Irene Romero Baños y Paula Mª Ojeda Walczuk

3º Biología Sanitaria 2019/2020

Durante décadas, el silenciamiento del cromosoma X ha sido uno de los fenómenos epigenéticos más misteriosos en el mundo de la ciencia. Ningún científico era capaz de comprender cómo todas las células obtienen el mismo producto génico a partir de una dosis génica diferente de cromosomas sexuales en machos y hembras.

En la gran mayoría de los genes se da la expresión de los dos alelos, uno localizado en el cromosoma procedente del padre y otro, en el de la madre. Sin embargo, esto no es aplicable en los genes cuyos locus se sitúan en los cromosomas sexuales puesto que el número de cromosomas X e Y es diferente en machos (XY) y en hembras (XX).

La base de este conocimiento promovió la
búsqueda del mecanismo a través del cual las células logran la compensación de
la dosis génica, es decir, la obtención del mismo producto génico
independientemente del número de cromosomas X presentes en el núcleo celular.^1,2

En 1949, los investigadores M. Barr y E. Bertran
fueron los primeros en observar unos corpúsculos muy condensados que no se
correspondían con el nucleolo. Estos corpúsculos, hoy en día conocidos como
“corpúsculos de Barr”, solo aparecen en núcleos de células somáticas de hembras
y fueron denominados por ellos mismos como cromatina sexual.

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La procedencia de esta estructura continuó
siendo objetivo de investigación hasta 1966, fecha en la que la científica Mary
Frances Lyon propuso la conocida “Hipótesis de Lyon”. Según esta, dicha
estructura aparece como consecuencia de la inactivación aleatoria de uno de los
dos cromosomas X de las hembras, causando así su inactivación genética.

Actualmente, cada vez son mayores los
conocimientos acerca del silenciamiento del cromosoma Xi (inactivo). De hecho,
el descubrimiento de Lyon dio paso a numerosas investigaciones posteriores,
obteniendo así el descubrimiento del gen responsable del silenciamiento
aleatorio de uno de los cromosomas X, el gen Xist.³

RNA funcional: XIST, lionización del cromosoma X
y corpúsculo de Barr

Durante el desarrollo temprano del cigoto, ambos cromosomas X se encuentran activos. Sin embargo, uno de ellos será inactivado aleatoriamente cuando las células totipotentes empiecen a diferenciarse;⁴ esto ocurre más específicamente durante el desarrollo del epiblasto.^5,6

En este momento, todas las
células somáticas del individuo presentan un cromosoma X inactivo. A pesar de
que la observación de este acontecimiento sea mayoritaria en hembras también
puede ocurrir en machos durante la espermatogénesis, aunque en este caso, el
silenciamiento es llevado a cabo por mecanismos epigenéticos distintos a los
que se observan en la embriogénesis⁷. 

El proceso de inactivación del cromosoma Xi ocurre durante la embriogénesis temprana y en ella diferenciamos cinco fases. En primer lugar, ocurre el conteo, que verifica el número de cromosomas X por conjunto de autosoma en la célula hembra para así poder decidir cuál de los dos cromosomas inactivar, el X materno o paterno, en la segunda fase de la escongencia. La tercera fase es la de iniciación, la cual está controlada por el centro de inactivación del X o XIC. Su función es producir ARNs no codificantes que serán diferenciados mediante distintas modificaciones epigenéticas. Estas modificaciones forman parte de la siguiente fase, la extensión (“spreading”), ya que la señal se extiende por cis y trans desde el XIC en las dos direcciones del cromosoma. Finalmente, el mantenimiento. Esta última fase permite que el estado de inactivación conserve dichas marcas epigenéticas en las siguientes divisiones celulares.^7,8,9

A pesar de que el locus XIC
no sea esencial más allá de las primeras fases del proceso de inactivación¹⁰
presenta gran importancia en el silenciamiento transcripcional del cromosoma X.
Esto se debe a que, entre los RNAs no codificantes que transcribe, da lugar al
transcrito específico del X inactivo (XIST) y a un ARN antisentido que regula
su expresión, denominado TSIX.¹¹

El TSIX funciona como un represor antisentido de XIST y es expresado en el cromosoma X activado (Xa), de manera que puede bloquear el proceso. En cambio, en el cromosoma Xi es inactivado, produciéndose una sobreexpresión XIST que permite la inactivación del cromosoma.¹² La sobreexpresión del gen Xist produce ARN de Xist que cubre el cromosoma provocando la iniciación de una cascada de modificaciones epigenéticas, como variaciones en el metabolismo; se han observado diferencias en el metabolismo de la glucosa entre blastocitos machos y hembras que han sido atribuidas al desbalance de la expresión de genes debido al cromosoma X.¹³ Así, todo este proceso culmina con la formación de la heterocromatina facultativa. 

Hasta ahora, tan solo hemos
hablado de dos RNAs no codificantes expresados por XIC. Sin embargo, la función
de XIC sigue siendo aún más interesante:

Jpx y RepA son dos
activadores de XIST, también expresados por XIC, cuya función es regular la
diferenciación de las células embrionarias en diferentes tejidos y órganos.¹⁴
Estos, a su vez, están regulados por los factores de pluripotencia NANOG, SOX2
y OCT-4, que regulan negativamente la expresión de XIST uniéndose a su región
promotora del gen. A su vez, van a regular positivamente al promotor de Xite y
de TSIX, manteniendo la doble dosis génica en ambos cromosomas X^15,16,17.
Por ello, una de las funciones de TSIX es la de reducir la expresión de Jpx y
RepA.

Para finalizar el proceso de la inactivación del cromosoma X y la formación del corpúsculo, se requieren algunas modificaciones que tendrán lugar en unas proteínas asociadas al DNA de gran importancia, las histonas. De esta forma, las histonas H3 sufren metilaciones en varias lisinas¹⁸ mientras que las histonas H4 se hipoacetilan. Además, es necesario la reclutación de las proteínas Polycomb, HP1 y la Macro H2A.¹⁹

Estas modificaciones
suponen el inicio de un proceso irreversible en la inactivación del cromosoma
Xi en células embrionarias, permitiendo su diferenciación. Finalmente, se
hipermetilan regiones promotoras de un gran número de genes en el cromosoma Xi
provocando el silenciamiento de los mismos.²⁰

El resultado de este proceso es un cromosoma X inactivo cuya secuencia se encuentra hipermetilada, a excepción de la región del promotor del gen XIST, que está hipometilada permitiendo su expresión. Por su parte, un cromosoma X activado en su totalidad, salvo su gen XIST, que en este caso se presenta metilado para inhibir su expresión.^21,22 Según Sado T, Okano M, Li E. y Sasaki H. la expresión adecuada de XIST en el cromosoma Xi es debido también a la ausencia de las enzimas ADN metiltransferasas.²³

Por fin, este resultado nos
permite entender cómo es posible el mantenimiento del proceso de inactivación
en división de células somáticas.

Enfermedades y líneas de investigación

El cromosoma X contiene genes esenciales para
el crecimiento y el desarrollo de los seres humanos y la mayoría de los
mamíferos. La presencia de, al menos, un cromosoma X en el genotipo de
cualquiera de estos organismos (macho y/o hembra) evidencia dicha importancia.
Por el contrario, el cromosoma Y es más pequeño, con menor cantidad de genes y
no es vital.

 Las enfermedades ligadas al cromosoma X son aquellas producidas por alteraciones en genes contenidos en él. Como ya se ha dicho anteriormente, las hembras presentan dos copias del cromosoma X de tal forma que, si uno de ellos presenta un gen mutado, el gen normal del otro cromosoma puede compensar a la copia alterada. Si esto ocurre, la hembra será sana y portadora de la enfermedad ligada al cromosoma X. En cambio, las enfermedades ligadas al cromosoma X siempre se expresarán en machos, pues carecen de un segundo cromosoma X normal.²⁵ Algunos ejemplos de este tipo de enfermedades son la hemofilia A y la distrofia muscular de Duchenne.

Con todo, realmente lo fascinante de este
proceso, aún por descubrir, reside en la aleatorización de la inactivación del
cromosoma X.

En la mayoría de los casos, cuando una hembra hereda un gen mutado del cromosoma sexual, el cromosoma silenciado será ese; así, queda inactivo y el cromosoma X sin mutar permanece activado. Pero, ¿cómo sabe la célula que es ese el que debe inactivar? Si bien, en aquella minoría de casos, como el Síndrome de Rett o el síndrome del X frágil, no ocurre así ²⁶; la presencia de células con copias del cromosoma normal no es suficiente para compensar la ausencia de función en las células con el cromosoma X mutado activo.

 A veces, resulta paradójico que la
propia cura para la enfermedad ligada al cromosoma X se localice en la misma
célula. Partiendo de la base de que la inactivación del cromosoma X está
mediada por Xist, la síntesis de oligonucleótidos antisentido dirigidos de
forma específica hacia este ARN no codificante expresado por el propio
cromosoma inactivo, permite que se una a él, quedando este bloqueado y
facilitando su degradación.

 En este punto se abre una nueva área de
investigación enfocada a la búsqueda de la reactivación del cromosoma X
inactivo como aproximación para el tratamiento de enfermedades causadas por
mutaciones en el cromosoma X como el síndrome de Rett. 

Bibliografía

No hay víspera del día de difuntos sin cuento de miedo. Y no hacen falta fantasmas ni fenómenos paranormales para ello, ya que la Naturaleza nos provee de historias que podrían inspirar muchas películas truculentas. Es el caso de la relación mortal entre la avispa esmeralda (Ampulex compressa) y las cucarachas. 

La avispa parasitoide

Las avispas-joya o avispas esmeralda (género Ampulex) son un caso único desde el punto de vista del comportamiento y de la Bioquímica. Viven en una amplia distribución, fundamentalmente en África, Sur y Sudeste asiático, América e islas del Pacífico; aunque en Europa también se encuentran, son poco abundantes.

Estas avispas son parasitoides, insectos que viven su vida adulta independientemente, pero que durante su estado larval parasitan y destruyen otro insecto hospedador. Normalmente, el adulto captura, ataca o inmoviliza al hospedador, sobre el que deposita un huevo. El hospedador servirá de refugio y alimento a la larva hasta su transformación en adulto, implicando la muerte del hospedador, normalmente lenta y macabra. Un ejemplo de comportamiento parasitoide lo tenemos en el cine: las películas Alien (Ridley Scott, 1979) y Aliens (James Cameron, 1986).

La avispa esmeralda se aproxima cuidadosamente a su víctima, una cucaracha de tamaño y fuerza muy superior a ella. Cuando localiza la posición de ataque adecuada, la avispa se lanza sobre la víctima, clavando su aguijón justo en una zona específica de su tórax, paralizando un par de las patas de la cucaracha. Esta parálisis dura un par de minutos, suficiente para la avispa, que se agarra fuertemente a lo que podríamos llamar el cuello de la víctima e inyecta veneno de nuevo, esta vez con gran precisión, directamente en el cerebro de la cucaracha.  La cucaracha entonces entra en un estado placentero, que dura unos 20 minutos, similar a un post-coito o el que se produce tras una comida abundante, en el que se dedica a limpiarse cuidadosamente, mientras la avispa espera. Tras ese tiempo, el veneno ha ido haciendo su efecto completo y la cucaracha pierde toda voluntad para realizar cualquier movimiento, reflejo de huida o defensa. Entonces, la avispa se acerca y mordisquea las antenas de la víctima (se cree que es un test para comprobar que el veneno inyectado haya hecho efecto, pero no sea tanto como para matar a la cucaracha). La víctima, a partir de ese momento, solo se moverá si la avispa, a la que ha dejado de ver como una amenaza, tira de ella. Dócilmente y en un estado cerebral inducido por unos niveles muy altos de dopamina (similar a los que tienen los enamorados o los individuos muy motivados), la cucaracha irá donde la avispa la lleve. Una vez en la guarida de la avispa, ésta coloca un huevo justo debajo de una de las patas y en una zona con acceso a tejidos blandos.

En unos tres días, la larva eclosionará del huevo y empezará a succionar la hemolinfa de la cucaracha mientras segrega un cóctel de compuestos antimicrobianos, hasta que, en la siguiente fase, una vez desarrolladas las mandíbulas, entrará dentro de su cuerpo y devorará lentamente sus tejidos internos, de modo selectivo para mantener viva a la cucaracha el mayor tiempo posible en una tortura que puede durar 8 días. Tras ese tiempo, tiene lugar la fase de pupación, y en cuatro semanas una nueva avispa adulta saldrá de los restos secos de la cucaracha. Es interesante que el efecto del veneno en el cerebro de la cucaracha dura unos 8 días (suficiente para cubrir el proceso). En experimentos en los que se retira el huevo de una cucaracha atacada, el animal se recupera y vuelve a la normalidad en ese periodo.

El veneno: un arma bioquímica perfecta

Este mismo año (2018), gracias a dos extraordinarios trabajos científicos se ha encontrado y caracterizado uno de los componentes únicos y esenciales del veneno de la avispa esmeralda: el péptido ampulexina. Además de estos nuevos compuestos, el veneno de la avispa contiene otra sustancia característica, que es la dopamina, neurotransmisor que, entre otras funciones, activa los circuitos cerebrales de placer y recompensa y tiene un efecto excitante que ayudará a mantener a la cucaracha con vida. El cóctel de ampulexinas y dopamina, inyectado directamente en el cerebro de la cucaracha, anula totalmente su voluntad, convirtiéndola en un dócil, amigable y enamorado sirviente de la avispa, que la seguirá ciegamente hacia un destino mortal: ser alimento de su carnívora descendencia.

El análisis mediante proteómica ha revelado que el veneno de la avispa contiene la ampulexina como uno de los componentes esenciales y únicos, característico de esta avispa. Además contiene otros péptidos no identificados (posiblemente relacionados en función, pero que pueden dar sorpresas) y otros componentes, comunes en venenos de insectos, arañas, escorpiones y serpientes. Los venenos de éstos animales, a pesar de su distancia evolutiva, tienen sorprendentes características comunes.

Un componente habitual, muy abundante en el veneno, es la hialuronidasa. Esta enzima, componente importante en los venenos de abejas, avispas, arañas, serpientes y otros animales venenosos, tiene como función destruir el ácido hialurónico, degradando la matriz extracelular de los tejidos. En la abeja esmeralda, la hialuronidasa facilita la penetración en el cerebro de la ampulexina, haciendo que ésta tenga efecto. La hialuronidasa, inyectada en gran cantidad en el veneno de arácnidos, contribuye a licuar los tejidos de la víctima, que luego son succionados por la araña. Las células cancerosas humanas también liberan hialuronidasa, que facilita la invasión de los tejidos por los tumores malignos. Es curioso que la hialuronidasa humana es extremadamente similar a la hialuronidasa del veneno de abejas:

La similitud estructural y de secuencia de la hialuronidasa de los humanos y el veneno de abejas y avispas es sorprendente e indica que provienen del mismo ancestro común. En cierto modo, los humanos conservamos la «programación genética» para generar un veneno similar al de insectos, arañas y serpientes. 

Otro componente importante del veneno de nuestra protagonista (y de todos los insectos que pican) es la PLA2 o fosfolipasa A2. Esta enzima destruye los fosfolípidos y uno de sus efectos es provocar una respuesta inflamatoria y dolorosa, al liberarse ácido araquidónico de las membranas celulares atacadas por el  veneno. La PLA2 es una de las responsables del dolor asociado a la picadura de una avispa. Curiosamente, las abejas y avispas tienen una pequeña proteína llamada melitina, que acentúa la acción de la PLA2 y provoca un dolor intenso; esta proteína, al parecer, no se ha encontrado en el veneno de la avispa esmeralda (al menos no figura en los análisis más recientes). Es posible que esto contribuya a que la picadura sea menos dolorosa, lo cual ayudaría a que su víctima no se revuelva contra ella y a que el veneno ejerza su efecto hipnótico.

Esto que ha mostrado tan sólo es la punta del iceberg. En realidad, la composición de los venenos de insectos es muy compleja, contiene cientos de sustancias, muchas de ellas desconocidas, de modo que la acción del veneno es el resultado de todos ellos juntos. Muchas de éstas sustancias desconocidas podrían ser, algún dia, parte de tratamientos farmacológicos, lo que nos lleva a preguntarnos:

¿podría tener alguna utilidad éste veneno?

Alguien podría preguntarse: ¿esta mezcla de ampulexina y dopamina podría utilizarse para «zombificar» a los humanos, anular su voluntad y llevarlos donde uno quiera?. 

Es cierto que algunos componentes del veneno de avispa y abeja tienen potencial farmacológico. Por ejemplo el mastoparán, péptido que se encuentra en el veneno de avispas comunes, puede tener uso terapéutico como antiviral, antitumoral o en el tratamiento de la enfermedad de Chagas, gracias a su efecto tripanocida. La melitina, que provoca el dolor de la picadura de avispas y abejas, tiene efectos antitumorales muy prometedores. Poco a poco se van viendo más péptidos derivados del veneno de las avispas con actividad farmacológica, un campo de investigación reciente y que aún tiene que superar bastantes barreras.

En el caso de las nuevas ampulexinas, es difícil que alguien pudiera usarlas de modo maligno para anular la voluntad en humanos. Hay que tener en cuenta que la avispa esmeralda inyecta el veneno directamente en el cerebro de la víctima, en una maniobra de precisión. La anatomía y fisiología del cerebro humano posiblemente no permita que las ampulexinas actúen de esa forma y, si lo hicieran, para conseguir convertir a un humano en zombi, el cóctel ampulexina-dopamina y todas las proteínas necesarias para que funcione bien, no puede ser inyectado o ingerido, sino que debería ser liberado en una zona específica del cerebro con precisión. De momento, la televisión, la política y la religión consiguen un efecto similar en humanos al que produce la avispa esmeralda en su víctima, y sin necesidad de complejos cócteles bioquímicos.