De Drosophila y radiobiología

El ININ hoy
DE DROSOPHILA
Y RADIOBIOLOGÍA
Por
Víctor
Manuel
Departamento
de
Salceda
Sacanelles,
Biología,
ININ
redescubrimiento en 1900 por DeVries, Tchermark
y Correns.
([email protected])
Una serie de descubrimientos y aportaciones de
Antecedentes
la física a fines del siglo XIX y en los albores del
XX (entre los mas representativos el de los rayos-
El incesante proceso evolutivo que originó las
X por Roentgen, el de la radioactividad por
razas y especies hoy existentes, continua
Bequerel, la desintegración atómica por
actuando en ellas y modificándolas a través de
Rutherford y los isótopos radiactivos de los
las generaciones que les suceden.
esposos Curie) proveyeron a los genetistas de
los medios físicos para modificar las tasas de
La evolución biológica, ya entrevista en el siglo
mutación y, posteriormente, para ayudar a
VI a.C. por Anaximandro y reconocida por los
resolver muchas dudas y permitir que dichos
naturalistas de los siglos XVII y XVIII, fue por
avances sirvieran como base para la mejoría en
primera vez formulada por Lamarck. En 1859
las condiciones de vida humana que condujo al
Charles Darwin y Alfred Wallace presentaron a
establecimiento del genoma humano y de otros
la evolución como teoría científica, sintetizando
organismos. Valga decir que el primero en ser
el enorme acervo de evidencias acumuladas y
completado fue el de Drosophila melanogaster
postularon que el origen y evolución de las
en 2001, ya que en estas fechas el genoma
especies se debía a la aparición de cambios
humano no estaba concluido en su totalidad
graduales en los organismos que podían
dado su mayor tamaño.
perpetuarse través de las generaciones, o bien,
llegar a desaparecer, dependiendo todo ello del
En las primeras décadas del siglo XX se
ambiente que a través de la selección natural
resolvieron no solo las bases de la genética sino
favorecía o eliminaba estas pequeñas
de todos los planteamientos técnicos y avances
variaciones. Unos años después, en 1865,
necesarios para situarla, a fines del mismo siglo,
Mendel presenta los resultados de sus
como la ciencia con mayores logros: desde el
experiencias con chícharos enunciando así los
planteamiento de sus leyes fundamentales, sus
fundamentos que explicaban la forma en que
teorías como la de la mutación, hasta su
se transmitían los caracteres de padres a hijos
contribución en la síntesis moderna de la
formulando las llamadas Leyes de Mendel, que
evolución. Durante el desarrollo de la genética
por cierto permanecieron ignoradas hasta su
u
Contacto
Nuclear 3 5
ha sido fundamental el empleo de diversas
permitieron a los investigadores el diseño de
especies de la mosca del género Drosophila.
cepas con marcadores específicos de utilidad para
futuros estudios de genética y de radiobiología.
Así, poco después del descubrimiento de la
radiación y su importancia no sólo en el ámbito
El análisis genético de los cromosomas consiste
de la física sino en el de la biología, Müller en
básicamente en la producción mediante la
1927, usando a la especie Drosophila
radiación de aberraciones cromosómicas como
melanogaster como organismo modelo,
deleciones, duplicaciones, translocaciones e
desarrolló un método de detección de mutaciones
inversiones las cuales demostraron ser de gran
recesivas ligadas al sexo por medio de
utilidad como marcadores genéticos empleados
cromosomas con determinados marcadores
en el mejoramiento genético de plantas y
genéticos que se expresaban en la morfología
animales. Asimismo permitieron el análisis de la
de las moscas y demostró que la radiación
dinámica cromosómica y con los avances de las
ionizante aumentaba las tasas de estos cambios.
técnicas citogenéticas, la determinación de
Siguieron prontamente innumerables trabajos
cariotipos de infinidad de organismos.
en que se utilizaron diferentes fuentes de
radiación extendiéndose a los más variados
Dentro de los estudios de la tercera categoría
organismos la inducción de mutaciones.
tenemos los conducidos por Stone y colaboradores
en los archipiélagos Bikini y Marshall en el
En 1968, Russel consideró que para el estudio
océano Pacífico. Estas investigaciones se iniciaron
u
de la mutación inducida se tienen tres enfoques
experimentales:
a)
método de locus específico,
b)
análisis genético de los cromosomas,
c)
componentes de valor adaptativo en
poblaciones irradiadas
El método de locus específico permitió la
obtención de mutantes recesivos visibles y letales
en Drosophila malanogaster, que aumentaron
el acervo genético de los diferentes laboratorios
y sirvieron para construir cepas con genes
marcadores de utilidad en diversos estudios que,
extrapolados a otras especies, facilitarían la tarea
del mejoramiento genético con fines comerciales
tanto en plantas, como en animales. Estas cepas
también sirvieron para determinar la relación
dosis-frecuencia de mutación inducida que en
el caso de Drosophila demostró ser lineal y válida
para dosis altas y bajas. El uso combinado de la
radiación y las técnicas introducidas por Müller
36
Contacto
Nuclear
GLOSARIO
Autonómicos: cromosomas somáticos que no desempeñan ningún
papel en la determinación del sexo. También se dice de los genes
portados por esos cromosomas.
Cariotipo (s): aspecto físico del complemento cromosómico de una
especie, generalmente observable al microscopio.
Citogenética: ciencia que estudia la relación entre la estructura y
comportamiento de los cromosomas con la herencia.
Deleción(es): mutación cromosómica consistente en la pérdida de
un segmento de cromosoma.
Disyunción: fenómeno en el que los cromosomas homólogos se
dirigen a los polos separados durante la meiosis.
Eclosión: emergencia de un adulto de la envoltura puparia o capullo.
Frecuencia basal: frecuencia inicial o normal en una población
para una característica que durante un tratamiento experimental es
alterado y que sirve para cuantificar el efecto del tratamiento.
Heteróciga: condición en la que en un locus determinado se tiene
en cada cromosoma homólogo un alelo diferente, generalmente uno
dominante que se expresa y su correspondiente recesivo.
Inversión (es): mutación cromosómica originada por una doble
ruptura, seguida de un giro de 180o del segmento medio y posterior
reunión, quedando el segmento así formado con una secuencia
invertida.
Locus específico: posición de un gen en el cromosoma, específico
para una característica dada.
Prueba de letales recesivos: serie de cruzas independientes con
marcadores genéticos específicos que permiten en la tercera
generación detectar genes letales portados en un cromosoma
determinado.
Técnicas citogenéticas: métodos empleados para determinar
cambios cromosómicos numéricos o estructurales.
poco antes del comienzo de las pruebas nucleares
oviposición, eclosión, esterilidad, fecundidad,
y se prolongaron hasta que concluyeron las
longevidad, velocidad de desarrollo y viabilidad
detonaciones. Los estudios, que culminaron con
huevo adulto, observando cómo eran alterados
varias publicaciones editadas entre 1954 y 1966,
al ser irradiados los progenitores.
lograron caracterizar aspectos de la radiobiología,
la genética y la ecología todo ello en poblaciones
Otros estudios, llevados a cabo en Brasil con
naturales y experimentales de varias especies
Drosophila
de Drosophila habitantes naturales de las islas
comportamiento de genes letales introducidos
sometidas a las pruebas nucleares. Los análisis
en poblaciones naturales en campo y en el
se realizaron básicamente con Drosophila
laboratorio. De este modo fue posible evaluar y
ananassae y comprendieron la detección de
correlacionar este parámetro con variaciones
mutaciones letales recesivas, aparición de
ambientales y aclarar asimismo aspectos de la
aberraciones cromosómicas y valoraciones de
dinámica de este tipo de genes en la naturaleza.
características de valor adaptativo como fertilidad,
Se determinó la frecuencia y persistencia de
tasa de postura de huevos y viabilidad huevo
mutaciones letales, la frecuencia de inversiones
adulto.
y algunas otras características de valor adaptativo.
willistoni,
se
refieren
al
Los resultados mostraron un aumento en la
Los resultados de esas pruebas mostraron que
frecuencia de genes letales conforme se
la frecuencia de mutaciones letales recesivas es
incrementaban las dosis de radiación, así como
comparable con los valores encontrados en otros
la persistencia a lo largo de 15 generaciones de
estudios en diversas especies del género. Se
algunos de estos letales, a pesar de que las
encontraron dos inversiones ya conocidas en
frecuencias generales habían regresado a los
otras islas de la región y varias inversiones
valores testigo. Lo mismo ocurrió con los otros
pequeñas nuevas, pero no se observaron
parámetros analizados, también en Drosophila
inversiones grandes u otro tipo de aberraciones.
pero con la especie nebulosa. Se determinó la
Las pruebas de fertilidad indicaron que las
radioresistencia inducida al exponer a
generaciones F1 y F2 (primera y segunda
generaciones sucesivas de moscas a la radiación,
generaciones) eran considerablemente más
examinando después algunos componentes de
fértiles y no hubo diferencias considerables en
valor adaptativo como producción de huevos y
cuanto al número promedio de huevos
número promedio de descendientes por pareja.
depositados por hembra durante su periodo de
Se observó que tras la primera irradiación, los
postura.
valores de estos componentes disminuían
considerablemente. Sin embargo, a través de
A partir de 1949, Bruce Wallace inicia una serie
generaciones y radiaciones sucesivas el daño
de experimentos relativos a los efectos de la
producido era menor y los ya dañados se
radiación en poblaciones experimentales de
recuperaban hasta alcanzar valores similares a
Drosophila melanogaster, lo que le permitió no
los del testigo sin irradiar.
solo obtener datos experimentales sino también
conceptuar y caracterizar las medidas de los
Todo lo anterior es sólo una muestra de los
componentes de valor adaptativo en las
estudios pioneros realizados con Drosophila a
poblaciones irradiadas. Entre otros parámetros
nivel mundial siguiendo exclusivamente las tres
estudiados por este autor tenemos: las tasas de
Contacto
u
Nuclear 3 7
líneas de investigación consideradas como
recesivos ligados al sexo en las cepas Canton-S y
primordiales.
México de Drosophila melanogaster, mismas que
nos sirvieron como testigos para experimentos
Genética en el ININ
posteriores. Siendo esta prueba muy común en
experimentos de esta índole, y considerada como
En la Comisión Nacional de Energía Nuclear
la más adecuada para la detección de mutaciones
(CNEN), precursora del ININ, el doctor Alfonso
debidas a cualquier tipo de agente ya sea físico,
León de Garay fundó el entonces denominado
químico o biológico, introdujimos una variante
Programa de Genética, en diciembre de 1960.
que consistió en medir esta frecuencia en tres
Desde sus inicios se estableció el laboratorio de
diferentes etapas de la espermatogénesis y
Drosophila, dedicado fundamentalmente al
utilizando tres diferentes dosis. Los resultados
estudio de los efectos biológicos de la radiación
reportados demostraron primero, que al aumentar
y de la energía nuclear en general, además de
la dosis aumenta el daño y segundo, que mientras
otras actividades de índole biológico, empleando
más
como
Drosophila
espermatogénesis el daño producido es mayor.
melanogaster y unas cuantas especies más del
Estos experimentos demostraron la mayor
mismo género.
sensibilidad ante la radiación en las etapas
organismo
modelo
temprana
sea
la
etapa
de
la
tempranas del desarrollo de las células
El laboratorio inició el estudio de la radiobiología,
reproductoras, como puede apreciarse en la tabla
dirigido por el entonces líder del grupo, doctor
que sigue:
Rodolfo Félix (qepd.), en la que pudiéramos llamar
1 5 Gy
2 5 Gy
4 5 Gy
Espermatogonias
2.4
4.5
7.4
Espermatocitos
2.1
3.4
5.1
Espermatozoides
1.8
1.9
3.9
época clásica de la radiobiología, que se extendió
de los años 1950 al fin de los 1970.
¿Cuáles han sido las aportaciones del laboratorio
de Genética del ININ al respecto? Trataremos aquí
de mostrar en forma resumida los logros
Interesados en conocer la persistencia del daño
obtenidos con estos estudios.
inducido por la radiación, se estudió la frecuencia
de genes recesivos autosómicos en cuatro
38
Contacto
Después de un tiempo considerable dedicado al
poblaciones experimentales de Drosophila
equipamiento del laboratorio así como al
melanogaster, una testigo y tres que habían
entrenamiento y consolidación del grupo, se
acumulado a lo largo de su historia un total de
realizaron una serie de validaciones de las
120 Gy de rayos X suministrados en dosis de 20,
diferentes técnicas de uso cotidiano empleadas
40 y 60 Gy por generación, tomando como
con Drosophila, tales como detección de genes
parámetro la viabilidad huevo adulto, factor que
letales recesivos autosómicos y ligados al sexo,
disminuye conforme aumenta la dosis. Una vez
determinación de pérdida de cromosomas, no
alcanzada la dosis final se suprimió la radiación
disyunción y citogenética, herramientas
y transcurridas 45 generaciones de reposo se hizo
indispensables para el estudio de los efectos
la prueba de los letales recesivos en el
biológicos de la radiación en esta especie.
cromosoma II. Los resultados de este análisis
Nuestros primeros resultados se refieren a la
demostraron que el daño inducido persiste a través
determinación de la frecuencia basal de genes
de las generaciones hasta alcanzar un equilibrio
Nuclear
u
como se indica en la tabla, a partir del cual no
sufre ya ningún cambio. Si bien el efecto sobre
la carga genética (frecuencia de genes recesivos)
alcanzaba el equilibrio, los valores de la viabilidad
huevo adulto regresaban a la normalidad.
Cromosomas
probados
% de letales
% de
semiletales
Testigo
451
11.1
2.2
2 0 Gy
373
26.3
3.5
4 0 Gy
310
45.2
2.9
6 0 Gy
327
42.5
3
hembras
machos
hembras
machos
testigo
29.1
30.5
43.1
44.5
7.32 KR
33.1
33.0
47.1
47.0
14.64 KR
31.4
26.5
45.0
40.5
21.96 KR
28.8
22.0
42.8
36.0
29.28 KR
28.5
21.0
40.5
35.0
36.60 KR
26.8
18.0
40.8
32.0
43.92 KR
25.4
15.4
39.4
29.4
Porcentaje de sobrevivencia vida media en días
departamentos del ININ, consistió en la exposición
crónica de una población de Drosophila
Pero no todo era daño. En estas pruebas se
demostró que en los individuos portadores de
genes letales en condición heteróciga, esto es,
aquellos individuos que portaban un gen letal
inducido por radiación y otro con marcadores
normales, producían en promedio más
descendientes que aquellos que portaban un
gen letal proveniente de poblaciones no irradiadas
y otro con los marcadores normales, lo que
sugiere que los genes que fueron expuestos a
la radiación confieren a sus portadores la
posibilidad de generar un mayor número de
descendientes y, por lo tanto, están mejor
melanogaster a una fuente de pechblenda
emisora de radón222. La exposición duró nueve
generaciones y en cada una de ellas fueron
analizados varios parámetros. Así, se observó que
la fertilidad de los individuos disminuía al
transcurrir las generaciones en tanto que la
viabilidad huevo adulto se incrementaba.
Utilizando la prueba de mutación somática y
recombinación se detectó una mayor frecuencia
de manchas simples, que es indicativo de
inducción de mutación. También se analizó la
frecuencia de genes recesivos para el cromosoma
II y en este caso no se observó cambio alguno
adaptados.
con respecto al testigo ni entre las diferentes
No sólo hemos analizado el efecto que inducen
viabilidad con respecto a la fecundidad demostró
los rayos X. Así, por ejemplo con vías a conocer
el efecto que producen los electrones acelerados,
se hizo un experimento en el cual se midió la
sobrevivencia de individuos de 14 días de edad
al momento de ser sometidos a los electrones
acelerados a dosis que van de 4.32 hasta 43.92
kilorads midiéndose por separado para machos
y hembras, la duración de la vida media a partir
de la exposición. Los resultados obtenidos son
generaciones. Sin embargo, un análisis de la
que aquellas moscas sujetas a la exposición del
radón dejaban en promedio mayor número de
descendientes.
El interés de los investigadores de este laboratorio
no solo se centra en determinar el daño
provocado por la radiación sino también en usar,
en pruebas con Drosophila melanogaster, este
agente para evaluar la acción protectora o
para ambos parámetros:
inhibidora de algunas substancias, en específico
Otra investigación llevada a cabo en el laboratorio
radio protectora (ver Pimentel y Cruces, 2007, en
de Genética y en colaboración con otros
la clorofilina que ya ha sido catalogada como
Contacto Nuclear N° 43 para mayor información). u
Contacto
Nuclear 3 9
Por su importancia en la salud pública, se ha
a la desecación, estabilidad temporal,
prestado atención especial a la radiación como
comportamiento dispersivo, radioresistencia y
posible agente contaminador ambiental. A
proporción de especies además de frecuencia de
mediados de la década de 1980, se empezó a
especies del mismo género. Estos análisis se
monitorear las instalaciones de la Planta
hicieron de manera simultánea en las dos
Núcleoeléctrica de Laguna Verde para determinar
especies con el propósito de detectar presuntas
los valores basales de una serie de parámetros
diferencias de respuesta entre ambas, pero en
biológicos que serían analizados a lo largo de la
ningún caso se llegó a observar efecto negativo
vida útil de la planta. Estos estudios se
alguno que pudiera ser atribuido a la presencia
prolongaron por más de diez años cubriendo
de la nucleoeléctrica. Sin embargo, sí hubo
desde la fase de construcción de las instalaciones,
diferencias entre especies, debidas a las
hasta las etapas pre-operativa y operativa del
características inherentes de cada una y a la
reactor. Para esto se determinaron originalmente
respuesta a cambios estacionales.
dos sitios, uno que fungiría como testigo y otro
como sitio experimental o de exposición; los
A lo largo de más de 45 años de actividades en
últimos estudios se realizaron incluyendo un
este laboratorio han participado los doctores
tercer sitio fuera de las instalaciones.
Rodolfo Félix y Louis Levine ya fallecidos; Olga
Olvera, Judith Guzmán, María Esther de la Rosa,
En los tres sitios se han realizado colectas
Carolina Arceo dedicados ahora a otros
bianuales y aún mensuales de diferentes
menesteres. Actualmente continúan en estos
especies de Drosophila para en ellas conducir
trabajos Emilio Pimentel, Martha Patricia Cruces,
las diferentes evaluaciones programadas.
Dora Luz Barrón y el que suscribe, así como
participaciones esporádicas de investigadores
Con Drosophila melanogaster y Drosophila
visitantes tanto nacionales como extranjeros y,
simulans se han analizado los siguientes
por supuesto, han hecho su tesis un buen número
parámetros: de viabilidad huevo adulto, resistencia
de estudiantes a diferentes niveles académicos.
i
Drosophilas de las cepas del Laboratorio de Genética del ININ. En la imagen de la izquierda se aprecian
los ojos de esta mosca: el rojo muestra la forma silvestre y el blanco, una mutación. En la imagen de la
derecha aparecen dos formas de alas: el ala silvestre (a la derecha) contrasta con el ala rizada producto
de una mutación. Estos especímenes se utilizan en diversos estudios sobre genética
40
Contacto
Nuclear