Elena Álvarez Buylla
En el “Origen de las Especies” Charles Darwin planteó una teoría acerca de la
evolución de los seres vivos. Para Darwin la selección natural y el papel del
ambiente eran fundamentales pero dejó muchas preguntas abiertas. Por ejemplo,
no era claro como se heredaban los rasgos visibles de los seres vivos, cuyo
conjunto constituye el fenotipo, sobre el cual actúa la selección natural.
Mendel demostró la base particulada de la herencia, y se postuló a la mutación
como la fuente fundamental de variación heredable y relevante para la
evolución. Por ello, por muchos años se pensó que con estudiar la “aventura de
los genes” y el efecto de distintos ambientes en poblaciones con distintas
composiciones genéticas sería suficiente para entender la evolución. Pero
recientemente, ha quedado claro que los mecanismos que modifican la expresión
de los genes y que no están determinados por cambios a nivel del ADN, o que
dependen de las interacciones entre los genes, son importantes para la
evolución. Es la biología del desarrollo la que se encarga de estudiar estos
mecanismos.
Uno de los pioneros en estudios cuantitativos del desarrollo fue el embriólogo
británico Conrad Hal Waddington, quien explicaba que la diferenciación celular
es el resultado de las interacciones entre componentes moleculares de una red
de regulación compleja. Esto quiere decir que el patrón celular al que se
llega al final del desarrollo será el resultado de la acción concertada y
compleja de muchos componentes: genéticos, epigenéticos (cambios heredables no
codificados en el ADN) y celulares, entre otros. Dicha regulación impone
restricciones cruciales en el desarrollo de plantas y animales y estas
restricciones se reflejan en lo que Waddington llamó el paisaje epigenético,
que era una manera de explicar cómo la regulación genética determina el
desarrollo.
Como los sistemas de desarrollo son dinámicos, una manera de entenderlos es
usando como ejemplo a un conjunto de canicas rodando por un paisaje con valles
y montañas. El movimiento de las canicas puede ser aleatorio, pero también
puede ser afectado de manera determinística, y la topología del paisaje impone
restricciones a los derroteros que siguen las canicas. Esta topología depende
justamente de cómo están interconectados los genes que intervienen en la
regulación de un proceso de diferenciación celular o formación de patrones
durante el desarrollo. Independientemente de las fuerzas que alteren el
movimiento de las canicas, éstas eventualmente llegarán al fondo de alguno de
los valles, que representan los destinos celulares (por ejemplo, los tipos de
células que formarán los órganos de una flor).
Esta metáfora del paisaje epigenético ayuda a estudiar de manera general la
forma en que las interacciones entre genes restringen la diferenciación
celular y la morfogénesis durante el desarrollo. En la época de Waddington no
existían las herramientas para ejemplificar redes de regulación con base en
datos experimentales y por ello, la metáfora del Paisaje Epigenético sólo fue
una hipótesis sin posibilidad de demostración. En 1998, trabajé, junto con personal del laboratorio de Genética Molecular, Desarrollo y Evolución de Plantas del Instituto de Ecología de la UNAM en colaboración con
Luis Mendoza del Instituto de Investigaciones Biomédicas también de la UNAM,
se postuló y validó experimentalmente la primera red de regulación genética.
Con este trabajo demostramos y validamos con
experimentos de diversos laboratorios, que dicha red converge a
configuraciones genéticas estables que se observan durante la formación de los
órganos de las flores.
Los estudios de redes complejas que pretenden explicar los mecanismos de
desarrollo necesitan de un trabajo multidisciplinario con el que se pueda
obtener una herramienta metodológica formal. Los Investigadores Carlos
Villareal del Instituto de Física, Pablo Padilla del Instituto de
Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y Sistemas, y Elena Alvarez-Buylla,
hicieron uso de observaciones del desarrollo de la flor en la planta
Arabidopsis thaliana y análisis matemáticos de tipo probabilísticos, para
proponer un método para construir el paisaje epigenético probabilístico que es
resultado emergente de las interacciones entre componentes moleculares de una
red de regulación compleja.
La derivación formal del Paisaje Epigéntico probabílistico que apareció
recientemente en la revista Physical Review Letters, abre nuevos enfoques para
investigar la forma en que se manifiestan los genes, y constituye un
parteaguas en la investigación en biología del desarrollo y evolución, así
como en los estudios acerca de las implicaciones potenciales de este tipo de
procesos emergentes en investigación biomédica. Aunque este enfoque se basa en
observaciones de la diferenciación celular durante el desarrollo temprano de
flores, podrá aplicarse a cualquier sistema en desarrollo en el que se cuente
con un modelo de red de regulación basada en datos experimentales. Por
ejemplo, para estudiar la reprogramación de células diferenciadas en células
madre en humanos, o evaluar la probabilidad de transitar de un estado celular
normal a uno de tipo canceroso. También sienta las bases para futuros
desarrollos teóricos en morfogénesis, así como para el diseño de nuevos
experimentos que podrán expandir la solución presentada en este artículo.