L'origen de les espècies
Els gens Nup160 i Nup 96 de les mosques, identificats darrerament, estan implicats en el transport de proteïnes entre el citoplasma i el nucli
© Fototeca.cat
El 2009 es va commemorar el bicentenari del natalici de Charles Darwin i el 150è aniversari de la publicació de L'origen de les espècies. Per això van ser especialment significatius alguns treballs que indiquen la relativa facilitat amb què, en determinades ocasions, i amb canvis puntuals en un sol gen, dues poblacions d'una mateixa espècie es poden aïllar genèticament, un pas necessari perquè esdevinguin espècies diferents. Per exemple, a l'agost The american naturalist va donar a conèixer el treball d'uns ornitòlegs americans que havien sorprès dues poblacions d'ocells de l'espècie Monarcha castaneiventris de les illes Salomó en el moment precís –des del punt de vista evolutiu– en què els seus camins es bifurquen. Els individus d'una població són completament negres, i no s'aparellen mai amb els de l'altra població, que tenen el ventre marronós. El més sorprenent és que l'única diferència genètica entre aquestes dues "protoespècies" rau en el gen MC1R, que regula la producció de melanina, el pigment que dóna color a les plomes. Tanmateix, amb aquest únic canvi s'ha produït l'aïllament reproductor necessari perquè els seus camins evolutius divergeixin.
Aquestes dades se sumen a un parell de treballs més fets en mosques de la fruita i en ratolins publicats a Science. En el cas dels ratolins, segons el treball esmentat publicat al desembre del 2008, el gen implicat –Prdm9– codifica l'enzim histona H3 lisina 4 trimetiltransferasa. Aquest enzim regula l'activitat d'altres gens mitjançant mecanismes epigenètics i provoca esterilitat híbrida, la qual cosa comporta l'aïllament reproductor de les poblacions implicades. En el cas de les mosques, segons l'article del febrer d'enguany, els gens identificats –Nup160 i Nup96– estan implicats en el transport de proteïnes entre el citoplasma i el nucli, la qual cosa indica la varietat de processos que poden conduir de forma ràpida i genèticament senzilla cap a processos d'especiació.
Respecte als nostres avantpassats més directes, a l'octubre Science va presentar els resultats de l'estudi d'uns dels fòssils d'homínids més antics trobats, que han estat realitzats per un equip liderat per Tim White, de la Universitat de Califòrnia a Berkeley. Aquest nou exemplar, trobat a Aramis (Etiòpia), pertany a l'espècie Ardipithecus ramidus i correspon a una femella d'1,20 m d'alçada i uns 50 kg de pes que va viure fa 4,4 milions d'anys. Atenent a les restes trobades, es pot dir que la seva alimentació era àmpliament omnívora, amb una dieta que incloïa arrels, plantes, fruites, insectes, petits mamífers i ous d'ocell, i que vivia en una zona boscosa i estava perfectament adaptada tant per a pujar i desplaçar-se pels arbres com per a caminar per terra ferma de forma bípeda; tanmateix, té el dit polze del peu oposable, com els dels micos. Això ha obligat a revisar la interpretació evolutiva del punt de divergència entre el llinatge dels homínids i dels simis, i a situar-lo en un període anterior al que es pensava.
Finalment, en un article publicat a PNAS es van aportar evidències que en la nostra espècie la selecció no només actua sobre els gens, sinó també, i potser de manera més intensa, sobre la cultura. En aquest treball els autors van estudiar una característica humana que es creia de difícil explicació biològica, l'altruisme. Segons els resultats, els individus de societats culturalment altruistes veurien reflectida en el seu genoma la tendència a col·laborar amb els altres sense esperar res a canvi, la qual cosa afavoriria la pervivència d'aquestes variants gèniques en una complexa interacció entre selecció, cultura i genoma.
Gens, malalties i epigenètica
La simplificació en temps i cost de les tècniques de seqüenciació de l’ADN permet l’inici de molts estudis per ampliar el coneixement actual en aquest camp
© James Gathany
La creixent simplificació, en temps i cost, de les tècniques de seqüenciació d'ADN està permetent l'inici d'una gran quantitat de projectes relacionats amb el genoma humà. D'una banda, a Andalusia es va iniciar el Projecte Genoma Mèdic, l'objectiu del qual és desxifrar els gens causants de la major part de malalties rares –aquelles que afecten menys d'una persona de cada 2.000– en un termini de tres anys. Primer es construirà, amb l'ajut de tècniques bioinformàtiques, un motlle global del genoma, a partir de 300 mostres d'ADN. Aquest patró comú s'anirà actualitzant a mesura que es vagi comparant amb el genoma de persones afectades de malalties genètiques, la qual cosa permetrà comprovar on es troben les alteracions.
Utilitzant tècniques més convencionals, enguany es van relacionar diversos nous gens amb l'Alzheimer. El nombre de persones afectades per aquesta malaltia es preveu que s'incrementi significativament els propers anys, en correlació amb l'augment de l'edat mitjana de la població mundial. Concretament es van identificar els gens PICALM, Clusterina i CR1, que s'afegeixen als ja identificats APP, ApoE, TAU i PSEN1 i 2. També es va relacionar un possible origen biològic i genètic amb dues malalties que fins fa poc hi havia qui pensava que eren inexistents i que s'atribuïen a estats psicològics com la depressió. Concretament, un treball publicat a Science va relacionar el retrovirus XMRV –acrònim anglès de Virus Relacionat amb el Virus Xenotròpic de la Leucèmia Murina– amb la síndrome de la fatiga crònica. I per primer cop es va relacionar la fibromiàlgia amb determinades alteracions en centres cerebrals vinculats al dolor, la qual cosa dóna un substrat biològic específic a aquesta malaltia. Totes aquestes troballes obren la porta a noves proves de diagnosi i a nous tractaments i teràpies.
Respecte a l'estudi del genoma humà, un treball publicat a Science va resoldre un dels grans problemes que la genòmica tenia plantejats: com s'ordena un genoma que, estirat, fa 2,5 metres, dins el nucli d'una cèl·lula que mesura, de mitjana, 6 micròmetres de diàmetre. S'ha vist que l'estructura tridimensional del genoma té forma de glòbul fractal, una figura geomètrica que manté la seva forma essencial, fragmentada i irregular, tot i variant l'escala d'observació. A més, es troba organitzat en dos compartiments funcionals. En un hi ha els gens més actius, i en l'altre, els que estan silenciats. Tanmateix, aquests dos compartiments es troben en un estat permanentment dinàmic, en què els cromosomes van entrant i sortint a mesura que s'activen i es desactiven els gens que contenen.
Finalment, un treball publicat a Nature al final del mes d'octubre, va desvelar el mapa epigenètic del genoma humà. L'epigenoma inclou totes les modificacions químiques de la cromatina –és a dir, de l'ADN i de les proteïnes que li fan de bastida, com per exemple les histones– que no consisteixen en modificacions de la seqüència de nucleòtids o mutacions. Les modificacions epigenètiques inclouen la metilació d'algunes cisteïnes de l'ADN i diverses modificacions postraduccionals de les histones, entre d'altres, i afecten l'estructura de la cromatina, la qual cosa incideix en la regulació de l'activitat dels gens que es troben en aquella zona del genoma. Alguns d'aquests canvis es produeixen o es troben en la línia germinal, que donarà lloc als òvuls i els espermatozoides, per la qual cosa es poden considerar, en aquest sentit, heretables, mentre que d'altres es produeixen durant la maduració dels diferents tipus cel·lulars, per regular l'activitat transcripcional de llurs gens. Tanmateix, la majoria d'aquestes modificacions són reversibles. La importància de l'establiment de l'epigenoma humà, que s'ha descrit per les cèl·lules mare indiferenciades i per diversos tipus de cèl·lules adultes especialitzades, rau en l'efecte que té sobre el funcionament dels gens i en la seva implicació en algunes malalties com el càncer, i també possiblement en les malalties de Parkinson, Alzheimer i cardiovasculars. A més, també permetrà explicar com la dieta i el medi ambient poden modular la funcionalitat dels gens d'un individu.
Bacteris i virus
Fins fa poc, s'assumia que les cèl·lules eucariotes tenien un citosquelet complex implicat en diferents tasques cel·lulars, mentre que als bacteris els mancava aquesta estructura. El citosquelet és un entramat tridimensional de proteïnes citoplasmàtiques que dóna suport intern a les cèl·lules eucariotes; serveix d'ancoratge a les seves estructures i orgànuls i intervé en la seva ordenació; regula i dirigeix el transportintracel·lular de vesícules; i contribueix al moviment i a la divisió cel·lular. Tanmateix, aquests darrers anys s'han aportat evidències de l'existència de citosquelet també en bacteris, el qual inclou proteïnes homòlogues a les del citosquelet eucariota, com l'actina, la tubulina i els filaments intermedis, i un quart grup de proteïnes exclusives d'aquests microorganismes, anomenades MinD-ParA. Les dades acumulades, que enguany van ser compilades en una revisió publicada a Microbiology and Molecular Biology Reviews, indiquen que el citosquelet bacterià està implicat en la divisió, la polaritat i la regulació de la forma de les cèl·lules bacterianes, i en la repartició dels plasmidis, entre altres funcions.
Imatge creada per ordinador del virus H1N1, causant de la grip A
© CDC / Douglas Jordan
El 2009 també es va parlar molt de la grip A (H1N1). Deixant de banda les implicacions mèdiques i les polítiques sanitàries endegades, des del punt de vista biològic la seva singularitat està en llur constitució gènica, atès que el seu genoma és format per la recombinació de gens procedents de quatre soques de virus de la grip diferents: dues que afecten els porcs, una que infecta les aus i una altra pròpia dels humans. La seqüenciació completa dels vuit gens que constitueixen el seu genoma, el material hereditari del qual és format per ARN, en més de 5.000 mostres víriques, ha permès traçar-ne l'origen natural a partir de quatre successos de recombinació. Tanmateix, perquè es doni aquesta quàdruple combinació cal que es produeixin diversos successos d'infecció simultània amb els diferents virus implicats, un fet molt poc probable en condicions silvestres però que es veu afavorit quan les espècies implicades viuen en condicions poc higièniques i d'excessiva proximitat.
Premis Nobel i obituaris
Aquest any els premis Nobel de medicina i fisiologia i el de química van ser atorgats a investigadors pioners en diversos aspectes de la genètica molecular. Així, Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Greider i Jack W. Szostak van rebre el primer d'aquests guardons per haver descobert el mecanisme mitjançant el qual els telòmers i l'enzim telomerasa protegeixen els cromosomes. Ja fa gairebé un segle que se sap que els telòmers, nom que reben els extrems dels cromosomes, tenen unes característiques diferents de la resta del cromosoma. Al final de la dècada de 1970, Blackburn, que treballava amb cromosomes del protozou ciliat Tetrahymena, va identificar la natura precisa dels telòmers, unes seqüències d'ADN específiques que es repetien diverses vegades. Així, els telòmers d'aquest protozou contenen més de cinquanta repeticions de la seqüència de nucleòtids GGGGTT, mentre que els telòmers humans contenen la seqüència GGGATT repetida encara més vegades. Poc després, a partir del 1980, Blackburn i Szostak van analitzar les característiques dels telòmers en cromosomes de diverses espècies, i van bescanviar experimentalment els telòmers de cromosomes de llevat pels de Tetrahymena, la qual cosa els va permetre descobrir que la seva funció és protegir els cromosomes i evitar que s'adhereixin entre ells i a altres estructures cel·lulars.
Al final del 1984, Greider, que treballava sota la supervisió de Blackburn, va descobrir l'activitat enzimàtica que controla el manteniment dels telòmers, l'enzim telomerasa. Aquest enzim exerceix una funció crucial, atès que durant la replicació de l'ADN els enzims implicats, les polimerases d'ADN, són incapaços de copiar completament la part més distal de l'ADN telomèric. Això provoca l'escurçament progressiu d'aquestes estructures, a cada nou cicle cel·lular, la qual cosa acaba comprometent la integritat dels cromosomes. En aquest sentit, la telomerasa, un enzim proteic que conté curtes cadenes d'ARN, controla la replicació dels telòmers, afegint les seqüències que es perden i evitant que els telòmers s'escurcin. L'activitat d'aquest enzim és primordial en els organismes unicel·lulars, que són immortals, i també en la línia germinal dels organismes pluricel·lulars, per a evitar l'envelliment cromosòmic dels òvuls i dels espermatozoides. En canvi, en la resta de cèl·lules dels organismes pluricel·lulars, l'activitat de la telomerasa és nul·la, la qual cosa contribueix a l'envelliment cel·lular. A partir d'aquests descobriments, s'ha fet evident que en algunes malalties humanes com el càncer la telomerasa esdevé activa, la qual cosa contribueix a immortalitzar les cèl·lules tumorals. Aquest fet està permetent dissenyar nous fàrmacs antitumorals que bloquegen la funció d'aquest enzim en les cèl·lules afectades.
El premi Nobel de química va ser atorgat a Ada Yonath, Thomas Steitz i Venkatraman Ramakrishnan per haver descrit, el 2000 i de manera independent, mitjançant cristal·lografia de raigs X, l'estructura atòmica detallada dels ribosomes, els orgànuls cel·lulars que s'encarreguen de descodificar el missatge contingut en el material genètic i de sintetitzar les proteïnes. El coneixement de l'estructura tridimensional dels ribosomes ha permès analitzar amb detall el procés de traducció genètica, la qual cosa està facilitant el disseny de nous medicaments antimicrobians. El motiu és que els ribosomes dels bacteris presenten diferències respecte als de la resta d'organismes, fet que permet dissenyar antibiòtics específics que bloquegin l'acció dels ribosomes bacterians sense afectar els de les nostres cèl·lules.
Pel que fa a l'obituari, el 5 d'agost va morir Jordi Sabater i Pi, etòleg i antropòleg català popularment conegut per haver descobert en Floquet de Neu, i, el 12 de setembre, Norman E. Borlaug, biòleg vegetal i agronomista que amb els seus treballs va transformar la producció global d'aliments.