¿Pueden los organismos vivos influir en los cambios de sus genes?
Los investigadores consiguen demostrar por primera vez que los cambios en determinadas proteínas que intervienen en el empaquetamiento del material genético tienen un efecto causal en la frecuencia de las mutaciones
El cambio de la información genética a lo largo del tiempo es un factor clave para las adaptaciones evolutivas con las que los seres vivos pueden adaptarse a los cambios de su entorno. Por un lado, la variabilidad genética surge en el curso de la reproducción, donde la información genética se divide y recombina en la descendencia en desarrollo. Por otro lado, las mutaciones son otra fuente importante de variabilidad genética. Esta variabilidad genética constituye el punto de partida para la acción de la selección natural, que da lugar a la herencia preferente de determinadas variantes genéticas ventajosas y permite así la adaptación a las condiciones ambientales cambiantes.
Una hoja de trigo infestada por el hongo Zymoseptoria tritici muestra los signos típicos de la llamada mancha foliar, que puede provocar drásticas pérdidas de cosecha.
© Dr. Janine Haueisen
Las mutaciones se producen con una frecuencia variable y en diferentes localizaciones dentro de todo el genoma de un organismo. En los organismos multicelulares, el ADN está empaquetado por ciertas proteínas, entre ellas las llamadas histonas. Las modificaciones de estas proteínas afectan al grado de empaquetamiento del material genético. Los investigadores sospechan que esto, a su vez, influye en la tasa de mutación: Numerosos proyectos de investigación en las ciencias de la vida se ocupan de las conexiones entre dichas modificaciones y la frecuencia de las mutaciones. En la investigación sobre el cáncer, por ejemplo, se ha podido demostrar que tales modificaciones y las mutaciones que intervienen en el desarrollo de los tumores suelen darse juntas.
Los investigadores de Kiel confirman el efecto causal en una nueva publicación
Utilizando el ejemplo del hongo Zymoseptoria tritici, una plaga del trigo, los investigadores del Centro de Evolución de Kiel (KEC) de la Universidad de Kiel han logrado demostrar por primera vez una relación causal entre tales modificaciones de las proteínas y la tasa de mutación. Para ello, los científicos del grupo de trabajo de Genómica Ambiental del Instituto de Botánica de la Universidad de Kiel, dirigidos por la profesora Eva Stukenbrock, llevaron a cabo extensos experimentos evolutivos. En ellos, los investigadores analizaron las tasas de mutación en colonias de hongos en las que desactivaron artificialmente ciertas enzimas responsables de las modificaciones que se producen de forma natural. Así, en comparación con los hongos no modificados, pudieron determinar que las tasas de mutación diferían y que, por tanto, las modificaciones de las proteínas eran la causa directa de una tasa de mutación alterada. Los científicos de Kiel publicaron los resultados de su nueva investigación en la revista Nature communications.
Amplios experimentos de evolución
En los organismos multicelulares, el ADN se organiza con la ayuda de las proteínas histónicas. Esta disposición de la información genética, que puede considerarse como un paquete, influye, entre otras cosas, en cómo se lee y replica la información genética. Los errores en este proceso, también conocido como replicación, pueden dar lugar a mutaciones, además de los factores del entorno. Para investigar el efecto de las modificaciones de las proteínas que intervienen en este empaquetamiento sobre la frecuencia de las mutaciones, el equipo de investigación de Kiel llevó a cabo experimentos evolutivos especialmente extensos. Compararon colonias de hongos en las que se desactivaron artificialmente ciertas enzimas del empaquetamiento del ADN con colonias no modificadas. A continuación, observaron las muestras originales y las modificadas a lo largo de un año para comparar la aparición de variantes genéticas en ambos grupos.
Para excluir la influencia de los procesos de selección, los investigadores seleccionaron una colonia de hongos al azar una vez a la semana y cultivaron una nueva colonia a partir de ella con una sola célula cada vez. De este modo, crearon el llamado cuello de botella evolutivo que fijó las variaciones genéticas resultantes en la siguiente generación. De este modo, pudieron asegurarse de que la frecuencia de los cambios genéticos en los hongos no estaba influida por la selección. Debido al largo periodo de investigación y al elevado número de aproximaciones paralelas, se acumuló así un gran repertorio de mutaciones en las colonias de hongos. Utilizando la secuenciación del genoma de alto rendimiento, los investigadores analizaron entonces toda la información genética de las numerosas variantes diferentes y pudieron así determinar la frecuencia de los cambios genéticos en general.
"La inhibición experimental de las modificaciones epigenéticas condujo a un cambio significativo en las tasas de mutación, es decir, dependiendo del tipo de modificación, las mutaciones se produjeron con una frecuencia significativamente mayor o menor. Por tanto, las modificaciones son directamente responsables de la frecuencia y la localización de las mutaciones espontáneas en el genoma y pueden influir en el desarrollo evolutivo de una especie", resume el Dr. Michael Habig, científico del grupo de trabajo de Genómica Ambiental y primer autor del trabajo. "Así, nuestro estudio utiliza datos experimentales de los que no se disponía hasta ahora de ninguna otra especie para demostrar que las diferentes modificaciones epigenéticas y los cambios en la tasa de mutación no sólo están correlacionados, es decir, se producen en paralelo, sino que tienen una base causal entre sí", continúa Habig.
¿Pueden los organismos controlar las tasas de mutación?
Los nuevos resultados del equipo de investigación del KEC de Kiel proporcionan, por tanto, las primeras aproximaciones para responder a una novedosa pregunta de investigación: si los organismos pueden manipular u optimizar sus tasas de mutación de forma independiente, y cómo lo hacen. Especialmente en las relaciones entre plagas y organismos huéspedes, como la Zymoseptoria tritici y el trigo, sería plausible que tales modificaciones controladas tuvieran lugar para acelerar la adaptación mutua. "Dado que evolucionan juntos y tienen que responder a cambios mutuos, hay zonas en la información genética del huésped y la plaga que tienen que adaptarse más rápido que otras", explica Habig. "Este podría ser un punto en el que un organismo actúa sobre sus tasas de mutación para lograr una adaptación acelerada a su contraparte", continúa Habig. Esto se apoyaría, entre otras cosas, en el hecho de que ciertas modificaciones se localizan especialmente en aquellas zonas del material genético que ayudan al hongo a superar el sistema inmunitario de la planta.
En futuras investigaciones, los científicos quieren indagar si estas intervenciones en el genoma se producen realmente de forma selectiva y están relacionadas con procesos de adaptación evolutiva. "Nuestros nuevos resultados son, por tanto, en principio también relevantes en varios campos de aplicación. La prueba de que las modificaciones epigenéticas y las tasas de mutación están relacionadas causalmente abre nuevas perspectivas para todo un espectro de campos de investigación", subraya Stukenbrock, jefe del grupo de trabajo de Genómica Ambiental y miembro del KEC. "Entre otras cosas, los nuevos hallazgos nos ayudarán en el futuro a comprender mejor las adaptaciones de las plagas de las plantas a sus huéspedes o la evolución de los tumores", continúa Stukenbrock.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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