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Los duplicados al azar
Alicia García Bergua
Se han hallado diversos genes implicados en aspectos excepcionales de
la especie humana; por ejemplo, en el desarrollo del lenguaje está el
FOXP2, relacionado con las famosas neuronas espejo; el MTH16, con los
cambios de la musculatura y la mandíbula humanas, y el HACN51 con
las capacidades de los miembros humanos y en la digitalización. Pero
esto no quiere decir que estos genes sean total y directamente
responsables de adaptaciones y características específicas de los seres
humanos como el lenguaje simbólico, por ejemplo. Aunque el FOXP2
está relacionado con las neuronas que posibilitan algo esencial para el
lenguaje humano que es la identificación de los gestos y de los actos del
otro como si fueran propios (por eso se les llama neuronas espejo), esta
condición, que no es exclusivamente humana, sino también de otros
primates, no define por sí sola la capacidad humana de generar un
lenguaje simbólico. Esta capacidad sigue siendo, desde el punto de vista
genético, un gran misterio.
La mayor parte de la información genética que llevamos data de
millones de años de evolución de la vida y no es específica de nuestra
especie; portamos además mucho material genético inservible; es decir,
que nuestro organismo utilizó o no en un momento dado, y que algunas
veces cuando se activa en nuestro organismo, puede causar
enfermedades. Una de las razones por las que es difícil encontrar una
relación evidente entre genes determinados y capacidades como la del
lenguaje simbólico es que todas nuestras adaptaciones como seres vivos
se deben en gran medida a modificaciones mínimas y azarosas que
sufrieron nuestros genes al recombinarse y “copiarse” de generación en
generación en nuestros ancestros más remotos. En estos procesos los
genes mutan y excepcionalmente, porque no es lo común, sus
mutaciones pueden dar lugar a alguna modificación que puede conducir
a cambios adaptativos que son ventajosos o desventajosos. Y si estos
cambios constituyen alguna ventaja adaptativa suelen propagarse a la
hora en que los organismos se reproducen. Entre los cambios que sufren
los genes al copiarse está su duplicación accidental; es decir, que se
hagan dos copias de un gen original. Se ha visto que esta duplicación
puede dar lugar al cambio de función de un gen en un organismo. Los
investigadores Megan Y. Dennis, Xander Nuttle, Peter H. Sudmant,
Francesca Antonacci, Tina A. Graves, Mikhail Nefedov y Jill A. Rosenfeld
del Departamento de Ciencias Genómicas de la Universidad de
Washington, en Seattle, decidieron centrarse en la duplicación de los
genes relacionados con el desarrollo neuronal de primates y homínidos,
pues suponen que muchos de los cambios experimentados en los
últimos 10 millones de años por este linaje, que han enriquecido y
hecho excepcional su aparato neuronal, se deben a duplicaciones de los
genes.
A la busca de esta duplicación significativa
El gen que eligieron para analizar y comprobar su duplicación es el
SRGAP2, porque en el desarrollo embrionario de la corteza cerebral
regula la migración de las neuronas a distintas zonas y su
diferenciación. Los investigadores se dieron cuenta de que en el mapeo
del genoma humano, este gen no se había definido ni sus duplicados
habían sido secuenciados ni caracterizados. Pero ellos ya contaban con
lo que se sabía de SRGAP2 a partir de una investigación de Cherrier,
Dennis y sus respectivos colaboradores, sobre su papel en el desarrollo
de la columna vertebral de distintos organismos. En esta investigación
se descubrió que el gen es responsable de unas pequeñas
protuberancias en la superficie de las neuronas que son indispensables
para la transmisión de los impulsos nerviosos. Estudios previos habían
documentado también que los humanos tienen muchas más dendritas
en la columna vertebral distribuidas con distintas densidades, que los
primates y los roedores. Al estudiar células de ratones genéticamente
modificados y tejido cerebral humano, Cherrier, Dennis y sus
colaboradores respectivos pudieron demostrar que el gen SRGAP2 en los
humanos promueve la maduración de la columna vertebral y hace más
lenta la migración de las neuronas en la corteza cerebral haciendo
posible su expansión y que se desarrollen en ella mayor cantidad de
neuronas.
Por otra parte, según el investigador Terrence Deacon, autor de una de
las obras clave sobre el lenguaje humano, The Symbolic Species, este
lento desplazamiento de las conexiones neuronales durante la etapa
embrionaria debió causar en los homínidos una gran desarrollo de las
conexiones neuronales de la corteza cerebral motora con el encéfalo y la
médula espinal, y en especial con los músculos de la cara y la lengua.
Además, los axones de esta región que se extendieron más en los seres
humanos, debieron llegar a núcleos de neuronas que controlan los
músculos torácicos, abdominales y pélvicos sobre los que el resto de los
animales carecen de control. Dos de estos núcleos de neuronas son
importantes para hablar: las del nucleus amibiguus que controla el
movimiento de la laringe a través de los músculos que mueven sus
paredes cartilaginosas causando la tensión de las cuerdas vocales, y las
neuronas que controlan los músculos costales que intervienen en la
respiración. Es por esta razón que se piensa que la duplicación de este
gen en los seres humanos fue esencial para el desarrollo del lenguaje y
por lo tanto de la mente humana para la que el lenguaje es esencial.
Se considera que las duplicaciones del gen en los homínidos se llevaron
a cabo en la etapa de transición de Australopitécido a Homo. La primera
fue seguida de las otras dos de hace entre 2.4 y un millón de años, por
lo que se considera que los homínidos más recientes ya las llevaban
consigo y que muy probablemente éstas contribuyeron a los cambios
adaptativos en los homínidos que dieron lugar también a Homo sapiens.
Recordemos que los genes no predeterminan nuestra manera de ser
desde el principio. Muy probablemente estas duplicaciones azarosas que
se activaron en nuestros ancestros homínidos, fueron modificando sus
funciones cerebrales y éstas se fueron heredando si conllevaban
ventajas adaptativas hasta llegar a nosotros.
Cómo son los duplicados
El primer trabajo de este grupo de investigadores fue hallar los
duplicados de SRGAP2 en ciertos segmentos del genoma humano
mediante un proceso que se llama hibridación y que permite localizar los
genes en los cromosomas. Después, compararon los segmentos de esos
mismos duplicados con los segmentos equivalentes de los genes
SRGAP2 presentes en once genomas de mamíferos y se dieron cuenta
de que en ellos no había evidencia de ninguna duplicación reciente, y
definieron a partir de ellos una hipotética copia ancestral para poder
comparar y rastrear las distintas duplicaciones del gen en los
cromosomas humanos.
Ahora bien ¿por qué se considera que las tres duplicaciones de este gen,
y sobre todo la tercera, dio lugar al cerebro y a la mente humana tal
como los conocemos? La duplicación de un gen lo puede convertir en
antagonista de su función original cuando se dejan de producir ciertas
proteínas. Esto es lo que ocurrió, según los investigadores, con el
segundo y el tercer duplicado.
Después, los investigadores analizaron líneas celulares de seres
humanos actuales de distintos grupos étnicos y hallaron tres rastros
distintos en el cromosoma 1 de las partes del gen que habían sido
duplicadas de manera incompleta. Pero la naturaleza reciente de las
duplicaciones no permitía distinguir las pequeñas variaciones entre las
copias del gen original o ancestral, y las copias que eran consecuencia
de la duplicación incompleta. Así que tuvieron que construir un modelo
artificial bacterial del cromosoma donde pudieran desplegar claramente
la información duplicada de manera incompleta. Al analizar en 10
especies la secuencia original o ancestral, ésta resultó ser en todas muy
parecida; sólo hallaron un cambio entre los aminoácidos del ser humano
y el ratón, y ningún cambio en los primates no humanos en los primeros
9 exones, es decir, las partes de los genes que se transcriben o se
expresan. Las primeras dos copias duplicadas en los seres humanos son
menos distintas entre sí pero han acumulado, en relación al gen
ancestral, 7 sustituciones de aminoácidos. Todo esto quiere decir que
este gen se conservó durante mucho tiempo en la evolución de los
mamíferos.
Al buscar los exones en los primeros dos duplicados, encontraron que la
mayoría, al igual que en el gen ancestral, cumplía con la función de
regular la migración y la diferenciación neuronal en el embrión, y
observaron que estas neuronas funcionaban sobre todo en la corteza
cerebral y en el cerebelo. Para ver las expresiones definidas de las
modificaciones de las copias del gen, buscaron pacientes humanos con
malformaciones y patologías relacionadas con la falta de expresión de
estas copias y con ello se supo que el gen estaba asociado también con
graves discapacidades intelectuales. Con ello pudieron concluir que de
las funciones de SRGAP2 y de sus duplicados depende en gran medida el
desarrollo embrionario del cerebro.
Al reconstruir la historia de las tres duplicaciones del gen en el
cromosoma 1 humano, utilizando como comparación segmentos con la
misma secuencia del chimpancé y el orangután, se pudo saber con
bastante seguridad que estas duplicaciones ocurrieron en diferentes
etapas de la historia evolutiva humana. La primera duplicación debió
ocurrir, según este análisis, entre hace 2.8 y 3.9 millones de años,
seguida de una segunda duplicación de hace entre 2 y 2.8 millones de
años. Estas dos copias duplicadas produjeron una tercera incompleta sin
los 49 aminoácidos finales originales porque se dejaron de producir
ciertas proteínas y es la que al parecer provocó a la larga los cambios
que nos han hecho excepcionales como especie que habla.
Conclusión
Como se puede ver, detrás de la investigación descrita en este artículo
hay mucho conocimiento sobre evolución, genética y neurociencia
acumulado durante décadas. El tiempo dirá si esta duplicación azarosa
de un gen es en efecto la causa de la especificidad del cerebro y la
mente humana. Sin embargo, esta investigación en particular es una
buena muestra de la tarea colectiva y cultural que es el quehacer
científico, y la importancia de que haya una comunidad que comparta,
discuta y colabore con sus hipótesis, experimentos y puntos de vista
para el avance de la ciencia. Y en esta comunidad también juegan un
papel importante los divulgadores de la ciencia, pues los científicos no
son especialistas en todo.
Referencias
Megan Y. Dennis, Xander Nuttle, Peter H. Sudmant et al, “Evolution of
Human-Specific Neural SRGAP2 Genes by Incomplete Segmental
Duplication”, Cell 149, 1-11 de mayo de 21012.
Daniel H. Geschwind y Genevieve Konopka, “Neuroscience genes and
human brain evolution”, Nature, núm.11380, publicado en línea el 20 de
junio de 2012.
Terrence W. Deacon, The Symbolic Species: The Co-evolution of
Language and Brain, Norton, Londres, Nueva York, 1998.