Kitabı oxu: «La epigenética»

Más allá de la genética

Con la finalización en 2013 del Proyecto Genoma Humano obtuvimos la mayor cantidad de información conseguida hasta entonces respecto a nuestra biología: la lista completa de genes que contienen todas y cada una de nuestras células. Muchos vaticinaron entonces el fin de la enfermedad, hasta que comenzaron a aparecer problemas: hechos que la genética no podía explicar por sí sola y errores que parecían contradecir algunos de sus cimientos. La visión clásica de la genética llevó a asumir durante muchos años que la dotación genética de un organismo en el momento de su nacimiento es inmutable y condiciona su destino inexorablemente. Se instauró así un determinismo genético que, no obstante, comienza a diluirse.

¿Cuál es realmente el papel del ambiente? ¿No influye en absoluto sobre la actividad de los genes y su efecto final sobre el organismo? Para responder a estas preguntas hubo quien se fijó más en las células que en los individuos, y en los momentos tempranos de la vida embrionaria antes que en los seres adultos, llegando a asentar la disciplina que hoy día conocemos como epigenética. El biólogo escocés Conrad Hal Waddington acuñó el término con el objetivo de intentar dar nombre a esos procesos que, pese a no ser capaz de desentrañar, entendía que actuaban como mediadores entre los estímulos que una célula recibe desde el exterior, fruto de su interacción con el medio y con las demás células que la rodean, y el efecto final sobre la actividad de sus genes. Los mecanismos epigenéticos «dosificarían» la información confiriendo a dicha célula propiedades nuevas, capacidad de responder a cambios externos… En definitiva, modulando pero al mismo tiempo afianzando su destino (fig. 1).

Trasladar estas conclusiones al individuo completo, ya desarrollado, nos permite entender un poco mejor cuán probable es que exista un nivel de regulación que actúe como mediador entre ambiente y genética. Este es el lugar que ocupa la epigenética, una disciplina que parte de la genética clásica para ir más allá, para mostrarnos que los genes no tienen la última palabra y que el destino celular no está sellado de manera irreversible. El debate «adquirido versus innato» ya no es tal. Ahora sabemos que el ser humano no solo se define por la composición del conjunto de genes de sus células —el genoma—, sino que su epigenoma, influido por el ambiente, es vital en su existencia.

FIG. 1

«Paisaje epigenético» basado en una ilustración de Conrad H. Waddington. Muestra que el proceso de desarrollo —la caída de la bola por el terreno— puede seguir diversos caminos en función de alteraciones del ambiente hasta llegar al final —la diferenciación completa de la célula—.

El epigenoma es un conjunto de «marcas químicas» sobre el genoma que dirigen acciones tales como la activación o desactivación del gen que se ha marcado y el control de la producción de proteínas a partir de ese gen concreto. Los mecanismos epigenéticos dotan, pues, a nuestras células de la capacidad de ser lo que son y, por lo tanto, son una parte esencial de las funciones que nos definen como individuos. Están detrás de procesos tan básicos como respirar, moverse o digerir el alimento, pero también de otros aún en la frontera de nuestro conocimiento, como sentir, pensar o amar. Solo entendiendo estos mecanismos podremos comprender la maravillosa complejidad del ser humano, y también mejorar en el diseño de terapias adecuadas para patologías como el cáncer. La epigenética y la genómica de alta resolución abrirán las puertas a la tan ansiada medicina personalizada, que permitirá diseñar tratamientos para un individuo según sus características genéticas y celulares específicas.

Para poder entender plenamente cómo la epigenética es capaz de modularnos —incluso podríamos decir de «programarnos»— para ser quienes somos, antes debemos comprender la base molecular de nuestra existencia.

EL DESTINO ESCRITO EN LOS GENES

Las aproximaciones indican que un ser humano podría tener entre cincuenta y setenta billones de células en su organismo. Estas se agrupan y constituyen tejidos altamente especializados, que a su vez dará lugar a los órganos. Cada una de estas células constituye una entidad en sí misma, capaz de nutrirse, comunicarse con otras células, crecer e incluso reproducirse. Pero en el conjunto de un organismo pluricelular, cada célula tiene una función muy específica durante su vida, la cual viene determinada por el conjunto de proteínas del que dispone.

Las proteínas son los ladrillos que construyen tanto la mayoría de las estructuras de la célula como las máquinas moleculares que le proporcionan sustento, forma y multitud de propiedades. Para que una neurona, que es una célula del sistema nervioso, sea funcional, necesita exhibir en su superficie determinadas proteínas que permitan el intercambio de pequeñas partículas con carga eléctrica —iones de diferente naturaleza— a través de su barrera externa. Este intercambio de iones entre el exterior y el interior constituye la base de la comunicación eléctrica entre neuronas. Por otro lado, una célula del sistema inmunológico como un linfocito, cuya función principal es patrullar el torrente sanguíneo al acecho de invasores o cuerpos no deseados, deberá presentar en su superficie otro tipo de proteínas: receptores específicos de reconocimiento de moléculas. Al mismo tiempo, deberá generar proteínas que inicien una respuesta inflamatoria para luchar contra dicho invasor, o que controlen su capacidad para multiplicarse mediante la regulación de la división celular.

El conjunto de proteínas que una célula expresa es el responsable del aspecto final, de la forma, de las capacidades y, por tanto, de la función de dicha célula. Este conjunto de rasgos es lo que llamamos fenotipo, en contraposición al genotipo, que es el conjunto de genes que la misma célula porta en su interior. Porque, de manera simplificada, podemos afirmar —y esta es una de las claves para comprender la vida— que cada una de estas proteínas proviene de un gen, de un fragmento de información en forma de ADN, entre los miles que guarda el núcleo de nuestras células. El ADN o ácido desoxirribonucleico se encuentra en todos los seres vivos y pertenece a la familia de los ácidos nucleicos, que son moléculas de gran tamaño que tienen una naturaleza química similar a la de las proteínas pero una función muy distinta. Todo el ADN de una célula, el conjunto de sus genes, que conocemos como genoma, determina su identidad. Y todas las células de un mismo organismo comparten esa identidad porque todas, sin excepción, han derivado de una misma célula original por sucesivas divisiones.

> LOS PRIMEROS PASOS HACIA LA EPIGENÉTICA

Imagen de cristalografía de rayos X de la molécula de ADN obtenida por Rosalind Franklin que permitió a Watson y Crick formular el modelo de la doble hélice.

A lo largo de la dilatada historia de observaciones, elucubraciones e intentos más o menos acertados de explicar los mecanismos que regulan la herencia de los caracteres, se han sucedido algunos hitos clave que han sentado las bases de la genética, el sustrato esencial sobre el que, más tarde, ha surgido y se desarrolla la epigenética. Aparte de la célebre teoría de la evolución de las especies, basada en las observaciones de los naturalistas británicos Charles Darwin y Alfred Russel Wallace, que impregna todas y cada una de las ramas de la biología, otro avance destacado fue la enunciación en 1866 por parte del monje y naturalista austriaco Gregor Mendel de las leyes que modelan la transmisión de caracteres de progenitores a descendientes. Para ello, Mendel llevó a cabo numerosos experimentos con guisantes, a cuyos resultados aplicó un tratamiento estadístico. Por otro lado, el descubrimiento, casi un siglo después, de la estructura molecular del ADN, la famosa doble hélice, permitió comprender los mecanismos básicos por los que la información contenida en el ADN termina convirtiéndose en proteínas, que son las que finalmente hacen que una célula tenga una u otra característica, una u otra función. Los biólogos Francis Crick y James Watson, británico y estadounidense respectivamente, dedujeron en 1953 la estructura de la molécula de ADN a partir de una imagen de rayos X obtenida por la química y cristalógrafa británica Rosalind Franklin.

Pues bien, ¿qué determina que una célula tenga un cierto conjunto de proteínas y la célula vecina tenga otro? Si tienen el mismo genoma, el mismo ADN, ¿por qué son tan distintas? ¿Qué hace que dos gemelos monocigóticos, que son genéticamente idénticos, puedan tener distintas enfermedades a lo largo de su vida? ¿Por qué unas personas padecen depresión, otras algún tipo de cáncer y otras alzhéimer si no se les encuentra ninguna alteración genética asociada? Todas y cada una de estas preguntas pueden responderse mediante la epigenética.

Los organismos que se reproducen de manera sexual confieren a sus descendientes la ventaja de poseer un genoma totalmente original, una mezcla equitativa de ADN procedente de cada uno de sus progenitores. Esta mezcla de genes hará que el embrión en desarrollo se parezca a ellos, pero ostente diferencias que lo hagan único, mejor en muchos aspectos, con las consecuencias evolutivas que eso conlleva. El nuevo e híbrido genoma que es la seña de identidad de este cigoto se mantendrá intacto división tras división, hasta dar lugar a un ser humano completo. En cada una de estas divisiones celulares embrionarias, las células hijas se van especializando poco a poco mediante un proceso llamado diferenciación celular, la clave de la diversidad estructural que encontramos en los organismos pluricelulares.

Todas las células de nuestro organismo comparten el mismo genoma y sin embargo son muy diferentes unas de otras, lo que significa necesariamente que existe algo que permite a las células interpretar de manera diferente dicho genoma. Pero antes de profundizar en esta idea de la lectura e interpretación del «libro de instrucciones», es preciso entender cómo está escrito dicho libro: comprender de qué está formado el genoma humano y descifrar el lenguaje codificado por el ADN.

EL ADN, EL LENGUAJE DE LA VIDA

Cada célula viva, ya sea en sí misma un organismo —como podría ser una bacteria— o parte de un cuerpo multicelular, contiene una o varias moléculas de ADN. Son moléculas largas, formadas por la concatenación de unidades más pequeñas. En el caso de los seres humanos, el ADN es una cadena de aproximadamente dos metros de longitud que se encuentra altamente empaquetada, formando los cromosomas contenidos en el núcleo de todas y cada una de nuestras células. Cuando hablamos del genoma humano nos referimos al conjunto total de moléculas de ADN en forma de cromosomas que hay en una célula, y que es igual al que se encuentra en cada una de las células que constituyen el mismo organismo. El genoma humano contiene información suficiente para construir algo más de veinticinco mil proteínas, aunque en cada célula no se fabrican todas, sino solo algunos subconjuntos de ellas. Las proteínas son las encargadas de llevar a cabo las funciones celulares, ya sea organizando la supervivencia o la división celular, o dirigiéndose a puntos distantes del organismo en forma de hormonas para regular a otras células, entre otras muchas, muchísimas funciones. Por lo tanto, determinar el grupo de proteínas que cada célula va a tener en cada momento es vital para poder definir la vida, para que una célula sea una neurona, para que sepa cuántas veces debe dividirse antes de morir o para que desarrolle una determinada función en un preciso instante. Esto requiere una regulación muy delicada. Si disponemos esencialmente del mismo número de genes que una rata, es lógico pensar que la gran diferencia entre las especies debe venir de cómo se regulan estos y de qué proteínas se sintetizan finalmente en cada célula.

Hay una serie de genes que han de mantenerse silenciados siempre en determinadas células, otros que han de mantenerse siempre activos y un último grupo que se activa o se desactiva en función de las necesidades de esa célula como reacción al entorno. Y es que las células están en perpetua comunicación con el medio, recibiendo señales, interpretándolas y respondiendo de la forma adecuada. Dichas señales pueden venir de células vecinas o de lugares tremendamente alejados del organismo. Incluso, en algunos casos, vienen directamente del exterior. Y ahí es donde aparece la epigenética. Este nivel de regulación de la información es uno de los mecanismos más importantes a la hora de refinar la función génica y controla, en cada momento, qué genes se van a traducir a proteína y cuáles no en cada una de nuestras células. La epigenética regula, por tanto, la información genética. Podríamos definir el genoma como la gran enciclopedia de la vida, donde aparecen todas las palabras, las proteínas, pero que necesita una gramática y ortografía, la epigenética, para que cobren sentido. Pero antes de revisar la gramática, la pregunta obvia es: ¿qué idioma estamos hablando?

INTERPRETAR EL LIBRO DE INSTRUCCIONES

El ADN está compuesto por cuatro unidades diferentes llamadas nucleótidos, que se repiten a lo largo de la molécula en una secuencia. Los cuatro nucleótidos se diferencian entre sí por sutiles detalles químicos. Cada nucleótido está formado por un azúcar (la desoxirribosa), un grupo fosfato que actúa como enganche al siguiente nucleótido, y la parte diferenciadora: una base nitrogenada que puede ser adenina, timina, citosina o guanina (fig. 2), posibilidades que se representan con las letras A, T, C y G, respectivamente. La sucesión de nucleótidos da lugar a lo que se llama secuencia del ADN. Aquí reside su potencial como almacenamiento de información: a pesar de todas las similitudes en la estructura y naturaleza química de las moléculas de ADN en todos los organismos del planeta, las combinaciones de nucleótidos hacen que cada molécula sea única y diferenciable de las demás. A nivel estructural todas ellas son una hélice formada por dos cadenas de ADN complementarias, lo que significa que las adeninas de una cadena quedan enfrentadas a las timinas de la otra, con las que tienen capacidad de formar enlaces, y lo mismo sucede con las citosinas y las guaninas. Las dos cadenas se disponen en sentidos contrarios —el ADN es como una carretera con dos carriles, uno de ida y otro de vuelta, en direcciones opuestas—. En el núcleo de nuestras células, el ADN, además de formar la doble hélice, se encuentra dispuesto en una estructura altamente compactada, la cromatina, gracias a su asociación con unas proteínas llamadas histonas. En determinados momentos del ciclo celular, la cromatina aún se puede empaquetar en un nivel mayor formando los cromosomas.

FIG. 2

Estructura de las cuatro letras, nucleótidos, que componen el diccionario de la vida que es nuestro genoma.

Gracias a su específica secuencia de nucleótidos, que se agrupa en paquetes discretos de información correspondientes a los genes, la célula puede construir las proteínas necesarias para funcionar. Para ello, los genes (ADN) deben ser transcritos en la forma de otra molécula llamada ARN mensajero. Este también posee una secuencia de nucleótidos, con algunas diferencias respecto al ADN desde el punto de vista químico pero similar a grandes rasgos. A partir de la secuencia de ARN mensajero copiada, se elegirán los bloques de moléculas que podrán ensamblarse unos con otros para dar lugar a las proteínas. La relación existente entre cada secuencia de tres nucleótidos del ADN y las piezas que forman las proteínas, llamadas aminoácidos, nos da la clave de la vida, literalmente: la concatenación de nucleótidos, esas palabras de tres letras todas seguidas en el ADN, codifican una serie de aminoácidos que, al ser ensamblados en ese orden y no en otro, formarán una proteína concreta. Por eso el conjunto de esta relación, tripletes de bases y aminoácidos, se llama código genético, y es el mismo para todos los seres vivos sobre la Tierra, demostrando de manera rotunda nuestro parentesco común. Hemos partido de una larga molécula con repeticiones de cuatro letras y obtenemos un conjunto de miles de moléculas de naturaleza distinta y capaces de hacer todo tipo de funciones. Hemos convertido información en materiales de construcción. Pero es obvio que el proceso es más complejo, y la secuencia de «letras» es algo más que eso.

Imaginemos la organización de la secuencia como un tren de pasajeros: la locomotora llevaría la voz cantante a la hora de decidir si el tren se mueve o no; los vagones van llenos de ingenieros que transportan los planos para la construcción de una máquina concreta. Solo si el tren se mueve los pasajeros llegarán a su destino, y podrán ponerse manos a la obra. Por lo tanto, la regulación del movimiento de la locomotora es clave, y si no hay maquinista, jamás se moverá. En esta analogía, la locomotora es la región promotora de un gen: requiere que un cierto tipo de proteínas se unan a esta región para activar la expresión génica, un maquinista que se ponga a los mandos. De ser así, se llevará a los pasajeros a su destino y se les permitirá trabajar. En realidad este «viaje» es un traspaso de información: un equipo de proteínas especiales, una vez dirigidas por el maquinista, se pondrán a copiar los genes del ADN en forma de ARN mensajero en un proceso conocido como transcripción. Harán copias de los planos que llevan los pasajeros para poder pasarlas a la siguiente cuadrilla de trabajadores, los que se ensuciarán las manos montando las piezas de las máquinas, en lo que conocemos como traducción: el paso de ARN a proteína, siguiendo escrupulosamente las reglas establecidas por el código genético.

Desde el inicio de la transcripción hasta la traducción, pasando por el transporte del ARN fuera del núcleo, todas las etapas están finamente reguladas. Cualquier mecanismo que impida la subida del maquinista a la locomotora o entorpezca el avance del tren puede afectar al proceso y, por tanto, a lo que los pasajeros del tren puedan construir. La información que llevan nunca llegará a su destino, pero puede servir para otros propósitos, que explicaremos a su debido tiempo, relacionados con la epigenética. Porque los reguladores epigenéticos participan de todo este proceso: bloquean las locomotoras, impiden que los ingenieros se encuentren con los operarios o sencillamente enganchan los vagones de forma que no hay manera de que el tren avance.

La epigenética, siendo estrictos, es una rama de la genética que engloba todos aquellos mecanismos que matizan y puntualizan la mera sucesión de instrucciones —las moléculas de ADN— para construir proteínas. Hay otros mecanismos celulares que pueden afectar al funcionamiento de los genes, pero lo interesante de la epigenética es, por un lado, que el efecto puede ser duradero, tanto como para resistir división tras división celular, transmitiéndose de célula madre a célula hija, y, por otro, que ese efecto puede haber sido motivado por cambios en el exterior celular. Las implicaciones de estas dos sutiles diferencias son increíblemente importantes, como desgranaremos a lo largo de los siguientes capítulos, pero antes profundicemos un poco más en el funcionamiento de estos peculiares mecanismos.

> DEL ADN A LOS CROMOSOMAS: EMPAQUETAR LA MOLÉCULA DE LA VIDA

La estructura del ADN se basa en la repetición de cuatro nucleótidos, cuyos elementos diferenciadores son unas moléculas llamadas bases nitrogenadas: adenina, guanina, timina y citosina. Esta secuencia forma una cadena que contiene la información esencial de la célula. Una segunda cadena se une por complementariedad, de manera que las adeninas se unen a las timinas, y las citosinas a las guaninas. Esta doble hélice de ADN mide más de dos metros y debe ser empaquetada para almacenarse en el núcleo de cada célula. Por ello, se asocia con las histonas formando la cromatina, que pasa por una serie de niveles de empaquetado que se inician con el nucleosoma y terminan con los cromosomas.

LOS TRES NIVELES DE LA EPIGENÉTICA

En la actualidad se conocen tres tipos de mecanismos de regulación del ADN que cumplen los requisitos para considerarse epigenéticos, a saber, que modifiquen la actividad génica sin afectar a la secuencia del ADN, que se vean influidos por el ambiente y que, pese a suponer cambios reversibles, estos puedan perpetuarse incluso después de las divisiones celulares. Se trata de la metilación del ADN, los mecanismos de remodelación de la cromatina mediados por el código de las histonas, y la expresión de ARN no codificantes. Cada uno de ellos opera en un nivel distinto de regulación, es decir, afecta a diferentes etapas del proceso que va desde la mera información estática contenida en el ADN hasta que dicha información es utilizada para construir una o varias proteínas con una función específica dentro de la célula. Aunque el efecto final de los tres mecanismos sea parecido —facilitar o impedir que determinado gen sea interpretado en una instrucción para la célula—, las estrategias que emplean son totalmente diferentes.

PONIENDO MARCAS EN EL GENOMA

El primer nivel de regulación es la metilación del ADN, que consiste, básicamente, en marcar la zona de ADN que contiene un gen para impedir que este sea leído. Se trata de una ligera modificación química, la adición de un grupo metilo (–CH₃) al quinto átomo de carbono del anillo de citosina, dando lugar a la 5-metilcitosina, también llamada simplemente metilcitosina (fig. 3). Para volver a la analogía de las letras y los alfabetos, donde antes leíamos una C ahora leemos, una C*, lo cual nos llama la atención y nos hace detenernos, dificultando la lectura de la palabra que sigue. Esta modificación se lleva a cabo por la acción de unas proteínas llamadas ADN metiltransferasas, que reconocen todas las citosinas seguidas de guaninas y las metilan. Estas secuencias de citosinas y guaninas aparecen con más frecuencia en las regiones reguladoras de los genes, lo que sería la locomotora en el símil anterior. El hecho de acumular metilcitosinas en la región reguladora del gen tiene un impacto enorme en su actividad, generalmente bloquea su expresión. Por lo tanto, la metilación del ADN es una marca represiva, evita que el tren se mueva. Esto es clave, por ejemplo, en el proceso del cáncer. Se ha descrito una pérdida de metilación en los genes llamados genes prooncogénicos, cuya sobreactivación da lugar a la aparición de cáncer. También se ha descrito una ganancia de metilación en genes supresores de tumores, lo que los inactiva e impide que hagan su función y que pongan freno a la división celular descontrolada que caracteriza este tipo de enfermedad.

La metilación del ADN, puesto que es un proceso reversible, puede verse modificada por el ambiente y por nuestras experiencias vitales, pero al mismo tiempo, puede ser algo estático, perdurable en la vida de la célula e incluso en la del organismo, y esta propiedad es la que permite determinar la identidad celular. Con la fecundación del óvulo por parte del espermatozoide se forma una única célula, que es capaz de transformarse más tarde en cualquier célula de nuestro organismo. Esta capacidad se debe en gran parte a que su número de marcas epigenéticas se reduce casi al mínimo tras la fecundación. En divisiones sucesivas y gracias a procesos de metilación de regiones promotoras de diversos conjuntos de genes, se inician procesos de programación celular que llevan al bloqueo selectivo de determinados programas genéticos. Por ejemplo, en células madre neurales, que darán lugar solo a astrocitos, oligodendrocitos o neuronas (todos ellos tipos celulares característicos del sistema nervioso central), se bloquean aquellos conjuntos de genes que son cruciales para la función del hígado, mientras que a la vez se activan los esenciales para la función cerebral. Estas marcas se mantendrán el resto de la vida de la célula, y serán heredadas por las células hijas tras la división celular. Además, algunos cambios epigenéticos, como los producidos por el estrés en óvulos o espermatozoides, pueden llegar a pasar a nuestros hijos y «programarlos» para sufrir algunas patologías como la depresión.

Por lo tanto, existen dos tipos de metilación: la que llamamos de mantenimiento y la que se produce de novo. Cuando la doble hélice de ADN se prepara para la división celular, se separan las dos hebras y se sintetiza una hebra nueva complementaria a cada una de ellas, es decir, una nueva hebra idéntica a la hebra con la que estaba unida antes de separarse. De esta manera, cada una de las dos células hijas resultantes del proceso de división celular estará formada por una hebra de la célula madre y una hebra nueva, y llevarán las mismas instrucciones para la producción de proteínas. En ese preciso momento, las marcas de metilación de la doble cadena original, que se encontraban en las dos hebras de la célula madre, solo están presentes en una de las hebras de cada célula hija en la hebra original. Gracias al papel de las metiltransferasas, el estado de metilación de las dos hebras se restablece usando la hebra original. Este sería el proceso llamado de metilación de mantenimiento, y permite mantener genes inactivos o silenciados tras la división celular, haciendo posible, por ejemplo, que al dividirse una célula muscular, las dos células creadas sigan siendo células musculares.

FIG. 3

El estado de metilación de un gen determina su actividad. Cuanta más metilación (bolitas oscuras) muestre su región reguladora, menos actividad tendrá.

La metilación del tipo de novo es la que se produce como respuesta a la influencia del ambiente, la que puede cambiar con nuestras experiencias vitales, la que se ve afectada por agentes nocivos como el tabaco o las drogas. Mediante mecanismos que no conocemos aún completamente, hay regiones de los genes que pueden ganar metilación durante el transcurso de nuestra vida, independientemente del estado de metilación de su célula madre. Este hecho es uno de los cambios de metilación que hemos explicado que son responsables de patologías como el cáncer, en el que, en un momento dado, una célula adquiere nuevas marcas en ciertos genes y pierde otras, lo que determina que la célula escape del mecanismo de control de la división celular y se convierta en una célula tumoral.

¿Y cómo es capaz la metilación de citosinas de reprimir la expresión génica? Los grupos de proteínas que participan en la transcripción del ADN reconocen las metilaciones, se unen a esas secuencias metiladas y atraen otras proteínas que serán las encargadas de reprimir el gen. Por lo tanto, se puede decir que las metilaciones actúan generalmente como baliza de señalización, que indica a la célula la zona que ha de apagar mediante la atracción de agentes represores. Este sería solo uno de los mecanismos posibles; sabemos también que hay factores esenciales para el inicio de la transcripción que no pueden unirse a la región reguladora del gen si este se encuentra metilado.

Aunque durante un tiempo se consideró que la metilación del ADN era un proceso estático irreversible, se ha comprobado que es dinámico y plástico: durante la vida de una célula se dan constantemente procesos de metilación y desmetilación. Además, hoy sabemos que aparte de la metilación existe la hidroximetilación del ADN, una reacción que reconoce citosinas metiladas y las oxida. Dicha modificación tiene un efecto contrario al de la metilación, puesto que activa la expresión génica. Actualmente, la hidroximetilación se considera una de las marcas epigenéticas más importantes en el desarrollo cerebral y en los procesos patológicos asociados a enfermedades neurodegenerativas como el alzhéimer, entre otras. No obstante, las limitaciones tecnológicas aún nos impiden entender su función específica y qué implicación tiene este tipo de regulación en las enfermedades neurológicas.

En conjunto, la metilación del ADN es un mecanismo extremadamente eficaz en cuanto a su capacidad de regulación de la expresión génica. Pese a que hoy podemos interrogar a todas las citosinas del genoma completo y saber su estado de metilación, aún no comprendemos en su totalidad cómo regula el genoma ni por qué aparecen cambios puntuales en el patrón de metilaciones en momentos determinados. Gracias a los avances en las técnicas de secuenciación y a la reducción de costes, estamos empezando a observar otras bases del ADN susceptibles de ser metiladas. Por ejemplo, se ha descrito la metilación de la adenina como un proceso determinante en la regulación de algunas especies como la mosca de la fruta, pero también en células humanas. Si tenemos en cuenta esto, y que además las citosinas pueden ser metiladas aunque no las siga una guanina, la complejidad y variedad del mecanismo da lugar a una regulación muy fina en cada tipo celular, una regulación que permite a cada célula no solo definirse fenotípicamente, sino también adaptarse al medio en el que vive.

ENREDANDO EL ADN

Además de la metilación del ADN existen otras marcas epigenéticas que permiten a las células controlar qué proteínas se sintetizan y cuáles no, de manera reversible pero también muy duradera. Una de ellas es el llamado código de histonas. Antes hemos mencionado que el ADN es una doble hélice altamente empaquetada en el núcleo de nuestras células. Pues bien, el ADN no se encuentra «desnudo» en el interior del núcleo, sino que se protege y recubre de proteínas. Las histonas son proteínas que se encargan de empaquetar el ADN formando una especie de ovillo sobre el que se enrolla la doble cadena, dando lugar al nucleosoma. La formación del nucleosoma permite reducir la longitud de la cadena de cromatina a una sexta parte. Las histonas se agrupan para formar una especie de tambor de ocho piezas, el octámero, sobre el que se enrolla el ADN. La finalidad del octámero es múltiple: sirve de mecanismo de empaquetamiento al reducir el espacio que necesita la célula para guardar la doble cadena; sirve de mecanismo protector, ya que el resultado del superempaquetamiento es la generación final del cromosoma, que permite protegerlo de las proteínas que se encuentran a su alrededor; y sirve también de mecanismo regulador de la transcripción. Por todo ello, la modificación de las proteínas histonas es uno de los procesos epigenéticos más importantes y dinámicos que poseen las células de nuestro organismo.

FIG. 4

La metilación de las histonas provoca que los nucleosomas se aprieten entre sí y que el gen quede inaccesible a las proteínas que llevan a cabo la transcripción. Su acetilación tiene el efecto contrario.

Cada una de las histonas que forman el octámero tiene la particularidad de disponer de unas colas que quedan expuestas hacia fuera de la estructura, quedando accesibles desde el exterior. Es en estas colas donde se realizan las modificaciones epigenéticas (fig. 4). Existenmás de once tipos de modificaciones diferentes que se pueden dar sobre las histonas, como la metilación, la fosforilación o la acetilación, y cada cola de histonas puede presentar hasta veinte o treinta puntos diferentes de modificación. Teniendo en cuenta que algunos de estos puntos pueden estar modificados de manera única, doble o triple, y que las distintas modificaciones pueden combinarse entre sí, uno puede hacerse a la idea de lo complejo que resulta comprender los mecanismos de acción de cada nucleosoma. Más aún si pensamos que el resultado de la expresión del gen no se deberá solo a un nucleosoma concreto, sino probablemente a más de cien. De ahí que se defina el código de histonas como el conjunto de modificaciones de histonas que presenta una región concreta del ADN y que determina que se active o se reprima un determinado gen.

El efecto de estas modificaciones es fácil de entender si ampliamos un poco la escala y observamos el ADN formando complejo con las histonas y dando lugar a los cromosomas. Podemos imaginar el ADN como el cable de un teléfono de aquellos del siglo pasado, que siempre estaban enrollados. Las marcas de las histonas pueden mantener el cable muy enrollado y por ello no accesible a la maquinaria de transcripción, o relajarlo para desenrollarlo y permitir que dicha maquinaria se acerque, se una a las regiones reguladoras y facilite la creación de nuevas proteínas. Retomando el símil ferroviario, el código de histonas puede dar luz verde o detener del todo el avance de cada uno de los trenes de la información genética. Por otro lado, estas histonas sirven de puntos de reconocimiento a otras muchas proteínas, a modo de helipuertos, que permiten que estas modulen la estructura del ADN activándolo o reprimiéndolo.

Las modificaciones de las histonas son cambios muy rápidos y dinámicos que permiten determinar de manera prácticamente inmediata qué genes se han de activar en cada momento. Pero eso no significa que sean estados transitorios, ya que se ha descrito que también pueden permanecer alteradas por un tiempo bastante largo. Este mecanismo epigenético está muy estudiado en el campo de la adicción, ya que se sabe que algunas drogas como la cocaína o la anfetamina son capaces no solo de modificar las histonas de manera rápida, sino que además pueden producir también cambios duraderos que podrían estar muy relacionados con la recaída o con el mantenimiento de la adicción. Además, el código de histonas podría estar también vinculado a la susceptibilidad a padecer dicha adicción, lo que vendría a explicar cómo es posible que entre las personas que prueban una droga como la marihuana o la cocaína, solo algunas desarrollen una conducta adictiva hacia esa sustancia. Por lo tanto, podría existir una predisposición a la adicción cuya base sería de origen epigenético.

Otro de los procesos en los que la modificación de histonas desempeña un papel clave es en el aprendizaje y en la memoria. Para poder llevar a cabo un aprendizaje concreto, es esencial que haya proteínas nuevas, y en este proceso el código de histonas es fundamental. La conducta es el resultado de la interacción de los genes con el ambiente, y la epigenética resulta determinante en estos procesos que unen el ambiente y el genoma; se cree que la epigenética es clave en el eterno debate científico de lo innato frente a lo adquirido, lo que los anglosajones llaman nature versus nurture. El proceso de aprendizaje y memoria es crítico a la hora de modular nuestra conducta. Mediante el aprendizaje obtenemos conocimiento y experiencias de nuestro entorno, y la memoria es el mecanismo para codificar, almacenar y posteriormente recordar lo aprendido. Por ejemplo, y como veremos más adelante con mayor detalle, los datos acumulados hasta la fecha en laboratorios de todo el mundo indican que los procesos de modificación de histonas y metilación de ADN son esenciales para establecer la memoria a corto y largo plazo. Además, distintos fármacos con capacidad de alterar el código de histonas han demostrado que son efectivos a la hora de eliminar selectivamente algunos aprendizajes adquiridos en ratones de experimentación. Por todo ello, es esencial comprender el papel de la epigenética en estos procesos cerebrales.