Homeostasis: lo que tienen en común una mosca muy vulgar y una flor extraordinaria

En la entrada anterior me ocupé de una planta, Lacandonia schismatica, cuyas flores presentaban una disposición completamente diferente a la del resto de las plantas con flores. Esta nueva entrada responde a las bases genéticas de esa extraordinaria disposición floral.

Con el descubrimiento de la estructura del ADN por parte de Watson y Crick, el año 1953 marcó el inicio de la Biología Molecular y con ella el comienzo de una nueva era en la investigación biológica. Esencialmente, lo que Watson y Crick demostraron es que la información genética, esto es, la información necesaria para construir un organismo, sea una bacteria, una planta, una mosca o un ser humano, está contenida en la estructura de una molécula concreta que tiene unas características químicas determinadas y que se puede aislar, estudiar y eventualmente modificar.

Desde entonces, el análisis experimental de los fenómenos biológicos más profundos, los procesos mediante los cuales se construyen y funcionan los seres vivos, quedó conceptualmente reducido al estudio de cómo se libera la información contenida en el ADN. Un principio que emergió rápidamente de los primeros estudios moleculares es el de la universalidad de los procesos biológicos fundamentales. El ADN es la molécula codificadora de todos los seres vivos. Químicamente el ADN de un pino, de una levadura o de un ser humano son indistinguibles. Además, el código genético, el procedimiento por el cual se traduce la información del ADN en proteínas, que son los componentes fundamentales de los seres vivos, es asimismo universal. E igualmente son generales muchos procesos celulares como el metabolismo energético, el control de la división celular, los mecanismos de transporte intracelular etc.

Sin embargo, la gran diversidad morfológica que presentan los organismos multicelulares, especialmente los animales, produce tal impresión de complejidad que hasta hace poco no se concebía que existieran leyes generales aplicables a todas las especies. Hay en la actualidad millones de seres vivos y han existido muchos más que manifiestan una enorme variedad de formas, tamaños y ciclos vitales. Era difícil imaginar que debajo de esta gran variabilidad morfológica y funcional subyacen unos mecanismos unitarios universales.

Complejo homeótico de Drosophila melanogaster.
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El término homeótico viene del griego homeo, que significa semejante. En Biología del Desarrollo, la homeosis es la transformación de una parte del cuerpo en otra como resultado de la mutación o de la alteración de la expresión de genes críticos en el desarrollo. En los animales, los genes homeóticos también llamados genes Hox (acrónimo de homeobox) reciben precisamente ese nombre por ser los responsables de cambios como los de la homeosis, mientras que el sufijo “box” alude a que se encuentran asociados en el cromosoma formando una secuencia muy conservada de 180 nucleótidos llamada caja homeótica. Además, presentan ligamiento físico, es decir, aparecen organizados en complejos o clusters dentro del mismo cromosoma. Muestran colinealidad espacial, es decir, el orden que muestran en el cromosoma corresponde al orden de expresión en el eje anteroposterior de animal.

Son genes que ejercen el control maestro del desarrollo embrionario porque determinan la identidad de los segmentos o partes individuales del embrión en sus etapas iniciales. La función normal de los genes Hox consiste en conferir a la célula identidad espacial o posicional inequívoca en el cuerpo. Se descubrieron en la mosca Drosophila melanogaster (la mosca de la fruta) hace 90 años, y después se encontraron en muchos otros organismos, incluida la especie humana.

Foto 3: Mutación Antennapedia
de Drosophila melanogaster. 
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Drosophila es un insecto pequeño, de 1 mm de largo y aproximadamente un millón de células, que abunda en todo el mundo, con un ciclo biológico muy corto de 9-10 días, y que es muy fácil de cultivar en el laboratorio. Ha sido un modelo clásico de investigación en Genética durante el siglo XX y es con gran diferencia el organismo multicelular donde las tecnologías y métodos genéticos son más sofisticados. Como ocurre con el resto de los artrópodos, una característica importante de la organización del cuerpo de Drosophila es que es un organismo metamerizado. El cuerpo consiste en una cadena de segmentos o metámeros que se desarrollan de forma independiente unos de otros y que confieren la estructura segmentada típica de los insectos. Esta organización metamerizada se establece desde los inicios del desarrollo embrionario, en el que ya se encuentran separadas las células que formarán cada segmento, el cual se desarrolla de forma particular tanto en sus aspectos externos como las estructuras internas, musculatura, sistema nervioso, etc.

Los genes homeóticos se activan posteriormente a la expresión de otros genes implicados en el desarrollo. En el caso de D. melanogaster, primero se expresan los genes de polaridad del huevo, que determinan los ejes anteroposterior y dorsoventral del huevo; después lo hacen los genes de segmentación, que determinan el número y la organización de los segmentos del cuerpo. Los productos de estos genes activan a los genes homeóticos que determinan la identidad de cada segmento.

Los genes Hox están dispuestos de manera sorprendente en el genoma de D. melanogaster: alineados en el mismo orden en que están dispuestas las partes del cuerpo en las que actúan. Esta organización está conservada en la mayor parte de los animales, en los que los genes Hox se encuentran alineados de manera similar a como los encontramos en la mosca. Su papel es fundamental, porque indican a la célula si forma parte de la cabeza, del tórax o del abdomen del individuo: no saben construir troncos, ni abdómenes, ni patas ni antenas o, dicho de otra forma, no saben hacer estructuras útiles, solo saben ordenarlas espacialmente a lo largo de un eje. Por esa razón se conocen como genes reguladores.

Mutación Ultrabithorax en D. melanogaster.
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Si eso es así, ¿quién es el que sabe cómo hacer las estructuras orgánicas? Otros genes, naturalmente: los genes realizadores. Unos pocos centenares de genes de la mosca contienen la receta para hacer una pata, otros para elaborar una antena y así sucesivamente. Lo que hacen los genes Hox es colocar a los genes realizadores, de forma ordenada a lo largo de un eje, para que cada estructura se sitúe en el sitio correcto. Si sufren una mutación, estos genes adquieren la capacidad de transformar un segmento de su cuerpo en una réplica de otro. Ejemplos típicos en D. melanogaster son las mutaciones Antennapedia y Ultrabithorax. La primera tiene como resultado la transformación de antenas en patas (Foto 3) y la segunda provoca la transformación de los halterios en un par de alas adicional, lo que provoca que la mosca mutada, un díptero, pase a ser tetráptera (Foto 4).

El descubrimiento de estas mutaciones tiene gran importancia porque indican la existencia de mecanismos de control general del desarrollo. En una mosca mutante con cuatro alas como la producida por la mutación Ultrabithorax de la figura no se produce un desarrollo aberrante, ya que las alas adicionales que se forman en lugar del halterio son normales, lo que es anómalo es el sitio del cuerpo donde aparecen. La conclusión es que la función normal del gen seria reconocer la posición de células que han de formar el halterio y establecer en ellas el programa de desarrollo apropiado; en las moscas mutantes este grupo de células no es reconocido correctamente y adquieren un desarrollo inapropiado.

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Aunque inicialmente se descubrieron en D. melanogaster, los genes homeóticos se han identificado en la mayoría de los seres vivos, incluidos los seres humanos y, desde luego, en las plantas. En estas, al igual que en el resto de los organismos, las mutaciones que afectan a estos genes son responsables de la aparición de alteraciones en el desarrollo corporal. Los cambios homeóticos fueron estudiados en Arabidopsis por el biólogo del Caltech Elliot Meyerowitz. En un trabajo clásico sobre el genoma de esa planta (pulse aquí para acceder a él) Meyerowitz y colaboradores observaron la mutaciones que afectaban a la estructura de la flor.

La forma silvestre de esta planta posee cuatro sépalos, cuatro pétalos blancos, seis estambres (cuatro largos y dos más cortos) y dos carpelos fusionados. Los mutantes de clase A tenían carpelos en lugar de sépalos y estambres en lugar de pétalos; los otros verticilos eran normales. Los mutantes de clase B tenían sépalos en el primero y segundo verticilo y carpelos en el tercero y el cuarto. El grupo C tenían sépalos y pétalos en su posición normal, y pétalos en el tercero y sépalos en el cuarto.

Meyerowitz y colaboradores concluyeron que cada clase de mutantes carecía del producto de un gen o de un grupo de genes necesarios para el desarrollo adecuado de la flor. Los mutantes de la clase A carecían de la actividad de los genes A; los de clase B de los genes B y los de clase C de los genes C. De modo semejante a como los genes homeóticos de los animales se expresaban en distintos segmentos, propusieron que los genes de clase A tenían actividad en el primer y el segundo verticilos, los B en el segundo y el tercero y los C en el tercero y el cuarto. Los productos de los genes A hacían que el primer verticilo se diferenciase a sépalos. Los productos de los genes de clase A junto con los B hacían que el segundo verticilo se diferenciara a pétalos. Los genes C y B inducían al tercer verticilo a formar estambres. Los genes C hacían que el cuarto verticilo formara carpelos.

En estudios posteriores se aislaron los genes de cada clase. La clonación y secuenciación de estos genes demostró que son genes que contienen unas secuencias específicas, las denominadas cajas MADS, que tienen un papel similar al de las cajas homeóticas de los animales. Regulan el desarrollo de las estructuras de las flores, donde controlan la transición del crecimiento vegetativo al generativo y determinan la identidad del meristemo en la inflorescencia. Los productos de las distintas clases de genes homeóticos interactúan para determinar la formación de los cuatro verticilos que constituyen la flor completa.

Y ahora vamos de una vez por todas con el caso de Lacandonia. El cambio de posición entre los órganos masculinos y los femeninos de la flor de Chiapas es un ejemplo de libro de homeosis, toda una confirmación de las cajas MADS que debe encantar a Meyerowitz y colaboradores. En una monocotiledónea normal primero se activa el gen que codifica los tépalos, luego el de los carpelos y finalmente el relacionado con los estambres. En Lacandonia es al revés: primero, se activa el de los tépalos, pero enseguida funciona el de los estambres y finalmente el de los carpelos, es decir, primero se forman los órganos masculinos y luego los femeninos; por eso la posición final de los órganos sexuales (ovarios y estambres) resulta invertida.

Triuris brevistylis
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Si ustedes pulsan este enlace accederán a una magnífica colección de fotografías de Triuris brevistylis, una triuridácea dioica y aclorofílica cuya semejanza con Lacandonia es más que notable, una semejanza que no pasó desapercibida a un grupo de investigadores mexicanos entre los que se encontraba Esteban Martínez, el descubridor de la especie, quienes en 2003 publicaron un artículo en el que planteaban la hipótesis de que Lacandonia se originó de un ancestro común con T. brevistilis, que tenía individuos en algunas poblaciones aisladas con estambres centrales y carpelos periféricos. El ancestro habitaba todo el entorno de la Selva Lacandona en épocas con clima más frío. Este ancestro sufrió una mutación y al cambiar la temperatura las plantas originales desaparecieron dejando a los descendientes de tierras altas (T. brevistilis) y en las partes bajas a Lacandonia.

Esta hipótesis, junto con otras evidencias y el ojo entrenado de cualquier taxónomo, ha provocado que, en el moderno sistema de clasificación de las plantas con flores, la familia Lacandoniaceae haya ido a parar a donde habita el olvido y Lacandonia haya pasado a ser un miembro (distinguido, eso sí) de la familia Triuridaceae.

Bibliografía utilizada

Genes homeóticos.

Ambrose, B.A., S. Espinosa-Matías, S. Vázquez-Santana, F. Vergara-Silva, E. Martínez, J. Márquez-Guzmán y E. R. Álvarez-Buylla. 2006. Comparative developmental series of the Mexican triurids support a euanthial interpretartion for the unusual reproductive axes of Lacandonia schismatica (Triuridaceae). American Journal of Botany 93(1): 15-35.

Morata, G. 2001. La historia de los genes homeóticos. Arbor CLXVIII, 662:  229-246.

Ronse De Caene, L. P. 2003. The evolutionary significance of homeosis in flowers: a morphologica perspective. International Journal of Plant Science 164(5 Suppl.): 5225-5235.

Sampedro, J. 2002. Deconstruyendo a Darwin. Drakontos Bolsillo, Ed. Crítica. Madrid.

Vergara-Silva, F., S. Espinosa-Matías, B. A. Ambrose, S. Vázquez-Santana, A. Martínez-Mena, J. Márquez-Guzmán, E. Martínez, E. M. Meyerowitz and E. R. Alvarez-Buylla. 2003. Inside-out flowers characteristic of Lacandonia schismatica evolved at least before its divergence from a closely related taxon, Triuris brevistylis. International Journal of Plant Science. 164(3): 345-357.