Desvelan el secreto de la visión nocturna en la “arquitectura” no convencional del ADN

“La arquitectura invertida única de los núcleos celulares de tipo bastón está presente sólo en los ojos de mamíferos nocturnos como ratones, gatos y ciervos”, explica Boris Joffe, uno de los autores del estudio que hoy publica la revista Cell, e investigador en la Universidad Ludwig-Maximilians de Munich (Alemania).

“Esa arquitectura presenta importantes ramificaciones para las propiedades ópticas de las células”, añade Jochen Guck otro de los autores de la investigación y experto de la Universidad de Cambridge (Reino Unido). “Los núcleos diurnos son como obstáculos que dispersan la luz en todas las direcciones”, ejemplifica. “Pero en los animales nocturnos, son lentes pequeñas. Las que dirigen la luz hacia delante", lo que significa que incluso por la noche, la escasa luz existente puede penetrar más en el ojo, donde sí puede percibirse.

Para llegar a la conclusión de que la estructura de los núcleos de las células de tipo bastón está relacionada con la conducta de los animales nocturnos frente a la de los diurnos ha sido necesario un equipo interdisciplinar.

Los biólogos suelen concebir el ADN y su envoltura de cromatina, en relación con su efecto en la actividad genética. “Hemos probado todas las explicaciones posibles”, añade Joffe: “Pensar que estaba relacionada con la visión fue una idea atrevida y en un principio nadie se lo tomó muy en serio”, confiesa el experto.

En células no divisorias, el ADN se asocia con proteínas para formar la llamada ‘cromatina’, ‘heterocromatina’ más condensada en la periferia, y ‘eucromatina’ menos condensada en el interior. Aunque las variantes de las células por su tipo específico de arquitectura nuclear pueden diferir notablemente en los detalles, los investigadores explican que el patrón descrito es prácticamente universal y se conserva en organismos monocelulares y multicelulares.

Por ello, “la estabilidad evolutiva de la arquitectura nuclear se debe muy probablemente a la importante función que desempeña la disposición espacial de la cromatina en la regulación de las funciones nucleares, aseguran los científicos.

Teniendo en cuenta esta noción, el equipo se interesó más por el hecho de que los núcleos de las células de tipo bastón en los ratones mostraran lo contrario, es decir, el patrón invertido. “La parte central de sus núcleos está ocupada por una gran masa de heterocromatina, mientras que los factores de transcripción que controlan la actividad de los genes se acumulan en la periferia nuclear”, describen.

Los ratones no nacen con estas “inusuales” células de tipo bastón, si no que es durante las primeras semanas de vida cuando la arquitectura nuclear convencional en sus células de tipo bastón se transforma completamente en el patrón invertido.

Columnas celulares que canalizan la luz

La arquitectura nuclear invertida hallada en los ratones también está presente en otros animales nocturnos, según el estudio. “Nuestra información revela una correlación totalmente inesperada, pero muy clara entre la arquitectura nuclear de las células de tipo bastón y los hábitos de vida, que respaldan los datos obtenidos a partir de casi 40 animales", comentan los investigadores.

La correlación entre la arquitectura nuclear invertida y la visión nocturna sugirió que el patrón invertido podría tener una ramificación óptica. De hecho, los mamíferos nocturnos ven en intensidades de luz un millón de veces menores que durante el día y sus fotorreceptores de tipo bastón se caracterizan por tener una sensibilidad a la luz capaz de captar muy pocos fotones. Esta alta sensibilidad demanda un mayor número de células de tipo bastón, lo que aumenta el grosor de la capa nuclear externa (ONL, por sus siglas en inglés) de las retinas. La optimización de la transmisión de la luz a través de la ONL podría, por tanto, ofrecer ventajas cruciales para la visión nocturna.

Las medidas que los científicos realizaron de la interacción de la luz con los núcleos individuales de células de tipo bastón de animales nocturnos muestran que éstos actúan como lentes receptoras. Las simulaciones informáticas indican que las columnas de dichos núcleos, como las encontradas en las retinas de los animales nocturnos, podrían canalizar la luz de modo eficiente hacia los segmentos externos de tipo bastón sensibles a la luz.

“La importancia de esta disposición nuclear especial sólo se aprecia cuando se observan las columnas”, dice Guck. “Si cada núcleo dispersara luz, ahí se acabaría todo. La estructura invertida en los animales nocturnos asegura que la luz pase de un núcleo al siguiente; y se transmita sin dispersarse”.

Cambios evolutivos en la visión de los mamíferos

En conjunto, los datos paleontológicos, moleculares y morfológicos sugieren en primer lugar que el patrón invertido apareció muy pronto en la evolución de los mamíferos como adaptación a la visión nocturna en este grupo de animales principalmente nocturnos. También muestran que el patrón convencional se readquirió repetidamente en mamíferos que volvieron a adoptar un estilo de vida diurno y que la restauración de la arquitectura convencional requirió probablemente una presión selectiva para la arquitectura nuclear convencional.

“La comparación entre los patrones invertidos y los convencionales puede, por tanto, destacar las ventajosas características que predeterminan la prevalencia casi universal de la arquitectura nuclear convencional”, concluye el quipo de investigación.

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Referencia bibliográfica:

Solovei et al.: “Nuclear Architecture of Rod Photoreceptor Cells Adapts to Vision in Mammalian Evolution”, Cell 137, 356–368, 17 de abril de 2009. DOI 10.1016/j.cell.2009.01.052

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Revista Cell