Como las mutaciones del DNA nos diferenciaron del

chimpancé

( Creces, 2012 )

La paleoantropología es una nueva disciplina científica, que

aprovechando el desarrollo de las diferentes áreas del conocimiento,

investiga los procesos evolutivos de las diferentes especias animales,

precisando las razones y los tiempos en que ellas han estado

ocurriendo. Es así como ya se ha comenzado a conocer los detalles de

algunas mutaciones genéticas señuelas, que han condicionado la

evolución de la especie humana durante los últimos seis millones de

años, desde los grandes simios, al hombre actual.

Hasta hace muy poco tiempo la teoría de la evolución de Darwin se basaba solo

en la observación directa de las diferentes especies y en el análisis de restos

antropológicos preservados en el tiempo. Así se llegaba a formarse una idea

muy global del proceso evolutivo, dejando siempre grandes vacíos e

interrogantes que fructificaban sólo en el terreno de las hipótesis. Hoy en

cambio, se ha llegado a desarrollar toda una ciencia de creciente precisión, la

llamada palaeoantropología, que aprovechando los mas variados avances del

conocimiento, tanto de física, como química y la biología, permiten ahondar en

el pasado y llegar a ratificar con gran precisión el desarrollo de los procesos

evolutivos, estableciendo incluso, con bastante precisión, las épocas en que

estos habrían ocurrido.

Dentro de la palaeoantropología, sin duda que la biología ha sido el área del

conocimiento que más ha contribuido. Especialmente cuando se pudo

establecer que la molécula DNA era común a todas las criaturas vivas de la

Tierra y que mutaciones en su estructura iban traduciéndose en cambios

objetivos en las especies (cambios fenotípicos). Comenzando así a conocer los

mecanismos genéticos moleculares por los cuales las especies se iban

modificando en la competencia por el alimento, las variaciones de las

condiciones climáticas y/o el acceso al acoplamiento. De este modo, la

producción de una mutación individual, si era favorable, podía llegar a

generalizarse, dejando de ser una mutación. Fue así como las actuales

estructuras de nuestros 23.000 genes pasaron evolutivamente a definir la

especie humana (Semejanzas y diferencias entre el hombre y los animales).

Ahora se puede afirmar que aproximadamente seis millones de años atrás, fue

cuando el actual Homo sapiens comenzó a separase de los grandes monos (Los

primeros ancestros humanos datan entre 6 y 7 millones de años). Desde

entonces hasta ahora deben haber sido muchísimas las mutaciones que se

fueron produciendo, estando aún muy lejos de poderlas reconocer en su

totalidad, ni menos como ellas han ido interactuando entre si para inducir los

cambios. También estamos lejos de saber como las otras especies fueron

evolucionando paralelamente por su propio camino, produciendo cambios que a

primera vista parecerían como debidos a un juego de azar.

El programa de secuenciar el genoma humano, que demoró 13 años, fue el

primer paso (El genoma humano: el gran hito de la biología), seguido luego la

secuenciación de los genomas de las otras criaturas, como chimpancés, gorilas,

orangutanes, que permitieron comenzar a comparar unos con otros, y de allí

deducir, como y cuando, nos habíamos comenzado a diferenciar genéticamente

de las especies de los grandes monos. (Diferencias genéticas entre el

chimpancé y el hombre). Mas tarde, al ir conociendo las funciones metabólicas

inducidas por cada mutación, se han ido identificando algunas de estas,

destacadas como señuelas, han inducido cambios fenotípicos trascendentes

que, nos han permitido formarnos un esquema mas integral del proceso de

diferenciación a través de los tiempos, entre el Homo sapiens y los grandes

monos.

En el hecho, comparando estos genomas de unos y otros, se puede lograr una

gran cantidad de información. Así por ejemplo, si se llega a encontrar un gene

activo en el cerebro humano y este es diferente del mismo gene, pero del

chimpancé, se puede deducir que esa diferencia (mutación) ayudó al Homo

sapiens a desarrollar más el cerebro y por ello llegar a ser más inteligente. En

el hecho, comparando el genoma humano con el del chimpancé, se pueden

encontrar alrededor de 15 millones de substituciones de letras del DNA

(mutaciones). Pero de acuerdo a lo que ya conocemos de la estructura del

DNA, se puede también afirmar que la gran mayoría de ellas no han afectado

nuestras características fenotípicas, ya sea porque ellas corresponden a

cambios menores que no modifican la función del gene, o porque la mutación

cae en alguna de las regiones del DNA que no codifica, como es el caso del

llamado “DNA basura”, que representa la mayor parte de nuestro DNA.

(Consideraciones después del genoma). Tomando esto en consideración, se

puede concluir que de los 15 millones de diferencias, quizás no más de 10.000

sean realmente importantes como para que hayan producido cambios que

hayan repercutido en el organismo, jugando así un rol en el proceso de la

selección natural.

Ya tenemos algunas pistas que han permitido individualizar mutaciones

específicas a las que podría achacarse cambios importantes en la evolución

humana. Algunas de ellas han contribuido a la rápida expansión del crecimiento

y complejidad de nuestro cerebro, o a la aparición del lenguaje, o la estructura

de la oposición de tenazas del pulgar de la mano, o cambios que al Homo

sapiens le permitieron caminar erguido, u otros que han contribuido a ser lo

que actualmente somos.

Mutaciones genéticas que han inducido el crecimiento cerebral

Sin duda que estas han sido muchas, y en ello reside la gran diferencia entre la

especie humana y la de los grandes simios. Algunas han actuado directamente

sobre el desarrollo cerebral, mientras otras su acción ha sido indirecta, pero

importantes para que en definitiva los cambios hayan ocurrido. Así por

ejemplo, se sabe que el chimpancé posee unas mandíbulas muy fuertes, capaz

de cortar el tallo de un duro vegetal. En cambio en los humanos la musculatura

de la mandíbula es débil. Ahora se sabe que esta diferencia pudo haber sido la

consecuencia de una mutación del gene llamado MYH16 que codifica una

proteína del músculo. Esta mutación inactiva al gene respectivo, lo que lleva a

que los músculos de nuestra mandíbula tengan una versión diferente. Como

consecuencia la mandíbula no es tan fuerte. Según los investigadores, el tener

una mandíbula no tan fuerte habría hecho posible un mayor crecimiento del

cráneo (Un simple músculo condicionó el crecimiento cerebral del hombre

primitivo) (Nature, 2004 vol.428, p415). Los primates al tener músculos muy

fuertes han tenido que fortalecer los huesos que los soportan en la región

posterior del cráneo, con lo que no les ha sido posible la expansión este y en

consecuencia, tampoco del cerebro (fig 1). Se trataría de una mutación que

interviniendo indirectamente sobre el músculo de la mandíbula, permitió a la

especie humana disminuir la densidad ósea de su mandíbula, lo que

posteriormente hizo posible la expansión del cráneo. Simultáneamente también

debieron haberse producido otras mutaciones que directamente estimularon el

crecimiento cerebral.

Los investigadores estiman que esta mutación se habría producido hace 2.4

millones de años, justamente en la época que se estima que se habría iniciado

el crecimiento de nuestro cerebro. El cerebro humano mide entre 1.200 y 1.500

centímetros cúbicos, lo que significa que es tres veces más grande que el

cerebro del chimpancé (fig. 2). Esta enorme diferencia tiene que haber sido

inducida por numerosas mutaciones sucesivas de diferentes genes que cada

vez deben haber agregado mayores impulsos de crecimiento, además de

cambios estructurales (Que hace que sea único el cerebro humano) ya que no

solo el tamaño es mayor, sino también su estructura. Así por ejemplo, el

cerebro humano ha tenido una mucho mayor expansión de su corteza,

produciendo invaginaciones mas pronunciadas y profundas, que le ha permitido

incrementar la superficie de ella. Gracias a ello ha ido logrando alcanzar

sofisticados procesos mentales, como la capacidad de planificar, de razonar y

desarrollar el lenguaje. Una forma de averiguar que genes fueron

comprometiéndose en todo este proceso, ha sido a través de investigar que

genes inducen alguna patología cerebral y compararlo con igual gene de los

actuales grandes monos. Una de estas patologías, es la “microcefalia primaria”.

Se trata de una condición en la que se nace con un cerebro muy pequeño, que

pesa solo la tercera parte de un cerebro normal y que además su corteza está

particularmente atrofiada, lo que produce importantes deficiencias cognitivas

de grados variables.

En los estudios genéticos de los enfermos que padecen microcefalia, se han

encontrado por lo menos siete genes diferentes, a cuyas mutaciones se

atribuye la microcefalia. Curiosamente todos ellos desempeñan algún rol en la

división celular, el proceso en que el cerebro fetal multiplica activamente las

neuronas inmaduras, antes que estas comiencen a migrar a sus ubicaciones

definitivas en la corteza cerebral.

Uno de estos genes, se ha denominado con la sigla ASMP. Su estructura fue

secuenciada por el investigador Bruce Lahn, del Departamento de Genética

Humana de la Universidad de Chicago, quién además la comparó con la

estructura de igual gene de siete especies de primates actuales. Como cabía

esperar, el gene humano ASPM, era muy similar al del chimpancé, pero algo

menos al del gorila, menos aún, al mas distante orangután. Según al autor,

esto significaría, que en los tiempos remotos, el gen ASPM, fue lenta pero

inexorablemente, acumulando mutaciones. Ello significaría que el gene ASMP

sería un determinante esencial en el desarrollo del tamaño del cerebro, y que

algunas de sus mutaciones que se han ido produciendo, fueron capaces de

hacer crecer su cerebro, confiriéndole ventajas sobre el resto, a los homínidos

que las portaban. Hoy la inactivación del gene provoca microcefalia, un

atavismo que devuelve al cerebro humano el tamaño cerebral de su ancestro

primitivo (Human Molecular Genetics, vol 13, p.489).

Igualmente importante ha sido el descubrimiento de otro gene que también

provoca microcefalia. Se trata del gene llamado SRGAP2, ha sido objetos de

dos publicaciones (Cell, 3 de Mayo de 2012). Este gene no presenta

mutaciones, pero se encuentra duplicado en forma parcial, en dos posiciones

diferentes en el cromosoma 1. En el primero de los trabajos, Evan Eichler de la

Universidad de Washington, señala que esta duplicación habría ocurrido hace

3.4 millones de años, coincidiendo con la transición de Australopithecus a

Homo y coincidiendo además con el comienzo de la expansión de la corteza

cerebral. El investigador señala que esta duplicación ha sido crucial para el

desarrollo de la inteligencia. El segundo trabajo, dirigido por Franck Polleux, del

Instituto de la Jolla en California, afirma que el gene SRGAP2C estimula el

desarrollo de las conexiones dentríticas de las neuronas, ayudándole a

establecer sus conexiones.

Otra forma en que los genes permitan un mayor desarrollo cerebral, es

interviniendo en su abastecimiento energético que requiere un cerebro de

mayor tamaño. Es sabido que en condiciones de reposo, el cerebro humano

consume el 20% de la energía de la dieta, comparado con el 8% que consume

el cerebro de primates. Se ha descrito una mutación en el gene RNF213,

culpable de la enfermedad de “Moyamoya” (Stroke 2008, vol 32 p 42) que

produce un estrechamiento de las arterias que irrigan al cerebro. Ello permite

suponer que este gene puede haber jugado un rol en nuestra evolución,

permitiendo un mayor abastecimiento sanguíneo, cubriendo con ello las

crecientes necesidades calóricas y de nutrientes de nuestro cerebro.

Estos y muchos otras mutaciones genéticas tienen que haberse ido produciendo

a lo largo de los seis millones de años, para lograr ir incrementando el tamaño

y complejidad de nuestro cerebro, separándonos progresivamente de los

grandes simios, hasta llegar a lo que el Homo sapiens es en la actualidad.

Mutaciones genéticas que condicionaron el desarrollo del lenguaje

Sin duda es el desarrollo del lenguaje lo que más nos ha diferenciado

evolutivamente de todos los animales. Ellos pueden emitir sonidos propios de

cada especie, como ladrar, mugir o relinchar, pero solo el hombre emite la

enorme variedad de complejos sonidos que son necesarios para hablar. La

especie humana comenzó a diferenciarse de los grandes monos cuando pudo

comunicarse entre sus iguales a través del lenguaje. Ello fue lo que hizo posible

el desarrollo de la conciencia, el simbolismo, la espiritualidad y la moralidad,

como también permitió transmitir la información de una generación a otra,

hasta desarrollar una cultura y finalmente una civilización.

En el hecho habría sido físicamente imposible que el chimpancé hablara como

nosotros, ya que carecía de las adecuadas características anatómicas, tanto de

la caja vocal como de las cavidades nasales, además de carecer de la capacidad

de coordinación de numerosos músculos de la cara, la laringe, la boca y la

lengua, que le permitieran ejecutar los movimientos necesarios para modular

los diversos sonidos. A diferencia del chimpancé, el desarrollo del lenguaje fue

posible en los seres humanos, gracias a que simultáneamente ocurrió una

coordinación central a nivel cerebral, que le permitió ir modulando los sonidos

hasta darle sentido a las palabras, utilizándolas en la expresión de lo concreto y

lo abstracto. Es decir, en el Homo sapiens, el lenguaje fue posible porque

simultáneamente se fue produciendo un mayor desarrollo de la estructura

cerebral. Así lo afirma Eors Szathmary del Instituto de Estudios Avanzados de

Budapest, que agrega que nuestra exclusividad del lenguaje, fue posible debido

a que se produjo una simultánea mayor complejidad de la red cerebral que le

permitió desarrollar el complicado proceso de la gramática, y la sintaxis. Todo

ello ocurrió tanto por la adecuación de los genes, más el propio aprendizaje que

progresivamente iba dando la experiencia (La evolución del lenguaje).

Fue en el año 2001 cuando un grupo de investigadores dirigidos por Anthony

Mónaco, de la Universidad de Oxford, en colaboración con Faraned Braga-

Khadem del Institute of Child de Londres, identificaron al gene llamado FOXP2

relacionado con el lenguaje. (El gene del lenguaje nos separa del resto de las

especies animales). Fue identificado estudiando una familia inglesa en que sus

miembros, por lo menos por tres generaciones, habían estado sufriendo un

grave desorden del lenguaje. En el estudio también se incorporó un niño que

no estaba relacionado con la familia, pero que presentaba los mismos síntomas

(Se descubre un gene ligado al lenguaje). Se estudiaron 16 miembros de esa

familia, en la que su hablar era ininteligible y también padecían de dificultades

para entender lo que otros hablaban, sobre todo por las deficiencias en lo

relacionado con las reglas de gramática. También tenían problemas para

algunos movimientos complejos de la boca y de la lengua. Se pudo comprobar

que el defecto coincidía con una mutación en el gene FOXP2. Los autores

concluyeron que el proceso del lenguaje era complejo y que posiblemente este

gene regulaba la actividad de otros genes. “La base del déficit radica en una

incapacidad para secuenciar y seleccionar los signos pequeños que forman las

palabras y las frases”, señala el neurocientista Varghn-Khaden, del Instituto de

Salud Infantil de Londres. Esta incapacidad se extendía también a las

secuencias motoras (musculares), que hacen posible la emisión de diferentes

sonidos, lo que provocaba dificultades para cerrar los labios, abrir la boca, y

mover la lengua. Por medio del scanner cerebral, Varghan Khaden identificó en

estos pacientes un defecto que se ubicaba en el ganglio basal (fig. 3), región

que se interconecta con el centro del lenguaje y con los movimientos

musculares necesarios para ello. El gene mutante estaría ubicado en el

cromosoma 7.

El niño que no pertenecía a la familia, pero que padecía de los mismos

síntomas, no tenía la misma mutación, pero mostraba en cambio que el mismo

trozo del cromosoma 7, se había cambiado de lugar a un segmente del

cromosoma 5.

Mas recientemente el genetista Savante Pääbo del Instituto Max Plank, en

Alemania y Phillip Lieberman pudieron reconstituir la historia evolutiva de este

gene (Science vol.297, Agosto 16, 2002, p 1105). Para ello, lo secuenciaron en

diferentes primates (chimpancés, gorilas, orangutanes y macacus), y también

en ratas, comprobando que en todos codifica una proteína de 715 aminoácidos.

Comparando la secuencia de aminoácidos, concluyeron que los principales

cambios habrían ocurrido en el linaje humano, hace aproximadamente 200.000

años y que estos se habrían llegado a fijar (extender) en el 95% de la

población, no hace más de 120.000 años. Pero contrariamente a todo lo que se

ha especulado, la mutación del gene descrito en la familia inglesa, no coincidía

con lo que se observó en el mismo gene en el chimpancé. Por el contrario, ella

correspondía a una nueva mutación. En todo caso, el chimpancé, la rata y

muchas otras especies tienen una versión del FOXP2 que es notablemente

similar a la versión de los humanos (Nature, 418, p 869).

Habría sido muy interesante colocar la versión mutada humana del gene FOXP2

en el embrión del chimpancé y ver si con ello mejoran sus posibilidades de

hablar, pero ello no se podía hacer por razones técnicas y éticas. Con todo este

se incorporó en el embrión de la rata y observaron que mas tarde, esta en la

edad adulta, emitía ruidos con menores tonos, lo que registraron mediante el

ultrasonido. Pero estos cambios fueron menos relevantes que los observaron en

esas ratas. Pudieron ver cambios en las estructuras y comportamiento de las

neuronas de los circuitos ganglionares del área córtico-basal (Neuroscience, vol

175, p75), que se sabe está comprometida en el aprendizaje de nuevas tareas

mentales.

Con todas, a pesar de las limitaciones para poder demostrar la importancia de

las mutaciones del gene FOXP2, este constituye el mejor ejemplo de la

evolución del cerebro humano debido a mutaciones genéticas.

Cambios genéticos en la destreza de la mano y la anatomía del cuello y

piernas.

Pero la diferenciación humana de los grandes monos, no sólo requirió de

mutaciones de genes que indujeran tan importantes cambios en la estructura y

complejidad cerebral y que simultáneamente se acompañaran con el desarrollo

del lenguaje, sino también fue necesario que se produjeran cambios que

permitieran el desarrollo de destrezas manuales para poder manejar

herramientas y también desplazarse erguido en dos piernas. Ello era necesario

para que el Homo sapiens pudiera abastecerse de alimentos cuando cambiaron

tan drásticamente las condiciones climáticas de su entorno, obligándolos a

dejara los cómodos árboles y los alimentos fáciles. La mano y el pie de los

grandes monos eran muy adecuados para vivir, desplazarse y alimentarse en

los árboles, pero no para alimentarse en las estepas.

Las manos de los simios tenían una disposición anatómica del pulgar, respecto

a los demás dedos de la mano o del pie, adecuados para agarrarse a las ramas,

lo mismo que la anatomía de las piernas, pero no para manipular objetos. En la

mano del Homo sapiens en cambio, se produjo una modificación anatómica

fundamental, cual fue la oposición del pulgar frente a los otros cuatro dedos de

la mano (fig 4). Con ello consiguió una pinza que le permitió desarrollar una

gran destreza, haciendo posible un fuerte y preciso agarre de objetos, lo mismo

que aprensiones más sutiles, lo que le confirió gran habilidad para alimentarse

y poder utilizar herramientas (fig 5). Del mismo modo que se produjeron

cambios en el cuello, las rodillas y tobillos (fig. 6), que le permitieron

desplazarse rápidamente y recorrer largas distancias, caminando erguido en

dos pies.

James Nooman y colaboradores de la Universidad de Yale, en el año 2008,

pudieron identificar en el cromosoma 2, una región del DNA que llamaron

HACNS1, el punto preciso donde se detectaron 16 mutaciones (Science, 321, p

1346). Lo curioso es que este no correspondía a un gene, sino a un trozo del

denominado DNA basura, que estaba próximo a un gene. Según los descritos

por los investigadores, corresponde a una secuencia relativamente corta de

DNA, en la que se han producido 16 mutaciones diferentes, lo que llamaba

mucho la atención dado que el genoma del chimpancé y el humano son

extremadamente similares (99% de semejanza). Probablemente estas fueron

produciéndose desde cuando el Homo sapiens comenzó a separase de los

grandes monos (hace seis millones de años), cuando tuvo que descender de los

árboles, adaptándose a vivir en las estepas.

La región HACNS1, no constituye un gene, sino que corresponde a una

secuencia potenciadora de un gene, sobre el que estaría actuando como

“interruptor genético”, ubicándose cerca del gene. Esta es la primera vez que

se describe en humanos la existencia de un potenciador de genes específicos,

ubicado en el DNA que no codifica. Ellos actuarían como un interruptor o

estimulador genético durante la etapa embrionaria, según las circunstancias.

Para confirmar sus hallazgos, los autores, colocaron la región HACNS1 en

embriones de ratas, comprobando posteriormente en ellas su activación en

cambios observables en los pulgares de las mismas.

En resumen, estos han sido los hallazgos mas destacado de los últimos años,

en que se relacionan mutaciones específicas de algunos genes de los grandes

monos, con los cambios fenotípicos que hoy nos caracterizan. Sin duda que el

futuro, la paleoantropología, continuará entregando más información, en la

medida que se vayan individualizando nuevas mutaciones que permitan

conocer con mayor precisión, la maravillosa dinámica del proceso evolutivo.

Para saber más: Clare Wilson, Lucky you. New Scientist, 9 de Junio 2012

Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl