Ontogenia y Fisionomía Del Paisaje Epigenético

Acta biol. Colomb., Vol. 18 n. 1, 2013 3 - 18

ONTOGENIA Y FISIONOMA DEL PAISAJE EPIGENTICO:UN MODELO GENERAL PARA EXPLICAR SISTEMAS

EN DESARROLLO

Ontogeny and Physiognomy of the Epigenetic Landscape:A General Model to Explain Developmental Systems

LUKAS TAMAYO-ORREGO, M.D.Molecular Biology of Neural Development, Institut de RecherchesCliniques de Montral (IRCM) and McGill University IntegratedProgram in Neuroscience. Montreal, Canada. 110 Pine Avenue West. Montreal. H2W 1R7. Canada.Tel.: 514 987 5784. [email protected]

Presentado 5 de diciembre de 2011, aceptado 16 de noviembre de 2012, correcciones 7 de enero de 2013.

RESUMEN

El paisaje epigentico es una metfora grfica propuesta por Conrad H. Waddingtonpara explicar el desarrollo de los organismos mediante la imagen de un paisaje com-puesto por una superficie ondulante con cimas y valles, que representan las vas por lascuales se desplazan las clulas del organismo en su proceso de diferenciacin. C.H.Waddington, considerado como el padre de la epigentica, es notable por sus aportestericos, que incluyen las nociones de asimilacin gentica, la canalizacin del desa-rrollo y el epi-genotipo. Estas ideas surgieron a partir de estudios experimentales enbiologa del desarrollo, los cuales resultaron en el descubrimiento del organizador enembriones de aves y, posteriormente, de fenocopias inducidas por factores ambientalesen Drosophila. En el presente artculo se presenta una interpretacin del paisaje epige-ntico y conceptos relacionados, que ponen en evidencia el poder heurstico de estemodelo y su importancia para la biologa contempornea. Este trabajo es un homenajea la vida de C. H. Waddington, cuya obra contina siendo de gran actualidad.

Palabras clave: asimilacin gentica, canalizacin del desarrollo, diferenciacin celular,epi-genotipo, paisaje epigentico, Waddington.

ABSTRACT

The epigenetic landscape is a graphic metaphor proposed by Conrad H. Waddington toexplain the development of organisms and their parts. It is depicted as a wavy surfacewith summits and descending valleys, representing the paths followed by cells along theirdifferentiation process, as part of organismal development. Conrad H. Waddington,regarded as the father of epigenetics, stands out for his theoretical contributions, thatinclude the notions of genetic assimilation, canalization of development and epi-genotype.These ideas were inspired by experimental works in developmental biology, that lead to

the discovery of the organizer in bird embryos, as well as environmentally-inducedphenocopies in Drosophila. In the current essay, I present an interpretation of theepigenetic landscape and related concepts that highlight the heuristic power of thismodel and its importance for contemporary biology. This work is a tribute to the life ofC. H. Waddington, whose work is still of great significance.

Keywords: canalization of development, cell differentiation, epigenetic landscape, epi-genotype, genetic assimilation, Waddington.

INTRODUCCIN

Conrad H. Waddington trat de unificar la biologa del desarrollo, la gentica y laevolucin a partir de sus estudios tericos y experimentales, la mayor parte de los cualesfueron publicados entre 1930 y 1970 (Gilbert, 1991). Dichos estudios fueron nicos yse pueden considerar como precursores de la biologa evolutiva y del desarrollo. A con-tinuacin se presenta una reflexin sobre el origen intelectual y el funcionamiento delPaisaje Epigentico, metfora formulada por Conrad Hal Waddington en el primertercio del siglo XX, para explicar de forma grfica el proceso general de desarrollo y di-ferenciacin de los organismos. Posteriormente se analizarn los fenmenos de cana-lizacin del desarrollo, asimilacin gentica y competencia, y se realizar un comen-tario breve sobre la relacin existente entre este modelo y la termodinmica. Todosestos conceptos fueron formulados por Waddington con la intencin de comprenderel fenmeno crucial del desarrollo sin reducirlo a la gentica (Gilbert, 2000), motivopor el cual se le considera como el padre de la epigentica.

EPIGENTICA COMO REACCIN

La epigentica estudia lo que la gentica ignoraMichel MorangeLas relaciones entre la gentica y la embriologa, y la distancia entre estas disciplinas aprincipios del siglo XX fueron esenciales en la vida intelectual de Waddington, quiencomenz a elaborar un edificio terico para explicar el desarrollo embrionario, fenmenoque consider como el ms sorprendente de toda la naturaleza: Embryos are about themost seductive objects in nature to the mind capable of wonder and curiosity (Waddington, 1935). El trmino epigentica fue una de las ms importantes invenciones tericas de ConradWaddington. Los razonamientos que justifican este nuevo concepto surgieron a raz deviarios experimentos sobre la induccin en embriones. El concepto de induccin em-brionaria proviene de los trabajos de Spemann y Mangold en anfibios, quienes observaronque al transplantar la regin del blastporo (conocida como organizador), se alterabael desarrollo de las regiones circundantes del embrin receptor (Robertson, 1977).Waddington descubri este fenmeno en aves, y postul la existencia de un periodo decompetencia correspondiente a una fase de susceptibilidad gentica durante la cual lasclulas embrionarias responden al inductor. Posteriormente, Waddington continu sus es-tudios para dilucidar la naturaleza qumica del evocador mediante esfuerzos infruc-tuosos que solo comenzaron a dar resultados en recientes dcadas (Slack, 2005). Acorde

4 Artculo de reflexin - Ontogenia y fisionoma del paisaje epigentico: un modelo general paraexplicar sistemas en desarrollo. Tamayo-Orrego.

con lo anterior, la epigentica fue propuesta para designar el anlisis causal de los pro-cesos de desarrollo, es decir, una nueva ciencia cuyo objetivo es el estudio de los meca-nismos precisos por medio de los cuales el genotipo da origen al fenotipo. Esta concep-cin es heredera de la teora clsica de la epignesis (Morange, 2005) y de la mecnicadel desarrollo defendida por los embrilogos alemanes (especialmente Roux).Adems, aunque pareciera paradjico para sus opositores, la ontogenia intelectual deWaddington fue influenciada por el importante genetista T.H. Morgan, quien comenzsu carrera como embrilogo:

He [Morgan] firmly advocated the point that the fundamental agents that bring aboutembryonic development are the genes, and the only finally satisfactory theory of embryologymust be a theory of how the activity of genes is controlled (Waddington, 1966, p. 18).

Una de las concepciones ms importantes de Waddington sobre la epigentica, perfec-tamente ejemplificada por el paisaje epigentico, es la interaccin entre el organismo,los genes y el ambiente durante el desarrollo, de modo que el modelo permite repre-sentar las influencias ambientales en el desarrollo y la expresin gnica, criticando asla comprensin unidireccional de la relacin entre gen y producto de expresin. Sinembargo, Waddington nunca defini la epigentica de una sola forma sino que utilizdicho concepto para oponerse a los intelectuales de la poca, es decir, como reaccina las insuficiencias de la gentica para explicar el desarrollo (Morange, 2002). Por ejem-plo, muchos de los problemas que enfrent la escuela francesa de la biologa molecular(representada por Andr Lwoff, Franois Jacob y Jacques Monod) eran cuestionesepiegenticas genuinas, las cuales fueron reducidas o explicadas por el modelo delOpern. Igualmente, los estudios en epigentica fueron posteriores y secundarios a laformulacin de la nocin de programa gentico y a la enunciacin del dogma centralde la biologa molecular (Morange, 2002). Este tipo de concepciones epigenetistas son vistas con aire de hereja por parte del neo-darwinismo, principalmente porque evocan ideas lamarckianas (Vermuza, 2003). Peroesta no es la nica razn por la cual Waddington es encasillado en el neolamarckismo;conceptos y experimentos como el de asimilacin gentica, considerado por Waddingtoncomo una forma de efecto Baldwin (es decir, compatible con una explicacin darwiniana),y que rememoran la herencia de los caracteres adquiridos, han contribuido a estaimagen. No obstante, el reconocimiento de la existencia de mecanismos de herenciaepigenticos no debe entenderse como un retorno al lamarckismo; ms bien, debe pen-sarse que la intencin de Waddington y sus herederos intelectuales era la explicacin deldesarrollo y la bsqueda de sus causas como un problema bsico de la biologa, diferenteal problema de la evolucin de los organismos.El trmino epigentica, no obstante, tiene mltiples significados en la actualidad y co-menz a ser utilizado con mayor frecuencia a partir de la dcada de los aos 90. La defi-nicin corriente de epigentica es el estudio de cambios en la funcin gnica heredablesmittica o meiticamente que no pueden ser explicados por cambios en la secuencia deADN (Russo et al., 1996), o simplemente el estudio de los mecanismos por medio de loscuales los genes ejercen sus efectos fenotpicos (King et al., 2006). Otro sentido para laepigentica, dominante en la actualidad, es el estudio de los procesos que regulan la

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actividad gnica por medio de modificaciones postraduccionales, la metilacin del ADNo cambios cromatnicos como las modificaciones de histonas (Morange, 2005). Las pu-blicaciones ms recientes sobre el tema han abordado la epigentica de una forma mscompleta, reconociendo su importancia prctica y terica en biologa, as como las simi-litudes entre la concepcin de Waddington y las conceptualizaciones divergentes, comoel reconocimiento de vas alternativas de desarrollo, la existencia de redes complejas enlos procesos de desarrollo, la estabilidad y plasticidad fenotpicas, y la influencia del me-dio ambiente en los organismos a lo largo de su desarrollo (Jablonka y Lamb, 2002).

EPIGENTICA COMO SNTESISDe las dos tradiciones biolgicas ms importantes que explican el desarrollo de losorganismos (la epignesis y el preformacionismo), Waddington realiz una sntesisequitativa con la cual trat de zanjar las diferencias; prueba de esto es la composicinoriginal del trmino: epigentica = epigenesis + gentica. Esta es la llamada ecua-cin de Waddington (van Speybroeck, 2002) y, debido a que l asimil la gentica alpreformacionismo, puede decirse que sintetiz el debate de los siglos XVII - XX de labiologa europea:

We know that a fertilized egg contains some preformed elements namely, the genes anda certain number of different regions of cytoplasm and we know that during developmentthese interact in epigenetic processes to produce final adult characters and features thatare not individually represented in the egg. We see, therefore, that both preformation andepigenesis are involved in embryonic development (Waddington, citado en vanSpeybroeck, 2002, p. 67).

La virtud ms grande de la sntesis de Waddington es su holismo: la epigentica buscaexplicar el desarrollo sin reducirlo al estudio de los genes (genocentrismo), pero almismo tiempo considera la gentica como el fundamento o el punto de partida parael estudio del desarrollo quienes critican a Waddington dicen que desplaza la aten-cin de lo gentico a lo no gentico. En las teoras y experimentos de Waddington la ge-ntica no jug un papel menor, ni fue construida para ser refutada, sino que fue funda-mental, pues por primera vez la embriologa dependa de la gentica y no de argumentostrascendentales. El descubrimiento de los genes hometicos y su funcin en el desarrolloy segmentacin embrionaria puede considerarse un paso adelante en el programa dela epigentica (el descubrimiento de nuevos genes esenciales que guan el desarrollo noconstituyen un ejemplo de preformacionismo, puesto que dichos genes no determinandesarrollo, sino que lo hacen posible. Mltiples mecanismos epigenticos, como lasmodificaciones de la cromatina, regulan la activacin de los genes en cuestin).Una forma de ver esto es otra aproximacin de Waddington para comprender el desa-rrollo, en la cual: genotipo + epigenotipo = fenotipo (van Speybroeck, 2002); esta esuna forma resumida de comprender la produccin de un fenotipo como el resultado deinteracciones genticas y epigenticas durante el proceso de desarrollo. La distincingenotipo-fenotipo responde a la doctrina de la continuidad del plasma germinal deAugust Weismann, ideada para refutar cualquier asomo de lamarckismo. Segn estadistincin, existe una transferencia inequitativa de la sustancia hereditaria de la lnea


germinal hacia las clulas somticas, pero nunca en sentido inverso. La invencin deun nivel intermedio entre los anteriores, el epigenotipo de Waddington, abre la po-sibilidad de una comunicacin bidireccional entre el fenotipo y el genotipo. Es por estoque las teoras de Waddington evocan ideas lamarckianas, pero si se analiza la ecuacincon atencin, se puede ver que esta afirma nicamente que el fenotipo es el resultadono solo de interacciones genticas sino tambin de otras llamadas epigenticas; nuncase afirma que el genotipo se modifica por accin de estas interacciones. Es posible que la relativa poca importancia que se concedi a Waddington durante elperiodo de la sntesis moderna o el neodarwinismo (que fue tambin su periodo demxima produccin intelectual), se deba a que, en sus concepciones evolutivas, l noconsider la seleccin natural como el factor omnipotente de cambio. Gould ha men-cionado los posibles factores por los cuales Waddington nunca apareci como unafigura importante en el darwinismo del siglo XX; el ms importante de ellos es el endu-recimiento de la sntesis moderna, es decir la restriccin de la teora evolutiva a la ge-ntica de poblaciones y el rechazo de argumentos antiadaptacionistas (Gould, 2002).Sin embargo, estas explicaciones alternas estn reemergiendo bajo el nombre de biolo-ga evolutiva del desarrollo o evo-devo.Otra faceta fundamental de la epigentica en Waddington fue la postura y relacin de estacon otras disciplinas como la biologa del desarrollo o la ecologa. De vital importan-cia es establecer la diferencia de enfoques entre la biologa del desarrollo y la epigen-tica: mientras la primera trata de establecer el acoplamiento entre las variaciones geno-tpicas y fenotpicas, de una forma ms o menos lineal, la segunda intenta explicar porqu estos dos tipos de variaciones muchas veces no estn acoplados (Jablonka y Lamb,2002); la bsqueda de estas explicaciones implica la necesidad de utilizar aproximacionesdesde la biologa de sistemas, que permitan abordar estos problemas en los cuales lacausalidad no es lineal. El paisaje epigentico es una de ellas y se presenta a continuacin.

ONTOGENIA DEL PAISAJE EPIGENTICOEl paisaje epigentico fue una contribucin completamente original para la biologadel desarrollo, aunque la idea fue derivada del fitness landscape o paisaje de aptitudde Sewall Wright, el cual fue aplicado a la teora de la evolucin. Este es un espaciomultidimensional en el cual la superficie con mltiples picos representa el espacio mate-mtico de los genotipos posibles y la altura de cada pico representa la aptitud o fitnessde los organismos. La imagen de Wright fue usada principalmente para argumentarque habra picos locales de aptitud, a partir de los cuales los organismos no podranalcanzar fcilmente picos ms altos, as que tendran que transcurrir por caminos demenor aptitud, formando un paisaje con picos, laderas y valles. En el libro de Waddington de los aos treinta, How Animals Develop?, el autor presentun sugestivo dibujo (Fig. 1), que parece ser un precursor del paisaje epigentico: se tra-ta de una fotografa de la estacin de trenes Whitemoor Marshalling Yard en la cual apareceun puesto de control donde se estacionan vagones, los cuales son dirigidos por rielesdiferentes, colina abajo. Se aprecian puntos de bifurcacin, de forma que en el horizontese ve una imagen como las ramas de un rbol o los valles de un paisaje. En esta pocaWaddington todava no haba formulado la nocin del paisaje epigentico, pero en ladescripcin de la fotografa afirm:


Think of a big railway sorting yard... You are looking an incline called the Hump. The wagonsare pushed over the Hump and go running downhill and are sorted out by the systems ofpoints into the various sidings. Now an embryo is in some ways analogous to a set of truckssliding down the Hump. The first point, which you see just in front of the nearest two trucksin the picture, is the primary organization centre, and shunts of one set of trucks to the left,to become skin, and another set to the right, to become neural plate. The next set of pointsare the secondary organizers [...] and they again sort out the neural plate trucks into braintrucks and spinal cord trucks, and the skin trucks into lens and epidermis trucks. And so onthrough all the sets of points, representing all the organizers, till the final trains are made upin the sidings, or, as we may say, the final organs are developed from the embryo.

Figura 1. Whitemoor Marshalling Yard, L.N.E.R. (Tomado de How Animals Develop, 1935. p. 96).

En 1940, Waddington present por primera vez la propuesta del paisaje epigentico,con un dibujo que, como se ve, funciona de la misma forma que los vagones en la coli-na; en este caso, una esfera rueda por los valles del paisaje (Fig. 2).

FISIONOMA DEL PAISAJE: UNA METFORA DE LA EPIGENTICAEl paisaje epigentico, formulado por Waddington en 1940 en su libro Organisers and genes,es un modelo visual o descripcin de las propiedades de un sistema, en el cual aparecenlas vas estables del desarrollo y los procesos de toma de decisiones durante el mismo(Slack, 2002), as como la intervencin de complejos sistemas genticos e interaccionesreguladoras en la configuracin de dichas vas de desarrollo (Jablonka y Lamb, 2005).El paisaje se compone de una superficie con pliegues, con unos valles ms profundosque otros, separados por montaas. La esfera, localizada en la parte ms alta y distante


representa una clula o parte de un organismo (embrin) que debe recorrer el paisajepor un valle1 hasta completar su desarrollo, de un estadio inmaduro a uno diferenciado(van Speybroeck, 2002). Cuando la esfera llega a una bifurcacin se est representandoun instante de toma de decisiones, en el cual hay dos posibilidades; pero debido a quesiempre hay un valle ms profundo, la esfera tiene la tendencia a rodar por l; se puededecir entonces que la esfera est canalizada. En palabras de Waddington:

One can make a mental picture of the situation by thinking of the development of a particularpart of an egg as a ball running down a valley. It will, of course, tend to run down to the bottomof the valley, and if something temporarily pushes it up to one side, it will again have a tendencyto run down to the bottom and finally finish up in its normal place. If one thinks of all thedifferent parts of the egg, developing into wings, eyes, legs, and so on, one would have torepresent the whole system by a series of different valleys, all starting out from the fertilizedegg but gradually diverging and finishing up at a number of different adult organs. Such amental picture has been called the epigenetic landscape. (Waddington, 1966, p. 49).

Por tanto, cada bifurcacin corresponde a un organizador, que dirige el destino decada regin. Aunque siempre se habla de el paisaje, el modelo seala ms bien quecada regin de un embrin en desarrollo, representada por una esfera, tiene su propiopaisaje epigentico, por lo cual el desarrollo de un organismo completo es un conjuntode paisajes.Pero, qu determina la topografa del paisaje?. Para Waddington, el paisaje es un es-pacio multidimensional enclavado en el metabolismo celular; as, en otra de sus ilus-traciones, aparece la configuracin del paisaje por debajo de su superficie, con las re-laciones hipotticas entre los genes anclados en la parte inferior, unidos a la superficieirregular del paisaje por medio de cuerdas, de forma que se establece una red. La redun-


Figura 2. Paisaje epigentico. Tomado de Waddington (1966).

1 Cada valle o camino permitido fue llamado creodo (chreode) por Waddington, nombre que aunqueno se usa, es muy significante, pues proviene de los vocablos griegos chre, necesidad y hodos,trayectoria.

dancia de la red gentica explica los efectos discretos de los genes que, de formaindividual, no tienen la capacidad de alterar la topografa del paisaje2; Waddingtonreconoci (en The Strategy of the Genes) que no existe una relacin simple entre un gen ysu efecto fenotpico porque si la mutacin de un gen altera o suprime la tensin de unacuerda, la magnitud o intensidad del cambio en el ondulamiento de la superficie depen-de de las interacciones con las otras cuerdas3. Esta nocin difiere notablemente de ladoctrina un gen, un enzima, de Beadle y Tatum, en la cual la relacin entre genes yproductos es lineal (van Speybroeck, 2002). Sin embargo, es posible que un conjuntode genes al mismo tiempo, o genes reguladores, acompaados o no de modificacionesambientales (que actan sobre la superficie del paisaje), puedan producir una alte-racin significativa de la topografa que cambie el destino de la esfera, es decir, de laclula en proceso de diferenciacin (Slack, 2002). Waddington describi este tipo deinteracciones entre el ambiente, el organismo en desarrollo y sus genes, con el trmino(ya usado en la poca) de retroalimentacin feedback (Waddington, 1966). Por tanto,el paisaje es un modelo algortmico y dicotmico que, adems de las posibilidades deeleccin binaria, incorpora las variables que intervienen en la eleccin (cambios topo-grficos tanto ambientales como genticos).El modelo explicativo del paisaje dicta que a partir de la masa indiferenciada del embrin,cada parte recorrer un camino especfico hasta convertirse en un rgano determina-do, por ejemplo, un ojo o parte de ste. Waddington utiliz los trminos histog-nesis, organognesis (o regionalizacin) y morfogenesis para distinguir, respectivamente,los procesos de diferenciacin en tiempo, espacio y forma (Waddington, 1966; vanSpeybroeck, 2002); en la primera, de naturaleza qumica, se forman los tejidos (sus-tancia), en la segunda se diferencian los rganos, y en la tercera, para la que utiliztambin el trmino individuacin, se forman los tejidos en estructuras coherentes porla intervencin de fuerzas mecnicas. Estas tres categoras de diferenciacin embrionariafueron propuestas por Waddington porque conllevan distintas formas de explicacin,aunque ocurren simultneamente y en conexin ntima. Segn la naturaleza de estosprocesos de diferenciacin, es difcil intervenir una parte especfica del embrin paraque finalice en un destino intermedio, en trminos de Waddington:

An organ or tissue is formed by a sequence of changes which can be called the epigeneticpath leading to it. In a normal egg which contains the genes usually found in the wildindividuals of the species, these paths are rather definitely distinct from one another, so thata developing mass of tissue turns either into a leg or into a wing, say, but it is difficult topersuade it to become something intermediate. And also each path is canalized, orprotected by threshold reactions so that if the development is mildly disturbed it neverthelesstends to regulate back to the normal end-result. (Citado en Robertson, 1977; p. 593).


2 Los estudios con organismos knockout en los cuales se suprime un gen totalmente han mostrado queen muchos casos el fenotipo no se altera. Este fenmeno es perfectamente bien explicado por el paisajeepigentico (Jablonka y Lamb, 2005). 3 Se conoce como epistasis a estas relaciones mltiples, no recprocas entre los genes, en las cuales ungen puede enmascarar la expresin de otros (Mayr, 2002).

Waddington acu el trmino homeorresis (flujo estable) para designar este fenmenoen el cual hay estabilidad en el tiempo; si un sistema homeorrsico sufre una perturba-cin, es posible que retorne al camino inicial, pero no en el momento en el que ocurrila perturbacin sino en el que debera estar en el momento actual (van Speybroeck,2002). En el anlisis del desarrollo el concepto de homeostasis (de Bernard) debe rein-terpretarse mediante la introduccin de variables temporales; por ejemplo, el trminohomeorresis se usa de rutina en endocrinologa para designar el proceso conocido comocrecimiento de recuperacin, que consiste en el recobro de la talla o tasa de crecimientoen pacientes que tenan talla baja, de forma que alcanzan su percentil (camino) inicialen la curva de crecimiento segn la edad. Es decir, pacientes que haban sufrido unadesviacin de su recorrido normal, se recuperan y alcanzan un estado normal para laedad. El trmino alostasis se ha usado en el mismo sentido, como proceso adaptativoque mantiene la estabilidad a travs del cambio (Lackie, 2007).

CANALIZACIN DEL DESARROLLOEl fenmeno mencionado en el pasaje anterior de llama desde entonces canalizacin deldesarrollo y consiste en la propiedad que poseen los organismos para producir unfenotipo final estable o nico a pesar de las perturbaciones ambientales y genticas(Scharloo, 1991). Volviendo al paisaje, la esfera desciende por el canal ms profundo;la forma de la superficie de los valles est determinada por las redes genticas subya-centes y es muy estable frente a cambios mutacionales o ambientales, los cuales sonamortiguados.Algunas observaciones influyeron en la gnesis de esta explicacin. Desde los tiemposde Darwin, era bien conocido que el fenotipo de los organismos salvajes era muy similaro estable entre distintos individuos, mientras que se encontraban mayores diferenciasentre animales domsticos o individuos de cepas especficas de laboratorio cuya mu-tacin se conoca, hecho aparentemente contraintuitivo. Esto llev a Waddington a lasiguiente explicacin: el fenotipo se encuentra amortiguado o canalizado por la selec-cin natural en las poblaciones naturales (Jablonka y Lamb, 2005). Como los organi-smos silvestres han vivido en el medio ambiente por generaciones, han sido filtradospor la seleccin natural de forma que los fenotipos inestables ya se han eliminado; porel contrario, en estado de domesticacin las condiciones de seleccin se relajan pre-servando un mayor rango de variabilidad gentica, que se manifiesta en fenotiposvariables. Esta elaboracin no solo muestra cmo el ambiente es determinante en el de-sarrollo organsmico, sino que soporta la idea segn la cual la seleccin natural esfundamental para el mantenimiento de fenotipos estables.La canalizacin del desarrollo tambin se conoce y acepta en la biologa evolutivacomo estabilidad del desarrollo, robustez biolgica o robustez del desarrollo. Estefenmeno debe existir por simple lgica: la operacin efectiva de la seleccin naturalrequiere mecanismos que mantengan el desarrollo fiel o estable (Fox-Keller, 2002), puessolo as los cambios genticos se correlacionan con los fenotpicos y se hacen, por tanto,visibles para la seleccin natural. Esta se puede considerar como una propiedademergente de los sistemas biolgicos, y tiene una importancia inusitada en algunassituaciones que funcionan de forma opuesta: si un organismo mantiene un desarrolloestable, se pueden acumular variaciones genticas de carcter neutro que permancen


ocultas para la seleccin natural. Experimentos recientes de biologa molecular, espe-cialmente aquellos de Rutherford y Lindquist (1998), muestran que existen mecanismosdel desarrollo que permiten amortiguar mutaciones. Por ejemplo, protenas de choquetrmico como la HSP90 ayudan al plegamiento normal de las protenas, aun cuandoaparecen mutaciones importantes que alteran la secuencia de aminocidos. Cuando sereducen los niveles de HSP90 por medios genticos o farmacolgicos, aparecen varian-tes fenotpicas en las poblaciones, hecho que demuestra el papel de esta protena en elamortigamiento de los cambios genticos y en el mantenimiento de un fenotipo finalestable. Un anlisis reciente de esta literatura sugiere que HSP90 es un factor genticoimportante en el control del amortiguamiento del desarrollo, pero se limita nicamentea algunos rasgos y es solo uno de varios mecanismos (Patterson y Klingenberg, 2007).Seguramente aparecern muchos ms ejemplos de amortiguadores del desarrollo enlos prximos aos.Por tanto, parece sensato afirmar que existe evidencia emprica y terica (ver Siegal yBergman, 2002) contempornea, que soporta el concepto de canalizacin del desa-rrollo elaborado por Waddington. Sin embargo, l lleg a esta conclusin a partir devarios experimentos concernientes a la polmica asimilacin gentica, nocin que ledio importancia en biologa evolutiva al concepto de canalizacin (Scharloo, 1991).

ASIMILACIN GENTICAEs la fijacin gentica de una reaccin fenotpica a un estmulo ambiental. En estanocin de asimilacin gentica, los cambios fenotpicos, desencadenados por unfactor ambiental, ocurren antes que los genotpicos, y son asimilados por estos ltimos. Estas ideas fueron postuladas por Waddington a partir de sus experimentos con mu-tantes de Drosophila melanogaster. Aunque todos los experimentos realizados siguieron lamisma metodologa presentada inicialmente en 1942 (Waddington, 1942), expondruno posterior (Waddington, 1959a). Se seleccionaron tres cepas de D. melanogaster y sedejaron crecer en un medio con concentraciones de cloruro de sodio lo suficientementealtas como para matar a ms del 60 % de las larvas. Esta condicin se mantuvo enaumento por 21 generaciones, ajustando siempre las concentraciones de sal para quela mortalidad se mantuviera en el 60 %. Despus se dispusieron los huevos de las ltimaslarvas en concentraciones diferentes de sal y se compararon con las cepas originarias,al mismo tiempo que se meda el tamao de la papila anal de las larvas, pues se pensabaque esta intervena en la homeostasis de la sal. Como resultado, las larvas que habansido objeto de seleccin artificial, tuvieron una tasa de supervivencia mayor que las decontrol a concentraciones altas de sal, al tiempo que presentaban papilas anales demayor tamao en todas las concentraciones. Adems, los cambios fenotpicos fuerontotalmente heredables una vez suspendidas las condiciones hipertnicas. Como con-clusin, Waddington seal que la seleccin artificial aument la adaptabilidad pormedio de la asimilacin gentica, es decir, la modificacin resultante de un cambioambiental sostenido se haba fijado genticamente. De acuerdo con Robertson (1977),el fenmeno se puede conceptualizar como la capacidad de respuesta a estmulosexternos por reacciones del desarrollo que estn bajo control gentico; en caso decambios que aumenten la aptitud de los individuos, estos sern seleccionados, al igualque sus genes.


Esta explicacin se parece bastante a la seleccin orgnica, fenmeno ms conocidocomo efecto Baldwin4. Waddington reconoci esta similitud y acept que la asimi-lacin gentica era una forma moderna del efecto Baldwin, a pesar de que en el mo-mento en que realiz estos experimentos cruciales, l no conoca en detalle el trabajode Baldwin (Robertson, 1977).Uno de los puntos claves de este fenmeno se relaciona con la canalizacin del desarrollo.Si, segn este principio, el desarrollo de los rasgos es estable y resistente a las pertur-baciones, entonces puede ocurrir gran cantidad de variaciones genticas que no seexpresan, pues estn amortiguadas y son invisibles para la seleccin natural. Se producepor tanto un desacople genotipo-fenotipo, que se puede ejemplificar en el paisaje epi-gentico y puede ser el origen de la asimilacin gentica: cuando hay cambios ambien-tales, se producen reacciones o cambios del desarrollo que se mantienen y pueden permitirla fijacin de los cambios genticos acumulados (West-Eberhard, 2005). Paradjicamen-te, el enmascaramiento de estas mutaciones aumenta las posibilidades potenciales decambio evolutivo. En trminos de Waddington, lo que ocurre es que un cambio ambien-tal radical, por medio de mecanismos epigenticos (que tienen lugar entre los genes yla superficie del paisaje) expone la variacin gentica oculta que ya estaba presente en lapoblacin original, al afectar grupos de genes que intervienen en el desarrollo del carcteren cuestin (para un anlisis detallado, ver Jablonka y Lamb, 2005, p. 260-265). Durante este periodo de asimilacin se genera un acoplamiento entre el genotipo quese est expresando y los rasgos fenotpicos nuevos y, si se mantienen las condiciones de-sencadenantes, la seleccin sexual (entre organismos con la variante), fija la combina-cin de alelos implicados en el desarrollo del rasgo, de forma que el estmulo inicial yano es necesario ni suficiente. Lo que ocurre en este fenmeno no es la aparicin de nue-vas mutaciones ni de nuevos genes, ni el aumento de la tasa mutacional, sino un cambioen la expresin de un grupo de genes (previamente presente) que, en su conjunto, es ca-paz de producir el desarrollo de un nuevo rasgo coherente con el medio ambiente. Portanto, el fenmeno aparentemente lamarckiano de la asimilacin gentica (de los carac-teres adquiridos) es genuinamente darwiniano (Scharloo, 1991). No hay instruccindirecta del medio ambiente, sino una mediacin por un mecanismo epigentico. Laaparicin de un nuevo carcter por los mecanismos mencionados es fijada por laseleccin natural, de forma que ya no se necesita del estmulo ambiental inicial; en estesentido se puede considerar tambin el paisaje epigentico como un modelo grficodel efecto Baldwin. Entonces, la asimilacin gentica implica un cambio de nfasis encmo la evolucin produce cambios adaptativos (Moczec, 2007).

CANALIZACIN Y PLASTICIDAD: LAS DOS CARAS DE LA MONEDAUno de los principales aportes del paisaje epigentico es la explicacn grfica de dosfenmenos fundamentales del desarrollo que tienen signo opuesto, pero tambin un


4 El efecto Baldwin consiste en la fijacin gentica de un comportamiento aprendido. En primer lugardebe aparecer una nueva presin ambiental que genera una adaptacin comportamental de los orga-nismos. Si la presin se mantiene por generaciones, entonces es posible la aparicin de mutacionescoherentes con el cambio fenotpico, de forma que este se vuelve hereditario.

factor en comn; en ambos los cambios genotpicos estn desacoplados de los fe-notpicos: la estabilidad y la plasticidad del desarrollo (Jablonka y Lamb, 2002). Laprimera propiedad (i.e. homeorresis o canalizacin para Waddington) hace referenciaa la resistencia de los organismos durante su crecimiento y desarrollo para llegar al mis-mo fin (fenotipo) o para mantener la funcionalidad contra las perturbaciones externas(influencias ambientales) o internas (mutaciones). Esta es una propiedad de sistemascomplejos con capacidad evolutiva (Kitano, 2004). En el paisaje, como ya se mencion,hay ms posibilidades de que una clula tome el camino del valle ms profundo y serequiere de muchas influencias genticas (mutaciones) y/o ambientales para modificarel camino del desarrollo, pues este se encuentra canalizado. Del mismo modo, la plas-ticidad del desarrollo encuentra su lugar en el paisaje, pero con el signo opuesto a laestabilidad, pues es posible que la configuracin del paisaje cambie y la esfera tome uncamino diferente al inicial, como ejemplifican Jablonka y Lamb (2005, p. 263). Para re-saltar la dependencia de los procesos de estabilidad y plasticidad de las influenciasgenticas, cito este aparte de Waddington (1959b), ya cerca del final de su obra:

In multi-cellular organisms the development of tissues and organs commonly exhibits abalance between flexibility and inflexibility; while a sufficient external stress will causedevelopment to diverge and reach some unusual end-result, there are counter-actingtendencies to attain the normal adult condition even in the face of disturbing influences. Thiscondition, which has been referred to as the canalization of development, must be regardedas a result of the complex interactions between the numerous gene-controlled processes bywhich development is brought about.

En sntesis, si el desarrollo est canalizado, se encuentra, en parte, desacoplado de losgenes. Y cualquier cambio en el desenlace del desarrollo (plasticidad) sera tambinindiferente a los genes. Por esta misma razn, es factible la produccin de cambiosgenticos crpticos; pero cuando una nueva situacin genera un cambio fenotpico quese correlaciona con las variaciones genticas previas, vuelve a existir acoplamiento entreel fenotipo y el genotipo: es lo que ocurre en la asimilacin gentica.

EL CONCEPTO DE COMPETENCIAUn concepto tambin esencial en Waddington es el de competencia, que hace referenciaal periodo de tiempo en el cual las clulas del embrin responden al inductor y quecorresponde aproximadamente a la gastrulacin. Aqu de nuevo, se presenta el fen-meno de inestabilidad en el cual una pequea perturbacin puede desviar el camino deldesarrollo (Kitano, 2004). En general, el concepto se aplica muy bien a todos los fen-menos de diferenciacin, por ejemplo, la diferenciacin a partir de clulas madre o laproduccin de clones celulares para la produccin de anticuerpos. La idea de com-petencia, fundamental para el desarrollo del paisaje epigentico (Gilbert, 1991), surgide experimentos sobre el inductor del tejido neural, en los cuales Waddington concluyque el factor neuralizante ya estaba presente en ciertas clulas y que simplemente eraactivado por las sustancias inductoras. A partir de esta conclusin, Waddington se en-foc en el estudio de las clulas susceptibles o competentes en lugar de las clulas induc-toras (Gilbert, 1991). As, las clulas competentes se encontraran canalizadas, pues


solo se requera un pequeo empujn del inductor neural para desencadenar sudesarrollo. Nada alejado de la realidad (Slack, 2005).

TERMODINMICAEl paisaje epigentico puede comprenderse tambin en trminos termodinmicos. Cadabifurcacin de un valle es un nuevo punto crtico de inestabilidad a partir del cual esposible acceder a un nuevo estado (Prigogine y Stengers, 1997; Andrade, 2003); enestos puntos de inestabilidad, una perturbacin infinitesimal es suficiente para orientarel sistema hacia un nuevo estado de atractor. A medida que el sistema recorre el dia-grama de bifurcaciones (paisaje epigentico) de forma algortmica, en una sucesin deinestabilidades y fluctuaciones, est produciendo su propia historia evolutiva o procesode desarrollo. El proceso es irreversible y, con cada bifurcacin, el sistema pasa a un es-tado de mayor diferenciacin, es decir, a un estado energticamente ms estable. Lainestabilidad parece ser el nico mecanismo capaz de romper la simetra de un entornoinicialmente homogneo (Prigogine y Stengers, 1997).Se puede sugerir una correlacin entre estos procesos de inestabilidad y los de plas-ticidad. En su libro Organisers and Genes, Waddington habla de fenmenos que llamacrisis epigenticas, los cuales corresponden a periodos de gran inestabilidad en eldesarrollo. Estas crisis ocurren en ciertos momentos de mayor inestabilidad de la usualdurante la organognesis, de forma que pequeos disturbios en esos momentos precisosson capaces de producir grandes efectos en eventos posteriores (Robertson, 1977).

CONCLUSIN

Puede afirmarse que la descripcin del paisaje epigentico es en realidad una metforade un sistema dinmico, tema que perme toda la obra de Waddington; l siempreconsider a los embriones y a los organismos como sistemas (Waddington, 1959b) yconceptualiz la evolucin de los organismos como evolucin de sistemas de desarrollo(Robertson, 1977). Otras preguntas fueron planteadas por Waddington en referencia al modelo del paisaje.Cmo entran las diferentes partes de un embrin en los diferentes valles? o, una vezque una parte del embrin ha viajado por un valle, puede devolverse?, son reversibleslos cambios del desarrollo? (Waddington, 1966). Ni estas cuestiones, ni las tratadas enel presente artculo tienen una respuesta clara, pues el problema del desarrollo es unade las grandes cuestiones de la biologa pasada y presente. Sin embargo, la epigenticay el modelo del paisaje epigentico fueron contribuciones originales que permitieronuna concepcin ms holista de las cuestiones mencionadas. Desde Waddington se sabeque la morfognesis, la organizacin y complejizacin direccionales del organismo ha-cen necesario considerarlo como un todo; la ontogenia es un proceso emergente y elcomportamiento global del organismo no puede explicarse por la lgica de las partes,ni la de los genes exclusivamente. Este constituye uno de los errores lgicos funda-mentales del preformacionismo y uno de los principales argumentos en su contra. Paracerrar con palabras del gran bilogo:


a new level of organisation cannot be accounted for in terms of the properties of itselementary units as they behave in isolation, but is accounted for if we add to these certainother properties which the units only exhibit when in combination with oneanother.(Waddington, citado en van Speybroeck, 2002, p.71).

AGRADECIMIENTOS

Aprecio los comentarios y sugerencias de Eugenio Andrade, que ayudaron a mejorar lacoherencia y estilo del ensayo. El autor es soportado por una beca Francisco Jos deCaldas (Colciencias).

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Ontogenia y Fisionomía Del Paisaje Epigenético