Investigación Cientifica

Desde Cromosomas Estables a Genes Saltarines: con Barbara McClintock

por Anne E. Egger, Ph.D., Jessica Ruvinsky, Ph.D.

La ciencia se basa en datos, y recolectar varios datos usualmente involucra mucho trabajo diligente y atención a detalle. En el estudio de la genética y la herencia, por ejemplo, los científicos desde Gregor Mendel en la primera década del siglo XVI hasta Craig Venter a principios del siglo XXI han pasado horas sin contar recolectando datos: cuidadosamente cultivar plantas de guisantes y describiendo los engendros o buscando a través de millones de pares de bases de ADN para secuenciar el genoma humano. Pero hasta los datos mas cuidadosamente y diligéntemente recolectados no se interpretan a si mismo. Los científicos también tienen que interpretar los datos y para hacerlo, necesitan poder ver tanto los detalles como todo el entorno y ser creativo en su manera de pensar. Barbara McClintock (Figura 1) una bióloga ganadora del Premio Nobel fue renombrada por su atención a detalle que a veces era obsesivo en sus experimentos. Pero su trabajo fue capaz de explicar esos detalles.

Barbara McClintock
Figura 1: Mclintock y su sujeto favorito de investigación en Cold Spring Harbor en Nueva York. image © Courtesy of the Barbara McClintock Papers, American Philosophical Society.

Mapeando Cromosomas

Cuando Barbara McClintock nació en 1902, no existía tal cosa como un "gen". Los "caracteres" de Gregor Mendel que hacían que los guisantes sean redondos o arrugados aun eran conceptos abstractos (vea nuestro módulo Genética I). El botanista Danés Willhelm Johannsen empezó a llamar a estas características "genes" en 1909, cuando McClintock era una niña de siete años jugando futbol americano en las calles de Brooklyn (Comfort, 2003). Derivó la palabra de la misma raíz de "género", lo que significa una clase de cosas que comparten ciertos atributos, quiso decir de que los genes son lo que hacen que los hijos se parescan a sus padres en maneras discretas.

Johannsen nombró a los genes basados en lo que hacían, pero aun no sabía lo que eran. La hipótesis líder cuando McClintock estaba creciendo era que los genes existieron en una forma física de cromosomas, las cuales fueron visibles debajo del microscopio como una gota en forma de salchicha dentro del núcleo de células grandes, como las células del maíz. Pero hasta 20 años después de que fueron nombrados los genes, nadie había demostrado esto.

Mientras un instructor en la Universidad de Cornell a finales de la década de 1920, McClintock pasó mucho tiempo describiendo las cromosomas de las células del maíz. El maíz fue el sujeto de muchas investigaciones científicas en ese entonces debido a que era una planta económicamente importante; era fácil cultivar y teniía características que eran fácilmente observables. Estas son algunas de las mismas razones por las cuales Gregor Mendel estudió plantas de guisantes casi un siglo antes (vea nuestro módulo de Científicos para mas información en este tema).

McClintock hizo un mapa de cada cromosoma, describiendo características como una protuberancia al final de la cromosoma 9 (Figura 2). McClintock y una estudiante de posgrado llamada Harriet Creighton luego comparó las características en los mapas de cromosoma con rasgos hereditarios visibles, como por ejemplo si los granos en las orejas de maíz fuesen rojos o amarillos o si fuesen cerosos o no. Vieron una fuerte correlación entre algunas ubicaciones de cromosomas y rasgos visibles particulares y la misma ubicación siempre fue asociada con los mismos rasgos en diferentes granos de maíz. Su interpretación de esa correlación era de que estas ubicaciones en las cromosomas eran la forma física de los "caracteres" de Mendel, los genes que habían sido nombrados 20 años antes de eso por Johannsen. Demostraron convincentemente de que cuando el maíz hereda una ubicación cualquiera en un cromosoma - un gen - también hereda el rasgo asociado con ese gen (Creighton y McClintock, 1931).

McClintock Chromosomes
Figura 2: Fotomicrografía (a y b) de cromosomas de zea mays, o maíz. Diagramas de cromosomas son mostrados en c y d. De (Coe y Kass, 2005). image © © National Academy of Sciences/PNAS

McClintock y Creighton establecieron de que los cromosomas están hechos de múltiples genes, alineados uno después del otro, aparentemente en una orden estable. Mirando solo sus resultados, pueda que no parezca significante de que determinaron que la mancha en el maíz cromosoma 9 más cercano a la protuberancia oscura determina el color del grano; después de eso la forma del grano y mas alejado de la protuberancia, que tan ceroso es (Creighton y McClintock, 1931), pero su trabajo se basó en él de otros científicos como Gregor Mendel y Charles Darwin (vea nuestro módulos acerca de Charles Darwin) para desarrollar una teoría comprensiva acerca de la genética y la herencia genética.

Punto de Comprensión

The sausage-shaped blobs that were visible by microscope inside the nuclei of large cells were called

Tasas de mutación variables

McClintock había tocado el tema de la cuestión de cromosomas por medio de observar más cercanamente las diferencias pequeñas en maíz mejor que cualquier otra persona había observado. Esta atención a detalle sus habilidades de observación fueron esenciales en su trabajo como genetista. Ella vió todas las irregularidades en un espigón de maíz como si fuese evidencia. Cualquier cosa que no encajaba era algo para descubrir y para McClintock este rompecabezas sin fin era convincente. Habiendo proveído la mejor evidencia hasta de para lo que son los genes - herencia - siguió trabajando para hacer nuevos descubrimientos.

En 1944, McClintock fue elegida para la Academia Nacional de las Ciencias, uno de los honores mas altos que un científico puede recibir. Ese mismo año, ella notó de que una sola hoja en una de las muchas plantas de maíz que estaba cultivando en el Laboratorio de Cold Spring Harbor en Long Island, Nueva York tenían una línea blanca (Figura 3). Eso fue raro: la hoja estaba en la rama del costado y debió haber sido genéticamente idéntica al tallo principal y por ende un color verde sólido. McClintock quería un vistazo mas cercano a lo que causaba esto. Entonces llevó a cabo un experimento auto-fertilizando la planta: recolectando polen fresco de la inflorescencia masculina y regándolo en los nuevos hilos en la espiga. Este procedimiento comúnmente utilizado promueve la apariencia de rasgos recesivos en los hijos.

Maize leaves
Figura 3: Líneas blancas en la hoja de maíz, de los ensayos de Barbara McClintock. image © Courtesy of the Barbara McClintock Papers, American Philosophical Society.

A la espiga resultante de maíz le salieron cuatro diferentes tipos de granos. El mas común fue blanco y no ceroso, un tipo de que ella sabía que no iba a producir plantas sin líneas en las hojas. McClintock sembró los cuarenta granos blancos no cerosos en un masetero en su invernadero a finales del invierno para empezar temprano durante la temporada de cosechar. "Ahora las pequeñas plantas de semilleros que salieron eran extraordinarias" ella dijo "La mitad de ellas parecían ser normales, y la otra mitad estaban llenas de líneas". (Comfort, 2003). Algunas de las hojas de las plantas tenían líneas anchas verdes y líneas anchas amarillas, algunas eran amarillas con pequeñas líneas verdes, algunas eran verdes con manchas blancas,

McClintock estaba sorprendida al encontrar siete u ocho. Ella discutió sus descubrimientos con otro genetista que en ese entonces estaba en la Universidad de Columbia, Marcus Rhoades. Con él, ella compartió la idea de que estos genes mutables han de ser mas común de lo que se pensaba anteriormente, pero "ellos acababan de ser rechazados debido a que ningún pensamiento particular había sido dado a la apariencia de sectores cambiados" (Feodroff, 1998), o a esas manchas y líneas. De hecho, ella pensó que muchas plantas que habían exhibido estas mutaciones habían sido descartadas en experimentos previos como accidentes que eran resultados de contaminación (Comfort, 2003).

McClintock pensó mucho en la apariencia y tuvo muchas discusiones con Rhoades. Ella sabía los detalles de su maíz y sus patrones de herencia mejor que todo el mundo y sabīa que sus experimentos no fueron accidentes. Como resultado de su experiencia extensa y conocimiento de los antecedentes, McClintock pudo explicar que la mayoría de los genes mutables eran una variación de mecanismos que ella ya había formulado en sus trabajos anteriores. Pero uno de ellos no tenía sentido. Usualmente, aunque el gen se mutaba mientras las células se dividían y la planta crecía, se mutaba constantemente: una planta tenia hojas con muchas líneas u hojas con pocas, pero diferentes hojas en la misma planta no pueden tener diferentes cantidades de líneas o manchas (Keller, 1983).

Sin embargo, las plantas que tienen este gen mutable raro, exhiben una tasa de mutación variable. Una zona dentro de una hoja pudo haber tenido mas o menos el número "esperado" de líneas. McClintock comenzó a notar un patrón: la tasa de mutación de una zona aumentó exactamente la misma cantidad que disminuyó la tasa de mutación de un vecino. Debido a la manera en que el maíz crece, McClintock sabía de que el par de zonas que eran descendientes de un par de células, las cuales comenzaron con la división de una sola célula en dos. "No pude sacármelo de la cabeza de que una célula obtenía lo que perdía la otra" dijo ella (Keller, 1983).

Punto de Comprensión

Plants that showed mutations might have been discarded from previous experiments because

Entonces, ¿qué era lo que obtenía esa célula? McClintock dejó todos sus proyectos científicos y por los subsiguientes seis años cultivó descendientes de esa rama de un solo lado con líneas blancas en su hoja. Planificó cruces, estudió patrones de color en las hojas y granos y examinó cromosomas bajo un microscopio. Examinó todas las manchas - a veces hasta el punto de ver patrones en donde no había nada, y riéndose de si misma en la mañana. También tenia respeto profundo hacia la naturaleza de la creatividad, y pensaba de que algunas veces lo mejor que se podía hacer para su trabajo era ir a caminar o sentarse debajo de un árbol. "Cuando de repente se observa un problema, sucede algo a que no se le tiene respuesta - antes de poder traducirlo a palabras. Todo se lleva a cabo subconscientemente" (Keller, 1983).

Su diligencia, sus caminatas en el bosque y su perseverancia valieron la pena. Eventualmente, McClintock demostró lo que una célula obtenía (y la otra perdía) era un gen - un gen que se había movido de una célula a otra. Esta era una conclusión radical que fue en contra de la teoría que ella había ayudado a establecer, una teoría describiendo genes y cromosomas como entidades estables. Los genes no debieron moverse entre células. Pero este gen saltó. Durante la división celular, se removió de una cromosoma y se inserto en otra. McClintock llamó a estos genes "transposones".

McClintock sabía de que sus ideas desafiarían la noción tradicional de un genoma estable. Los genes que no solo se sentaban de manera no reactiva en un cromosoma, pero se podía movilizar y no cabía fácilmente en una nueva construcción de un genoma estable alineado al contorno de cromosomas. Ella por ende esperó hasta que había obtenido suficiente evidencia para poder presentar su trabajo públicamente, mostrando por primera vez su hipótesis intrinca y compleja acerca de transposones en el simposio de Cold Spring Harbor en 1951 (McClintock, 1952). Para ese entonces sus resultados habían sido confirmados por otros investigadores en la Universidad de Wisconsin, y a pesar de que pocos en el público entendían sus explicaciones complejas, nadie podía refutarlas.

Punto de Comprensión

McClintock found that genes

El impacto de transposones

Transposones resultan ser bien importantes. Aproximadamente la mitad del genoma humano, de hecho, es un cementerio de previo ADN saltante (Mills et al., 2007). Un poco de ello (<0.05%) aun salta y esos transposones activos pueden estar enlazados a desordenes genéticas tales como la hemofilia, leucemia y cáncer de mama. Las ahora inactivas secuencias repetitivas de transposones son un poco diferentes de persona a persona y coincidir esas secuencias forma la base del uso de ADN en la ciencia forense (Novick et al., 1996). El genoma que fue supuestamente planteado en el 2001 (Venter et al., 2001) es, de hecho, un record en constante evolución, y los científicos - desde biólogos moleculares hasta genetistas evolucionarios hasta médicos - aun progresando en desarrollar su entendimiento del proceso y consecuencias involucradas.

McClintock recibió el Premio Nobel en Fisiología/Medicina en 1983 por su descubrimiento de transposones. Ese descubrimiento no hubiese sido posible sin sus observaciones detalladas y experimentos bien planificados. - ella notó hasta los cambios mas pequeños en granos individuales que ella pensaba de que otros habían rechazado por ser contaminación o error. Ella dijo que "Lo importante es desarrollar la capacidad de ver un grano que es diferente, y hacerlo fácil de entender. Si [algo] no cabe, existe una razón y averiguamos que es" (Keller, 1983). En otras palabras, un científico no debería rechazar automáticamente lo inesperado o inusual, porque eso inusual puede ser una clave o un descubrimiento. McClintock disfrutó el rompecabezas que tales observaciones inesperadas presentaron, a pesar de que desafiaban nociones previas (incluyendo las mismas de ella). A lo largo de su carrera científica, la creatividad de McClintock y su diligencia le permitió definir - y redefinir - los genes que habían sido postulados por otros científicos antes de ella.

Resumen

This module profiles the groundbreaking research of biologist Barbara McClintock in the field of genetics. The module describes McClintock’s painstaking process of identifying specific loci for inherited traits. It shows how her diligence and creativity advanced science through decades of research on maize plants, which led to a Nobel Prize for her discovery of “jumping genes” or transposons.

  • Referencias
  • Coe, E., & Kass, L. (2005). "Proof of physical exchange of genes on the chromosomes." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 102(19), 6641-6646.
  • Comfort, N.C. (2003). The tangled field: Barbara McClintock's search for the patterns of genetic control. Cambridge: Harvard University Press.
  • Creighton, H.B., & McClintock, B. (1931). "A correlation of cytological and genetic crossing over in Zea Mays." Proceedings of the National Academy of Sciences, 17(8), 492-497.
  • Fedoroff, N. (1998). "Marcus Rhoades and transposition." Genetics, 150(3), 957-961.
  • Keller, E.F. (1983). A feeling for the organism: The life and work of Barbara McClintock. New York: W.H. Freeman.
  • McClintock, B. (1953). "Induction of instability at selected loci in maize." Genetics, 38(6), 579-599.
  • Mills, R., Bennett, E., Iskow, R., & Devine, S. (2007). "Which transposable elements are active in the human genome?" Trends in Genetics, 23(4), 183-191.
  • Novick, G., Batzer, M., Deininger, P., & Herrera, R. (1996). "The mobile genetic element "Alu" in the human genome." BioScience, 46(1), 32-41.
  • Venter, J.C., Adams, M.D., Myers, E.W., et al. (2001). "The sequence of the human genome: Science, 291(5507), 1304-1351.

Anne E. Egger, Ph.D., Jessica Ruvinsky, Ph.D. “Desde Cromosomas Estables a Genes Saltarines” Visionlearning Vol. SCIRE-1 (5), 2011.