Simbiosi i ecosistemes
Les esponges obtenen el carbonat càlcic per a formar els seus esquelets a partir de la simbiosi amb un bacteri que es troba dins els seus canals
© Fototeca.cat / Monty Chandler / Fotolia.com
La simbiosi és un tipus de relació ecològica entre organismes d'espècies diferents que es troben en un estat d'interdependència fisiològica equilibrada. Ja fa uns quants anys que s'ha vist que es dóna en tots els éssers vius: entre plantes i bacteris del sòl, entre arbres i fongs, entre animals i bacteris intestinals l'anomenat microbioma, etc., i cada cop és més clar que és imprescindible per al funcionament dels ecosistemes.
El 2012 es van descriure diversos casos en revistes científiques de gran impacte, com una simbiosi triple entre posidònies (Posidonia oceanica), mol·luscs bivalves del grup dels lucínids i bacteris que viuen a les brànquies d'aquests mol·luscs. Els mol·luscs aprofiten l'oxigen que alliberen les posidònies en fer la fotosíntesi i també la matèria orgànica que s'acumula a les seves arrels; els bacteris s'alimenten de les partícules que s'acumulen a les brànquies del mol·lusc, i al seu torn redueixen els nivells de sulfits del medi, la qual cosa fa possible el creixement de les posidònies. Aquesta triple simbiosi explica per què les posidònies, molt freqüents a les costes catalanes i imprescindibles per al manteniment dels ecosistemes mediterranis, poden viure en zones amb una concentració relativament alta de sulfits, que es generen durant la descomposició de la matèria orgànica.
De manera similar, es va resoldre la hipòtesi de conèixer com les esponges obtenen el carbonat càlcic necessari per a fer els seus esquelets calcaris. Dins els canals de l'esponja, hi viuen uns bacteris que s'alimenten de les partícules que hi queden, entre les quals hi ha calci. Amb aquest calci, els bacteris produeixen microesferes de carbonat càlcic, que s'acumulen a la superfície de l'esponja i acaben constituint-ne l'esquelet. També es va descriure que dins els ratolins de glacera, unes petites formacions de molsa que viuen a les glaceres, hi habiten nombrosos animals de mida petita, com col·lèmbols, tardígrads i nematodes. En conjunt, la temperatura interior dels ratolins de glacera és entre 2 i 10 graus superior a la de la glacera, la qual cosa permet la supervivència de tot el conjunt. La universalitat i complexitat de les relacions simbiòtiques, que abasten grans poblacions d'organismes d'espècies molt diferents i que relacionen els éssers vius amb el món inorgànic, basteix la hipòtesi de Gaia d'una perspectiva més completa.
El projecte ENCODE i la regulació del genoma
Publicació dels resultats del projecte ENCODE, que tenia per objectiu buscar la finalitat de tots els elements continguts en el genoma humà
© NHGRI / Darry Leja
Un altre dels avenços científics destacats del 2012 va ser la publicació dels resultats del projecte ENCODE (Encyclopaedia of DNA Elements), amb participació catalana. L'objectiu d'aquest projecte ha estat determinar la funcionalitat de tots els elements continguts en el genoma humà. Quan l'any 2001 es va fer públic el primer esborrany del genoma humà, es va fer evident que els gens n'ocupaven un percentatge relativament petit: només l'1,1% del genoma eren exons seqüències d'ADN que duen informació per a la síntesi de proteïnes; el 24% introns seqüències d'ADN que es troben entre els exons i formen part del mateix gen, però que no duen informació per a fabricar proteïnes, i aproximadament el 75% restant no tenia funció coneguda, la qual cosa feia que sovint hom si referís com a "ADN porqueria" (junk DNA).
En aquest context, el projecte ENCODE ha cartografiat sistemàticament tot el genoma humà, i ha permès assignar una funció específica al 80% del genoma. Ja no es pot parlar, per tant, d'ADN porqueria.
Aquestes regions contenen els anomenats intensificadors i promotors, unes seqüències d'ADN que regulen l'expressió dels gens i a les quals s'uneixen proteïnes específiques com els factors de transcripció, que activen l'expressió dels gens, i enzims implicats en el procés de descodificació de la informació genètica, com les polimerases d'ARN, respectivament. Aquests elements de control abasten aproximadament el 20% del genoma. També s'han identificat nombroses seqüències d'ADN que es transcriuen a molècules d'ARN, com per exemple a microARN (ARNmi). Els ARNmi contribueixen a la regulació de l'expressió gènica interrompent l'expressió de gens concrets, i aquests darrers anys han adquirit una gran rellevància per la seva implicació, quan no actuen correctament, en nombroses malalties humanes. També ha permès aprofundir en el coneixement dels exons, l'extensió dels quals s'ha ampliat fins al 2,9% del genoma.
El projecte ENCODE també ha cartografiat totes les zones del genoma susceptibles d'experimentar modificacions epigenètiques, unes modificacions químiques reversibles implicades en la regulació de la funció gènica i en el manteniment de l'especificitat dels diversos tipus cel·lulars i tissulars.
Aquests darrers anys les modificacions epigenètiques també han adquirit una rellevància molt destacada per la seva implicació, quan no es produeixen correctament, en nombroses malalties humanes, com per exemple el càncer. En aquest sentit, per exemple, enguany es va identificar l'epigenoma de les leucèmies més freqüents, entre altres tipus de tumors. Finalment, el projecte ENCODE també ha permès identificar les zones del genoma implicades en el manteniment de la seva topologia, és a dir, a permetre que la fibra d'ADN es plegui i es desplegui correctament quan es troba funcionant dins les cèl·lules.
A banda del projecte ENCODE, però continuant amb els elements reguladors del genoma, el 2012 es va establir que existeix una relació funcional entre alguns ARNmi i els prions, unes proteïnes infeccioses que provoquen, entre d'altres, la malaltia neurodegenerativa de Creutzfeldt-Jakob anomenada espongiforme bovina en els bòvids i tremolosa en el bestiar cabrum. S'ha descrit que la proteïna priònica humana s'ancora a la membrana cel·lular i interfereix en el lloc on actuen determinats ARNmi, la qual cosa altera el patró de regulació dels gens sobre els quals actuen. Aquesta podria ser la base dels efectes neurodegeneratius de les malalties priòniques, un fet que també pot ajudar a entendre la base d'altres malalties neurodegeneratives, com l'Alzheimer. Finalment, pel que fa als ARNmi, s'ha detectat que els pacients que pateixen depressió, ansietat i estrès presenten nivells alterats de determinats ARNmi, i que alguns dels fàrmacs que s'utilitzen actualment per a tractar aquestes disfuncions actuen precisament sobre aquestes molècules.
També s'han aïllat unes noves molècules implicades en la regulació del funcionament del genoma, que estan codificades en el mateix genoma. S'anomenen ARNnano, i són formades per només entre dos i quatre nucleòtids. Són, per tant, molt més petites que els ARNmi que contenen de vint a vint-i-dos nucleòtids, i a diferència d'aquests estimulen l'expressió de gens concrets. En conjunt, la identificació de tots aquests elements i de la seva funcionalitat representa un avenç crucial en la comprensió del genoma i el seu funcionament, i en el coneixement de moltes malalties d'origen genètic, la qual cosa permet dissenyar proves de diagnosi i fàrmacs cada cop més precisos i efectius.
Genètica i evolució humanes
Les revistes científiques de referència van destacar també els avenços en genètica i evolució humanes fruit de la creixent facilitat per a seqüenciar genomes, amb implicacions biomèdiques clares. Per exemple, s'han identificat quatre gens nous implicats en la migranya sense aura el símptoma principal de la qual és el mal de cap i se n'han confirmat dos més ja coneguts. L'anàlisi funcional d'aquests gens ha corroborat que aquest tipus de migranya pot tenir diversos orígens fisiològics: vascular, per anomalies en el flux sanguini, i neurològic, per hiperexcitabilitat de les neurones enfront d'estímuls externs, deguda a anomalies en els canals cel·lulars d'ions. També s'han identificat quatre gens clau en la infertilitat masculina, la major part dels quals tenen relació amb la funció mitocondrial i en conseqüència amb la generació d'energia per a la seva motilitat, i una metanàlisi genòmica ha permès identificar 56 localitzacions genòmiques que es correlacionen amb la densitat mineral dels ossos, i 14 amb el risc de patir fractures. També s'ha desenvolupat un test genètic per a predir malalties neurodegeneratives, com la malaltia de Parkinson, que analitza 285 gens de cop. El nombre d'estudis similars en què s'han identificat gens per a moltes patologies humanes ha estat molt extens, i els esmentats aquí, una petita mostra del total, han estat escollits perquè hi han participat investigadors i centres de recerca catalans.
També s'ha analitzat la incidència de mosaics genètics en persones individuals i la seva relació amb el càncer. S'anomena mosaic genètic la presència de dues o més poblacions de cèl·lules en un mateix individu amb petites diferències en el seu genoma a causa de mutacions espontànies. Se sabia que existien els mosaics genètics, però no es coneixia el seu abast ni les seves implicacions. Diversos estudis publicats enguany van demostrar que la probabilitat de tenir un mosaic genètic augmenta amb l'edat, i que pràcticament totes les persones de més de cinquanta anys en presenten. La seva detecció, però, no resulta senzilla, atès que habitualment afecta un nombre reduït de cèl·lules. Tanmateix, s'ha vist que aquelles persones en què es pot detectar mosaïcisme genètic en les seves cèl·lules sanguínies tenen una probabilitat deu cops superior a la mitjana de patir algun tipus de càncer, la qual cosa obre una nova via de pronòstic d'aquesta malaltia.
La comparació dels genomes entre humans i primats ha desvelat que el llinatge humà presenta alguns gens d’actuació cerebral duplicats respecte els altres primats
© Fototeca.cat /Corel
Pel que fa a l'evolució humana, també es van produir diverses troballes significatives. La comparació del genoma humà amb el d'altres primats, com ximpanzés, goril·les, orangutans i macacos, ha permès veure que el llinatge humà presenta alguns gens d'actuació cerebral duplicats respecte dels altres primats. Un d'aquests gens és l'anomenat SLIT-ROBO Rho GTPasa, que codifica un enzim típic de l'escorça cerebral. S'ha duplicat parcialment tres vegades: fa 3,4 milions d'anys, fa 2 milions d'anys i fa 1,5 milions d'anys, coincidint amb l'augment del volum del cervell en el gènere Homo. També s'ha vist que la taxa d'evolució dels ARNmi d'actuació cerebral ha estat molt més ràpida en els humans que en la resta de primats, com per exemple els anomenats miR92a, miR454 i miR320b.
Finalment, pel que fa a l'evolució humana, fa un parell d'anys es va veure que hi ha una connexió entre llenguatge i habilitat manual final a través del gen FOXP2, un factor de transcripció (que regula l'activitat d'altres gens) implicat en la plasticitat neural i en l'establiment de xarxes neurals, la qual cosa relacionaria el desenvolupament de tecnologies lítiques cada cop més sofisticades amb un increment també progressiu de les habilitats lingüístiques en el decurs de l'evolució del gènere Homo. Enguany es va publicar un seguiment de l'activitat neural per ressonància magnètica funcional mentre es fabriquen eines de pedra tosques, de la tecnologia olduvaiana, i de més refinades, com les del període acheulià tardà. S'ha vist que durant la talla de les primeres, a més de les zones motores també s'activa una zona del cervell, el còrtex premotor ventral esquerre, implicada en el processament dels sons. En canvi, en el segon cas també s'activen altres zones del cervell, com el gir frontal, associades amb l'abstracció i amb l'organització jeràrquica, les quals han esdevingut crucials per al desenvolupament d'un llenguatge altament elaborat i el manteniment de societats complexes.
Premis Nobel: cèl·lules iPS i receptors cel·lulars
El japonès Shinya Yamanaka va ser guardonat amb el premi Nobel de medicina i fisiologia, conjuntament amb John B. Gurdon
© Center for iPS cell Research and Application / Kyoto University
El 2012 el premi Nobel de medicina i fisiologia va ser concedit al britànic John B. Gurdon i al japonès Shinya Yamanaka per haver demostrat respectivament que les cèl·lules madures es poden reprogramar i esdevenir cèl·lules mare pluripotents, i per identificar els gens necessaris per a fer-ho de manera experimental. L'any 1962 Gurdon va publicar uns experiments en què havia transplantat nuclis de cèl·lules intestinals madures de granota a zigots prèviament enucleats. Els nuclis procedents de cèl·lules adultes diferenciades es van reprogramar i van dirigir el desenvolupament de nous capgrossos i en ocasions també de granotes adultes. Al cap de quaranta-quatre anys, el 2006, Yamanaka va publicar un treball en què demostrava que, amb cèl·lules de mamífer, és possible revertir l'estat madur de fibroblasts a cèl·lules mare pluripotents només amb l'actuació de quatre factors de transcripció concrets, anomenats Sox2, Oct4, Klf4 i cMyc. Aquestes cèl·lules pluripotents reben el nom de cèl·lules mare pluripotents induïdes, o cèl·lules iPS, i són un element clau per al desenvolupament de tractaments efectius de medicina regenerativa. En aquest context, per exemple, aquest any es va aconseguir generar al laboratori un precursor d'ull humà a partir de cèl·lules mare pluripotents, entre moltes altres publicacions que evidencien el ràpid avenç d'aquesta disciplina científica.
Pel que fa al premi Nobel de química, va ser atorgat als nord-americans Robert J. Lefkowitz i Brian K. Kobila pels seus treballs sobre els receptors cel·lulars acoblats a la proteïna G, que han estat determinants per a entendre com els animals perceben l'entorn i també per què molts medicaments resulten eficaços. Aquesta família de receptors, que permet la transducció dels senyals rebuts fins al nucli cel·lular perquè s'activin gens específics en resposta als estímuls, inclou els receptors de la llum, el sabor i l'olor, i també els receptors de neurotransmissors com l'adrenalina, la dopamina i la serotonina, crucials per al funcionament del cervell.