ESTO ERA UNA VEZ UN CABALLERO, UNA BACTERIA Y UN ELEMENTO MÓVIL DEL GENOMA
Lamarck ha dejado una profunda huella en la historia del pensamiento científico europeo. En este texto se analizan desde la genética y la biología molecular formas no darwinianas de herencia y que han jugado un relevante papel en la evolución de la vida y, en concreto, en la evolución de los mamíferos.
Bernard Shaw fue todo un personaje. Nacido en Irlanda, escritor y dramaturgo en lengua inglesa, premiado con el Nobel de literatura (en 1925) y con un Óscar por la adaptación de una de sus obras a un guion cinematográfico (Pygmalion, escrita en 1912 y adaptada en 1938, lo cual le hace ser la única persona con un premio Nobel y un Ócar), defendió la eugenesia (tan vehementemente como un reaccionario) y la independencia irlandesa (llegándose a unir en 1934 al Estado Libre Irlandés), criticó a ambos bandos durante la Primera Guerra Mundial, situándose del lado del movimiento obrero en su defensa de la paz (previamente se había unido a la Sociedad Fabiana poco después de su fundación en 1880), e inventó un alfabeto para la lengua inglesa con la ambición de que éste sustituyera al alfabeto latino. Su obra literaria fue un instrumento más para expresar toda esta variedad de posicionamiento ideológicos. Desde nuestra óptica de humanos que han traspasado el segundo milenio, es una figura intelectual que resulta polémica se mire por donde se mire.
Era sagaz y capaz de presentar de forma irónica y aguda múltiples cuestiones científicas, sociales y políticas. Por ejemplo, en su obra de teatro “Vuelta a Matusalén (pantateuco metabiológico)”, escrita entre 1918 y 1920 (y puesta en escena en 1922), realiza una descripción perfecta de los experimentos que biólogo alemán August Weismann realizó en 1889:
“Juntó una colonia de ratones y les cortó la cola. Luego esperó a ver si sus hijos nacían sin cola. No nacieron así... Entonces les cortó la cola a los hijos y esperó a ver si los nietos nacían al menos con colas más cortas. Tampoco ocurrió así, como se lo podía haber vaticinado yo; y, con la paciencia y diligencia de que los científicos se jactan, les cortó también la cola a los ratones nietos y esperó, lleno de esperanzas, a que los bisnietos nacieran sin cola. Pero las colas que trajeron al mundo fueron las corrientes, como se lo podía haber profetizado a Weismann cualquier lerdo. Weismann infirió entonces que los hábitos adquiridos no se pueden trasmitir”.
En realidad el experimento fue mucho peor. Weismann cortó la cola a más de 1.500 ratones durante, al menos, veinte generaciones.
Sha, en su infinita ironía partía de la, para él obviedad, falsedad completa de la hipótesis lamarckista. Una hipótesis que estaría por completo desacreditada y, por tanto, merecía cierta mofa en la representación teatral. Con la evidencia disponible en aquellos finales del siglo XIX y principios del siglo XX era la postura más sensata. Weismann, por su parte, recogería el honor científico de ver su nombre asociado a la denominada “barrera de Weismann”: las modificaciones corporales a lo largo de la vida puede afectar a células, tejidos y órganos de un individuo (te pueden cortar la cola) pero no serían transmitidas a la línea germinal (tu descendencia seguirá teniendo cola). Así, la herencia de los caracteres adquiridos (uno de los dos pilares de la hipótesis lamarckista) sería imposible.
¿Es hoy en día sensato mantener la misma actitud hacia los planteamientos de Lamarck? Además de intentar iluminarnos erróneamente sobre cómo pudo originarse un cuello tan largo en las jiráfas, ¿qué decía Lamarck sobre el funcionamiento de la evolución? Viajemos un poco en el tiempo.
WOLBACHIA Y LOS ELEMENTOS MÓVILES DEL GENOMA
A finales del siglo XX, en el departamento de ciencias biológicas de la Universidad de Dundee (Escocia), descubrieron que una pequeña bacteria, Wolbachia,que habita sobre todo los tejidos del aparato reproductivo de entre el 25 y el 70% de las especies de artrópodos (muchas de estas especies no pueden reproducirse sin su presencia) era capaz de pasar de una especie a otra y, posteriormente, transmitirse como nuevo linaje. En el caso investigado, la bacteria pudo transmitirse desde la especie portadora, Drosophila simulans, a una especie de avispa parasitoide, Leptopilina boulardi y, una vez en esta avispa parasitoide, transmitirse a la descendencia por vía materna con una tasa cercana al 1%. Las avispas parasitoides tienen una peculiar forma de completar su ciclo vital: colocan sus huevos mediante un finísimo apéndice oviscapto (que actúa como si de una jeringa se tratase) en el interior de estadios larvarios (normalmente pupas) de otros artropodos. Al introducir el oviscapto en el cuerpo de otro insecto, Wolbachia es capaz de “contaminar” este apéndice y transmitirse a la avispa. El informe (1) publicado en Current Biology en 1999 lo resume así:
“Wolbachia puede transmitirse a una avispa parásita («Leptopilina boulardi») desde su huésped infectado («Drosophila simulans») y posteriormente experimentar una transmisión vertical decreciente en esta nueva especie huésped”.
Quizá no puedan heredarse modificaciones artificiales del cuerpo, pero sí relaciones ecológicas adquiridas ex novo con otros organismos. Weismann dio un respingo en su tumba. Quizá, entonces, la pregunta que proceda es si podemos considerar este tipo de mecanismos no mendelianos de herencia como importantes mecanismos que influyan en la evolución.
Y quizá podamos empezar a responder a esta pregunta observando los resultados obtenidos por Jean Peccoud, y el equipo que investiga con él la evolución de la ecología de las simbiosis de la Universidad de Poitiers (Francia), al analizar el genoma de 195 especies de insectos pertenecientes a 123 géneros diferentes y de 13 órdenes diferentes (2). Resulta que en los últimos 10 millones de años en estas especies se habrían producido al menos 2248 transferencia horizontal de elementos transponibles. Vayamos por partes.
El ADN completo de cualquier especie consta de diferentes elementos. A nivel divulgativo, gen, genoma y ADN se presentan como equivalentes. ¡Error! Ni siquiera tenemos una definición clara de lo que es un gen. En los estudios intermedios y superiores rara vez se explica con el debido detalle que un gen no es una secuencia de bases nitrogenadas que codifica la secuencia de aminoácidos de una determinada proteína. No, no es eso. Un gen puede lugar a múltiples proteínas diferentes. Además, existen múltiples proteínas reguladoras de la expresión génica que son sintetizadas gracias a secuencias de ADN presentes en otras regiones del genoma. Pero es que, además, hay regulación génica a través de mecanismos no proteicos basados en ARN de diferentes tipologías. No vamos a entrar en profundidad aquí (prometo futuras entradas sobre este asunto), pero sí debemos conocer que estos ARN, y ciertas secuencias de ARN que permiten que de un gen puedan sintetizarse múltiples proteínas, forman una gran familia de componentes de nuestro material genético denominados elementos móviles del genoma (MGEs por sus siglas en inglés). Algunos autores del siglo XX los denominaban elementos genéticos egoístas. Dentro de este conjunto elementos móviles están los elementos transponibles.
Generalmente estos elementos móviles del genoma saltan de una zona a otra del genoma de una misma célula, produciendo cambios en la expresión génica. Algunas veces, estos elementos pueden llegar a encapsularse (dentro o fuera de la célula o, incluso, mediante trozos de la membrana plasmática) y tener “vida” más allá de su célula originaria, transmitiéndose a otras células vecinas y produciendo efectos biológicos. Si, lo has adivinado. Este comportamiento te suena de algo. Los virus hacen exactamente lo mismo. Esto se debe a que, probablemente, muchos de los elementos transponibles tienen su origen evolutivo en virus. Virus que “aprendieron” a convivir con su hospedador. ¿O los virus tienen su origen en elementos móviles del genoma? Siendo más probable la primera hipótesis (y teniendo en cuenta que no pocos investigadores proponen que el origen de la vida bien podría haberse basado en el RNA y que, por ende, “en el principio todo eran elementos móviles”), la segunda hipótesis no deja de ser sugerente.
Sea como fuere, “la magia” viene ahora. Lo que el estudio de Peccoud et al. (2017) nos indica es que estos elementos móviles del genoma, de alguna manera, han conseguido viajar entre especies. Si, lo acabas de leer: entre especies. Y a una tasa mínima de una transferencia horizontal de elemento móvil cada 5000 años. ¡Una auténtica barbaridad! Estamos hablando de tasas temporales que permitirían cambios evolutivos relativamente rápidos. Los autores le ponen “peso” a estos cambios evolutivos: aproximadamente un 2% del total del ADN de estos insectos tendría su origen en esta transferencia horizontal de elementos móviles.
Una de las hipótesis que explicaría esta violación generalizada y absoluta de la barrera de Weismann nada más y nada menos que en el filo eucariota más biodiverso del planeta (más de 1300000 especies descritas de artrópodos) es, precisamente, el papel de Wolbachia como “vector” de estos elementos.
Y La cosa se pone todavía más interesante en el tipo de vida más abundante, frecuente y molecularmente diverso de nuestro planeta: las bacterias. La reproducción en eucariotas suele producirse mediante el sexo, lo que da lugar generalmente a una trasferencia vertical del material genético y al cumplimiento de la barrera de Weismann. Hemos visto que este aserto es solamente una generalidad porque, lo que antaño funcionaba casi como un dogma, ahora es más bien algo probabilístico: en la mayor parte de casos el ADN va de arriba a abajo. En las bacterias esta afirmación ya no funciona. ¿La transferencia vertical del genoma se da en bacterias? Si, por supuesto. Lo que ocurre es que la transferencia horizontal de genes es tanto o más importante para entender el conjunto de genes que operan en una determinada bacteria a cada momento. Las bacterias poden “pasarse” fragmentos de genoma, puede recuperar fragmentos del medio y “reciclarlos” para su propia bioquímica, etc. En las bacterias se habla de “pangenomas”. El concepto del “individuo bacteria” se diluye en un pull de genes que casi pueden presentarse en cualquier tipo bacteriano. Está claro que a los eucariotas el concepto pangenoma les quedaría como un chándal tres tallas más grande, pero también es evidente que la transferencia horizontal de elementos móviles ha dado lugar a cambios evolutivos de importancia en ellos.
HERENCIA VERTICAL Y HORIZONTAL EN MAMÍFEROS
Alastair Crisp y un equipo del departamento de ingeniería química y biotecnología de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) demostraron que ciertos enzimas esenciales para la producción del ácido hialurónico tenían su origen evolutivo en una transferencia horizontal acaecida en el momento en el que el resto de animales y los cordados (el nombre que recibe el filo que reúne a los vertebrados con otros dos grupos afines: los urocorados, también llamados comúnmente salpas, ascidias y otros, y los cefalocordados, también llamados peces lanceta o anfioxos) se separaron en su historia evolutiva (3). Esto, que parece una anécdota, es la evidencia de lo importante que puede ser un solo evento en la historia evolutiva. El ácido hialurónico es esencial para que la mayor parte de tejidos tengan la función que tienen, sobre todo aquellos que necesitan cierta flexibilidad en sus intersticios. Probablemente, según los autores, la transferencia provino de alguna especie de hongo, pero fueron las bacterias las que inventaron toda la maquinaria enzimática para la síntesis del ácido hialurónico. Este grupo de investigadores también destaca que los genes que sintetizan las proteínas de membrana que determinan el sistema del grupo sanguíneo en humanos también tendrían su origen evolutivo en la transferencia horizontal de elementos móviles (sistema ABO).
Pero estas investigaciones no son nuevas. Sabemos que nada más y nada menos que la estructura que permite a los mamíferos placentarios su particular sistema de reproducción tiene el origen evolutivo en la transferencia horizontal de cierto tipo particular de elementos móviles del genoma. Durante la formación de la placenta y la implantación del feto en la misma se expresan 6 genes cuyo origen es vírico. Infecciones víricas del pasado que evolutivamente fueron reclutadas para la formación de la placenta. En una excelente revisión de 2012 sobre los virus endógenos de nuestro ADN y su implicación en la evolución de los mamíferos, Cédric Feschotte y Clément Gilbert afirman:
“Las propiedades funcionales heredadas de un estilo de vida viral (como la necesaria unión virus-célula) combinadas con un entorno transcripcionalmente permisivo (como lo es la placenta) parecen haber predispuesto a los genes [con origen evolutivo en virus] a la domesticación convergente en al menos seis ocasiones, creando un nuevo tejido en varios mamíferos, el sincitiotrofoblasto, que ahora es clave para la reproducción del hospedador” (4).
Este sincitiotrofoblasto (sincitio quiere decir en griego literalmente “células todas juntas”) es la capa más externa del embrión en sus etapas más tempranas (también denominado trofoblasto embrionario), cuya función es doble: I) invadir la pared uterina para establecer una circulación de nutrientes entre el embrión y la madre, desarrollando para ello múltiples vellosidades y promoviendo la creación de una intensa red vascular; II) suprimir localmente el sistema inmune de la madre para que no reconozca como extrañas las proteínas del feto (también es importante el “formato sincitial”: los linfocitos, en sus viajes de reconocimiento, utilizan la migración entre las células para pasar de un tejido a otro. Un sincitio no tiene espacios intercelulares. Las células están todas juntas en una “gran célula”).
Pero es que los mecanismos de herencia no darwinianos que saltan la barrera de Weismann y que pueden meterse dentro de ese cajón de sastre de la “herencia de los caracteres adquiridos” no acaba en los elementos móviles del genoma.
Entre 1995 y 1998 el epidemiólogo L. H. Lumey recolectó y estudió los datos médicos disponibles de la llamada “Hambruna Invernal Holandesa” producida por el corte de suministros desde los campos a las ciudades realizado por el Tercer Reich que en 1944 ocupaba Países bajos (5). El corte de suministros se realizó en respuesta a una huelga general que la fuerza del trabajo del ferrocarril había iniciado contra la invasión del país (realizada en alianza con el gobierno en el exilio). Se calcula que durante este bloque murieron más de 20000 personas, la mayoría de ellas hombres de avanzada edad. Sin embargo, la hambruna afectó a toda la población. Lumey se concentró en estos informes en los efectos que tuvo la hambruna sobre las mujeres embarazadas. Pero no se quedó ahí. Dado que Países Bajos es un país que ha conservado muy bien todo lo relativo a los expedientes médicos, consultó el historial médico de la descendencia de esas madres que habían padecido hambruna. Las evidencias de “herencia transgeneracional” son irrefutables. Las mujeres que, estando embarazadas de su primer trimestre, tuvieron severas restricciones nutricionales, produjeron hijas que al quedarse embarazadas daban a luz bebés con un exceso de peso al nacer (aproximadamente un 10% más) con respecto al promedio.
Cuatro años después, en 2002, un trabajo de Gunnar Kaati y dos colegas más de la Universidad de Umea (Suecia) publicado en Nature recogía los efectos, sobre la probabilidad de morir por una enfermedad cardiovascular o por diabetes, de la alimentación paterna (6). La región de Suecia llamada Överkalix, situada geográficamente al norte de las actuales fronteras del país, es una región relativamente aislada del resto del país y con dificultades para acceder a recursos provenientes de otras fuentes, más allá de lo que puedan producir mediante la agricultura y lo que puedan comprar y vender a través de la relativamente cercana Kalix, cuyo puerto al Golfo de Botnia (Mar Báltico) suele helarse en invierno. Sus excelentemente bien conservados registros civiles, permitió al grupo de investigación correlacionar la escasez de alimentos y la bonanza alimentiacia con los riesgos relativos de padecer estas enfermedades “del sedentarismo” en la descendecia. A ello también ayudó la existencia bien marcada en el calendario de estos periodos intercalados de hambruna y abundancia, Kaati y el grupo de la Universidad de Umea encontraron que el efecto sobre la probabilidad de morir de diabetes o de una enfermedad cardiovascular se incrementaba del orden de 4 veces si el padre del descendiente había pasado su infancia (y en concreto el periodo llamado “periodo de lento crecimiento”, o SGP en inglés, que precede a la adolescencia) en una Överkalix abundante y próspera con respecto a un descendiente cuyo padre había vivido una Överkalix menesterosa.
En el maravillosos libros (7-8) de Nessa Carey, La revolución de la epigenéticay ADN Basura se pueden encontrar ampliamente explicados estos fenómenos epigenéticos y su principal causante: los ARN de interferencia. Estos ARN se sintetizan a partir de lo que antes se consideraba como ADN no codificante o ADN basura. Pese a suponer más del 90% del ADN de una especie promedio, la comunidad científica de principios del milenio consideraba toda esa cantidad de nucleótidos como irrelevantes. Sin embargo, la mayor parte de este ADN es, o bien elementos móviles del genoma (que ya hemos visto de lo que son capaces), o bien codifica diferentes tipos de ARN. Uno de ellos, los de interferencia, actúan de forma análoga a proteínas reguladoras de la expresión génica, uniéndose a determinadas regiones del ADN (por ejemplo, regiones donde se van a unir proteínas promotoras de la transcripción que permitirán que determinadas proteínas se sinteticen) e inhibiéndolas. Estas inhibiciones, una vez activadas (por una hambruna, por unos malos hábitos de vida, exposiciones a contaminantes, etc.), pueden transmitirse durante varias generaciones.
LAMARCKISMO DE DOS VELOCIDADES
Charles Darwin escribió en El orígen de las especies que “Lamarck, que creía en una tendencia innata e inevitable hacia la perfección en todos los seres orgánicos, parece haber sentido tan vivamente esta dificultad, que fue llevado a suponer que de continuo se producen, por generación espontánea, formas nuevas y sencillas. (…) Según nuestra teoría, la persistencia de organismos inferiores no ofrece dificultad alguna, pues la selección natural, o la supervivencia de los más adecuados, no implica necesariamente desarrollo progresivo”. Aquí se muestra una de las dos características del lamarckismo: el teleologismo. La evolución, para Lamarck, tenía una tendencia inserta en el proceso. Un objetivo. Ese objetivo era la perfección. Este aspecto lo comparte con los creacionionistas partidarios del diseño inteligente. La perfección era el objetivo y la forma de lograrla era, como reconoce en esta cita Darwin, “suponer que de continuo se producen, por generación espontánea, formas nuevas y sencillas” que se irían perfeccionando mediante un determinado mecanismo evolutivo: la generación de órganos y nuevas funcionalidades mediante el uso de partes del cuerpo de forma novedosa y la transmisión de estas novedades a la prole.
Y es cierto que Darwin, hacia el final del libro, no descartó como mecanismo evolutivo la herencia de los caracteres adquiridos, pero en cierto momento a la hora de hablar de la sociobiología de las abejas sociales se mofa, ciertamente, de este mecanismo proporcionando un argumento negativo contra él:
“El caso [el de las abejas sociales], además, es interesante, porque prueba que en los animales, lo mismo que en las plantas, puede realizarse cualquier grado de modificación por la acumulación de numerosas variaciones espontáneas pequeñas que sean de cualquier modo útiles, sin que haya entrado en juego el ejercicio o costumbre; pues las costumbres peculiares, limitadas a los obreras o hembras estériles, por mucho tiempo que puedan haber sido practicadas, nunca pudieron afectar a los machos y a las hembras fecundas, que son los únicos que dejan descendientes. Me sorprende que nadie, hasta ahora, haya presentado este caso tan demostrativo de los insectos neutros en contra de la famosa doctrina de las costumbres heredadas, según la ha propuesto Lamarck”.
Sin embargo, con todos ejemplos recopilados anteriormente sobre transferencias horizontales y verticales de porciones de ADN o de modificaciones epigenéticas del mismo (y no nos hemos detenido en otros múltiples proceso no darwinianos de herencia) que no siguen la clásica herencia vertical con estricto respeto a la barrera de Weismann, al menos debemos conceder históricamente la veracidad del segundo de los mecanismos que Lamarck proponía como forma de cambio. Es evidentemente falsa la generación espontánea (que su teoría necesitaba para que el objetivo de caminar de la forma simple e imperfecta a la compleja y perfecta se cumpliese), pero es también evidente que la mayor parte de organismos sobre este planeta, a lo largo de su vida, han adquirido caracteres (un virus endógeno, un trozo de genoma circular, una modificación epigenética del ADN, etc.) que han modificado su fisiología, y su biología en general, y que estas modificaciones han sido transmitidas a la descendencia. La historia de la ciencia nos proporciona la etiqueta para denominar a esto “herencia de los caracteres adquiridos”. Es cierto que debemos tener la precaución de separarla de la teología que manejaba Lamarck en su corpus teórico. También es cierto que Darwin manejó racismo y sexismo en sus postulados y no por ello vamos a anular a la selección natural como un proceso mayoritario por el que pasan las especies, cribándose así formas, variedades y fenotipos con el paso del tiempo, adaptándose así al medio. Esta forma de adaptar lo que ya intuyó el barón de Lamarck a la teoría de la evolución actual es lo que se ha venido a denominar neolamarckismo.
CONTEXTO
Este ensayo tiene su origen en una conversación entre @VaryIngweion, @Cienciamundana y un servidor en diferentes servidores de Mastodon
REFERENCIAS
Heath, B. D., Butcher, R. D., Whitfield, W. G., & Hubbard, S. F. (1999). Horizontal transfer of Wolbachia between phylogenetically distant insect species by a naturally occurring mechanism. Current Biology, 9(6), 313-316.
Peccoud, J., Loiseau, V., Cordaux, R., & Gilbert, C. (2017). Massive horizontal transfer of transposable elements in insects. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(18), 4721-4726.
Crisp, A., Boschetti, C., Perry, M., Tunnacliffe, A., & Micklem, G. (2015). Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes. Genome biology, 16, 1-13.
Feschotte, C., & Gilbert, C. (2012). Endogenous viruses: insights into viral evolution and impact on host biology. Nature Reviews Genetics, 13(4), 283-296.
Lumey, L. H. (1998). Reproductive outcomes in women prenatally exposed to undernutrition: a review of findings from the Dutch famine birth cohort. Proceedings of the Nutrition Society, 57(1), 129-135.
Kaati, G., Bygren, L. O., & Edvinsson, S. (2002). Cardiovascular and diabetes mortality determined by nutrition during parents' and grandparents' slow growth period. European journal of human genetics, 10(11), 682-688.
Carey, N. (2013). La revolución epigenética. Ediciones de Intervención Cultural. Biblioteca Buridán. 9788415216230.
Carey, N. (2015). ADN Basura. Ediciones de Intervención Cultural. Biblioteca Buridán. 9788416288663.
