: Alelos en Apéndices de la segunda colección.

Nota c: Herencia mendeliana en Apéndices de la primera colección.

Nota d: El linaje humano en la segunda colección, bloque b.