Reescrivint l’origen de l’ADN humà
ADN mitocondrial
L’anàlisi de l’ADN és crucial en biomedicina i en estudis evolutius. Diversos treballs publicats el 2018 van qüestionar algunes de les assumpcions més comunes de les teories sobre l’ADN mitocondrial i sobre les relacions de parentiu del llinatge humà, la qual cosa obliga a revisar la interpretació d’algunes de les dades obtingudes.
Els mitocondris són uns orgànuls cel·lulars que produeixen ATP (trifosfat d’adenosina), la molècula que actua de moneda de bescanvi energètic dins la cèl·lula. Fa temps que se sap que dins seu tenen un petit fragment d’ADN, el cromosoma o genoma mitocondrial. Conté 37 gens, que codifiquen proteïnes indispensables perquè aquest orgànul funcioni. Tradicionalment s’ha dit que en els animals tots els mitocondris s’hereten exclusivament per via materna a través de l’òvul. Això fa que tots els cromosomes mitocondrials dels mitocondris d’un individu siguin idèntics entre si –un concepte que s’anomena homoplàsmia–, i que també siguin idèntics als de la seva mare. Aquest fet s’ha utilitzat per a establir llinatges matrilineals fent un seguiment de les diferències genètiques que poden presentar per atzar els cromosomes mitocondrials entre famílies diferents, atès que mai es barrejarien entre si.
Fa uns anys, però, es va descobrir que algunes espècies d’animals són una excepció a aquesta norma i que, en algunes ocasions, es pot heretar algun mitocondri per via paterna a través dels espermatozoides. L’herència paterna d’alguns mitocondris –sense excloure que la transmissió materna sigui la majoritària– s’ha demostrat en ovelles, ratolins i mosques del vinagre. El 2018, el genetista Taosheng Huang i els seus col·laboradors van demostrar que l’espècie humana excepcionalment presenta casos en què els espermatozoides transmeten als descendents algun mitocondri amb el seu cromosoma mitocondrial. Es calcula que una de cada 5.000 persones (el 0,02% de la població) pot haver heretat algun mitocondri per via paterna, la qual cosa genera una barreja d’ADN mitocondrial anomenada heteroplàsmia. Malgrat ser molt infreqüent, s’han de tenir en compte les implicacions que això té en medicina i en evolució.
D’altra banda, en medicina fa temps que se sap que algunes patologies humanes són degudes a mutacions en l’ADN mitocondrial. Són malalties genètiques que fins ara es pensava que s’heretaven exclusivament per via materna, la qual cosa simplificava molt les anàlisis genètiques. En són exemples l’epilèpsia mioclònica, la malaltia de les fibres vermelles i la síndrome de Kearns-Sayre, entre d’altres. En conjunt es calcula que aquestes malalties afecten el 0,007% de la població. Els nous estudis de l’equip de Huang impliquen que, en algunes ocasions excepcionals, és possible heretar una malaltia mitocondrial per via paterna, la qual cosa ha de ser prevista en els diagnòstics genètics.
Des de la perspectiva evolutiva, una de les maneres més fiables de fer el seguiment de les migracions humanes és analitzar l’ADN mitocondrial, precisament perquè se suposava que es transmetia únicament per via materna. Aquestes anàlisis permeten calcular el temps que fa que dues poblacions es van separar a partir de les mutacions que cada llinatge femení ha acumulat independentment. El fet que els mitocondris es puguin transmetre també per via paterna, encara que sigui molt esporàdicament, pot obligar a revisar algunes d’aquestes dades, atès que l’heteroplàsmia que es genera en barrejar-se els mitocondris materns i paterns pot causar la recombinació de l’ADN mitocondrial, la qual cosa podria haver estat interpretada fins ara, erròniament, com l’aparició de mutacions.
També des de la perspectiva evolutiva, el descobriment d’un nombre creixent de casos en què s’ha produït la hibridació entre homínids de diferents espècies fa que calgui reinterpretar l’arbre evolutiu del llinatge humà i, fins i tot, les fronteres entre aquestes espècies d’homínids. Els límits entre les diferents espècies que formen part del llinatge humà s’han establert seguint criteris morfològics, antropològics i dels hàbitats que van ocupar, però des del punt de vista genètic, per ser considerades espècies clarament diferenciades, cal que no es puguin reproduir entre si, o que, en cas d’aparellar-se, els descendents no siguin fèrtils. En uns estudis sobre l’ADN fòssil, fa uns anys es va descobrir que a Europa l’Homo sapiens i l’Homo neanderthalensis es van aparellar diverses vegades, i per això entre el 2% i el 4% del genoma dels europeus prové dels neandertals. El mateix va passar a l’Àsia, on l’Homo sapiens i els denisovans, emparentats amb els neandertals, també es van aparellar i van tenir descendència fèrtil. Ara s’ha vist que els neandertals i els denisovans també es van aparellar, com s’ha deduït de l’anàlisi de l’ADN fòssil d’una adolescent de 13 anys que va viure fa més de 50.000 anys. El seu genoma mitocondrial és 100% neandertal (la seva mare, per tant, provenia d’aquest grup humà), però el genoma nuclear és una barreja quasi al 50% del genoma d’aquests dos grups humans.
Amb aquesta base, s’han desenvolupat programes informàtics d’anàlisi d’ADN que semblen indicar que aquests fenòmens d’hibridació van ser encara més extensos i que podrien incloure aparellaments al continent africà entre Homo sapiens, o els seus avantpassats directes, Homo erectus i Homo habilis. En alguns casos, el flux genètic originat per aquestes hibridacions podria explicar algunes malalties d’origen genètic, com la diabetis de tipus 2 i els trastorns de l’estat d’ànim. És un debat obert, en el qual caldrà encaixar les dades genètiques amb les antropològiques per ajustar les ramificacions del llinatge humà.
Topologia cel·lular
La utilització de noves tècniques d’anàlisi molecular i cel·lular va permetre que aquest 2018 el professor Jochen J. Brocks i els seus col·laboradors, de la Universitat Nacional Australiana, detectessin traces pràcticament imperceptibles de molècules orgàniques antigues en fòssils de fa centenars de milions d’anys, i que seguissin a nivell individual molècules actives per analitzar la seva dinàmica.
Fa més de 100 anys, es van començar a descobrir uns fòssils sorprenents de fa entre 540 i 580 milions d’anys, anomenats organismes ediacarians. Pertanyen a organismes extingits de morfologies sorprenents, dels quals no consta que quedin descendents vius. Tradicionalment s’ha considerat que la majoria pertanyien al fílum dels animals, però alguns presenten formes que s’assemblen més a fulles i plantes.
Fòssil de Dickinsonia, organisme ediacarià que, tot i presentar una morfologia similar a la d’una fulla, s’ha demostrat que pertanyia al fílum dels animals atès que presenta restes de colesterol
© D. Grazhdankin
Mitjançant la combinació de tècniques analítiques de cromatografia de gasos i d’espectrometria de masses s’han analitzat micropel·lícules orgàniques que han quedat incrustades en el fòssil durant el procés de substitució dels materials orgànics pels minerològics, la qual cosa permet conèixer a quin grup d’organismes pertanyen. Una de les molècules detectades en alguns fòssils ediacarians, com per exemple en uns organismes amb una forma que s’assembla a una fulla palmada coneguts com Dickinsonia, ha estat el colesterol, la qual se sap que és exclusiva dels animals. En altres, en canvi, com en els anomenats Beltanelliformis, s’han trobat traces de molècules característiques dels cianobacteris, i això fa suposar que eren colònies bacterianes de dimensions considerables. Finalment, també s’han trobat molècules exclusives de les esponges en fòssils de morfologia dubtosa de fa 660 milions d’anys, la qual cosa ressituaria l’origen evolutiu dels animals i n’endarreria l’aparició uns 100 milions d’anys respecte al que es considerava fins ara.
També el 2018, segons diversos treballs publicats els mesos de març i abril per alguns grups de recerca a les revistes Science i Cell, s’ha impulsat l’estudi de l’organització cel·lular interna amb la incorporació de noves tècniques que permeten fer un seguiment individualitzat de molècules dins el citoplasma. En el citoplasma d’una cèl·lula eucariota hi ha dotzenes de milers de proteïnes diferents, i totes són solubles en el medi aquós intern, però tanmateix no estan distribuïdes uniformement, com caldria suposar si fos una simple dissolució química. Aquestes proteïnes estan associades en gotes que no es barregen entre si, cadascuna de les quals conté proteïnes diverses que col·laboren en una mateixa tasca biològica.
D’una banda, s’han analitzat els mecanismes biofísics que afavoreixen aquesta agregació, basada en unes cues proteiques que interaccionen i formen un ambient bioquímic específic. De l’altra, s’han investigat les conseqüències si aquestes gotes citoplasmàtiques no es formen correctament, tant si els falta alguna de les proteïnes típiques com si es formen agregats tòxics. Alguns d’aquests agregats tòxics impropis s’han detectat en malalties humanes com l’esclerosi lateral amiotròfica i en altres malalties neurodegeneratives, la qual cosa ha obert la porta a desenvolupar nous tractaments per dissoldre’ls.
Immunoteràpia i disseny de proteïnes
Mecanisme general d’acció de la immunoteràpia
La immunoteràpia, l’avenç científic més important del 2013, i el disseny de proteïnes mitjançant mecanismes evolutius són dues estratègies que permeten desenvolupar nous tractaments biomèdics i productes d’interès industrial mitjançant estratègies naturals biològiques. Els avenços recents de James P. Allison i Tasuku Honjo, pioners en la recerca d’immunoteràpia aplicada al càncer, i de Frances H. Arnold, George P. Smith i Gregory P. Winter han estat reconeguts, el 2018, amb el premi Nobel de medicina i fisiologia, i amb el de química, respectivament.
Tot i tenir orígens diferents i afectar òrgans i teixits diversos, tots els processos cancerosos tenen en comú que les cèl·lules implicades proliferen de manera incontrolada i que poden escapar a l’acció del sistema immunitari. La immunoteràpia estimula aquest sistema perquè les cèl·lules i molècules reconeguin i eliminin les cèl·lules canceroses, atès que de manera natural les ignorarien. Utilitza substàncies del cos o substàncies produïdes al laboratori per a millorar o restaurar la funció del sistema immunitari. Segons cada cas, permet aturar o alentir el creixement de les cèl·lules canceroses, impedir la metàstasi o ajudar el sistema immunitari a reconèixer i destruir les cèl·lules canceroses.
J.P. Allison va desenvolupar un anticòs contra la proteïna CTLA-4, que es troba a la membrana dels limfòcits T del sistema immunitari i de manera natural fa de fre de les cèl·lules canceroses. Aquest anticòs bloqueja la proteïna CTLA-4, la qual cosa produeix una sobreactivació dels limfòcits T, els quals llavors poden actuar sobre les cèl·lules canceroses. Tasuku Honjo va investigar una altra proteïna dels limfòcits T, l’anomenada PD-1. Tots dos han desenvolupat treballs crucials que demostren el potencial real de la immunoteràpia, i són el punt de partida per desenvolupar assajos clínics amb pacients.
Mecanisme general de la producció de proteïnes d’interès seguint els principis de la teoria sintètica de l’evolució utilitzant bacteris; hi ha també tècniques similars que utilitzen bacteriòfags (virus que infecten bacteris)
Pel que fa al disseny de proteïnes, Frances H. Arnold, George P. Smith i Gregory P. Winter han desenvolupat estratègies que segueixen els principis de la teoria sintètica de l’evolució –les mutacions i la selecció natural–, per crear noves proteïnes amb usos molt diversos, com productes químics respectuosos amb el medi ambient, fàrmacs i biocombustibles.