Modelos para estudiar el desarrollo de los seres vivos

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, en el laboratorio de Elena Álvarez-Buylla 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 su trabajo Álvarez-Buylla y Mendoza demostraron y validaron 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.

Fuente

Villarreal, C., P. Padilla-Longoria y E. Alvarez-Buylla. 2012. General Theory of Genotype to Phenotype Mapping: Derivation of Epigenetic Landscapes from N-Node Complex Gene Regulatory Networks. Physical Review Letters 109. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.118102.

Leer más de nuestro trabajo

Revista Oikos=

Oikos22