Un nuevo estudio aporta las primeras pruebas de mutaciones no aleatorias en el ADN

Los cambios genéticos que aparecen en el ADN de un organismo pueden no ser completamente aleatorios, según sugiere una nueva investigación. Esto pondría en entredicho uno de los supuestos clave de la teoría de la evolución.

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Los investigadores que estudian las mutaciones genéticas en una hierba común de las carreteras, el berro de mar(Arabidopsis thaliana), han descubierto que la planta puede blindar los genes más "esenciales" de su ADN contra los cambios, mientras deja que otras secciones de su genoma acumulen más alteraciones.

"Me sorprendieron totalmente las mutaciones no aleatorias que descubrimos", dijo a Live Science el autor principal, Grey Monroe, científico de plantas de la Universidad de California en Davis. "Desde la biología del instituto me han dicho que las mutaciones son aleatorias".

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Las mutaciones aleatorias son una parte importante de la teoría de la evolución por selección natural, en la que las mutaciones dan lugar a adaptaciones que se transmiten a la descendencia y alteran sus posibilidades de supervivencia. Los científicos han asumido que estas mutaciones eran aleatorias y que el primer paso de la evolución por selección natural era, por tanto, también aleatorio. Pero esto puede no ser del todo cierto, según sugiere el nuevo estudio.

"La idea de la mutación aleatoria existe desde hace más de cien años en biología y es algo que oyes tan a menudo como estudiante que es fácil darla por sentada", dijo Monroe. "Incluso como genetista y biólogo evolutivo en activo, nunca me había cuestionado seriamente la idea".

El nuevo hallazgo no refuta ni desacredita la teoría de la evolución, y los investigadores afirmaron que el azar sigue desempeñando un papel importante en las mutaciones. Pero el estudio sí demuestra que estas alteraciones genéticas son más complejas de lo que los científicos creían hasta ahora.

Errores en el ADN

Hay muchas posibilidades de que se produzcan mutaciones genéticas e incluso errores durante la vida de un organismo.

"El ADN es una molécula frágil; por término medio, el ADN de una sola célula se daña entre 1.000 y 1 millón de veces cada día", dijo Monroe. "El ADN también tiene que copiarse cada vez que una célula se divide, lo que puede introducir errores de copia".

Por suerte para los humanos y el resto de los organismos, nuestras células pueden contrarrestar gran parte de estos daños. "Nuestras células trabajan constantemente para corregir el ADN y han desarrollado complejas máquinas moleculares, las proteínas de reparación del ADN, para buscar los errores y realizar las reparaciones", explica Monroe.

Sin embargo, las proteínas de reparación del ADN no son una solución infalible y no pueden corregir todos los errores. "Si los daños o los errores de copia no se reparan, provocan una mutación, un cambio en la secuencia del ADN", explica Monroe.

Hay dos tipos principales de mutaciones: las somáticas, que no pueden transmitirse a la descendencia, y las de la línea germinal, en las que la descendencia puede heredar el error de ADN de un gen mutado en uno de los padres. Las mutaciones de la línea germinal son las que alimentan la evolución por selección natural y se vuelven más o menos comunes en una población en función de cómo afectan a la capacidad de supervivencia del portador.

No todas las mutaciones pueden alterar las posibilidades de supervivencia de un organismo. Las mutaciones sólo provocan cambios importantes en un organismo cuando se producen en los genes, es decir, en las secciones del ADN que codifican una proteína concreta. La mayor parte del genoma humano está formada por ADN no génico, explica Monroe.

Patrón no aleatorio

En el nuevo estudio, los investigadores decidieron poner a prueba la aleatoriedad de las mutaciones investigando si las mutaciones se producían de manera uniforme entre las regiones genéticas y no genéticas del ADN en los genomas de los berros.

El berro es un "gran organismo modelo" para estudiar las mutaciones porque su genoma sólo tiene unos 120 millones de pares de bases (en comparación, el genoma humano tiene 3.000 millones de pares de bases), lo que facilita la secuenciación del ADN de la planta. También tiene una vida muy corta, lo que significa que las mutaciones pueden acumularse rápidamente a lo largo de varias generaciones, dijo Monroe.

Durante tres años, los investigadores cultivaron cientos de plantas en condiciones de laboratorio durante varias generaciones. En total, los investigadores secuenciaron 1.700 genomas y encontraron más de un millón de mutaciones. Pero cuando analizaron estas mutaciones, descubrieron que las partes de los genomas que contenían genes tenían tasas de mutación mucho más bajas que las regiones no génicas.

"Creemos que es probable que otros organismos también puedan tener mutaciones genéticas no aleatorias", dijo Monroe. "De hecho, hemos seguido nuestro estudio investigando esta cuestión en otras especies y estamos encontrando resultados que sugieren que la mutación no aleatoria no es exclusiva de Arabidopsis".

Sin embargo, los investigadores sospechan que el nivel de no aleatoriedad entre las diferentes especies puede no ser el mismo.

Proteger los genes esenciales

El patrón no aleatorio en las mutaciones entre regiones genéticas y no genéticas del ADN sugiere que existe un mecanismo defensivo para evitar mutaciones potencialmente desastrosas.

"En los genes que codifican proteínas esenciales para la supervivencia y la reproducción, lo más probable es que las mutaciones tengan efectos nocivos, pudiendo causar enfermedades e incluso la muerte", dijo Monroe. "Nuestros resultados muestran que los genes, y los genes esenciales en particular, experimentan una tasa de mutación menor que las regiones no génicas en Arabidopsis. El resultado es que la descendencia tiene menos posibilidades de heredar una mutación perjudicial".

Los investigadores descubrieron que, para protegerse, los genes esenciales envían señales especiales a las proteínas de reparación del ADN. Esta señalización no la realiza el propio ADN, sino las histonas, proteínas especializadas que el ADN envuelve para formar los cromosomas.

"Basándonos en el resultado de nuestro estudio, descubrimos que las regiones de los genes, especialmente de los genes más esenciales desde el punto de vista biológico, están envueltas por histonas con marcas químicas particulares", dijo Monroe. "Creemos que estas marcas químicas actúan como señales moleculares para promover la reparación del ADN en estas regiones".

La idea de que las histonas tengan marcadores químicos únicos no es nueva, dijo Monroe. Estudios anteriores sobre las mutaciones en pacientes con cáncer también han descubierto que estos marcadores químicos pueden afectar a la posibilidad de que las proteínas de reparación del ADN reparen las mutaciones adecuadamente, añadió.

Sin embargo, es la primera vez que se demuestra que estos marcadores químicos influyen en los patrones de mutación de todo el genoma y, en consecuencia, en la evolución por selección natural.

Posibles implicaciones

Los investigadores esperan que sus hallazgos puedan servir para mejorar la medicina humana.

"Las mutaciones afectan a la salud humana de muchas maneras, ya que son la causa del cáncer, las enfermedades genéticas y el envejecimiento", dijo Monroe. Ser capaz de proteger ciertas regiones del genoma de las mutaciones podría ayudar a prevenir o tratar estos problemas, añadió.

Sin embargo, es necesario investigar más en los genomas de los animales antes de que los investigadores puedan saber si las mismas mutaciones no aleatorias se producen en los seres humanos. "Nuestros descubrimientos se hicieron en plantas y no dan lugar a nuevos tratamientos", dijo Monroe, "pero cambian nuestra comprensión fundamental de la mutación e inspiran muchas nuevas direcciones de investigación".

Los investigadores también creen que las señales químicas emitidas por los genes esenciales podrían utilizarse para mejorar las tecnologías de edición genética que podrían ayudarnos a crear cultivos más nutritivos y resistentes al cambio climático, dijo Monroe.

El estudio se publicó en línea el 12 de enero en la revista Nature.