La plasticidad en el desarrollo

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Hoy exploraremos un fenómeno fascinante que desafía la idea de que nuestro destino está escrito únicamente en las letras de nuestro ADN: la plasticidad en el desarrollo. 

Seguramente han notado que, aunque dos organismos tengan el mismo "manual de instrucciones" genético, pueden terminar luciendo o comportándose de manera muy distinta si crecen en ambientes diferentes. A esto le llamamos plasticidad, y es la herramienta que permite a la vida adaptarse a un mundo en constante cambio. 

¿Cómo funciona la plasticidad?

Para que un genotipo produzca diferentes fenotipos (rasgos físicos o conductas), el organismo debe ser capaz de "sentir" su entorno y traducir esa información en cambios biológicos. 

Sensores: El organismo percibe señales externas, como la temperatura o la nutrición. 

Moduladores: Estas señales se convierten en mensajes internos, a menudo mediante hormonas. 

Efectores: Finalmente, se activan genes específicos que modifican el desarrollo, dando lugar a un fenotipo alternativo. 

Un ejemplo clásico es la formación de la etapa dauer en el gusano C. elegans. Cuando las condiciones son desfavorables (falta de comida o mucho calor), este pequeño nematodo activa una ruta genética que detiene su crecimiento normal y lo convierte en una forma de resistencia que puede sobrevivir durante meses. 

La genómica de la plasticidad: gracias a las herramientas genómicas modernas, hoy podemos identificar dos tipos de genes clave: los genes con respuesta ambiental, aquellos cuya expresión cambia según el entorno para alterar el desarrollo. Genes de variación en la plasticidad, hay genes cuyas formas alternativas (alelos, variacines en la secuencia de su ADN), hacen que algunos individuos sean más "plásticos" que otros. Esta variación es la materia prima para que la selección natural actúe y la plasticidad misma evolucione. 

¿Por qué es importante estudiar esto hoy? La plasticidad no es solo una curiosidad biológica; es fundamental para entender cómo las especies enfrentarán retos globales como el cambio climático. 

"La plasticidad puede 'comprar tiempo' para que las poblaciones se adapten a nuevas condiciones, evitando la extinción inmediata mientras surgen nuevas mutaciones beneficiosas." 

Sin embargo, no siempre es una ventaja. Si el cambio ambiental es demasiado rápido o extremo, las señales que antes eran confiables pueden volverse engañosas, lo que hace que los organismos desarrollen rasgos que ya no les ayudan a sobrevivir. 

Polifenismos estacionales en mariposas. El polifenismo es un tipo de plasticidad en la que un genotipo produce fenotipos discretos y distintos en respuesta a señales ambientales. En mariposas como Bicyclus anynana, la temperatura durante las etapas larvales funciona como una señal predictiva de la estación que enfrentará el adulto.

Estrategia de Supervivencia: Las mariposas que se desarrollan en temperaturas bajas (estación seca) suelen tener colores más tenues y ocelos (manchas en forma de ojo) reducidos para camuflarse mejor entre el follaje seco.

Atracción y defensa: Por el contrario, las que crecen en temperaturas altas (estación húmeda) desarrollan ocelos grandes y brillantes, que sirven para desviar los ataques de depredadores o para el cortejo reproductivo.

Mecanismo Hormonal: Esta decisión se toma mediante cambios en los niveles de ecdisteroides, hormonas que transmiten información del ambiente externo a los tejidos que forman los patrones de las alas.

El ejemplo de Drosophila melanogaster. Nuestra conocida "mosca de la fruta" también muestra una notable plasticidad térmica, aunque a menudo de forma más gradual que los cambios discretos de las mariposas.

Tamaño corporal: Existe una regla general en Drosophila: las moscas criadas a bajas temperaturas tienden a ser más grandes que las criadas a altas temperaturas. Se cree que este mayor tamaño ayuda a la termorregulación del adulto.

Pigmentación abdominal: La temperatura afecta directamente la intensidad del color en el abdomen de las hembras. Las bajas temperaturas inducen una pigmentación más oscura.

El gen tan: Se ha identificado que el gen tan, que codifica una enzima implicada en la síntesis de melanina, es clave en este proceso. La expresión de este gen aumenta al frío, lo que se traduce en moscas más oscuras que absorben mejor el calor solar.

¿Cómo se relaciona esto con la epigenética?

Como mencionas, la epigenética es el puente entre el ambiente y los genes. Aunque el código de ADN no cambie, factores como la metilación del ADN o la modificación de histonas pueden "encender" o "apagar" los interruptores necesarios para que una mariposa sea de la estación seca o una mosca sea más oscura. Estos mecanismos permiten que la regulación ambiental del desarrollo sea precisa y heredable a nivel celular.

Estas imágenes ilustran cómo el ambiente actúa como un escultor del fenotipo, utilizando a la mariposa Bicyclus anynana y a la mosca Drosophila melanogaster como ejemplos fundamentales de adaptación.

1. Plasticidad térmica en modelos animales. Esta ilustración muestra cómo la temperatura durante el desarrollo altera drásticamente la apariencia final de los insectos.

En Drosophila, las moscas criadas a bajas temperaturas tienden a ser más grandes y las hembras presentan una pigmentación abdominal más oscura.

En Bicyclus: Las mariposas de "estación húmeda" (calor) desarrollan ocelos grandes para la defensa, mientras que las de "estación seca" (frío) son crípticas y carecen de estas manchas para camuflarse.

2. Normas de Reacción: El lenguaje visual de la plasticidad. Para entender la genómica detrás de estos cambios, los científicos utilizan gráficas llamadas normas de reacción, que representan el fenotipo como función del ambiente.

Tipos de Respuesta: La respuesta puede ser robusta (sin cambios), gradual (como el tamaño en moscas) o tipo "switch" (como los polifenismos en mariposas).

Interacción GxE: Las diferencias en la pendiente o en la forma de estas líneas entre individuos revelan la interacción Genotipo-Ambiente, que es el motor de la evolución de la plasticidad.

3. El Mecanismo: del ambiente al fenotipo. Este esquema resume la cascada de eventos moleculares que permiten que una señal externa se convierta en una realidad biológica.

Sensores y Moduladores: El proceso inicia con la percepción de señales (sensores) que se traducen en señales internas, comúnmente hormonales (moduladores).

Efectores y Epigenética: Estas hormonas afectan la expresión de genes efectores y activan mecanismos epigenéticos (como la acetilación de histonas o la metilación del ADN) que modifican el desarrollo sin cambiar la secuencia genética.

Por: 

Dra. América Nitxin Castañeda Sortibrán, Dr. Marco Antonio Carballo Ontiveros y M. en C. Zeltzin Muñoz Juárez (Facultad de Ciencias, UNAM).

Referencias

Lafuente, E., & Beldade, P. (2019). Genomics of developmental plasticity in animals. Frontiers in genetics, 10, 720.

Zacca, T., Casagrande, M. M., Mielke, O. H., Huertas, B., Barbosa, E. P., Freitas, A. V., ... & Willmott, K. R. (2018). Systematics of the butterfly genus Cissia Doubleday, 1848 (Lepidoptera: Nymphalidae: Satyrinae) using an integrative approach. Arthropod Systematics & Phylogeny, 76, 349-376.

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