Steve Gschmeissner/ Science Photo LibraryProyecciones de neuronas detectan los olores en el fondo de la narizSteve Gschmeissner/ Science Photo Library
Exuberantes tonos de frutas y flores, particularmente de violetas; carácter vegetal y levemente picante con aroma de bosques; levemente frutado, con notas minerales terrosas, asociadas con matices aromáticos de cuero y chocolate. Algunas de las descripciones de los expertos en vinos parecen un ejercicio estrafalario de la imaginación, pero también son testimonio de un fino olfato. La manera por la cual este sentido logra detectar tales sutilezas no se queda atrás en extravagancia. La organización tridimensional del material genético parece ser responsable de la singular capacidad de cada neurona olfativa para producir tan sólo un tipo de receptor para las moléculas odorantes, de acuerdo con un estudio reciente realizado por la bioquímica Bettina Malnic, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP). “El ADN genómico no se encuentra distribuido al azar dentro de la célula como un puñado de fideos en un plato de sopa”, compara la investigadora. Al igual que estudios realizados en las últimas décadas, esta novedad deja en claro que el funcionamiento del olfato es aún más complejo que aquello que se desprende de las descripciones de los sumilleres, y para entenderlo también se hace necesario pensarlo fuera de la norma.
Las neuronas olfativas poseen una particularidad con respecto al resto de las células del cuerpo, que tienen tienen en su superficie una gran diversidad de receptores capaces de reconocer moléculas en su entorno. Entre los aproximadamente mil genes que, en los ratones, albergan el código para receptores de aromas (en los seres humanos son alrededor de 400), tan sólo uno se encuentra activo en una determinada neurona. Es más: solamente una de las dos copias del gen, o alelos, se encuentra activa. Tal especialización resulta esencial para la construcción de un mapa de los olores en el cerebro, ya que todas las neuronas que tienen su superficie salpicada por un determinado tipo de receptor envían proyecciones hacia una misma región del cerebro, que reconocerá el aroma correspondiente. Por esta razón, el complejo buqué de una copa de vino activa una serie de receptores diferentes que, a su vez, alcanzan diversas áreas especializadas en el cerebro. Ese mapeo del olfato en términos de receptores y de cómo se organiza la recepción en el cerebro hizo acreedores al Premio Nobel de Fisiología o Medicina a los estadounidenses Linda Buck y Richard Axel en 2004, y es de lo que viene ocupándose Malnic a lo largo de su carrera.
Hace algunos años, ella descubrió que las moléculas odorantes se encajan con más de un receptor, aunque éstos son muy específicos (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 155). Son moléculas con varias puntas, cada una de ellas con un encaje diferente. Al conectarse con más de una neurona, cada molécula aromática posee la capacidad de activar más de un área del cerebro. Ese código complejo es lo que permite que se detecte un amplio repertorio aromático, mediante la acción combinada de varios receptores.
Para los seres humanos, que no se caracterizan por su buen olfato, se cree que este repertorio sería del orden de los 10 mil olores. No obstante, recientemente, un estudio de investigadores de la Universidad Rockefeller, en Estados Unidos, incrementó bastante esa estimación. Los científicos estadounidenses elaboraron una serie de mezclas con 10, 20 ó 30 componentes a partir de una lista con 128 moléculas odorantes, y testearon la capacidad de voluntarios con un olfato entrenado para distinguir entre ellas, según se lee en un artículo publicado en marzo en la revista Science. Con base en esos resultados, una serie de cálculos elevó la cifra a 1 billón de estímulos olfativos. Malnic no cree que ese número deba tomarse en forma muy literal, pero resulta importante, porque es muchísimo más alto que la estimación anterior. “Refuta la noción de que el olfato no es importante para los seres humanos”, reflexiona la brasileña.
Pero lo que hasta ahora no se conocía era el mecanismo anulatorio de los genes que quedan inactivos en cada una de las neuronas que emiten proyecciones hacia la superficie del epitelio en el fondo de la nariz. “Tratamos de entender cómo es que la neurona olfativa realiza la hazaña de tener sólo la expresión de una de las dos copias de un único gen, en forma tan eficiente”. Para comprender la regulación de los genes responsables de la construcción de los receptores para las moléculas aromáticas, Malnic analiza el núcleo de las neuronas como una estructura en la que el material genético cuenta con una organización espacial precisa. “El núcleo no es una sopa con todos sus componentes revueltos: posee compartimientos, como si en cada sala se llevase a cabo una función distinta”, explica.
Bettina Malnic/ USPEn el epitelio nasal del ratón transgénico, las neuronas donde el gen P2 se encuentra activo aparecen en color verde fluorescenteBettina Malnic/ USP
Arquitectura
En su trabajo con células de ratones, el grupo de la USP utilizó una técnica a la que se conoce como 3D inmuno-ADN FISH, que permite localizar dentro del núcleo a los genes receptores olfativos. “Es como si dividiéramos al núcleo en rebanadas, que podemos juntar para obtener una imagen tridimensional”, explica Malnic. El trabajo, que fue publicado en febrero de este año en la PNAS, fue realizado en gran parte por la bióloga Lucia Armelin-Correa, durante su posdoctorado en el laboratorio de Malnic. La investigadora utilizó un microscopio de alta resolución para visualizar las estructuras del núcleo de las neuronas. Lo que observó fue una organización inesperada de regiones en las cuales el ADN se encuentra ovillado en forma más compacta ‒la heterocromatina‒, donde el funcionamiento de los genes está inhibido, y de áreas activas ‒la eurocromatina‒, donde el material genético cuenta con un mayor espacio físico para sus reacciones bioquímicas. Armelin-Correa, Malnic y otros integrantes del laboratorio detectaron una particularidad en las neuronas olfativas: la heterocromatina se encuentra condensada en una esfera junto al centro del núcleo, y no en varios puntos menores y periféricos, tal como ocurre en otros tipos de células.
Este resultado resulta compatible con lo que observó el grupo del griego Stavros Lomvardas, de la Universidad de California en San Francisco (UCSF), tal como se desprende de un artículo publicado al final de 2012 en la revista Cell. Según el grupo estadounidense, al que Malnic considera un buen competidor, ese paisaje tridimensional donde los genes y las secuencias de regulación se encuentran a veces escondidos, y otras, expuestos, según el tipo de célula, podría ser esencial para determinar las características específicas de cada tejido.
Mediante una sonda fluorescente que reconoce todos los genes que codifican a los receptores olfativos, el equipo de Lomvardas demostró en forma global que esos conjuntos moleculares se encuentran aglutinados en el compartimiento que reprime la actividad, la heterocromatina. El grupo de Malnic efectuó un análisis más minucioso e investigó cuáles son las estructuras nucleares que se encuentran asociadas con cuatro regiones del ADN con genes para receptores olfativos, ubicadas en tres cromosomas diferentes. “Para los cuatro genes, notamos que en gran parte de los núcleos había un alelo junto a la heterocromatina y otro no”, comenta Malnic. Como control, los investigadores monitorearon también el gen de una proteína olfativa que se encuentra siempre activo: éste estaba asociado a la heterocromatina tan sólo en un 20% de los núcleos analizados. La bioquímica de la USP todavía se expresa con cautela, pero cree que los resultados podrían explicar la desactivación sistemática de uno de los alelos de los genes para receptores de olores.
Un resultado intrigante fue que alrededor del 45% de las marcas fluorescentes para uno de los genes estaban asociadas a la heterocromatina, y tan sólo otro 17% a la eurocromatina, donde deberían estar los alelos activos. Era una señal de que una parte de ellos debería hallarse asociada con alguna otra estructura.
Infografía: Ana Paula Campos / Ilustración: Priscila MenegassoAl investigar más a fondo, el equipo de Malnic observó que es necesario analizar dos tipos de heterocromatina para localizar a las dos copias de cada gen. La heterocromatina constitutiva, concentrada en el meollo del núcleo, alberga al menos a uno de los alelos en gran parte de las células. El otro, generalmente se encuentra localizado junto a la heterocromatina facultativa, que en las neuronas del olfato también está concentrada en un sector central del núcleo, formando una especie de sombrero alrededor de la constitutiva. Según cuál sea el gen estudiado, en un 60% o un 73% de los núcleos analizados, al menos uno de los dos alelos se hallaba asociado a la heterocromatina facultativa. Tal como su nombre lo indica, esa estructura puede descondensarse y modificar sus propiedades, de manera tal que los alelos contenidos en ella tendrían la posibilidad de quedar liberados para actuar. “El mecanismo de esa represión tan elástica aún no se ha estudiado suficientemente”, explica Malnic, quien cree que los dos tipos de heterocromatina trabajan en conjunto para regular la expresión génica de los receptores de olores. “El modelo de distribución de los dos tipos de heterocromatina indica que ahí está sucediendo algo importante”.
Hasta ahora, el trabajo ha respondido algunas preguntas y ha generado muchas otras, con la posibilidad de ampliar el enfoque al genoma completo. Mientras tanto, el estudio ha revelado que la organización de las heterocromatinas y de la eurocromatina puede ser diferente para cada tipo de célula, con un impacto importante en la actividad genética. “Las analogías entre los genes pueden variar según el tejido en cuestión”, dice Malnic. Con la ayuda de esas estructuras nucleares, el ADN puede ovillarse de manera tal que los genes que se hallaban muy alejados, cuando se considera la cadena extendida, acaben juntos y pudiendo funcionar en sintonía, e influir uno en otro a través de las moléculas que producen.
“El olfato es un modelo”, advierte la bioquímica. A su juicio, las neuronas olfativas son convenientes para este tipo de estudios, debido a su sistema de inactivación de los genes. Ella confía en que lo que han descubierto sirva de ayuda para comprender la regulación del material genético en otros tipos de células.
Proyectos
1. Los mecanismos moleculares del olfato (nº 2011/51604-8); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Bettina Malnic (IQ-USP); Inversión R$ 809.219,21 (FAPESP).
2. Regulación de la expresión de genes en los receptores olfativos: estudio de la arquitectura nuclear en las neuronas olfativas y de la ubicación relativa de alelos activos e inactivos (nº 2007/57734-5); Modalidad Beca en el país – Regular – Posdoctorado; Investigadora responsable Bettina Malnic (IQ-USP); Becaria Lucia Maria Armelin-Correa; Inversión R$ 222.662,28 (FAPESP).
Artículo científico
ARMELIN-CORREA, L.M. et al. Nuclear compartmentalization of odorant receptor genes. PNAS. v. 111, n. 7, p. 2782-87. 18 feb. 2014.
