Investigadores de la Academia China de Ciencias han creado ratones con dos padres machos. ¿Cómo lo hicieron? Modificando genes clave relacionados con la impronta genética, un proceso esencial para el desarrollo normal de los embriones. El estudio demuestra que la impronta genética es una barrera importante para la reproducción unisexual en mamíferos y abre la puerta a posibles aplicaciones para corregir trastornos genéticos humanos.
El año pasado, un equipo japonés también logró un hito similar. Utilizaron células de la cola de un ratón macho, eliminaron el cromosoma Y y duplicaron el cromosoma X para crear óvulos. Después, fertilizaron estos óvulos con espermatozoides de otro macho, dando vida a ratones bipaternos sanos y fértiles. Sin embargo, en la naturaleza, los embriones creados a partir de dos padres no son viables. Incluso con modificaciones genéticas, los embriones bipaternos enfrentan más dificultades para desarrollarse que aquellos creados a partir de dos madres.
Lo que tiene cierto sentido, ya que en algunas especies de peces y reptiles las hembras pueden llegar a reproducirse sin necesidad de un macho mediante un mecanismo llamado partenogénesis. Pero en los mamíferos, esto no ocurre de forma natural. Según los autores, la clave del misterio está en la impronta genética.
Imaginemos que los genes son como interruptores que pueden estar encendidos o apagados. La impronta genética regula estos interruptores, asegurándose de que algunos genes estén activos solo si provienen de la madre, y otros solo si provienen del padre. Este equilibrio es crucial porque, si ambos genes estuvieran encendidos al mismo tiempo, podría haber una sobreexpresión que causaría anomalías en el desarrollo del embrión. Por ejemplo, el gen Igf2, que promueve el crecimiento, está activo solo en la copia paterna, mientras que el gen H19, que limita el crecimiento, está activo solo en la copia materna.
Este «sello» de activación o desactivación ocurre durante la formación de los espermatozoides y los óvulos, en un proceso llamado gametogénesis. Durante esta etapa, moléculas específicas se unen a los genes y los marcan, como etiquetas que dicen «encendido» o «apagado». Después de la fertilización, estos genes impresos siguen influyendo en el desarrollo del embrión, no solo en su crecimiento, sino también en la formación de la placenta y otros tejidos esenciales.
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Investigaciones anteriores han demostrado que la impronta genética es la razón por la que los embriones creados a partir de dos padres o dos madres no se desarrollan correctamente. Los genes de ambos padres pueden estar activos o inactivos al mismo tiempo, lo que provoca anomalías y hace que los embriones no sean viables. En un estudio previo, el mismo equipo intentó desarrollar embriones bipaternales modificando siete regiones impresas, pero no tuvieron éxito, ya que los embriones no sobrevivieron. Los ratones mostraron anomalías como exceso de peso, párpados abiertos, lenguas salientes, hinchazón y hernias umbilicales. Esto causó un agrandamiento de los órganos internos, comprimiendo la cavidad torácica y dificultando la respiración.
Este problema de la impronta también afecta a los embriones clonados, dificulta la producción de descendencia viable a partir de células madre embrionarias y reduce la capacidad de las células madre pluripotentes para convertirse en cualquier tipo de célula.
Resolver este problema de la inestabilidad, por lo tanto, no solo permitiría crear embriones bipaternos, sino que también representaría un avance significativo en campos como la biología molecular y la medicina regenerativa.
Para superar estos desafíos, en el nuevo estudio, los científicos chinos aplicaron varias estrategias genéticas. Realizaron mutaciones de cambio de marco, que alteran cómo una célula lee un gen, eliminaron genes específicos y modificaron las regiones del ADN que controlan la actividad de otros genes. En total, hicieron 20 modificaciones que afectaron a cientos de genes relacionados con la impronta.
El proceso fue tan fascinante como complejo. Los científicos comenzaron tomando células madre derivadas de espermatozoides, que contenían la mitad del material genético. Luego, modificaron estas células para corregir los problemas de impronta, apagando y encendiendo los genes necesarios. Después, inyectaron estas células modificadas junto con espermatozoides de otro macho en óvulos a los que se les había quitado el núcleo. Esto generó células madre embrionarias con el material genético completo de dos padres machos.
A medida que avanzaban, los científicos observaron que cuantas más regiones impresas se corregían, mejor era el desarrollo de los embriones. Primero, hicieron modificaciones en 18 regiones vinculadas al sobrecrecimiento, enfocándose en áreas específicas del genoma. Esto mejoró la capacidad de los embriones para desarrollarse hasta nacer. Los ratones con 18 modificaciones ya no tenían problemas como edema, hernias umbilicales y lenguas salientes, y pudieron respirar normalmente. Además, el tamaño de sus órganos internos se normalizó.
Sin embargo, estos ratones mostraron malformaciones en la cara y el cráneo, como hocicos acortados y una proporción anormal del ancho y longitud del cráneo. Estas malformaciones afectaban su capacidad para succionar correctamente, lo que les impidió sobrevivir después del nacimiento. Solo un ratón con 18 modificaciones logró llegar a la edad adulta.
Para verificar que la deficiencia en la succión era la causa de la muerte, los investigadores alimentaron artificialmente a los ratones. De los 18 ratones alimentados de esta manera, tres sobrevivieron hasta la edad adulta, confirmando que la succión deficiente era la principal causa de mortalidad.
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El siguiente paso fue hacer una modificación genética más para corregir este error. Así, 22 ratones con 19 modificaciones pudieron succionar de forma independiente y se desarrollaron normalmente hasta la edad adulta. Además, estos ratones mostraron un crecimiento acelerado y una mayor disposición a explorar, algo que generalmente provoca ansiedad en roedores.
A pesar de los avances, los ratones con 19 modificaciones aún dependían de embriones tetraploides para compensar deficiencias en la placenta. Cuando los científicos intentaban transferir directamente embriones creados con células masculinas a la madre sustituta, estos morían tempranamente, indicando problemas en la formación de la placenta. Por lo tanto, tomaron embriones en etapas tempranas (de dos células) y lo fusionaron, creando un embriones con cuatro copias de cada cromosoma (tetraploide).
Estos embriones con dos cromosomas de más se desarrollaron hasta formar tejidos extraembrionarios como la placenta, pero sin la capacidad de desarrollar un feto viable por sí solo. Luego, se inyectaron los embriones diploides (con dos padres) dentro de este embrión tetraploide. Es como crear una «carcasa» (la placenta) con células tetraploides y luego poner dentro el embrión diploide. Este proceso complejo no solo ayudó a formar la placenta, sino que también determinó si las células madre eran realmente pluripotentes, es decir, si podían convertirse en cualquier tejido.
Los investigadores descubrieron que una región esencial para el desarrollo placentario no había sido corregida en los embriones con 19 modificaciones. Esto los llevó a generar embriones con 20 modificaciones. Eliminaron una región implicada en el desarrollo de la placenta en los espermatozoides para que no se sobreexpresara y luego la inyectaron con otro espermatozoide que sí tenía esa región activa en óvulos sin núcleo. Prácticamente hicieron lo que normalmente ocurre en embriones de papá y mamá: apagar uno de los genes, en este caso, eliminarlo por completo. Así, los embriones lograron superar las barreras tempranas del desarrollo y se convirtieron en fetos viables con placentas funcionales.
Estos ratones, dice el estudio, mostraron una expresión genética similar a la de ratones normales en varios órganos. Además, los genes impresos también mostraron una fuerte correlación, lo que indica que las 20 correcciones de impronta restauraron eficazmente la expresión de estos genes a un patrón normal y estable.
Para probar la viabilidad de estos ratones en clonación, los científicos recolectaron células de la piel de las colas de los ratones y usaron sus núcleos como donantes. De los 86 embriones clonados generados, uno se desarrolló con éxito. Sin embargo, cuando intentaron aparear ratones bipaternos hembra con ratones machos normales, no se produjo descendencia, sugiriendo que las modificaciones de la impronta pueden alterar el desarrollo embrionario.
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Este logro no solo confirma que las anomalías de la impronta genética son la principal barrera para la reproducción bipaternal o unisexual en mamíferos, sino que también apoya la teoría del conflicto de impronta. Según esta teoría, los genes del padre tienden a promover el crecimiento, mientras que los genes de la madre tienden a restringirlo. Este tira y afloja genético es crucial para un desarrollo saludable.
Esto se observa en el estudio con las crías bipaternales sin modificaciones, que al tener solo genes paternos expresados, presentaban un crecimiento excesivo, lo que resultó en muerte debido a dificultades respiratorias y de alimentación. Además, los ratones que lograron sobrevivir mostraron un rápido aumento de peso después del nacimiento, apoyando la teoría de que los genes paternos promueven el crecimiento. Sin embargo, estos ratones adultos tenían una esperanza de vida significativamente más corta en comparación con los controles normales. En contraste, los ratones bimaternales creados en estudios anteriores tenían una esperanza de vida prolongada, lo que sugiere que los genes impresos maternal y paternalmente pueden tener efectos opuestos no solo en el crecimiento, sino también en la longevidad.
El estudio también tiene implicaciones prácticas. Podría ayudar, por ejemplo, a corregir trastornos genéticos relacionados con la impronta, como el síndrome de Birk-Barel, un trastorno caracterizado por discapacidad intelectual y otros problemas. En este caso, los científicos eliminaron una región genómica que restauró con éxito la expresión del gen Kcnk9, implicado en ese transtorno en humanos, en ratones bipaternales.
Más allá de sus aplicaciones clínicas, estos descubrimientos abren nuevas posibilidades para mejorar las técnicas de clonación y avanzar en la medicina regenerativa. También nos acercan un paso más a comprender cómo funciona la vida a nivel más básico, desentrañando los misterios de la impronta genética y su impacto en el desarrollo.
En resumen, este avance no solo confirma que las anomalías de la impronta genética son la principal barrera para la reproducción bipaterno en mamíferos, sino que también proporciona una base sólida para futuras investigaciones y aplicaciones terapéuticas. La capacidad de modificar y corregir la impronta genética tiene el potencial de revolucionar nuestra comprensión de la biología y ofrecer nuevas soluciones para problemas médicos complejos.
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