Nota del editor: Nos complace presentar este extracto del capítulo 4 del nuevo libro Epigenética y el arquitecto: evidencia de Diseño en la vanguardia de la biología, de Thomas E. Woodward y James P. Gills, MD (Discovery Institute Press).
Desde que los científicos descubrieron el nuevo continente molecular del epigenoma y comenzaron a explorar sus costas, a recorrer sus soleadas playas y a adentrarse en sus oscuros y misteriosos bosques, las sorpresas no han cesado. Este viaje de descubrimiento ha estado íntimamente ligado a la pregunta de cómo una célula madre —en nuestro caso, un óvulo humano fecundado con su vasto depósito de información codificada en la molécula de ADN— puede diferenciarse en todos los tipos de tejido del cuerpo.
Por ejemplo, el hombro humano contiene cientos de miles de millones de células y diversos tipos de tejidos, incluyendo fibras musculares, redes nerviosas y estructuras óseas. Cada componente está perfectamente alineado e interconectado para lograr una funcionalidad exquisita, y cada tejido cumple una función específica para sostener y facilitar el movimiento de la articulación. La formación del hombro comienza de forma sencilla, a nivel molecular. Durante el desarrollo, cada célula debe funcionar a la perfección para asegurar la correcta maduración del hombro, aunque la primera célula del ser humano —el cigoto, fruto de la fusión del óvulo y el espermatozoide— tiene funciones radicalmente distintas a las de la formación de los huesos, nervios, músculos y células de la piel del hombro. ¿Qué permite la diferenciación y la ubicación celular necesarias? ¿Qué crea la compleja red estructural? ¿Qué determina la función única de cada célula especializada dentro de ese sistema? Resulta que el epigenoma es clave en este proceso.
Clave del proceso
A medida que avanza el desarrollo, el sistema epigenético dirige a cada célula hacia un uso único de sus archivos de ADN. Este sistema, situado por encima del ADN y manteniendo un contacto íntimo con su riqueza genética, representa un descubrimiento revolucionario. Pero a medida que los científicos han avanzado en la comprensión de las funciones del epigenoma, ha surgido otra revelación: cada uno de nosotros lleva en su cuerpo más de doscientas versiones del epigenoma. Esto se debe a la miríada de tipos celulares que componen nuestro organismo. Incluso según estimaciones muy conservadoras, el cuerpo humano contiene cientos de tipos celulares (por ejemplo, células sanguíneas, células de la piel, células óseas, células nerviosas). Y si bien todas comparten el mismo genoma básico, cada tipo celular posee un conjunto único de software epigenético, diseñado específicamente para ese tipo celular. Este hecho podría ser la mayor sorpresa surgida de los estudios epigenéticos.
El investigador en epigenética Berkley Gryder señala que, si incluimos todas las etapas de desarrollo celular en un feto humano, el número de epigenomas distintos sería astronómico: miles. Así pues, mientras que el Proyecto Genoma Humano solo tenía que mapear un sistema de información genómica, un Proyecto Epigenoma Humano tendría una tarea mucho más compleja. Si se incluyen en el recuento los distintos epigenomas correspondientes a los diferentes estados celulares de transición, dicho proyecto tendría que estudiar y mapear varios miles de sistemas.
Una perspectiva desalentadora, pero los científicos han respondido al desafío. Para empezar, los Institutos Nacionales de la Salud supervisaron un proyecto llamado Mapa del Epigenoma, cuya fase inicial mapeó 111 tipos de células, mientras que los científicos de ENCODE mapearon otros dieciséis, lo que dio a los investigadores un total de 127 mapas epigenéticos. ENCODE publicó sus revolucionarios hallazgos en 2012 con la publicación de cerca de treinta artículos en diversas revistas científicas, incluida Nature, informando que aproximadamente el 80 por ciento del genoma es bioquímicamente funcional. Los investigadores estudiaron otros tipos de células en la década siguiente, descifrando aún más códigos epigenéticos.
Estudios recientes confirman que los procesos de control se dirigen desde una red de información externa al ADN, dirigida para mantener la salud de todo el organismo. La revelación que cambia el paradigma ya se ha asimilado: el ADN por sí solo no dirige la célula. Es, a su vez, dirigido por un sistema de autoridad superior.
Revisando a la ingeniera de construcción
Aunque los términos epigenoma y epigenética eran prácticamente desconocidos para quienes no pertenecían al campo de la genética a principios del nuevo milenio, en 2009 la epigenética mereció un artículo en el New York Times. En «De un genoma, muchos tipos de células, ¿pero cómo?», el divulgador científico Nicholas Wade señaló: «Uno de los misterios más persistentes de la biología es que una variedad de células especializadas colaboran en la construcción de un cuerpo, a pesar de tener todas un genoma idéntico».
Como explicó a continuación, los científicos han llegado a la conclusión de que, para desarrollar el cerebro, el hígado, los huesos, el corazón y muchas otras estructuras, debe existir un conjunto diferente de instrucciones hereditarias, más allá del ADN, que actúan para «activar» líneas clave del guion en cada célula, mientras que otras se vuelven funcionalmente invisibles. Wade comparó las diversas funciones de las células humanas con una situación en la que diferentes actores leen el mismo guion maestro, mientras que instrucciones adicionales, ajenas al guion, les impiden ver las partes que no les corresponden. Dentro de un conjunto de células vivas, las células individuales, análogas a los actores, no ven el guion completo del ADN, es decir, el conjunto completo de genes. Las porciones del guion del ADN irrelevantes para una célula en particular están bloqueadas por marcadores epigenéticos.
Como explican los genetistas citados en el artículo de Wade, el epigenoma controla el acceso a los genes, bloqueando muchos de ellos y permitiendo que cada tipo de célula active sus propios genes específicos. Los investigadores han concluido además que el epigenoma no solo interviene en la definición de los genes accesibles para cada tipo de célula, sino también en la dirección del proceso de activación de los genes accesibles.
Así, el epigenoma dirige el ADN para crear muchos tipos diferentes de tejidos en el cuerpo a partir de una sola célula madre. Si cada persona tiene más de doscientas versiones distintas del epigenoma y, por lo tanto, tantos directores de orquesta distintos desplegados en diferentes tipos de células, cada uno con una partitura musical propia, esto plantea preguntas cruciales. ¿Cómo se establecen las múltiples versiones del epigenoma? ¿Y cómo se reescriben después de que el epigenoma inicial comienza a ejercer su función directiva en el cigoto? ¿Qué sistema dirige la reescritura del propio sistema epigenómico? En pocas palabras, ¿cómo se despliegan tantos directores epigenéticos a partir de un único óvulo fecundado?
El código del cigoto
Este es un proceso complejo que debe repetirse decenas de veces, a medida que las células se diferencian desde su punto de partida. Según las respuestas de los genetistas que Wade entrevistó, el ADN reescribe el epigenoma cuando es necesario, y el epigenoma redirige el uso del ADN de nuevas maneras a medida que surgen nuevos tipos celulares.
Sin rechazar por completo esta relación circular de causa y efecto (supondremos que tiene algo de cierto), parece una descripción extraña de la causalidad. Lo que Wade no menciona es el papel fundamental de la arquitectura interna del cigoto en la producción del plan corporal único de cualquier especie superior, ya sea un lirio, un escarabajo, un canguro o cualquiera de los millones de formas de vida que existen. La estructura tridimensional del cigoto parece ser de suma importancia. Cada molécula, cada detalle estructural, cada rincón atómico del cigoto contribuye potencialmente a su destino. Algunos embriólogos han propuesto que el patrón molecular preciso del interior del cigoto (en nuestro caso, el embrión humano unicelular fecundado) es el lugar donde se encuentra el código epigenético supremo: el código maestro. Llamémoslo «código del cigoto».
Para explorar el misterio informacional del cigoto en este libro, nos hemos guiado en parte por el biólogo celular Jonathan Wells, el recordado científico que realizó un trabajo pionero en este campo. Obtuvo su segundo doctorado en biología celular y del desarrollo en la Universidad de California-Berkeley, especializándose en embriología.
Tras publicar investigaciones sobre embriología revisadas por pares durante su estancia en Berkeley, escribió varios artículos y numerosos libros sobre teoría evolutiva. Pero lo que nos interesa aquí es su artículo de 2014 en la revista BIO-Complexity, que cuestiona la creencia generalizada de que el plan corporal tridimensional único de un animal puede especificarse a partir de un simple código de ADN unidimensional, letra por letra.
Cuando el cigoto se encuentra en el umbral de la división celular y el desarrollo embrionario, dentro de esa célula existe un objetivo estructural, como en el caso de un olmo, un león o un colibrí. Sin embargo, ¿dónde se encuentran los planos arquitectónicos para ese objetivo dentro de la célula? Wells revisó la escasa evidencia que otros científicos habían reunido para argumentar que solo el ADN contiene los planos para la organización espacial de las células, planos que, según se decía, conducen a la construcción de un nuevo miembro de una especie en particular. Luego describió varios experimentos fascinantes con embriones que apuntan en otra dirección: ciertos patrones estructurales en el cigoto portan lo que él denominó «información ontogenética».
Dentro del óvulo
Para comprender mejor algunos de estos descubrimientos epigenéticos, imaginemos un submarino ficticio en miniatura, esta vez descendiendo hacia el interior de un óvulo.
Mientras el submarino desciende, el único sonido es el suave zumbido de su sistema de propulsión, pero a medida que la nave gana velocidad, un silbido se mezcla con el zumbido. Pronto, el óvulo se vislumbra ante nosotros, con la apariencia de un pequeño planeta. Este planeta viviente se hace cada vez más grande hasta llenar por completo la vista frontal del submarino. «Nos dirigimos a la famosa zona pelúcida que rodea el óvulo», explica el guía mientras pilota la nave.
Artículo publicado originalmente en inglés por Thomas Woodward, Ph.D y James Gills, M.D. en Science & Culture
Crédito de la imagen destacada: Niña Sesina, CC BY-SA 4.0
