Descubren por qué unos animales necesitan más tiempo de embarazo que otros

Cuando un espermatozoide consigue conquistar un óvulo humano, empieza toda una obra de teatro a nivel bioquímico. Se forma un cigoto de células madre, capaces de transformarse en cualquier célula de nuestro futuro cuerpo. División a división, el número de células crecerá, y empezarán a diferenciarse en tipos de células concretas. Una neurona y una célula del riñón tienen el mismo antecesor común, pero habrán sufrido cambios en su genética durante todo el desarrollo. Por eso, aunque el ADN de todas las células de nuestro cuerpo sea idéntico, los genes que se activan son diferentes en cada tipo de células.

Pero eso no es todo, estas células tendrán que desplazarse y formar estructuras y tejidos concretos. En una coreografía perfectamente coordinada, las células se desplazan hasta organizar un embrión, que incluye un primer esqueleto y una versión temprana de los órganos. Sobre este andamio embrionario, las células seguirán multiplicándose y transformándose durante 9 meses, hasta formar un bebé humano.

Un aspecto importante es que estos primeros pasos son muy parecidos en muchas especies. Durante esta fase inicial, es muy difícil diferenciar entre el embrión de una gallina, un ratón o un humano. Es debido a que estos primeros procesos de desarrollo son comunes entre las especies, en una suerte de ahorro evolutivo. En vez de hacer un embrión diferente desde cero, es mucho más sencillo mantener el mismo andamiaje básico y construir cosas diferentes sobre ellos. Por eso hay ciertas características comunes entre los vertebrados, como la simetría o tener órganos similares.

Gracias a este parecido, podemos aprovechar el estudio del desarrollo embrionario de otros animales de experimentación y aprender sobre el nuestro. Pero sí que hay una diferencia fundamental: el tiempo. Cada especie tiene un tiempo de gestación diferente, incluso en estas fases iniciales comunes. Mientras que en el pez cebra se forma la médula espinal en menos de un día, un ratón necesita cuatro días, y un humano dos semanas. Si consideramos que los pasos para formar estos andamios son idénticos, ¿por qué en los humanos es mucho más lento?

Un baile a oscuras

Inicialmente, se planteaba la posibilidad de que el desarrollo embrionario cambiara según la complejidad y el tamaño del embrión. Parece lógico, ya que si el embrión es más grande, habrá más células que crecer y mover, por lo que el tiempo de gestación aumenta. Un conejo tiene un embarazo de aproximadamente un mes, en cambio un elefante necesita dos años de gestación.

Pero el problema es que esas diferencias de velocidad pueden explicar las últimas etapas del desarrollo pero no las primeras. En las primeras fases, el embrión sigue etapas parecidas y no hay mucha diferencia de tamaño. Y aun así se observan tiempos diferentes.

Para resolver la paradoja, hay que pensar cómo las células del embrión pueden coordinarse entre sí. Conocemos la existencia de metrónomos en las células: reacciones bioquímicas que suceden en un tiempo concreto, y que actúan como un reloj interno. Estos metrónomos deben estar dentro de las células, porque si cogemos algunas células sueltas de un embrión y las añadimos al embrión de otra especie, estas seguirán creciendo al ritmo del embrión inicial. Gracias al paso de estos metrónomos, todas las células pueden coordinarse entre sí, sin necesidad de comunicarse entre ellas. El desarrollo del embrión acaba siendo una coreografía de células que se ignoran entre sí, pero que bailan bajo una misma coreografía. En ese baile generado por los metrónomos debe estar la diferencia de velocidad entre especies.

Las manecillas del reloj

Los metrónomos celulares se basan en reacciones bioquímicas que se contrarrestan entre sí, haciendo que siempre tengan que actuar en un orden y ritmo concreto. Al igual que los dientes del mecanismo de un reloj se desplazan a un ritmo constante, las reacciones químicas que componen un metrónomo tienen un orden exacto e inevitable. Primero, una proteína hará un efecto en la transformación de la célula, y justo cuando comienza a degradarse, empezará a actuar la siguiente proteína. Luego la siguiente, y así sucesivamente, repitiendo el ciclo una y otra vez.

Esta secuencia de pasos es muy parecida entre especies, por lo que los metrónomos deberían comportarse igual. Sin embargo, es precisamente aquí donde está la diferencia de velocidad. En un estudio reciente, investigadores del Instituto Francis Crick han comprobado que estos metrónomos están alterados, y su velocidad es la que provoca que algunas especies tengan un desarrollo más rápido que otras.

La diferencia no reside en las proteínas de cada paso del metrónomo, sino en la velocidad de degradación de estas proteínas. Si las proteínas se degradan más lentamente, el efecto de cada proteína permanece más tiempo y el metrónomo no puede pasar a la siguiente reacción tan rápido. Esto provoca que el ritmo de transformación de las células sea más lento. En cambio, si la degradación se produce más rápido, los pasos serán más rápido y el metrónomo se acelera. Si comparamos esta velocidad de degradación, las células embrionarias humanas son dos veces y media más lentas que las células embrionarias de ratón, lo que explica la diferencia de velocidad que se había observado.

Para confirmar su hipótesis, el equipo realizó simulaciones en ordenador del crecimiento embrionario en diferentes especies, y usaron ratones modificados genéticamente para afectar a la degradación de sus proteínas. Cuando esta degradación se volvía más lenta, los embriones de ratón se desarrollaban con normalidad, pero tardaban mucho más tiempo en hacerlo. Era el equivalente de lentificar el ritmo de sus metrónomos, llegando a una velocidad similar al de las células humanas.

Ahora, los investigadores están centrados en resolver el último cabo suelto del problema: estudiar las diferencias exactas en la degradación de proteínas. Estos mecanismos de degradación son complejos, y deben tener diferencias importantes entre las diferentes especies como para explicar tanta diferencia de velocidades.

También, este hecho explica por qué no se observaba ningún cambio en la velocidad de un paso en concreto, sino que todos los pasos del desarrollo del embrión eran igual de lentos. Estábamos dedicados en comprobar la diferencia entre los bailarines de la coreografía, cuando realmente la diferencia reside en la música que bailaban.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Cuando comparamos el ADN de diferentes especies animales, notamos porcentajes altos de similitud. Por ejemplo, entre ratones y humanos compartimos un 50% de genética. Esos genes en común son precisamente aquellos implicados en estos primeros pasos en el desarrollo embrionario.

REFERENCIAS:

• Rayon, Teresa, et al. “Species-Specific Pace of Development Is Associated with Differences in Protein Stability.” Science, vol. 369, no. 6510, American Association for the Advancement of Science, Sept. 2020
• Iwata, Ryohei, and Pierre Vanderhaeghen. “Tempus Fugit: How Time Flies during Development.” Science, vol. 369, no. 6510, Sept. 2020