26.1. Diferenciación celular y expresión génica diferencial
En un organismo multicelular, todas las células comparten la misma información genética. Sin embargo, presentan morfologías y funciones muy distintas: una neurona, un hepatocito y un eritrocito tienen el mismo ADN pero son células completamente diferentes. Esto es posible porque la expresión del genoma no es uniforme: en cada tipo celular se activan unos genes y se silencian otros, y los que se expresan pueden hacerlo con distinta intensidad.
Desde el punto de vista funcional, los genes pueden clasificarse en dos grandes grupos según su patrón de expresión:
Los genes constitutivos se expresan en todas las células de forma continua y a concentración relativamente estable, porque codifican proteínas necesarias para el funcionamiento básico de cualquier célula: proteínas del citoesqueleto, histonas, enzimas del metabolismo central. También se denominan housekeeping genes.
Los genes regulados se expresan solo en determinadas condiciones, tipos celulares o momentos del desarrollo. Pueden ser inducibles —normalmente silenciados, se activan cuando se necesitan— o represibles —normalmente activos, se silencian cuando su producto es excesivo o innecesario.
La diferenciación celular no implica pérdida de información genética. Todas las células de un organismo poseen toda la información; la diferencia está en qué parte de esa información se expresa en cada momento y en cada tipo celular.
26.2. Reversibilidad de la diferenciación
Una pregunta fundamental en biología celular es si la diferenciación es reversible: ¿puede el núcleo de una célula especializada volver a dirigir el desarrollo completo de un organismo?
Los experimentos de transplante nuclear respondieron afirmativamente. La idea es sencilla: si se extrae el núcleo de una célula diferenciada y se introduce en un ovocito enucleado, ¿se puede desarrollar un organismo viable?
Gurdon (1962), trabajando con Xenopus laevis, demostró que núcleos de células intestinales diferenciadas podían dirigir el desarrollo de renacuajos funcionales, aunque con una tasa de éxito baja. Este trabajo, que le valió el Nobel en 2012, estableció que la diferenciación no implica pérdida irreversible de información genética.
Wilmut (1997) llevó este principio a los mamíferos con la clonación de la oveja Dolly: a partir del núcleo de una célula mamaria adulta de oveja, introducido en un ovocito enucleado, se obtuvo un organismo viable genéticamente idéntico al donante del núcleo. Fue la primera demostración de clonación reproductiva en un mamífero.
Ambas experiencias demuestran que el núcleo de una célula diferenciada conserva toda la información genética del organismo y que, en las condiciones adecuadas, esa información puede reprogramarse.
La diferenciación es un proceso reversible en términos de información: el núcleo de una célula diferenciada contiene todo el genoma. Lo que cambia es qué genes están activos, no cuáles están presentes.
26.3. Niveles de control de la expresión génica
La regulación de la expresión génica en eucariotas puede actuar en varios puntos a lo largo del camino que va del ADN a la proteína funcional. Cada nivel ofrece una oportunidad de control distinta:
En biología molecular, upstream ("aguas arriba") y downstream ("aguas abajo") describen la posición relativa dentro de una vía o un proceso secuencial.
En el contexto de la expresión génica, un control upstream actúa antes en la cadena — más cerca del ADN — y por tanto puede bloquear o activar todo lo que viene después. Un control downstream actúa más tarde en el proceso, cuando parte del trabajo ya está hecho.
El control a nivel de cromatina es el más upstream de todos: si el ADN no es accesible, ninguno de los pasos posteriores puede ocurrir.
| Nivel | Dónde actúa | Ejemplo |
|---|---|---|
| Cromatina | Accesibilidad del ADN | Condensación, remodelación |
| Transcripcional | Inicio de la transcripción | Factores de transcripción, enhancers |
| Post-transcripcional | Procesamiento del ARN | Splicing alternativo, ARNi |
| Traduccional | Inicio de la traducción | Proteínas unidas a UTR |
| Post-traduccional | Modificación de la proteína | Fosforilación, glucosilación |
El control más upstream —y por tanto con mayor capacidad de regular grandes bloques de genes a la vez— es el nivel de cromatina.
26.4. Control a nivel de cromatina
Para que un gen pueda transcribirse, la maquinaria transcripcional debe poder acceder físicamente al ADN. Esto depende del grado de compactación de la cromatina.
La heterocromatina está muy condensada y no es accesible: los genes en regiones de heterocromatina no se transcriben. La eucromatina, en cambio, está menos compactada y es funcionalmente activa.
La transición entre estos estados se regula mediante complejos remodeladores de la cromatina, que utilizan energía del ATP para desplazar o reposicionar los nucleosomas, liberando regiones del ADN que antes estaban bloqueadas. Este proceso de descondensación selectiva permite que la ARN polimerasa y los factores de transcripción accedan al promotor.
Una herramienta experimental que puso de manifiesto estas regiones accesibles es la sensibilidad a la DNasa I a bajas concentraciones: las zonas de cromatina activa o próxima a activarse presentan sitios hipersensibles a la DNasa, lo que indica que el ADN está menos protegido por nucleosomas en esas regiones.
26.5. Regulación epigenética
La regulación epigenética engloba los mecanismos que modifican la expresión génica sin alterar la secuencia de nucleótidos del ADN. Estos cambios pueden heredarse durante las divisiones celulares, lo que explica cómo células hijas mantienen el patrón de expresión de sus progenitoras.
Los dos mecanismos epigenéticos principales son la metilación del ADN y la modificación de histonas.
26.5.1. Metilación de citosinas
La metilación consiste en la adición de un grupo metilo a la citosina, preferentemente en dinucleótidos CpG. Está catalizada por ADN metiltransferasas. La metilación en regiones promotoras se asocia de forma general con silenciamiento génico: cuanto mayor es la metilación, menor es la transcripción.
Este mecanismo es fundamental en procesos como la inactivación del cromosoma X en mamíferas hembras, el imprinting genómico y la regulación del desarrollo.
El imprinting genómico es un ejemplo especialmente ilustrativo: algunos genes se expresan solo desde el alelo materno o solo desde el paterno, dependiendo del patrón de metilación establecido durante la gametogénesis. Así, dos alelos con la misma secuencia pueden tener expresión completamente distinta según su origen parental.
26.5.2. Modificación de histonas
Las histonas pueden sufrir distintas modificaciones covalentes en sus colas N-terminales: acetilación, metilación, fosforilación, ubiquitinación. Estas modificaciones alteran la interacción entre las histonas y el ADN, y también actúan como señales reconocidas por otras proteínas reguladoras.
La acetilación de histonas —catalizada por histona acetiltransferasas (HAT)— neutraliza la carga positiva de los residuos de lisina, debilitando la interacción con el ADN cargado negativamente. El resultado es una cromatina más abierta y mayor transcripción. La desacetilación, catalizada por histona desacetilasas (HDAC), tiene el efecto contrario.
Metilación del ADN → silenciamiento. Acetilación de histonas → activación.
Son los dos ejes principales de la regulación epigenética y actúan de forma coordinada.
26.5.3. ARN no codificantes en la regulación epigenética
Algunos ARN no codificantes participan también en la regulación epigenética. El ejemplo más conocido es el ARN Xist, que recubre uno de los dos cromosomas X en las células somáticas femeninas y dirige su inactivación mediante un proceso de condensación progresiva que convierte ese cromosoma en el corpúsculo de Barr.
Los ARN no codificantes como los miARN y siARN se desarrollan con más detalle en el apartado de control post-transcripcional (T27), donde actúan a un nivel distinto: no sobre la cromatina, sino sobre el ARN mensajero ya sintetizado.
En las células del sistema inmunitario —linfocitos B y T— existe un mecanismo excepcional de variación genética somática: el reordenamiento VDJ. Durante la maduración del linfocito, segmentos del ADN que codifican las regiones variables de inmunoglobulinas y receptores de células T se reorganizan de forma irreversible, generando una diversidad enorme de receptores a partir de un número limitado de genes.
A diferencia de los mecanismos epigenéticos descritos en este tema, el reordenamiento VDJ implica una alteración real de la secuencia del ADN, limitada a esa célula y su progenie. No afecta a la línea germinal.
Este mecanismo se desarrolla con detalle en el bloque de Inmunología.
