24 enero, 2014

¿Cuál de los cromosomas X se inactiva en las hembras?

Si preguntamos en la calle ¿cuál es la principal diferencia entre un varón y una mujer?, seguramente las respuestas más frecuentes serán los senos, los órganos reproductores, la barba, la obsesión por los zapatos o por los videojuegos, entre otros. Pero muy pocos —tal vez algunos biólogos que cayeron en la encuesta— dirán “¡los cromosomas sexuales!”. Y tendrían razón. 


La diferencia más sustancial, a partir de la cual se originan todas las demás, son los cromosomas sexuales. En los mamíferos, las hembras tienen dos cromosomas X (XX) y los machos un cromosoma X y un cromosoma Y (XY). A pesar de ser chiquito, el cromosoma Y porta un gen esencial para lograr la diferenciación masculina. De no ser por él, prácticamente todos seríamos hembras, así tuviéramos solo un cromosoma X (X0) como en el Síndrome de Turner.

Entonces, serán los machos quienes finalmente determinen el sexo de los hijos porque sus espermatozoides portarán o bien el cromosoma X o bien el cromosoma Y; mientras que los óvulos sólo portarán el cromosoma X. Esto trae como resultado que las hembras posean un cromosoma X proveniente del padre (Xp) y un cromosoma X proveniente de la madre (Xm).

Creo que todos aprendimos esto en nuestra clase de biología del colegio. Sin embargo, lo que no todos saben es que en las hembras, uno de sus cromosomas X se inactiva. 

Seguro se estarán preguntando ¿por qué lo hace? 

El cromosoma X tiene alrededor de 1000 genes. La gran mayoría son esenciales para el desarrollo y viabilidad de las células, pero no para la diferenciación sexual y la reproducción. Los machos, a pesar de tener un solo cromosoma X, no presentan problemas en su desarrollo. Por lo tanto, si las hembras tuvieran los dos cromosomas X activos, las células recibirían una doble dosis de cada uno de los productos de estos 1000 genes, provocando un desequilibrio metabólico que podría alterar su normal desarrollo.

En 1961, Mary Lyon descubrió que uno de los cromosomas X de los mamíferos se inactiva convirtiéndose en una masa oscura llamada corpúsculo de Barr. Y ¿cuál de los dos se inactiva? Hice esta pregunta a unos amigos biólogos por aquí y la mayoría me respondió el X paterno. Creo que es la primera respuesta que se nos viene a la cabeza. Pero no es así. En en algunas células el Xp es el inactivo mientras que en otras el Xm lo es, y al parecer esta selección es al azar.

Recientemente, un grupo de investigadores del Howard Hughes Medical Institute y de la Jhons Hopkins University (Estados Unidos) han desarrollado una forma de ver la inactivación del cromosoma X directamente en el cuerpo, célula por célula. El estudio fue publicado el 8 de enero en Neuron.

La técnica consiste en iluminar a las células de dos diferentes colores dependiendo del cromosoma X que inactiven. Para ello, insertaron el gen de la proteína fluorescente verde (GFP) en los cromosomas X de un ratón (digamos, el padre) y el gen de una proteína fluorescente roja (tdTomato) en los cromosomas X de otro ratón (la madre). Luego cruzaron estos dos ratones y seleccionaron a las crías hembras, las cuales deberían tener los cromosomas X del padre y de la madre con sus respectivas proteínas fluorescentes. Si el Xp se inactiva, no se expresa la GFP —pero sí la tdTomato— y las células brillarían de color rojo. Si el Xm se inactiva, pasaría lo contrario y las células brillarían de color verde.

Cuando se analizaron los diferentes tejidos del ratón hembra bajo el microscopio de fluorescencia observaron este maravilloso mosaico: 

Cabeza de un embrión de ratón.

Corazón (músculo cardiaco).

Corte transversal de la lengua.

Variación en el mosaicismo entre la retina izquierda y derecha de un ratón adulto.

Mosaicismo en un cerebro adulto que muestra la asimetría en la inactivación del cromosoma X entre el hemisferio izquierdo y derecho.

Vellosidades intestinales.

Espectacular, ¿cierto? Se ve claramente que tanto el cromosoma X paterno como el materno pueden ser inactivados, y como mencionamos anteriormente, este proceso puede ser al azar. Sin embargo, las imágenes también nos muestran que existen tejidos en los cuales predomina un sólo tipo de células (rojas o verdes). Aún se desconoce por qué ocurre esto y qué efecto podría tener sobre el organismo, especialmente, a nivel del sistema nervioso central, ya que los alelos (variantes del mismo gen) que posee el cromosoma X paterno pueden ser distintos al materno.



Referencia:

Hao Wu, Junjie Luo, Huimin Yu, Amir Rattner, Alisa Mo, Yanshu Wang, Philip M. Smallwood, Bracha Erlanger, Sarah J. Wheelan, Jeremy Nathans. Cellular Resolution Maps of X Chromosome Inactivation: Implications for Neural Development, Function, and Disease. Neuron. 81(1): 103-119. doi:10.1016/j.neuron.2013.10.051

Además, te recomiendo que leas este gran artículo de Carl Zimmer en The New York Times referente a este tema.

20 enero, 2014

Un genoma picante

Ayer se publicó un artículo en Nature Genetics que podría resultar interesante para los que amamos las comidas picantes. 

Un grupo internacional de investigadores, principalmente surcoreanos, acaban de hacer público la secuencia del genoma del chile picante (Capsicum annuum). Esta especie se originó y domesticó en Mesoamérica y actualmente se cultiva en casi todo el mundo. Es pariente cercano del C. baccatum (ají amarillo y mirasol) y el C. pubescens (rocoto), los cuales son originarios del Perú, y forman parte de la familia de las Solanáceas, junto a la papa y el tomate. 

Los chiles o ajíes se caracterizan por la gran variedad de colores que presentan, los cuales van desde el amarillo pálido, pasando por el anaranjado y terminando en el rojo intenso y morado. Esto se debe principalmente a la acción de dos carotenoides: la capsantina y la capsorrubina, que son aprovechados como pigmentos naturales dentro de la industria alimentaria y cosmética. Por otro lado, cuentan con un grupo de alcaloides con propiedades antifúngicas, antibacterianas y anticancerígenas llamadas capsaicinoides, que se producen en la parte vascular del fruto (la placenta o comúnmente conocida como "las venas" del ají) y que también son responsables de la sensación picante que dejan en la boca. Se han aislado al menos 22 de estos compuestos, siendo la capsaicina la más importante de todas.

Capsicum annuum. Fuente: WikipediaCapsicum annuum. Fuente: Wikipedia.

Los investigadores secuenciaron el genoma de dos variedades cultivadas de C. annuum (chile criollo de Morelo CM334) y de un pariente silvestre llamado C. chinensis. ¿Por qué escogieron la variedad CM334? Pues porque presenta un gran resistencia a distintos patógenos y enfermedades, especialmente la causada por Phytophthora capsici, y actualmente es usado en diferentes programas de mejoramiento del cultivo.

C. annuum es diploide. Esto quiere decir que presenta dos copias de cada uno de sus 12 cromosomas (n=12). El tamaño de su genoma 3,400 millones de pares de base (3,4 Gpb) es similar al nuestro (3,2 Gpb), pero mucho más grande que de la papa (0,84 Gpb) y del tomate (0,9 Gpb). Por otro lado, el 75% del genoma de C. annuum corresponde a secuencias repetidas (retrotransposones) que fueron incorporadas después su divergencia con el tomate hace unos 19 millones de años.

Se estima que C. annuum posee al menos 34.900 genes, un número similar al que poseen el tomate y la papa. Comparte muchos genes de maduración con el tomate, pero existe una gran diferencia entre sus frutos: los tomates son climatéricos, esto quiere decir que su maduración está regulada por una molécula muy simple llamada etileno, mientras que los chiles no son climatéricos.

La ventaja de los frutos climatéricos es que pueden ser cosechados aún verdes ya que seguirán madurando fuera de la planta, incluso podemos acelerar y hacer más homogéneo este proceso aplicando el gas etileno directamente. Esto facilita su transporte y almacenamiento. Un análisis comparativo entre los genes que se expresan durante la maduración de estos dos cultivos reveló que los chiles expresan en bajos niveles los genes responsables de la producción de etileno, especialmente el gen CNR. Asimismo, el gen de la poligalacturonasa (responsable del ablandamiento del tomate) se encuentra subexpresado e incompleto. Todo esto suma a que sus frutos sean tan diferentes. Por otro lado, los niveles de expresión de los genes responsables de la producción de Vitamina C son mayores en el chile que en el tomate.

La publicación del genoma del C. annuum sevirá como una plataforma para mejorar las características nutricionales y aprovechar del valor farmacológico de este importante cultivo que solo en el año 2011 movió más de 14.400 millones de dólares. Asimismo, contaremos con un genoma de referencia para el estudio y mejoramiento de nuestras especies nativas de ajíes aprovechando de la gran diversidad genética que tenemos.



Referencia: ResearchBlogging.orgSeungill Kim, et al (2014). Genome sequence of the hot pepper provides insights into the evolution of pungency in Capsicum species Nature Genetics DOI: 10.1038/ng.2877

15 enero, 2014

Un BLAST para enzimas

Las enzimas son las moléculas responsables de catalizar las reacciones químicas que se llevan a cabo en todos los seres vivos. Están formadas por largas cadenas de aminoácidos, en secuencias específicas determinadas por los genes, que adquieren estructuras tridimensionales complejas. Gracias a ellas podemos digerir los alimentos, desintoxicar las células, degradar los medicamentos y sintetizar nuevas proteínas, ADN, neurotransmisores y hormonas. En fin, debemos nuestro funcionamiento a ellas.

Para la primera mitad del siglo XX ya se habían identificado y caracterizado cientos de enzimas en distintos laboratorios del mundo, por lo que era necesario desarrollar algún mecanismo para agruparlas de acuerdo a sus propiedades químicas. Fue así que en la década de 1960, la Comisión Conjunta sobre Nomenclatura Bioquímica (JCBN) adoptó un sistema universal de clasificación enzimática que consistía de cuatro números: El primero corresponde a su función catalítica o mecanismo de acción (clase), el segundo al tipo de enlace que modifica (subclase), el tercero a la naturaleza del sustrato (sub-subclase) y el cuarto número indica específicamente el sustrato o es el número correlativo establecido por la JCBN. Por ejemplo, la tripsina (EC 3.4.21.4), es una hidrolasa (clase 3) que rompe con agua un enlace peptídico (subclase 4) usando para ello un residuo de serina en su centro activo (sub-subclase 21) y es la cuarta agregada a la lista de enzimas degradadoras de proteínas (4).

Ahora, gracias al desarrollo de analizadores químicos sofisticados y equipos de secuenciamiento de última generación, descubrimos nuevas enzimas con potenciales usos farmacéuticos, bioquímicos e industriales. Y no sólo eso, también la computación y la informática están poniendo de su parte a través del desarrollo de algoritmos y programas que permiten predecir, modelar y modificar las estructuras de las enzimas para obtener nuevas funciones. Por ello se requiere de un mecanismo rápido para comparar la función de las enzimas que se descubren y caracterizan día a día.

Es así que un grupo de investigadores del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) han desarrollado una herramienta bioinformática llamada EC-BLAST que permite mapear y comparar cualquier reacción enzimática en función al cambio de los enlaces químicos de los sustratos, el centro activo (lugar de la enzima donde se lleva a cabo la reacción) y la estructura de las moléculas participantes de la reacción enzimática. Gracias a unos algoritmos informáticos, cada uno de estos parámetros genera una "huella dactilar" que es comparada con las que están almacenadas en la base de datos del EMBL, para poder determinar la función de la enzima o su clasificación dentro del sistema universal.

EC-BLAST
Modo de funcionamiento del EC-BLAST

 

Para ver si el EC-BLAST funcionaba adecuadamente, los investigadores lo probaron utilizando las 6000 reacciones enzimáticas juntó a sus respectivos sustratos registrados en la base de datos de la Enciclopedia de Genes y Genomas de Kioto (KEGG). Los resultados fueron muy buenos. Las enzimas se agruparon de acuerdo a las clases y subclases a las que corresponden según su nomenclatura. Además permitió identificar algunos errores en la clasificación de ciertas enzimas, incluso se observó que algunas de ellas podían cumplir más de una función específica y podían pertenecer a diferentes clases (promiscuidad enzimática).

Resumiendo, el EC-BLAST ha demostrado ser una potente herramienta para comparar la similaridad química de las reacciones enzimáticas. Además es útil a la hora de asignar una clasificación a las enzimas recién descubiertas y podría ayudar a identificar nuevas funciones en las enzimas ya conocidas, que podría ser aprovechada por la industria biotecnológica.


Referencia:

ResearchBlogging.orgAsad, S, Martinez, S, Furnham, N, Holliday, GL, & Thornton, JM (2014). EC-BLAST: a tool to automatically search and compare enzyme reactions Nature Methods DOI: 10.1038/nmeth.2803

10 enero, 2014

Nueva estrategia para controlar áfidos mediante ingeniería genética

El aumento de cultivos de plantas transgénicas resistentes a insectos ha reducido el uso de agroquímicos destinado al control de plagas. Sin embargo, este efecto, que sin dudas es favorable para el ambientes y salud de los agricultores y consumidores, ha generado un hecho inesperado: el aumento de plagas secundarias como los áfidos, los cuales no son afectados por las toxinas Bt expresadas por las plantas transgénicas. Si bien los áfidos no se comen las hojas o los frutos como lo hacen las orugas o las langostas, son responsables de transmitir más del 50% de todos los virus que causan enfermedades en las plantas, convirtiéndose en un serio problema para la agricultura. Recientemente, una novedosa estrategia para controlar los áfidos ha sido desarrollada por investigadores de la Iowa State University. Si quieres saber más lee mi artículo publicado hoy en Naukas.

Afidicid
Afidicid(R). El único veneno para áfidos inyectable en el mundo.

Vía | Naukas.

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