La información necesaria para construir un ser vivo está contenida en el material hereditario. Como en el caso de un manual de instrucciones, sus directrices están perfectamente organizadas y clasificadas, proporcionando a cada una de las células de nuestro cuerpo la información que necesitan en cada momento. La secuencia de nuestro DNA contiene dichas instrucciones en las que, como en el caso de cualquier texto, debemos juntar letras para construir palabras, palabras para construir frases y frases para dar sentido a la información que es necesario transmitir. Las "letras" de nuestro DNA son los nucleótidos, los cuales se agrupan en las unidades de información fundamentales del DNA, los genes. 

Cada uno de nuestros genes codifica una pieza de información biológica, constituyendo conjuntamente nuestro genoma. No obstante, el genoma también da cabida a otros tipos de secuencias de DNA, como por ejemplo aquellas encargadas de regular la expresión de los genes, o secuencias que poseen un papel estructural en la organización del DNA en los cromosomas. Pero quizá el rasgo más peculiar de nuestro genoma es el siguiente: de los 3,000 millones de nucleótidos que componen nuestro DNA, únicamente entre un 1.5% y un 2% codifican información genética. De este modo, ¿qué función desempeña la inmensa mayoría del DNA en nuestro genoma?. La respuesta es todavía incierta. Además de las regiones reguladoras y estructurales anteriormente mencionadas, el genoma contiene una gran cantidad de secuencias repetidas sin función aparente (o al menos conocida hasta el momento). Así, la conclusión más importante acerca de la composición de nuestro material genético es conocida como la paradoja del valor C: la complejidad de un organismo no está relacionada con el tamaño de su genoma (conocido como valor C). Valga como ejemplo citar que el tamaño del genoma de una azucena es 30 veces mayor que el del genoma humano, o incluso el asombroso genoma de la ameba, 200 veces mayor que nuestro propio genoma.

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Figura 10.1.- El DNA que constituye el genoma humano consta de aproximadamente 3,000 millones de nucleótidos. Únicamente entre un 1.5 y un 2% de nuestro genoma contiene información codificante, mientras que el 24% está constituido por secuencias reguladoras de la función de los genes. De este modo, aproximadamente el 75% de nuestro genoma carece de función, al menos conocida hasta el momento.

El DNA humano está físicamente empaquetado en 23 pares de cromosomas (46 en total) que heredamos de nuestros padres en igual proporción. Poseemos así dos copias de cada uno de los cromosomas, constituyendo lo que se denomina cariotipo diploide. En otras palabras, poseemos dos copias de cada uno de los genes que constituyen nuestro genoma. Igual que en el caso de genes independientes, los genomas de las especies también han sufrido episodios en los que han sufrido una duplicación de todo su contenido (whole genome duplication). La duplicación genómica es el resultado de la replicación de todo el material genético de una misma célula, si bien es también posible que se origine a partir de la fusión de los genomas de dos células pertenecientes a especies diferentes (hibridación). En ambos casos, el resultado final es un genoma de mayor tamaño en el que el número total de genes se duplicará (siendo posible que algunos genes desaparezcan o incluso que otros genes nuevos sean incorporados al DNA en el caso de hibridaciones). Habitualmente, una reorganización genómica de tal magnitud acarreará consecuencias fatales para la célula, provocando su muerte. Sin embargo, en una pequeña fracción de los casos, la célula podrá mantener su viabilidad, dividiéndose y dando lugar a una nueva especie genéticamente diferente al resto.

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Figura 10.2.- Las duplicaciones genómicas han jugado un papel fundamental en la evolución de los seres vivos. Por ejemplo, dichos episodios de multiplicación del material genético (indicados mediante estrellas) han resultado en la aparición de innovaciones morfológicas durante la evolución de animales cordados. Imagen adaptada de Lynch, M. (2007), The Origins of Genome Architecture (Sunderland, MA, Sinauer Associates). Las imágenes del agnato, el cefalocordado, el urocordado y el hemicordado son cortesía de M. Buschmann, H. Hillewaert, N. Hobgood y B. Enutzer, respectivamente, con licencia Creative Commons Atribution-Share alike 3.0.

Las duplicaciones genómicas conllevan la multiplicación de absolutamente todo el material genético de una célula. Por este motivo, una estrategia para estudiar estos episodios se basa en la identificación de genes duplicados en el genoma. Este objetivo, lejos de ser trivial, constituye un reto extremadamente difícil de abordar por una razón fundamental: una vez acontecida la duplicación, el DNA continuará cambiando a lo largo del tiempo hasta que eventualmente los rastros de dicha duplicación sean completamente enmascarados por el efecto de millones de años de evolución. No obstante, el avance tecnológico en los métodos de secuenciación y análisis de DNA han permitido identificar duplicaciones genómicas en organismos unicelulares simples como la levadura Saccharomyces cerevisiae y el ciliado Paramecium tetraurelia. Dentro de los organismos pluricelulares, las plantas ofrecen múltiples ejemplos de duplicaciones genómicas, dado que muchas de ellas pueden reproducirse mediante autofertilización (minimizando así el efecto disruptivo que el aumento del genoma posee en la reproducción con sus semejantes). Éste es por ejemplo el caso del arroz (Oryza sativa) y de la planta herbácea Arabidopsis thaliana.

Aunque mucho menos frecuentemente, los animales también han experimentado episodios de duplicación genómica. El libro The Origins of Genome Architecture (Sinauer Associates), publicado en 2007 por Michael Lynch, nos ofrece diferentes ejemplos. Entre ellos, la duplicación genómica ocurrida en un linaje de peces conocido como peces actinopterigios (peces que poseen espinas óseas en sus aletas) sea quizá la mejor documentada. Los estudios llevados a cabo en el pez cebra (Danio rerio) revelaron la presencia de aproximadamente el doble de copias de ciertos genes respecto a los genomas de vertebrados tetrápodos, sugiriendo una duplicación en el genoma de esta especie de pez. La validez de esta hipótesis fue corroborada mediante comparaciones adicionales con otras especies, ubicando el evento de duplicación de su genoma antes de la diferenciación del linaje de peces actinopterigios.

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Figura 10.3.- La comparación entre los genomas de peces actinopterigios y vertebrados tetrápodos ha demostrado que el DNA del ancestro común de ambos linajes estaba organizado en 12 pares de cromosomas. Se evidencia de este modo la presencia de un episodio de duplicación genómica (WGD) durante la evolución de peces actinopterigios. Las imágenes del bichir (género Polypterus), el pez pulmonado, el tiburón y la lamprea son cortesía de S. Shebs, T. Annin, F. Battail y M. Buschmann, respectivamente, con licencia Creative Commons Atribution-Share alike 3.0.

El rastro de un evento de duplicación genómica en el DNA de las especies se diluye a medida que pasa el tiempo. Sin embargo, la comparación entre secuencias de DNA de animales vertebrados e invertebrados ha permitido hipotetizar la presencia de múltiples eventos de duplicación durante su evolución. Los estudios pioneros de Susumu Ohno sobre el papel de la duplicación en la evolución de los genomas (publicados en 1970 en el libro Evolution by Gene Duplication, Springer Verlag) resultaron en la formulación de la hipótesis 2R (o hipótesis de Ohno), según la cual, el genoma de los animales vertebrados ancestrales habría sufrido al menos uno o más ciclos (Rounds) de duplicación para dar lugar al genoma de vertebrados actuales. Dado que el tiempo transcurrido desde estos eventos de duplicación es inmenso (entre 450 y 550 millones de años), todo rastro de información que pueda corroborar o refutar dicha conjetura es prácticamente inexistente. A pesar de que el debate acerca de la validez de la hipótesis 2R continúa en la actualidad, es indudable que la duplicación genómica ha jugado un papel decisivo en la emergencia de muchos grupos de especies a lo largo de la evolución, entre ellos los vertebrados.

Igual que la incorporación de un nuevo capítulo a un manual de instrucciones proporcionaría información más detallada, el incremento en la cantidad de DNA resultante de una duplicación genómica proporcionaría un abanico más amplio de genes. Esto podría traducirse en nuevas especies con una mayor capacidad para adaptarse a nuevos ambientes todavía no explotados, siendo más eficaces en su lucha por la existencia. Sin embargo, el incremento de material genético también puede resultar en un serio lastre evolutivo si rompe el delicado equilibrio en la organización de los genes en el genoma. Imaginemos por ejemplo la inserción de una nueva palabra en medio de una frase, el efecto es fatal si como resultado se genera una directriz confusa en nuestro manual de instrucciones. De una forma muy similar, la función de los genes está a menudo modificada por otros genes en el genoma, denominándose a este efecto epistasis. Por ejemplo, un gen puede ser responsable del color verde en el fruto de una planta. Sin embargo, el efecto epistático de otro gen modificador puede hacer que dicho color sea más claro u oscuro, o incluso que dicho color verde nunca llegue a expresarse y el fruto de esa planta sea de color blanco. Consecuentemente, el modo en que los genes interaccionan entre sí en el genoma es fundamental para la evolución molecular de las especies, tal y como apunta un trabajo recientemente publicado por la revista Nature (Octubre 2012, 490:535).

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Figura 10.4.- La incorporación de nuevos genes alterará el equilibrio funcional del genoma, pudiendo ejercer un efecto negativo o beneficioso sobre la expresión de genes adyacentes. Por ejemplo, la fusión del genoma de una planta A (adaptada genéticamente a vivir en condiciones de luz escasa) con el genoma de otra planta B (sin esta adaptación) resultará en un nuevo genoma más grande en el que el gen responsable de la adaptación a escasez de luz estará presente. Sin embargo, la nueva organización del genoma de la célula híbrida podrá conllevar la inactivación del gen de adaptación a luz escasa, dado el efecto epistático de un gen de la planta B. Consecuentemente, el nuevo genoma únicamente será viable en condiciones de luz intensa donde el gen de adaptación a poca luz no sea necesario.

El avance científico de los últimos 50 años nos ha proporcionado no sólo la habilidad tecnológica para llevar a cabo la secuenciación de genomas completos, sino también la capacidad computacional para comparar altas densidades de información molecular. Conjuntamente, esta estrategia de estudio constituye la herramienta más potente para conocer cómo funcionan los genomas y cómo han alcanzado la complejidad evolutiva que observamos en los seres vivos actuales. Un claro ejemplo es la reciente aplicación de la genómica evolutiva para descifrar el origen de las células eucariotas, nuestras células (Nature, Noviembre 2012, 492:46).

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José María Eirín-López
José María Eirín-López

Investigador y profesor en la Florida International University (Miami, Estados Unidos) y en la Universidad de La Coruña, director del grupo de investigación CHROMEVOL, centrado en el estudio de la estructura, función y evolución de la cromatina.

Sobre este blog

Las alteraciones en el material hereditario son, en última instancia, responsables de la abrumadora diversidad natural que nos rodea.

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