DE GENES, GENOMAS Y EPIGENOMAS - Real Academia de … · publicó un libro titulado Arvelighedslærens elementer, los elementos de la herencia, que fue posteriormente traducido al

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 106, Nº. 1-2, pp 81-96, 2013XV Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica

DE GENES, GENOMAS Y EPIGENOMASLUIS FRANCO VERA*

* Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular, Universidad de Valencia. [email protected]ón Investigación Clínico de Valencia, Instituto de Investigación Sanitaria - INCLIVA

A lo largo del presente artículo se realiza un reco-rrido temporal, que abarca desde la segunda mitad delsiglo XIX hasta nuestros días, y que tiene como prota-gonista principal al gen. Como habrá ocasión de ver, elconcepto de gen ha evolucionado desde una idea rela-tivamente simple hasta convertirse en algo tremenda-mente difícil de definir. De hecho, los libros deBiología de hace 50 o 60 años despachaban en pocaslíneas ese concepto, y hoy necesitaremos todo esteartículo para describir algunas características de losgenes. Una descripción tan compleja que, como severá, hace prácticamente imposible dar una definicióndel concepto de gen en pocas líneas. Hasta tal punto esesto cierto, que el historiador Raphael Falk ha descritoel gen como “un concepto en tensión” (Falk, 2000).Pero eso, lejos de resultar algo descorazonador, no esmás que una consecuencia del avance imparable de laBiología: cada nuevo descubrimiento implica un cono-cimiento más perfecto de la realidad de los organismosvivos y resuelve numerosas dudas, al tiempo queplantea un nuevo abanico de interrogantes. Este pro-gresivo ensanchamiento del ámbito de nuestro conoci-miento biológico es, precisamente, una de las causasque confieren a esta ciencia un atractivo especial, a lapar que hace de la investigación una apasionanteaventura.

EL CONCEPTO DE GEN APARECE EN LAHISTORIA

Resulta imposible hablar de genes sin hacer unareferencia inicial al trabajo de Gregor Mendel (1822-

1884). Este fraile agustino pasó casi toda su vida en elmonasterio de Brno, en la actual república Checa.Tenía una gran afición por las Ciencias Naturales quele llevó a utilizar el jardín de su monasterio comocampo de experimentación. Mendel estaba interesadoen la obtención de híbridos de plantas de interésagrícola y en el transcurso de sus estudios experimen-tales observó cómo se transmitían de una generación aotra algunos caracteres, como el color y aspecto de lassemillas y el color y forma de las flores de plantas deguisante. En 1885 Mendel comunicó los resultados desus investigaciones en la Sociedad de CienciasNaturales de Brno, y un año después aparecieronpublicadas en la revista de la Sociedad (Mendel,1886). Clásicamente, se han divulgado bastantesinexactitudes sobre este trabajo original de Mendel,muchas de las cuales han sido aclaradas recientemente(Moore, 2001). Aunque con pleno derecho puede con-siderarse como el artículo fundador de la Genética, locierto es que en el artículo de Mendel no aparece lapalabra herencia. Tampoco aparecen formuladas lasleyes de Mendel como se las comenzó a conocer mástarde. Esto no es de extrañar, puesto que Mendel, comose ha comentado, estaba fundamentalmente interesadoen los problemas de la hibridación de plantas.Tampoco aparece la palabra gen en el artículo original.Mendel se refiere a los rasgos que se pueden observaren las plantas —lo que hoy llamaríamos el fenotipo—con la palabra alemana Merkmal, carácter, de los quejuzga responsables a unas sustancias desconocidas,que designa, siempre en plural, como Elemente, ele-mentos. Esos elementos son, sin duda, lo que hoy, contodas las reservas que se irán estableciendo a lo largo

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de este artículo, llamamos genes. Pero en esta desig-nación, hay algo que interesa reseñar. Hablar de losElemente como de “sustancias” desconocidas, permiteintuir que Mendel atribuía a los genes una entidadmaterial y no meramente un significado abstracto.

Se ha dicho también que el trabajo de Mendel pasóinadvertido hasta su redescubrimiento en 1900.Tampoco esto es exacto. Como señala Moore (2001) elartículo se envió a más de 100 bibliotecas e investiga-dores individuales y fue citado en diversas publica-ciones europeas y americanas, aunque, eso sí, siempreen el contexto de la hibridación, contexto en el quehabía sido escrito. Lo que se “redescubrió” en 1900fue la importancia subyacente en el trabajo de Mendelen el campo de la herencia biológica. Tres autores(Correns, 1900; de Vries 1900; Tschermak, 1900), tra-bajando independientemente, encontraron, al cuanti-ficar la distribución de diversas características en ladescendencia de híbridos de plantas, la misma relación3:1 que había descrito Mendel años atrás y llamaron laatención sobre la importancia de esos resultados deMendel para la interpretación de las leyes de laherencia biológica.

En el siglo XIX Flemming tras sus célebres obser-vaciones microscópicas, acuñó el término “cromatina”para referirse a la sustancia nuclear que se teñía concolorantes básicos (Flemming, 1880) y observó quedurante la mitosis —otro término original deFlemming— la cromatina se condensaba en filamentos(Flemming, 1882), aunque la posterior denominaciónde cromosomas, se debe a Waldeyer (1888). Pero hasta1902 no se relacionaron los cromosomas con laherencia. Fue el resultado de los trabajos indepen-dientes de Sutton y Boveri, que se han resumidorecientemente en artículos retrospectivos (Crow yCrow, 2002; O’Connor y Miko, 2008), dando origen ala llamada teoría cromosómica de la herencia, según lacual, con palabras del propio Sutton,

la asociación de los cromosomas paternos ymaternos en pares y su subsiguiente separacióndurante la división reductora (...) puede constituir labase física de la ley mendeliana de la herencia(Sutton, 1902).

En 1905, el botánico danés Wilhelm Johanssenpublicó un libro titulado Arvelighedslærens elementer,los elementos de la herencia, que fue posteriormente

traducido al alemán (Johannsen, 1909). En él acuñóvarios términos que hoy nos resultan familiares, comofenotipo, genotipo y, especialmente para el interés delpresente artículo, el neologismo gen para referirse a las“sustancias desconocidas” de Mendel. Si Mendelhubiera vivido en el momento de la publicación dellibro de Johannsen, probablemente habría dicho queun gen es un factor, una sustancia de naturaleza desco-nocida, presente en los cromosomas y responsable dela herencia de un carácter.

Hasta entonces, aunque no se conociera la natu-raleza de los genes, existía el consenso de que setrataba realmente de elementos materiales y, por tanto,susceptibles de ser analizados por métodos físicos yquímicos, aunque no se vislumbrara aún la posibilidadde realizar tal análisis. Sin embargo, fue surgiendoentre los investigadores una duda que se puede resumircon la siguiente pregunta: más que responder a unaestructura material, ¿puede ser el gen simplemente unconcepto funcional, apoyado en los resultados obser-vables de la hibridación? Morgan, que obtuvo por susinvestigaciones genéticas el premio Nobel deFisiología o Medicina en 1933 y es considerado comoel padre de la Genética clásica, se hizo eco de esa posi-bilidad en su Nobel Lecture, en la que pronunció lassiguientes palabras:

No hay consenso entre los genetistas sobre qué sonlos genes, si son reales o puramente ficticios, porqueal nivel al que se encuentran los experimentos gené-ticos no existe la más mínima diferencia entre que elgen sea una unidad hipotética o una partículamaterial. En cualquier caso, la unidad está asociadacon un cromosoma específico y puede ser localizadaallí puramente por análisis genético. Por tanto, si elgen es una unidad material, es una pieza de un cro-mosoma; si es una unidad ficticia, debe referirse auna localización definida en un cromosoma, elmismo lugar que en la otra hipótesis. Por tanto, en eltrabajo real en genética, es irrelevante qué punto devista se adopte (Morgan, 1934).

La Genética clásica, pues, había conseguido esta-blecer que los genes eran las unidades de codificacióngenética, responsables de la transmisión hereditaria deun carácter fenotípicamente observable, pero no habíaconseguido decidir cuál era la naturaleza del gen. Esmás, la duda formulada por Morgan en cierto modoponía en duda si el problema de la naturaleza materialdel gen era abordable.

LA BIOLOGÍA MOLECULAR ENTRA ENESCENA

El panorama cambió con la irrupción de la BiologíaMolecular en el estudio de la herencia biológica amediados del siglo XX. Este nuevo enfoque de laBiología aspiraba a dar una explicación a todos losfenómenos biológicos —y no solo al metabolismocomo, obviamente, se había hecho hasta entonces— entérminos de la estructura y cambios experimentadospor las moléculas constituyentes de la materia viva.Además de interesarse por los metabolitos de pequeñotamaño molecular, se fue imponiendo la atención enlas macromoléculas, singularmente en las proteínas yen los ácidos nucleicos. En 1941 ya se sabía que loscromosomas estaban constituidos principalmente porDNA e histonas, aunque había un consenso entre losinvestigadores que identificaba a las histonas comoportadores de la información genética y al DNA se leatribuía un papel fundamentalmente estructural. Buenaprueba de ello es que en el Simposio organizado eseaño por el Cold Spring Harbor Laboratory, con eltítulo Genes and Chromosomes: Structure andOrganization, se aceptó pacíficamente esa idea (véase,por ejemplo, el artículo de Schultz, 1941).

Ese mismo año, Beadle y Tatum (1941) publicaronun importante artículo, cuyo contenido fue determi-nante para que obtuvieran, en 1958, el premio Nobelde Fisiología o Medicina. Para comprender plena-mente su significado, es conveniente recordar que lastransformaciones metabólicas no transcurren de ordi-nario en una sola etapa. Como se recoge esquemática-mente en la figura 1, un precursor S0, se transforma enun producto final, SF, a través de varios intermediarios,cinco en el ejemplo hipotético de la figura, que formanlo que se suele denominar una ruta metabólica. Cadauno de los pasos está catalizado por una enzima, desdeE1 hasta E6 en nuestro ejemplo. Pues bien, Beadle yTatum trabajaron con diversas rutas en el hongomicroscópico Neurospora crassa. Sometieron alhongo a diversos tratamientos mutagénicos, en condi-ciones lo suficientemente suaves como para que soloquedara alterado por mutación un gen y encontraronque, en cada mutante en el que no se llegaba a obtener

el producto final de la ruta, se acumulaba en el mediode cultivo uno de los intermediarios. Si se acumulaba,por seguir con el ejemplo de la figura 1, el interme-diario S4, pensaron, lógicamente, que la mutaciónhabía destruido la actividad de la enzima E5, mientrasque si se acumulaba S2 lo lógico era pensar que sehabía alterado la enzima E3.

De esta manera llegaron a concluir que cada gencontenía la información para la síntesis de una enzima.Esta hipótesis se formuló con el aforismo “un gen-unaenzima”, que, evidentemente, no significa que un gensea una enzima, sino que cada gen es la unidad decodificación para una enzima. Teniendo en cuenta quelas enzimas son proteínas1 y que muchas de ellas estánformadas por varias cadenas polipeptídicas, la hipó-tesis de Beadle y Tatum se puede reformular diciendo“un gen-una cadena polipeptídica”.

Así pues, la primera contribución de la BiologíaMolecular a la definición de gen fue establecer cuáleseran los productos de los genes. La segunda contri-bución fue decisiva. Avery, MacLeod y McCartydemostraron en 1944 que, en contra de la opinióngeneralizada que se ha comentado más arriba, el por-tador de la información genética era el DNA y no lasproteínas (Avery et al., 1944). Aunque los descubri-mientos de Avery y sus colaboradores fueron recibidoscon un cierto escepticismo, afortunadamente hubo des-tacados científicos que aceptaron la idea revolucio-naria y se dedicaron a dilucidar la estructura tridimen-sional del DNA, apoyándose en uno de los postuladosfundamentales de la Biología Molecular, el de que lacomprensión de la función y de la estructura son inse-parables, como dos caras de una misma moneda. Entre

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1 En realidad, existen también ribozimas, moléculas de RNA con actividad catalítica, que al parecer desempeñaron un importante papel enlos primeros estadios de la evolución biológica, pero en los organismos actuales son muy poco numerosas, aunque algunas desempeñenimportantes funciones.

Figura 1. Una ruta metabólica hipotética. Un precursor, S0, setransforma en un producto final, SF, a través de 5 metabolitosintermediarios, designados como S1 a S5. Cada una de las 6reacciones está catalizada por una enzima, designadas comoE1 a E6.

ellos estaba Francis Crick, que junto con JamesWatson y apoyándose en experimentos realizados porotros autores llegaron a proponer la estructura delDNA en el que se ha calificado como el artículo mástrascendental de la Biología del siglo XX (Watson yCrick, 1953a). No es necesario entrar en los detalles deesta estructura, que se comentaron en el IV ciclo delPrograma de Promoción de la Cultura Científica yTecnológica de la Real Academia de Ciencias (Franco,2003). Baste comentar la más importante de sus impli-caciones, que Watson y Crick apuntaban en su primerartículo con las palabras:

No se nos escapa que el apareamiento específico quehemos postulado sugiere un posible mecanismo decopia para el material genético (Watson y Crick,1953a),

y que desarrollaron en un segundo artículo ese mismoaño (Watson y Crick, 1953b). Efectivamente, habíaque resolver cómo se podía copiar la informacióngenética durante la división celular, de modo que lasdos células resultantes de una división mitóticatuvieran idéntica información. Al tener las dos cadenasdel DNA, según el modelo de Watson y Crick, unacomplementariedad de secuencia basada en el aparea-miento específico de guanina con citosina y de adeninacon timina, si se separaban ambas cadenas, sobre elmolde formado por cada una de ellas podría cons-truirse otra nueva por la alineación de los nucleótidoscomplementarios. De este modo, cada molécula deDNA daría lugar en la división mitótica a dos molé-culas hijas, cada una con una cadena antigua y otracomplementaria recién construida, que serían idénticasa la molécula parental.

Tuvieron que pasar algunos años hasta que esahipótesis de Watson y Crick sobre la copia del materialgenético se comprobara definitivamente con el descu-brimiento de una de las enzimas encargadas de la repli-cación del DNA, la DNA polimerasa I. Aunque haydistintos tipos de DNA polimerasas, el mecanismofundamental propuesto en 1958 por el grupo deKornberg (Lehman et al., 1958; Bessman et al., 1958)para la síntesis de cadenas de DNA es común: lasenzimas añaden uno a uno los nucleótidos al extremo

3’ de una cadena preexistente. Desde un punto de vistaquímico, la reacción es:

donde DNAn representa una cadena preexistente deDNA, con n nucleótidos, que, al añadirse uno nuevo,se convierte en DNAn+1. La adición se lleva a cabo apartir de los desorribonucleósido trifosfatos, dNTP(dATP, dGTP, dCTP y dTTP), que son los sustratos delas DNA polimerasas. Los dos fosfatos sobrantes en lareacción se eliminan en forma de pirofosfato inor-gánico, PPi. Evidentemente, el nucleótido añadido nopuede ser cualquiera, sino que para garantizar la exac-titud de la copia del DNA, la DNA polimerasa debeseguir la complementariedad de nucleótidos de la otracadena que actúa como molde. La figura 2 recoge estaidea. Cuando la DNA polimerasa comience a sintetizaruna nueva cadena de DNA a partir del fragmento pree-xistente2, en el ejemplo hipotético de la figura, el


2 En las líneas precedentes, se viene hablando de una cadena preexistente a cuyo extremo 3’ la DNA polimerasa va añadiendo nucleótidos.En las células vivas, esa cadena preexistente, el cebador, es una cadena de RNA sintetizada por otra enzima, la primasa. Los detalles de estemecanismo quedan fuera del alcance de la presente revisión y el lector interesado puede encontrarlos en cualquier libro actual de Bioquímica.

[I]

Figura 2. Representación esquemática de la acción procesivade las DNA polimerasas. (A) La DNA polimerasa (elipse de colornaranja), se ensambla sobre una hebra molde de DNA (lahebra inferior) justo en el extremo 3’ del cebador (secuenciarepresentada en color verde). En el núcleo celular hay suficien-tes dNTPs (representados solo por las letras correspondientes asus bases, A, T, G y C). La flecha roja indica la dirección de des-plazamiento de la enzima. (B) Al ir avanzando, la polimerasaañade al extremo 3’ del cebador el nucleótido complementa-rio al primer nucleótido desapareado en la hebra molde y,sucesivamente, va repitiendo ese proceso de adición al nuevoextremo 3’ de la cadena en crecimiento.

primer nucleótido que añadirá será T, por estar frente aA en la cadena molde; luego añadirá C, enfrentado a G,y así sucesivamente. La DNA polimerasa actúa demodo procesivo, es decir, no se libera de la cadenamolde de DNA sobre la que sigue avanzando a medidaque va añadiendo nucleótidos a la cadena en creci-miento.

Como se ha comentado en otro lugar (Franco,2003, 2008), el propio Crick (1958) postuló lo quepronto comenzó a llamarse el “dogma central” de laBiología Molecular, según el cual, la informacióngenética pasa del DNA a las proteínas a través delRNA. La información que un gen contiene para la sín-tesis de una cadena polipeptídica se transcribe primeroen una molécula de RNA mensajero (mRNA), queposteriormente se traduce para dar lugar a la proteína.La validez del postulado se demostró posteriormente ypermitió reformular el aforismo “un gen-una cadenapolipeptídica” para dar paso a “un gen-un RNA”.Estamos ante un momento culminante en la historia delas definiciones del gen, la que algunos autores handenominado “el gen molecular” (Griffiths y Stotz,2007). Un gen, según esta concepción, es unasecuencia de DNA, que se transcribe para dar un RNA,que, en el caso de ser un mensajero, se traducirá paradar lugar a una proteína.

La transcripción de los genes se lleva a cabomediante la acción de enzimas que reciben el nombrede RNA polimerasas3. Estas solo traducen una de lasdos hebras del DNA, que también en la transcripciónactúa como molde4, y siempre lo hacen recorriéndolade modo procesivo en la dirección 3’-5’5. Teniendo encuenta que la orientación de las dos cadenas del DNAes opuesta y que la hebra molde de un gen concreto notiene por qué ser la misma que en otros, la RNA poli-merasa puede recorrer una molécula de DNA en unadirección u otra, dependiendo de cuál de las dos hebrasactúe como molde. La situación se esquematiza en la

figura 3A, en la que, para simplificar, las dos hebras deuna hipotética molécula de DNA se representan comodos líneas paralelas, prescindiendo de su organizaciónhelicoidal. Los genes —regiones de DNA que se trans-criben, según el concepto de gen molecular que seacaba de exponer— se representan como flechas rojas.La dirección marcada por la flecha indica la del reco-rrido de la RNA polimerasa. Por las razones que se hanexpuesto más arriba, en los dos genes de la hebra deDNA representada en la parte superior la flecha apuntahacia la derecha, mientras que en el gen situado en lahebra inferior se dirige hacia la izquierda. Queda claroque para los genes 1 y 3, la hebra molde es la inferior ypara el gen 2 es la superior. Si se tienen claras estasideas, la representación puede simplificarse, como sehace en la figura 3B. No es necesario representar lasdos hebras del DNA y basta con indicar, mediante una


3 Caería fuera del alcance de este artículo el dar cuenta de la naturaleza, propiedades y funciones de las distintas RNA polimerasas. El lectorinteresado puede encontrar detalles en cualquier texto actual de Bioquímica y un breve recordatorio en la revisión publicada en esta serie(Franco, 2003).4 Es conveniente recordar que el mRNA no existe timina, sino uracilo, por lo que el apareamiento específico entre la hebra de DNA que actúade molde y la cadena de RNA originada es G-C y A-U. La secuencia de la cadena de RNA sintetizada en la transcripción, complementaria ala de la hebra molde del DNA, es, por tanto, idéntica a la del segmento correspondiente de la otra hebra del DNA, que suele denominarse“hebra codificante”.5 Puesto que el RNA naciente es complementario de la hebra molde del DNA, si esta es recorrida en su sentido 3’-5’, la cadena de RNAempieza por el extremo 5’ y va creciendo en el sentido 5’-3’.

Figura 3. Esquema de una posible organización de genes enuna región del DNA. (A) Se representan como flechas rojas lashebras codificantes de los genes. (B) Representación simplifica-da, en la que los genes se indican como flechas rojas, dirigidasen el sentido en que son recorridos por la RNA polimerasa, ylas regiones intergénicas se representan en negro.

flecha, la posición de los genes y el sentido en que sonrecorridos por la RNA polimerasa. La secuencia delRNA transcrito, con la salvedad ya mencionada de queT estará sustituida por U4, corresponderá a la de lahebra codificante, que es precisamente aquella en laque la dirección 5’-3’ coincide con la señalada por laflecha.

La figura 3 pone de manifiesto otra circunstanciadigna de tenerse en cuenta. No todo el DNA corres-ponde a genes. Existen entre unos y otros regionesintergénicas, de longitud muy variable. En los euca-riotas inferiores, como las levaduras, las regionesintergénicas son cortas, mientras que en los superioressuelen ser muy largas. En el genoma humano, como secomentará más adelante, más del 98% del DNAcorresponde a secuencias intergénicas.

Estamos en condiciones de dar un paso más en laelaboración del concepto de gen. Más o menos, lo quese ha expuesto hasta ahora indica el conocimiento de lacuestión en la década de 1970. Un sueño dorado de losbiólogos moleculares era por entonces conseguir unmétodo para obtener experimentalmente la secuenciadel DNA. Gracias fundamentalmente al trabajo delgrupo de Holley (Holley et al., 1965), se disponía yade procedimientos experimentales para obtener lasecuencia de RNAs de pequeño tamaño, como eltRNA. También eran conocidos los métodos parasecuenciar proteínas; Sanger había obtenido en 1958 elpremio Nobel de Química por la secuenciación de lainsulina. En esencia, el método de Sanger consistía enaplicar a un polipéptido la degradación de Edman, unareacción capaz de desgajar el aminoácido N-terminaldejando intacto el resto de la cadena, cuyo nuevoextremo N-terminal correspondería, evidentemente, alaminoácido que ocupaba originalmente la segundaposición. Si el proceso se repetía, era posible ir desga-jando y analizando uno a uno los aminoácidos de lacadena polipeptídica. Pero en el caso de las cadenas deDNA no existía ninguna reacción química similar a ladegradación de Edman, por lo que el problema que sepresentaba era formidable.

Sin embargo, el propio Sanger, haciendo gala de uningenio poco común, consiguió, de una forma radical-mente distinta, poner a punto la secuenciación delDNA (Sanger et al., 1977). El procedimiento seconoce también como “método del didesoxi”, porque

se basa en la inclusión de un didesoxinucleósido tri-fosfato (ddNTP) en la mezcla de reacción catalizadapor la DNA polimerasa. Como se ha visto más arriba,esta reacción añade uno a uno nucleótidos a uncebador, utilizando como sustratos los dNTP. Lareacción que se representó en el esquema [I] añade al-OH 3’ de la cadena en crecimiento el siguiente des-oxinucleótido, que aporta su -OH 5’ para formar elenlace fosfodiéster. Los didesoxinucleósido trifosfatoscarecen del -OH 3’. Pueden incorporarse a la cadenaen crecimiento puesto que contienen el -OH 5’, perouna vez incorporados paralizan el crecimiento ulteriorde la cadena, puesto que carecen de -OH 3’ paraformar el nuevo enlace fosfodiéster. En la figura 4 seesquematiza este procedimiento. Si en una mezcla dereacción preparada para la actuación de la DNA poli-merasa se añade ddTTP junto con dTTP normal (Fig.4A), cuando en la hebra molde se encuentre A, existeuna cierta probabilidad de que se incorpore ddTTP,como se representa en la figura 4B. En ese caso, seaborta el crecimiento de la hebra copiada por la DNApolimerasa y se libera un fragmento de DNA quetermina en T. Pero si la proporción de dTTP es mayorque la de ddTTP, lo más probable es que, en otrasmoléculas, en la hebra en crecimiento se incorpore Tnormal y la DNA polimerasa continúe su acción pro-gresiva. Cuando en la hebra molde se encuentre denuevo A, volverá a repetirse la situación anterior; enalgunas moléculas la síntesis de DNA se abortará y seliberará un nuevo fragmento más largo, que tambiénacabará en T (Fig. 4C), y el resto de las moléculas lasíntesis continuará. Al final, se tendrá una serie defragmentos, de longitud variable, con la característicacomún de que todos terminarán en T (Fig. 4D).Evidentemente, la operación se puede repetir poniendoen la mezcla de reacción otro de los ddNTP. Si seañade ddGTP, se llegará a obtener una serie de frag-mentos de diferente tamaño pero todos terminados enG, y así sucesivamente.

La electroforesis es una técnica de separación demoléculas que se basa en su distinta movilidad en uncampo eléctrico. La movilidad de una moléculadepende directamente de su carga eléctrica e inversa-mente de su tamaño. Por razones hidrodinámicas, laforma de la molécula también influye. En el caso defragmentos de DNA, la carga, debida a los fosfatos, essiempre negativa y como siempre hay un único fosfatoen cada nucleótido y la forma es similar para todos, la


movilidad electroforética prácticamente depende solode la longitud de la cadena: cuanto más larga sea,menor será su movilidad, y viceversa. Con estas ideasen mente, es fácil advertir que si se depositan en un gellos productos de las reacciones llevadas a cabo en pre-sencia de cada uno de los cuatro ddNTP al cabo de uncierto tiempo cada fragmento habrá llegado a unaposición, tanto más alejada del punto de aplicacióncuanto menor tamaño tenga, con lo cual, para elejemplo hipotético de la secuencia especificada en lafigura 4 se obtendrá una distribución como la recogidaen la figura 5.

El fragmento de mayor movilidad será el máspequeño, es decir, el que contiene el cebador y terminaen T. Aparecerá, por tanto, en la carrera en la que sehayan cargado los productos de la reacción en pre-sencia de ddTTP. A continuación, con una movilidadun poco menor, aparecerán los dos fragmentos queacaban en C, que se encontrarán precisamente en lacarrera correspondiente a la reacción en presencia deddCTP, y así sucesivamente. La secuencia del DNA sepuede leer a partir del resultado de la electroforesis,como se recoge en la parte inferior de la figura 5,poniendo los fragmentos por orden de movilidad


Figura 4. Esquema del método de Sanger para la secuencia-ción de DNA. (A) Se prepara una mezcla adecuada para lareacción de la DNA polimerasa que contiene el DNA cuyasecuencia se desea obtener a la que se añade una cierta pro-porción de un didesoxi-NTP (en el caso de la figura, se trata deddTTP, que se representa en rojo). (B) Cuando empieza aactuar la DNA polimerasa (que se omite de la figura por sim-plificar), puede que se incorpore ddTTP. En ese caso, la síntesisse aborta y se libera un fragmento que acaba en T, que sereproduce en la parte inferior. (C) Si la proporción de ddTTP espequeña, en la mayor parte de las moléculas de DNA se habráincorporado T normal, de modo que el crecimiento de la cade-na continúa hasta llegar a una A en la hebra molde. Si enton-ces se incorpora ddTTP en una de las moléculas de la mezcla,se detendrá el crecimiento de la cadena en esa molécula y seliberará otro fragmento que termine en T. (D) Al final de lareacción, se habrá liberado una colección de fragmentos,todos con secuencias complementarias a la de la hebra molde,y todos terminados en T.

Figura 5. Electroforesis de los fragmentos de DNA producidospor el método de secuenciación de Sanger. Se representanesquemáticamente los resultados que se obtendrían en el casode un DNA con la secuencia del recogido en la figura 4. Lasletras G, A, T, C en la parte superior indican las carreras en quese han cargado los productos de la reacción en presencia deddGTP, ddATP, ddTTP o ddCTP, respectivamente. La flecha indi-ca la dirección de migración desde el cátodo (arriba) hasta elánodo (abajo). Al pie se indica la secuencia deducida. Véase eltexto para más detalles.

decreciente y observando en qué carrera aparecen.Inicialmente, para visualizar los fragmentos, se utili-zaban ddNTP marcados con un isótopo radiactivo, conlo que, tras desarrollar la electroforesis en un gel, sepuede poner este en contacto con una película foto-gráfica, que queda impresionada en las posicionescorrespondientes.

El método de Sanger permitió secuenciar muchosgenes en los años siguientes. Como consecuencia deesos estudios se detectaron algunos rasgos caracterís-ticos, tanto de las regiones inmediatamente anterioresa las que se transcriben para dar mRNA, como a lasposteriores, correspondientes a los lugares donde setermina la transcripción. Antes del inicio de lasecuencia transcribible se encuentra en todos los genesuna región que no se transcribe, el promotor, esencialpara el control regulado de la transcripción. El conoci-miento de esos rasgos distintivos de los promotores yde las regiones de terminación permitió identificar, enuna secuencia larga de DNA, dónde podía hallarse pre-suntamente un gen, cuál podía ser su promotor, ycuáles podían ser los lugares de inicio y fin de la trans-cripción. El concepto de “gen molecular” iba tomandocada vez más cuerpo. Podía ya, idealmente, construirseun mapa físico de una región del DNA en el que seidentificaran los genes; algo así como llevar a la rea-lidad la construcción de un mapa auténtico, quedetectara los genes como se ha hecho en el ejemplohipotético de la figura 3.

Comenzaba así a despuntar un sueño: el de obtenerla secuencia completa del DNA de un organismo y,especialmente, la del genoma humano. Pero la tareaera formidable. Con el método de Sanger, en suversión inicial, se podían secuenciar algunos cente-nares de nucleótidos en un día y el genoma humanoestá formado por 3.200 millones de nucleótidos. Eranecesario idear nuevos procedimientos que permi-tieran una secuenciación más rápida. Con todo, en1984 ya se comenzó a planificar lo que se empezó allamar el “Proyecto del Genoma Humano”, enca-minado a obtener la secuencia total. Pero antes,tuvieron lugar unos acontecimientos que complicaronla aparentemente fácil definición de gen, como una

secuencia de DNA, que comenzaba y terminaba enunos sitios precisos y que se transcribía para dar lugara un RNA que, en el caso de los mRNAs, estaba des-tinado a codificar una cadena polipeptídica.

LA CUESTIÓN SE COMPLICA

En 1977, dos investigadores, el británico Richard J.Roberts y el norteamericano Phillip A. Sharp, traba-jando independientemente, descubrieron mRNAs que,tras la transcripción, experimentaban un procesa-miento mediante el cual se eliminaban secuenciastranscritas para dar lugar a la forma madura del mRNA(Berget et al., 1977; Chow et al., 1977). La elabo-ración posterior de este descubrimiento permitiódetectar que, en la inmensa mayoría de los genes euca-rióticos, las secuencias codificantes están organizadasen forma de exones e intrones, que se suceden alterna-tivamente (Fig. 6). La RNA polimerasa transcribetanto unos como otros, pero el transcrito primario, pre-mRNA6, se procesa de diversas maneras. En elextremo 5’ terminal se añade una caperuza y en el 3’terminal habitualmente se incorpora una cola de poliA.Pero el aspecto del procesamiento que aquí interesa esel ayuste7, mediante el cual idealmente se eliminan los


6 En lo sucesivo, se hace referencia solamente a los genes estructurales, es decir a aquellos que se transcriben para dar un mRNA que codifi-ca una cadena polipeptídica. Los genes correspondientes a otros tipos de RNA siguen un mecanismo de procesamiento diferente.7 Siguiendo las recomendaciones de la 4ª edición (en preparación) del Vocabulario Científico y Tecnológico de la Real Academia de CienciasExactas, Físicas y Naturales, el término inglés splicing se traduce como ayuste.

Figura 6. Organización de intrones y exones en un gen euca-riótico y fase de ayuste de su pre-mRNA. La región codificantede un gen eucariótico (azul oscuro) suele estar organizada enexones (azul claro) e intrones (rosa). La RNA polimerasa trans-cribe todo para dar lugar a un pre-mRNA que sufre un proce-samiento. La fase de ayuste de este procesamiento idealmenteelimina los intrones y empalma entre sí los exones para darlugar al mRNA maduro.

intrones y se fusionan los exones para dar lugar almRNA maduro. Así pues, lo normal es que la infor-mación contenida en los intrones no llegue a traducirseen proteínas.

Los mecanismos de ayuste son extremadamentecomplejos y su descripción cae fuera del alcance deeste artículo. Baste decir que el procesamiento—incluido el ayuste— ocurre normalmente de modocotranscripcional, es decir, no suele formarse un pre-mRNA estable, que luego se ayuste —como la figura 6podría sugerir—, sino que el ayuste va ocurriendo amedida que la RNA polimerasa II recorre el gen(Beyer y Osheim, 1988).

Lo que sí es esencial tener en cuenta en estemomento es que en la inmensa mayoría de los geneseucarióticos existen modos alternativos de ayuste. Notienen por qué conservarse todos los exones y elimi-narse todos los intrones, sino que, como se indica en lafigura 7, el ayuste puede saltarse algún exón o reteneralgún intrón, aunque esta última posibilidad es menosfrecuente. De ese modo, de un único pre-mRNA,pueden originarse varios mRNAs. En el ejemplo hipo-tético de la figura 7 son 6 los mRNAs maduros finales.El mRNA1 es, por así decirlo, el normal, en el que sehan perdido todos los intrones y se han conservado los5 exones. En el mRNA2 y en el mRNA3 se ha omitidoun exón; en el mRNA4 se han omitido dos exones; enel mRNA5 se conservan todos los exones, pero se haincluido el intrón 2 y en el mRNA6, finalmente,

además de incluirse el intrón 2 se ha omitido el exón 4.Naturalmente, al traducirse estos mRNAs darán lugara formas distintas de proteína, que, aunque tendrán ele-mentos comunes, pueden tener propiedades funcio-nales muy diferentes.

Se estima que al menos el 95% de los genes queposeen múltiples exones experimentan ayuste alter-nativo, con lo que el número de proteínas diferentesque pueden existir en un organismo supera con crecessu número de genes. Un ejemplo extremo, recogido enla revisión de Cáceres y Kornblihtt (2002) es el del genDscam de Drosophila melanogaster, que codifica unaproteína implicada en las conexiones neuronales, quepuede potencialmente generar 38016 isoformas dis-tintas de la proteína, un número superior al doble delde genes del insecto.

La posibilidad de que de un solo gen surjan múl-tiples proteínas explica la diversidad de organismosque tienen un genoma muy semejante. Pero, por otrolado, aunque no todas las isoformas resultantes deayuste alternativo tengan existencia real en una célula,es evidente que esa posibilidad complica enormementeel establecimiento de un concepto de gen. Ya no sepuede seguir diciendo que un gen codifica una cadenapolipeptídica; como se ha visto, un solo gen puede ori-ginar proteínas diversas, a veces con función contra-puesta. Un caso paradigmático es el de la proteína Fas,localizada en la membrana mitocondrial gracias al seg-mento transmembrana codificado por el exón 6. Laproteína así localizada favorece la apoptosis, o muertecelular programada. Pero existe una isoforma generadapor un ayuste alternativo que omite ese exón. Comoconsecuencia, esa isoforma no se localiza en la mem-brana y es antiapoptótica. Esa circunstancia se da espe-cialmente en células tumorales, lo que añade a lamalignidad de estas células la derivada de su apoptosisreducida (Bonnal et al., 2012).

COMIENZA LA ERA DE LA GENÓMICA

Como se ha comentado antes, cuando se comenzó apensar en el Proyecto Genoma Humano se hizo patentela necesidad de mejorar las técnicas de secuenciaciónde DNA. Una primera mejora fue la automatizacióndel método de Sanger. Si en vez de utilizar ddNTPmarcados radiactivamente, se emplean derivados con


Figura 7. Ayuste alternativo. En la parte superior de la figurase representa un hipotético pre-mRNA en el que los exones sonlos rectángulos de distintos colores y los intrones las líneasrosas. Seis posibles isoformas de mRNA, según conserven opierdan exones o intrones se representan debajo.

distinto color para cada uno de los cuatro ddNTP, lasituación resultante de la electroforesis esquematizadaen la figura 5 sería la recogida en la figura 8A. Pero,evidentemente, ahora no es necesario desarrollar encarreras separadas los productos de cada una de lascuatro reacciones con los diferentes ddNTP. Puestoque cada uno de ellos está marcado con un color dife-rente, aunque se mezclen en una única carrera (Fig.8B), no hay dudas sobre la identificación de los nucle-ótidos. En el ejemplo de la figura, el primero de lacadena —el que da origen a la banda de mayor movi-lidad— está claro que se trata de T, puesto que su colores rojo. Los dos siguientes, azules, corresponden a C,el cuarto es otra vez T, y así sucesivamente. Lo impor-tante, es que esto permite automatizar el método. Si lamezcla de las cuatro reacciones se carga en unacolumna de electroforesis capilar, con lo que se reducela cantidad que hay que aplicar, y si los colorantes sonfluorescentes —lo que permite una detección muy sen-sible— es posible, colocando al final de la columna deelectroforesis los adecuados detectores de fluores-cencia, registrar continuamente la salida de las bandasde cada color, dando lugar a representaciones como lade la figura 9, que permiten la lectura inmediata yautomatizada de la secuencia del DNA problema.

La automatización del método de Sanger permite lalectura de varios centenares de nucleótidos en cadenasde DNA y supuso un importante avance técnico. Sesigue utilizando en la actualidad para fragmentos nodemasiado grandes de DNA, pero todavía fueron nece-sarios considerables avances tecnológicos para con-seguir la secuenciación de grandes fragmentos. Uno deesos avances, fue la pirosecuenciación (Ronaghi et al.,1996). En este método se hace uso de la liberación depirofosfato como producto secundario (ver esquemade reacción I) cada vez que se incorpora un nuevonucleótido a la cadena de DNA en crecimiento, delmodo que se describe a continuación.

La reacción catalizada por la sulfurilasa es capaz decombinar cuantitativamente el pirofosfato con el sus-trato adenosina-5’-fosfosulfato (APS) para dar ATP. ElATP, a su vez, junto con la luciferina, es sustrato de laenzima luciferasa, presente en las luciérnagas y otrosorganismos luminiscentes, y, como consecuencia de lareacción se produce un destello de luz. Los descubri-dores de la pirosecuenciación idearon un procedi-miento para añadir secuencial y reiterativamente loscuatro dNTP a la mezcla de la cadena de DNA pro-blema, el cebador y la DNA polimerasa. A esa mezclaañadieron APS, sulfurilasa y luciferasa. Si el dNTPañadido se incorporaba, se liberaba PPi y, como conse-cuencia, se producía ATP, que daba lugar a un destelloluminoso. Lógicamente, si el dNTP no correspondía al


Figura 8. Un primer paso en la automatización del método deSanger. (A) Los distintos ddNTP se marcan fluorescentementede modo diverso. Esto permite separar los productos de lascuatro mezclas de reacción en una sola carrera, como se apre-cia en (B). El color de la banda indica la naturaleza del nucleó-tido y puede leerse directamente la secuencia que aparece enla parte inferior. Se trata de la misma secuencia del ejemplo dela figura 5.

Figura 9. Registro de una secuenciación automática por elmétodo de Sanger. El análisis por láser de la fluorescencia a lasalida de una columna de electroforesis capilar permite regis-trar las bandas con sus respectivos colores, lo que permite laidentificación inmediata y automatizada de la secuencia.

nucleótido complementario, la DNA polimerasa no loincorporaba y no se producía destello. Pero, evidente-mente, era necesario eliminar rápidamente los dNTPno incorporados, así como el ATP formado en caso deque se hubiera producido incorporación, para poderdetectar el comportamiento del siguiente dNTPañadido. Tanto la eliminación del ATP, como del dNTPsobrante se consigue mediante las reacciones catali-zadas por la enzima apirasa que, en consecuencia, hayque añadir también al sistema de reacción. El conjuntode reacciones que tienen lugar se recoge en la figura10.

Con este diseño, si el dNTP añadido al sistemacoincide con el que debe incorporar la DNA poli-merasa, porque es complementario al primer nucle-ótido libre en la hebra molde, se libera PPi y, comoconsecuencia de las reacciones esquematizadas en lafigura 10, se produce ATP, que da origen a un destelloluminoso, gracias a la reacción catalizada por la luci-ferasa. El ATP, y el dNTP sobrantes se destruyenmediante las reacciones catalizadas por la apirasa. Si eldNTP no se incorpora a la cadena en crecimiento,porque no corresponde al complementario del libre enla hebra molde, no se produce PPi. Por consiguiente,

no se forma ATP ni hay destello luminoso; el dNTP noincorporado se elimina por la reacción de la apirasa.Como se puede controlar precisamente el orden deadición de los dNTPs y se pueden registrar automática-mente los destellos luminosos, una programación ade-cuada de la operación permite decidir qué nucleótidosse incorporan y en qué orden lo hacen. Por tanto, sepuede registrar automáticamente la secuencia delDNA.

En el ejemplo recogido en la figura 11, se ve que aladicionar dATP se produce incorporación, ya que seobserva un destello luminoso. El primer nucleótido dela secuencia investigada es, por tanto, A. Las dossiguientes adiciones, dGTP y dTTP no dan lugar aemisión de luz, luego ninguno de estos nucleótidosocupa la segunda posición. Al adicionar dCTP seproduce un destello de intensidad doble, lo que sig-nifica que hay dos C seguidos en la secuencia. Coneste razonamiento, es fácil comprobar que la secuenciadel fragmento de DNA analizado será ACCGCGTC,secuencia que puede ser leída automáticamente a partirde registros como el de la figura.

La pirosecuenciación permitió la obtención auto-mática de secuencias con mucha más eficacia que elmétodo clásico de Sanger, incluso automatizado, peroaún ese importante avance no era suficiente paraobtener secuencias de genomas complejos en untiempo razonable. No viene al caso analizar con detalletodos los avances técnicos que se fueron sucediendovertiginosamente hasta llegar a los métodos actualesde secuenciación masiva (Shendure y Li, 2008;Shendure y Lieberman Aiden, 2012), que permiten laobtención de la secuencia de un genoma humano enuna semana.

Evidentemente, todos estos avances técnicos, queconfiguran lo que se puede llamar la era de lagenómica, han permitido el conocimiento de losgenomas de numerosísimos organismos. Este conoci-miento está aportando datos muy valiosos, no solodesde el punto de vista académico, sino tambiénaplicado a la Biotecnología y la Biomedicina.

UNA NUEVA COMPLICACIÓN

Pese a los indudables avances de la genómica quese acaban de exponer, desde la perspectiva contem-


Figura 10. Reacciones empleadas en la pirosecuenciación.Véase el texto para los detalles.

Figura 11. Gráfico de salida de una pirosecuenciación. Lasecuencia que corresponde a este gráfico es ACCGCGTC.

plada en el presente artículo, el conocimiento aportadopor la genómica ha complicado notablemente la defi-nición del gen. El concepto sencillo de “gen mole-cular” como un fragmento de DNA con un principio yun final definidos, que codificaba una proteína, se des-vanece. No solo por la posibilidad ya comentada deque, por ayuste alternativo, un gen codifique variasproteínas, sino también porque el conocimiento de losgenomas ha dado lugar a nuevas complejidades.

Una de ellas es la existencia de genes anidados. Setrata de genes, con su propio promotor y con su propiaseñal de terminación, que se encuentran incorporadosen el interior del cuerpo de otro gen. La dirección de latranscripción de estos genes puede coincidir o no conla del gen mayor, como se recoge en la figura 12. Nohay que pensar que, en el caso de que la dirección de latranscripción de los genes coincida, la secuencia de laproteína del gen interior coincide con un segmento dela codificada por el gen mayor, ya que las pautas delectura pueden ser diferentes8.

La secuenciación del genoma humano puso demanifiesto que los genes clásicos representan solo el 1-2% del mismo, como se ha adelantado. El DNA inter-

génico tendía a considerarse como “DNA basura”,algo carente de sentido y procedente de “accidentesevolutivos”. Pero en septiembre de 2003 se inició elprograma Encode (Encyclopedia of DNA elements),que tenía como finalidad el análisis de todos losposibles elementos funcionales presentes en esasregiones intergénicas. Nueve años más tarde sehicieron públicos los primeros resultados sistemáticosdel proyecto, que, aunque solo había conseguido ana-lizar una pequeña fracción del genoma, permitió con-cluir que alrededor del 80% del genoma tenía fun-ciones bioquímicas (The ENCODE ProjectConsortium, 2012). Entre otras cosas, muchassecuencias intergénicas contienen información para latranscripción de RNA no codificante (ncRNA), esdecir, moléculas de RNA que no se traducen para darlugar a proteínas. Además de los RNAs ribosomales yde transferencia, conocidos desde antiguo e implicadosen la traducción, los ncRNA abarcan RNAs depequeño tamaño (micro-RNA, miRNA), RNA deinterferencia (siRNA) y otros, que desempeñan impor-tantes funciones reguladoras (Kurokawa et al., 2009).Las secuencias de DNA que se transcriben a ncRNAno se podrían llamar propiamente genes atendiendo alas definiciones más clásicas, pero no cabe duda deque comparten muchas propiedades con ellos yalgunos autores tienden a otorgarles esa denomi-nación.

Todos estos hallazgos van complicando la defi-nición de un concepto de gen. Aún se complica más lacuestión cuando se estudian casos como el de la subu-nidad I del complejo de la NADH deshidrogenasamitocondrial de trigo. El mRNA maduro de estaenzima está constituido por 5 exones. Hasta aquí, todoparece normal; la complicación surge si se tiene encuenta que el exón a procede de un pre-mRNA, losexones b y c de otro, el exón d de un tercero y, final-mente, el exón e procede del pre-mRNA de otro gen(Chapdelaine y Bonen, 1991).


8 Hay que recordar que un aminoácido está codificado por un triplete de nucleótidos del mRNA y, por tanto, del DNA. La traducción de unmRNA comienza siempre en un codón de iniciación, AUG y, a partir de él, cada triplete codifica un aminoácido. Se conoce como pauta delectura la sucesión de esos tripletes. Supóngase, por ejemplo, que en un mRNA existe la secuencia ..CUAUGCCAUGCUC... Si el primer tri-plete AUG es el codón de iniciación, el segundo triplete de la pauta es CCA, que codifica prolina, el tercero será UGC, que corresponde acisteína. Pero si la traducción empezara por el segundo triplete AUG, el siguiente sería CUC, que codifica leucina y así sucesivamente.Normalmente, la traducción de un gen comienza en un único codón de iniciación, de modo que existe una única pauta de lectura. Pero en ungen anidado su codón de iniciación puede ser un triplete AUG en una fase diferente de la del gen que lo contiene. De ese modo la secuenciade aminoácidos codificada por el gen anidado no se corresponde con la del gen que lo contiene. Para más detalles sobre el código genéticopuede consultarse otro artículo de esta serie (Franco, 2008).

Figura 12. Genes anidados. En la parte superior se representaun gen “sencillo”. Debajo, aparecen dos posibilidades degenes anidados (en color naranja), contenidos dentro del cuer-po del gen principal, uno transcrito en la misma dirección y elotro en dirección contraria.

Evidentemente, resulta difícil definir qué es un gen.Esa dificultad explica que un comentario de la secciónNews Feature de la revista Nature, publicado en 2006,llevara precisamente como título What is a gene?(Pearson, 2006). En ese comentario, después de hacerun recorrido histórico sobre el concepto de gen, laautora terminaba diciendo que la idea de que los geneshumanos forman un largo continuo comienza aimponerse.

LA ERA POSTGENÓMICA

La era genómica resolvió muchos problemas yplanteó otros nuevos, como acaba de considerarse.Pero realmente, se puede decir que la investigación enel campo que nos ocupa está entrando en una nuevaera. La cuestión que se trata en este último aparatadono tiene ciertamente un planteamiento nuevo, pero sílo son las soluciones que se apuntan cada vez con másfuerza. Todo puede partir de una consideración sen-cilla. El cuerpo humano adulto está formado por entre10 y 100 billones de células que pertenecen a 250 tiposcelulares distintos. Todas ellas derivan del cigotoinicial y poseen, en principio, el mismo genoma9. Losalrededor de 20000 genes del organismo humano sehallan presentes en todas sus células, pero es evidenteque cada una expresa una combinación singular deellos que la hace pertenecer a uno de esos 250 tiposdiferentes.

¿Qué es lo que hace que se exprese en cada tejidouna singular y específica combinación de sus genes?La respuesta inmediata es que los diferentes meca-nismos de regulación permiten la expresión génicaselectiva y específica. Dicho de otro modo, a la infor-mación genética debe superponerse otro tipo de infor-mación, que se denomina epigenética10. El términoepigenética fue acuñado por Conrad Waddington en1942, pero en la actualidad suele definirse como el“estudio de los cambios en la expresión génica, here-ditarios por medio de la mitosis y/o de la meiosis, quetienen lugar sin cambios en la secuencia del DNA”

(Rodríguez-Paredes y Esteller, 2011). Desde hace almenos dos décadas, se admite que es imposibleestudiar los mecanismos de regulación génica en euca-riotas sin contemplar la compleja organización de sumaterial genético, por lo que, para comprender lainfluencia de los factores epigenéticos en la regulaciónde la expresión génica, hay que tener en cuenta esaorganización.

Como se tuvo ocasión de comentar en otro artículode este Programa de Promoción de la CulturaCientífica y Tecnológica (Franco, 2003), el DNA euca-riótico no está desnudo, sino formando parte de uncomplejo, denominado cromatina, del que formanparte proteínas y, como recientemente se sabe,ncRNA. Las proteínas más importantes son las his-tonas, de las que existen cuatro clases principales,H2A, H2B, H3 y H4. Pues bien, aunque hay otros fac-tores epigenéticos, los más destacados son las metila-ciones de citosinas en el DNA y las modificacionespost-traduccionales de las histonas.

La metilación de las citosinas tiene lugar en lassecuencias CpG11 y consisten en la introducción de ungrupo metilo, procedente del donador universal S-ade-nosilmetionina, en el carbono 5 del anillo de la base; lareacción está catalizada por DNA metiltransferasas. Enlos promotores de muchos genes se encuentran las lla-madas islas CpG, secuencias en las que el motivo CpGes muy abundante. Pues bien, la hipermetilación decitosinas en las islas CpG de un promotor conduce alsilenciamiento del gen. Se trata, efectivamente, de unamodificación epigenética. La metilación de unacitosina no cambia su capacidad del apareamiento conla guanina de la hebra contraria del DNA y, por tanto,no se afectan las propiedades genéticas, pero elresultado, silenciamiento del gen, equivale a unadeleción del mismo o a cualquier otro proceso genéticoque condujera a la ausencia de un producto funcionaldel gen.

El otro factor epigenético considerado es la modifi-cación de las histonas. En 1964 se descubrió que las


9 Se exceptúa el caso de los linfocitos B y T, que por estar especializados en la respuesta inmunológica, presentan una gran variabilidad gené-tica en regiones concretas de su genoma.10 El prefijo epi- deriva del griego ©B\, que significa encima de, sobre, además de, añadido a.11 Es frecuente designar así las secuencias en las que una desoxiguanina sigue a una desoxicitidina. La p minúscula intercalada simplementerecuerda que en los ácidos nucleicos los nucleótidos adyacentes están unidos a través de un puente de fosfato.

histonas experimentan modificaciones covalentes,acetilaciones y metilaciones, con posterioridad a susíntesis, y se propuso que dichas modificaciones, espe-cialmente la acetilación, podían estar relacionadas conla regulación de la transcripción (Allfrey et al., 1964).Los 50 años transcurridos desde ese descubrimientohan sido pródigos en avances y la modificación post-traduccional de las histonas se contempla hoy comouno de los más importantes factores epigenéticosimplicados en la regulación de la expresión génica.

Además de la acetilación, que afecta a los residuosde lisina, y de la metilación, que modifica residuos delisina o de arginina, existen también fosforilaciones deserinas o treoninas, así como otras modificaciones demenor interés, hasta un total de 140 posibilidades en eltotal de las cuatro clases de histonas (Tan et al., 2011).En cuanto al papel de estas modificaciones, Loidl(1988) propuso que, además de neutralizar las cargaspositivas de los residuos de lisina, la acetilación podíadesempeñar un papel de señalización en la cromatinapara especificar determinadas funciones. La hipótesis,que tuvo el mérito de despertar un gran interés por lamodificación de las histonas, fue extendida años mástarde por Strahl y Allis (2000), que propusieron lahipótesis del “código de las histonas”, según la cual lasdiferentes modificaciones pueden actuar de un modocombinatorial o secuencial para regular las diversasfunciones de la cromatina.

A partir de ese momento, se ha realizado un granesfuerzo para interpretar el significado funcional de lasdiversas modificaciones. Se atribuye a la acetilaciónun papel activador de la transcripción, mientras que lametilación puede desempeñar tanto un papel activadorcomo represor, dependiendo del residuo concreto dehistona a que afecte. La utilización de técnicas a nivelgenómico, que ha revisado recientemente Kimura(2013), ha permitido la obtención de muchos datossobre la utilización de las diversas modificaciones dehistonas.

Se puede decir que la era genómica está empezandoa ser sucedida por la “era epigenómica”. Se hacomenzado ya el análisis del epigenoma humano —demomento limitado al estudio de la distribución de lasmetilaciones del DNA—, del que se esperan obtenervaliosos datos cara a la comprensión de la etiología dediversas enfermedades y a su terapéutica (Franco,

2009). Naturalmente, los avances en la Epigenéticaestán contribuyendo al mejor conocimiento del funcio-namiento de los genes, pero están planteando pro-blemas adicionales que hacen de su estudio unacuestión cada vez más compleja.

Se puede decir, pues, que cada avance resuelve unapregunta, pero plantea un amplio abanico de otros inte-rrogantes. Quizá puede mirarse esta situación con unacierta inquietud, pero este ensanchamiento progresivodel ámbito de la investigación es precisamente lo quehace de ella una aventura apasionante. Es, quizá, lomismo que ocurre en una excursión a la montaña.Cuando se alcanza una cima, con frecuencia se ve quehay otra más alta que desde abajo no se veía. Puedeconsiderarse esa situación con una cierta desespe-ración, pero el verdadero deportista la contemplarácomo un nuevo reto que puede superar.

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DE GENES, GENOMAS Y EPIGENOMAS - Real Academia de … · publicó un libro titulado Arvelighedslærens elementer, los elementos de la herencia, que fue posteriormente traducido al