Si a las plantas no les
da cáncer, ¿podrían ayudarnos a entender qué sucede en el proceso
carcinogénico?
Por Mauricio Quimbaya
El libro de la vida
Si se me permite hacer una comparación un tanto simplista en
aras de tratar de explicar algo bastante complejo, diré que el genoma celular
puede equipararse al libro de la vida. En él está escrita utilizando el
lenguaje del ADN, la historia de nosotros y del resto de organismos como
individuos, como especie y como linajes particulares. Cada organismo tiene un
libro propio y en él están codificados cada uno de los elementos de este gran
misterio al que llamamos vida.
Todos los libros están divididos en capítulos y en el caso
del libro de la vida que nos describe como humanos, éste se encuentra dividido
en 46 capítulos. Cada capítulo corresponde a cada uno de los cromosomas en los
cuales se encuentra empaquetado nuestro genoma. Los capítulos están divididos
en párrafos. Hay muchos párrafos que hasta hace
muy poco, pensábamos, contenían información que al leerla no contribuía
a estructurar la historia plasmada en este libro, el denominado ADN basura.
Está concepción cambió radicalmente, pero como es una historia diferente, ahora
no ahondaré en ello. Existen algunos párrafos, muy pocos, que son los que
narran nuestra historia biológica a través del tiempo. A estos párrafos los
denominamos genes y son las unidades básicas que cementan nuestro genoma.
Nuestro libro de la vida es enorme, está escrito con seis mil
millones de caracteres estructurando los distintos párrafos del libro, lo que
equivale a tener una enciclopedia de 500 tomos, cada tomo del tamaño del
directorio telefónico de una ciudad como Bogotá. Si quisieras sentarte a leer
tu historia, te tomaría aproximadamente 10 años seguidos sin interrupciones.
Tanta información significa que somos seres complejos, con una larga historia
familiar y con muchas cosas para contar. Tenemos primos distantes como las bacterias
con libros que contienen una menor cantidad de información y primos cercanos como
las plantas con libros que poseen mucha más información.
Siempre fui un buen lector, y siempre me atrajo la naturaleza
y la vida, de manera que traté de compaginar ambas actividades siendo biólogo
para leer y tratar de entender el que es hasta ahora mi libro favorito, el
libro de la vida.
Por algunos años me limité a tratar de entender la historia
contenida en uno u otro libro. Algunas veces estaba inmerso en el genoma de
alguna planta y en otras ocasiones trataba de descifrar el código escrito en el
libro de algún animal. Todo cambió con mis estudios de doctorado, allí aprendí
a comparar distintos libros de la vida para tratar de entender una o varias
historias allí contadas simultáneamente.
La comparación de distintos libros es útil para saber que
párrafos (genes) se han mantenido constantes o invariables en la historia de la
vida, a éstos los podríamos definir como los elementos constitutivos de la
vida. De la misma forma esta comparación nos sirve para saber qué párrafos
nuevos han surgido a medida que se escriben nuevas historias (cuando surgen nuevos
organismos), en este caso, dichos elementos son claves para entender el proceso
evolutivo y los procesos de adaptación a circunstancias particulares.
En el presente escrito quiero ilustrar mediante un ejemplo, de qué manera la comparación de distintos
libros de la vida, es una estrategia eficiente para la detección de nuevos
elementos biológicos que puedan ayudar a explicar o a entender mejor un fenómeno
de interés, en mi caso particular el desarrollo del cáncer, entendido como la
perdida de la identidad celular de un grupo de células específicas, trayendo
como consecuencia primaria la pérdida de su control proliferativo (para saber
más en relación al proceso carcinogénico, visitar Dinámicas
y mecanismos del cáncer en nuestro blog).
Casi siempre olvidamos
las preguntas verdaderamente importantes
Aunque fue hace ya algunos años, recuerdo como si fuera ayer
la primera vez que hablé sobre mi proyecto de doctorado con quien para ese
entonces era mi jefe. Todo mi proyecto lo resumió en una frase:
- -“Vamos
a encontrar nuevos genes relacionados con el proceso carcinogénico, empezando
la búsqueda desde Arabidopsis thaliana”.
- - ¡Genial!
-Le contesté yo sin tener una verdadera noción de lo que estaba diciendo.
- -
La
verdad, no creo que sea tan genial pues te va tocar trabajar bastante y no
estoy seguro que al final encontremos algo relevante-me dijo directamente mi
jefe. En ese instante me di cuenta que contrario a mí, él si tenía una noción
muy clara de lo que estaba diciendo.
- -
¡Genial!,
me gustan los retos- le contesté ya no tan sonriente…¿y saben qué?, fue todo un
reto.
El proyecto se fundamentaba en proponer una metodología
experimental que permitiera asociar causalmente genes a los cuales aún no se
les hubiera encontrado una función molecular específica, con procesos
relacionados con el inicio o progreso de la transformación cancerígena. Para
este proceso de identificación de genes debía utilizar un modelo biológico
particular, y dicho modelo era Arabidopsis
thaliana, una planta (para saber más en relación al uso de A thaliana como organismo modelo,
visitar Genómica comparativa: ¿pueden una
planta o una mosca enseñarnos algo acerca de nuestro genoma y de nuestra
historia como especie? en nuestro blog).
Pasé varios meses tratando de identificar la metodología más
eficiente para tratar de explorar el genoma de Arabidopsis con el fin de identificar genes, no solamente sin
función definida, sino que también tuvieran una alta probabilidad de estar
implicados en procesos cancerígenos cuando no funcionaban como debían
funcionar, bien fuese porque la célula los produce en exceso o
insuficientemente. Leí más de cien artículos científicos tratando de encontrar
la metodología adecuada, les pregunté a muchos colegas quienes amablemente me
daban su opinión y en momentos de frustración hacía por último lo que debería
haber hecho primero, preguntarle a mi jefe.
Mi primer eureka lo
vivencié cuando se me ocurrió que tal vez la información que podía explotar del
genoma de Arabidopsis individualmente
era insuficiente. Pensé que sería útil si pudiera comparar el genoma de esta
plantita con otros genomas, lo cual me permitiría encontrar genes conservados
evolutivamente que fueran más robustos en el momento de inferir funciones
específicas, y sobre todo, útiles en el momento de encontrar relaciones
funcionales con procesos biológicos implicados en el desarrollo del cáncer. Las
siguientes preguntas fueron: ¿qué genomas comparar? y ¿cómo hacerlo? Recordé
las palabras de mi jefe, “tendrás que trabajar mucho”.
Discutiendo con mi jefe y algunos colegas llegamos a la
conclusión que lo más sencillo sería comparar el genoma de Arabidopsis con el genoma humano, ya que ambos son genomas que se
encuentran totalmente secuenciados y, a su vez, son genomas ricos en
información tanto estructural como funcional plenamente libre para la comunidad
científica. Lo siguiente fue ponerme en contacto con un brillante bioinformático
del instituto en el cual trabajaba, quien me ayudó a refinar la estrategia
computacional necesaria para comparar dos genomas de más de 20 mil genes cada
uno, además de ayudarme a desarrollar las herramientas bioinformáticas,
necesarias para inferir relaciones funcionales de genes específicos que me
permitieran encontrar genes con una alta probabilidad de estar implicados en
procesos carcinogénicos.
Como eje central partimos de la maquinaria necesaria para que
una célula se divida. A las moléculas implicadas en este proceso se les conoce
como genes reguladores del ciclo celular y son los encargados de que el proceso
de división celular se realice coordinadamente tanto en un momento determinado
como en la célula específica que necesita dividirse y no en otra.
La hipótesis de trabajo fue lo más simple posible. Debíamos
explorar sistemáticamente el genoma de Arabidopsis
thaliana para encontrar genes sin
función específica, los cuales de acuerdo a ciertos filtros funcionales implementados, tuvieran
una alta probabilidad de ser genes relacionados con procesos de división
celular en esta planta modelo. La identificación de nuevos reguladores del
ciclo celular en A. thaliana nos
podría llevar a detectar genes ortólogos (hermanos) en humanos, cuya función
también fuera desconocida, que pudiéramos asociar con procesos de división
celular y quizás, por qué no, cuando su función fuera alterada, con procesos
cancerígenos.
Estructuramos una plataforma computacional la cual,
integrando distintas fuentes de información [1], me permitió acceder a
la información contenida en los genomas tanto de la plantita como en el humano con
el fin de encontrar genes sin función conocida que tuvieran una alta
probabilidad de estar involucrados en procesos de división celular en ambos
organismos. Inicialmente tomamos como punto de partida casi la totalidad del
genoma tanto de Arabidopsis como de
humano, es decir, más de veinte mil genes de la planta y de la misma manera más
de veinte mil genes del humano, y mediante la aplicación sistemática y lógica
de distintos filtros funcionales, pudimos reducir la lista a 40 pares de genes
candidatos, los cuales según nuestro procedimiento computacional, no tenían
hasta ese momento una función molecular asignada y tenían una alta probabilidad
de estar implicados en procesos de regulación de la división celular tanto en
plantas como en humanos [2]. Ese fue mi segundo pequeño eureka, una lista más o menos manejable
experimentalmente de genes, que podía probar en laboratorio, para colocar
nuestra hipótesis a prueba y demostrar que su función podía estar involucrada
con el control del ciclo celular, bien fuera en plantas o en humanos.
Lamentablemente el éxtasis no duró mucho, luego de casi un
año de análisis bioinformáticos la pregunta verdaderamente importante y que le
daba sentido al proyecto vino a mi cabeza: ¿cómo pretendo encontrar genes
relacionados con el desarrollo del proceso cancerígeno, partiendo de la
exploración del genoma de un organismo al cuál no le da cáncer? Porque hasta
donde yo sabía, a las plantas no les daba cáncer y por lo tanto Arabidopsis thaliana, la cual pertenece al reino vegetal, poca o muy poca
información podía entregarme en relación al desarrollo de esta enfermedad. No
podía creer que la primera pregunta que debía haberme hecho, sólo había surgido
casi un año después del inicio del proyecto, cuando tenía los ojos cuadrados de
ver una pantalla de computador y justamente cuando había acabado de analizar la
matriz de Excel más grande de mi vida.
Pero siempre hay luz al
final del túnel…la otra cara de la moneda
Mi primera reacción fue la de explorar la literatura
científica para tratar de encontrar evidencia que demostrara que a las plantas
si les puede dar cáncer y, si este fenómeno no se diera en plantas, razones por
las cuales este proceso no es viable en estos organismos.
No encontré mucha literatura científica relacionada con los
interrogantes que estaba planteando, pero por lo menos encontré una decena de
artículos que ya habían tratado de responder dichas dudas. La respuesta básicamente
fue que en plantas no existe un fenómeno similar al que nosotros conocemos como
cáncer y esto se puede explicar por varios factores [3,4].
La característica sésil de las plantas las ha llevado a
desarrollar mecanismos increíblemente eficientes para tolerar circunstancias
medioambientales muchas veces agrestes. Nosotros como animales móviles, si está
haciendo mucho sol y sentimos que nuestra piel se está calentando más de lo
debido, simplemente caminamos hacia la sombra de un árbol o nos colocamos un
sombrero. Las plantas no pueden hacer esto simplemente porque su movilidad es
mínima, por lo tanto, millones de años de evolución las han llevado por
ejemplo, a que la luz sea un aliado más que un enemigo por medio del proceso
fotosintético, de igual manera poseen un desarrollo post-embrionario que las
hace mucho más plásticas permitiendo que su morfología se desarrolle
concomitantemente con las condiciones medioambientales que soportan. Sus
procesos de reparación de daños en el ADN son diferentes a los llevados a cabo
en células animales y, además, son mucho más eficientes. Por último la pared
celular hace que sus células estén confinadas, lo cual haría imposible que una
célula que pierde su identidad celular y se torna cancerígena migre hacia otros
órganos de la planta, proceso que en animales se conoce como metástasis y que es
en realidad el verdadero asesino de los pacientes con cáncer.
No negaré que luego de asimilar esta información, estuve
algunos días meditabundo y un poco cabizbajo, pensando en qué tal vez, la
profecía de mi jefe se haría realidad, y la estrategia de encontrar nuevos
reguladores del proceso carcinogénico utilizando una planta como modelo no
fuera la mejor. Sin embargo luego de darle muchas vueltas a la misma idea pude
distinguir la otra cara de la moneda.
Dado que estaba buscando genes relacionados con los procesos
de división celular y, teniendo en cuenta que, este es un proceso ancestral y
altamente conservado en la historia de la vida (los genes controladores del
ciclo celular pertenecerían a ese grupo de párrafos que son comunes a la
mayoría de libros de la vida) cabía la posibilidad que las funciones de tales
genes como reguladores del proceso de división celular, aún estuvieran
conservadas entre plantas y humanos. Esto a pesar de que hace más de 1.2
billones de años desapareció el último ancestro común entre ambos grupos.
Genes que estuvieran controlado ciclo celular en plantas,
tendría una función tan fundamental para el mantenimiento de la vida que los ortólogos
de dichos genes en humanos seguirían controlando tal proceso.
Si lograba demostrar experimentalmente que dentro de mi lista
de genes candidatos existían parejas de genes que regulaban procesos de división
celular tanto en plantas como en humanos y, concomitantemente, si podía probar
que la disrupción de la función de algunos de dichos genes candidatos en
células humanas se asociaba con el inicio y/o progreso del proceso
carcinogénico, no sólo demostraría que la estrategia de comparar distintos
libros de la vida es útil para asignar funciones putativas a genes que no se
sabía qué estaban haciendo dentro del genoma, sino que, también sería una
fuerte evidencia para demostrar como una planta a la cual en teoría no le da
cáncer, es un excelente modelo para entender procesos carcinogénicos, por lo
menos desde el punto de vista desde la pérdida de control del proceso de
división celular. Esto podría salvar la vida de miles de ratones de laboratorio
que se usan a diario para entender cómo es el proceso de inicio y desarrollo de
la enfermedad. Si lograba hacer esto en los 3 años que me quedaban de beca la
tarea estaría realizada…“tendrás que trabajar mucho”-recordé las palabras de mi
jefe.
Para hacer una historia
muy larga corta
Usando a Arabidopsis
thaliana como modelo experimental pudimos demostrar que más de la mitad de
nuestros genes candidatos al ser eliminados del genoma de la planta (algo que
se conoce cono Knocking-out)
producían distintos fenotipos característicos de genes que controlan el proceso
de división celular. Cuando analizamos las hojas de las plantas mutantes (a las
cuales se les había eliminado el gen) en comparación a plantas con su genoma
intacto (denominadas silvestres) observamos como los mutantes tenían o muchas
más células o muchas menos, y dichas células eran o mucho más pequeñas o mucho
más grandes. Aún más interesante, cuando se analizaron distintos tumores de
pacientes con cáncer, fue posible establecer una relación directa entre el
tiempo de supervivencia de los pacientes y alteraciones en la expresión de los
genes de humanos ortólogos a aquellos de Arabidopsis
implicados en el control del ciclo celular. Es decir, si la expresión de
dichos genes era más alta que los estándares considéranos como promedio en
pacientes sanos, los pacientes con dicha expresión anómala de nuestros genes
candidatos, tenían una probabilidad baja de supervivencia. Experimentalmente
pudimos demostrar mediante el análisis de los genes candidatos detectados usando
herramientas bioinformáticas que, si un gen en Arabidopsis regula ciclo celular, su ortólogo en humanos tiene una
alta probabilidad de cumplir la misma función en células humanas y además,
comprobamos que si la función de tales genes es alterada, es también muy
probable que dichos genes estén implicados en el desarrollo del proceso
carcinogénico [2].
De la misma manera, tuvimos la oportunidad de estudiar un par
de genes homólogos en profundidad no solamente asociándolos con el proceso de
división celular tanto en plantas como en humanos, sino también, ahondando en
la función molecular que desempeñan. El gen ETG1
de Arabidopsis y su ortólogo MCMBP en humanos son nuevos reguladores
del proceso de división celular controlando no solamente el proceso de replicación
del ADN, sino también, el proceso de división equitativa de los cromosomas en
anafase [5]. Realizando estudios en cultivos de células humanas, en
ratones y en tumores de humanos pudimos demostrar que el gen MCMBP, antes de nuestro estudio sin
función conocida, es un nuevo elemento vital controlando los procesos de
división celular tanto en plantas como en humanos y, además, es un factor clave
el cual al alterar su expresión, induce el desarrollo del proceso carcinogénico
por lo menos en el caso particular del cáncer de colón [6].
Mensaje para llevar a
casa
El libro de la vida, aunque complejo, es fascinante, durante
mis estudios de doctorado aprendí a leerlo de una manera distinta. Entendí la
importancia de comparar distintas historias para captar de una manera más clara
la información que éstos contienen. Comprendí que existen mil y un maneras
distintas de aproximación a las historias que allí están escritas y, que de
cada una de estas maneras de interpretación podemos sustraer pequeños
fragmentos que narran un pedazo de historia biológica, la cual, nos ayuda a
entendernos a nosotros como organismo, especie y linaje. Puedo decir sin temor
a equivocarme que la lectura de este gran libro de la vida aparte de formarme
como científico me hizo un mejor ser humano, más consiente en relación al papel
que como seres humanos jugamos en el universo y, maravillado con la complejidad
característica de esta propiedad que nos hace únicos en el cosmos, la vida.
No sé si de alguna manera mis experimentos y los artículos publicados
han contribuido con un granito de arena a entender el proceso carcinogénico,
pero estoy convencido que para algunos científicos Arabidopsis thaliana ha
surgido como un modelo experimental tan pertinente como Drosophila melanogaster (la mosca de la fruta) o como Mus musculus (el ratón de laboratorio)
para tratar de explicar y entender los cambios característicos del proceso
canceroso. Ahora que he comenzado mi carrera científica, pienso seguir
utilizando a esta pequeña plantita como modelo experimental para mis
investigaciones relacionadas con el control del ciclo celular y con el proceso
de transformación neoplásica. Mi jefe tenía razón, tuve que trabajar arduamente
pero cuando uno hace lo que ama hacer, el universo conspira para que el trabajo
fluya y la barca llegue a buen puerto.
“Todo aquel que se
involucra de una manera seria en el proceso de investigación científica, sabe
que a la entrada del templo de la ciencia está escrita la frase: debes tener fe”
Max Planck.
Referencias
[1] Vandepoele, K, Quimbaya, M, Casneuf, T, De Veylder, L and
Van de Peer, I. 2009. Unraveling Transcriptional Control in
Arabidopsis Using cis-Regulatory Elements and Coexpression Networks. Plant Phys. 150: 535-546.
[2] Quimbaya,
M, Vandepoele, K, Raspé, E, Matthijs, M, Dhondt, S, Beemster, G, Berx, G and De
Veylder, L. 2012. Identification of putative cancer genes through data
integration and comparative genomics between plants and humans. Cellular and
Molecular Life Sciences. 69(12):2041-55.
[3] Doonan J
& Hunt T. 1996. Cell cycle. Why don't plants get cancer?. Nature. 380(6574):481-2.
[4] Jones AM,
Chory J, Dangl JL, Estelle M, Jacobsen SE, Meyerowitz EM, Nordborg M, Weigel D.
2008. The impact of Arabidopsis on human health: diversifying our portfolio. Cell.
133(6):939-43.
[5] Takahashi,
N, Quimbaya, M, Schubert, V, Lammens, T, Vandepoele, K, Schubert,I, Matsui, M,
Inzé, Berx, G and De Veylder, L. 2010. The MCM-Binding Protein ETG1 Aids Sister
Chromatid Cohesion Required for Postreplicative Homologous Recombination
Repair. PLoS Genetics. 6 (1).
[6] Quimbaya,
M, Raspé, E, Denecker, T, De Craene, B, De Veylder, L and Berx, G.
Misregulation of the novel replisome factor MCMBP favors oncogenesis in
colorectal carcinomas by chromosomal instability induction. Sometido a
Oncogene.
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Arabidopsis thaliana,
cáncer,
ciclo celular,
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genómica comparativa
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Excelente trabajo, no solo me deleité leyendo el artículo por la fluidez de su redacción sino con los resultados tan maravillosos que se obtuvieron como fruto de un inmenso esfuerzo. Mis más sinceras felicitaciones, yo como estudiante de pregrado en Biología sólo espero poder realizar en un futuro cercano trabajos de tal magnitud. Mauricio Quimbaya eres un orgullo para la investigación y los científicos colombianos!