Herencia de emergencia: ¿desafío de las plantas a las leyes de Mendel?


Daniel Pastor de la Rubia* y Jesús Navas-Castillo#
*Estudiante de la Licenciatura en Biología (Universidad de Málaga). #Profesor Asociado del Departamento de Biología Celular, Fisiología y Genética, Universidad de Málaga, y Científico Titular de la Estación Experimental «La Mayora», CSIC (Algarrobo-Costa, Málaga).


Un dogma básico de la genética mendeliana clásica es que los alelos de un gen se heredan de forma estable de una generación a la siguiente, dando lugar a una segregación predecible. Un trabajo del grupo de Robert Pruitt del Departamento de Botánica y Patología Vegetal de la Universidad de Purdue [Lolle y cols., Nature 434, 505-509 (2005)], parece desafiar este principio. Las observaciones iniciales que hacían sospechar de una herencia poco ortodoxa tuvieron lugar con los mutantes HOTHEAD ( hth ) de la planta Arabidopsis thaliana . Estos mutantes, recesivos, presentan una fusión anormal de los órganos florales. En la descendencia de plantas hth/hth , y por lo tanto con fenotipo mutante, aparecían individuos con fenotipo normal con muy alta frecuencia, inexplicable por fenómenos conocidos como la mutación. Los experimentos llevados a cabo mostraron que estas plantas eran capaces de heredar una información genética ilocalizable en los genomas de los progenitores, pero sí en las generaciones anteriores, recuperando el gen que estaba presente en sus « abuelos » o « bisabuelos » en su estado silvestre.

El gen HOTHEAD , localizado en el cromosoma 1 de A. thaliana , codifica una proteína de la familia de las glucosa-metanol-colina-oxidorreductasas, que está implicada en uno de los pasos de la biosíntesis de cera epicuticular. Los autores disponían de una colección de 11 mutantes homocigóticos para los alelos recesivos de este gen, con diferentes mutaciones puntuales que los diferencian del silvestre. Tras obtener una serie de plantas homocigóticas para estas mutaciones ( hth / hth ), se comprobó que, al autofecundar estos mutantes, se obtenían con una elevada frecuencia (en torno al 10%) descendientes que no tenían la alteración fenotípica que presentaban sus progenitores, sino que eran fenotípicamente idénticos a algunos de sus ancestros. Dado que los progenitores eran homocigóticos, la aparición de plantas que revertían su fenotipo HOTHEAD al silvestre no podía explicarse mediante los principios de la genética mendeliana.

Inicialmente, los autores descartaron dos explicaciones triviales: la contaminación de las semillas obtenidas mediante autofecundación con semillas silvestres y la polinización cruzada de las plantas mutantes con polen silvestre. Algunas otras explicaciones convencionales fueron consideradas y descartadas. Una de ellas es que la inestabilidad génica pudiera deberse a la presencia de transposones o secuencias repetidas, pero, al analizar la secuencia del gen revertido, se comprobó que no existían secuencias de este tipo. También se descartó que un fenómeno de elevada tasa de mutación fuera el que revertiera el alelo mutante ( hth ) al silvestre ( HTH ), ya que debería dar lugar a numerosas mutaciones en otras posiciones del gen, silenciosas o no. Sin embargo, en la secuencia revertida existía un único cambio, la mutación puntual que convertía el alelo mutante ( hth ) en silvestre ( HTH ). Dada la eficacia y exactitud con el que el gen revierte al estado silvestre, cabía pensar en un mecanismo basado en una « plantilla » preexistente, una copia del gen silvestre heredado de los antepasados y que, en un momento dado, esté disponible para reemplazar la copia mutante. La pregunta que se planteaba era determinar cuál es la naturaleza y localización de esta posible copia. La búsqueda de estas copias del gen en forma de DNA mediante amplificación por PCR o hibridación molecular tipo Southern fue infructuosa: no parecía existir ninguna copia del gen « a la espera » en otra zona del genoma. Como en A. thaliana existe una familia de genes relacionados con HOTHEAD , los genes HOTHEAD-LIKE ( HTL ), se pensó que fueran fragmentos de éstos los que se utilizaran para restaurar el gen mutado. Cuando se compararon las secuencias de algunos de los mutantes hth con las de los genes HTL , se comprobó que algunos de los cambios necesarios para la restauración del gen silvestre no podían llevarse a cabo por este mecanismo.

Es de destacar que el fenómeno de recuperación del alelo silvestre con una frecuencia elevada se observaba no sólo para el gen HOTHEAD , sino también para todos los genes polimórficos que fueron analizados, pero únicamente en las plantas con el genotipo hth / hth .

Los autores proponen un novedoso mecanismo para explicar los fenómenos de reversión a los alelos silvestres en las plantas hth / hth . En estas plantas existiría un tipo de RNA estable, probablemente en forma de doble cadena, que podría replicarse y transmitirse a través de sucesivas generaciones. Este RNA podría, en determinadas circunstancias, ser capaz de modificar la secuencia de DNA del genoma nuclear para restaurar la información genética existente en las generaciones anteriores. Aunque se trataría de un modo de herencia no sospechado con anterioridad, los autores consideran que se han descrito previamente todos los procesos necesarios para el modelo . Algunos de ellos podrían estar relacionados con los mecanismos que permiten la persistencia del silenciamiento genético post-transcripcional inducido por RNA de doble cadena a lo largo de generaciones.

En este trabajo también se especula sobre la función que este inusual mecanismo de herencia podría tener en el organismo silvestre. Una posibilidad es que proporcione una reserva de variación genética adicional a la contenida en los cromosomas. Si esta información pudiera integrarse de nuevo en el genoma en forma de DNA, podría permitir que las especies autógamas como A. thaliana eviten las consecuencias negativas de la autofecundación. Otra posibilidad, más llamativa, es que la herencia de la copias no genómicas de los genes tenga lugar tanto en las plantas silvestres como en las hth / hth , pero la frecuencia con la que se usan para modificar la secuencia genómica es más elevada en las plantas mutantes. Esta diferencia podría ser el resultado del estrés que la ausencia de la proteína codificada por el alelo silvestre causa en la planta. Podría imaginarse un mecanismo en el que cierta información alélica adicional se mantiene fuera del genoma, pero podría usarse en el caso de darse situaciones que pusieran en peligro el normal funcionamiento del organismo. La información extragenómica utilizada no se elegiría al azar, sino que estaría constituida por una « genoteca » de secuencias alélicas que habrían probado su correcta funcionalidad en los ancestros, permitiéndoles sobrevivir y dejar descendencia. El organismo podría ir haciendo « copias de seguridad » en forma de RNA de aquellos alelos que fueran funcionales en unas condiciones determinadas y la recuperación de estas secuencias por parte del genoma podría representar un mecanismo para sustituir un genotipo que estuviera poco adaptado a las nuevas condiciones ambientales.

Un fenómeno tan novedoso y llamativo como el descrito en el artículo de Lolle y cols. evidentemente desata de inmediato una controversia en el ámbito científico. Así, la misma revista Nature publicó dos comentarios que proponían mecanismos alternativos que explicarían el fenómeno observado. Uno de ellos recurre a la posibilidad de que la conversión se lleve a cabo por la intervención de pequeñas secuencias homólogas distribuídas a lo largo del genoma [Chaudhury, Nature 437, E1-E2 (2005)]. Otra posible alternativa es que realmente existieran en algunas células de las plantas mutantes copia del gen silvestre en forma de fragmentos de DNA heterocromatizados y silenciados, que habrían sido adquiridos por la línea germinal femenina a partir de los núcleos degenerados hermanos del óvulo. Estos fragmentos de DNA, al estar en forma de heterocromatina, serían difícilmente detectables por hibridación molecular o PCR [Ray, Nature 437, E2 (2005)]. Lolle y cols. contestaron a ambos comentarios reafirmándose en su hipótesis [Lolle y cols., Nature 437, E2 (2005)]. Una tercera explicación totalmente distinta, que no necesita invocar la existencia de fenómenos genéticos novedosos, contempla que ciertas mutaciones en el gen HOTHEAD puedan dar lugar a la acumulación de metabolitos secundarios que sean tóxicos y mutágenos, lo que provocaría un incremento de la tasa de mutación en todo el genoma. La selección que tiene lugar durante el proceso de polinización ocasionaría el elevado número de alelos silvestres observados [Comai y Cartwright, Plant Cell 17, 2856-2858 (2005)].

Los experimentos futuros, que sin duda llevarán a cabo tanto el laboratorio de Robert Pruitt como otros, permitirán discernir cuál o cuáles de los mecanismos propuestos pueden explicar dicha herencia. Por otra parte, podrán poner de manifiesto si el tipo heterodoxo de herencia descrito es una excepción o está distribuido más o menos ampliamente en otros mutantes o especies de plantas o animales.