El ruido del desarrollo o ruido estocástico es un concepto dentro de la biología del desarrollo en el que las características o rasgos observables ( fenotipo ) varían entre individuos aunque ambos individuos compartan el mismo código genético ( genotipos ) y los demás factores ambientales sean completamente iguales. [1] [2] Los factores que influyen en el efecto incluyen la expresión genética estocástica o aleatoria y otros ruidos celulares . [3]
Aunque los organismos de una misma especie comparten genes, entornos y una historia de desarrollo muy similares, cada organismo individual puede desarrollar diferencias debido al ruido en la señalización y la interpretación de las señales . Este ruido de desarrollo puede ayudar a los individuos a adquirir la capacidad de adaptarse al entorno y contribuir a sus patrones únicos de desarrollo. [4] Las huellas dactilares humanas son un ejemplo bien conocido; las huellas dactilares difieren incluso entre gemelos humanos genéticamente idénticos. [5]
El ruido del desarrollo puede ayudar a los individuos a adquirir la capacidad de adaptarse al medio ambiente. Los sistemas biológicos muestran tanto variación como robustez. [6] La variación natural dentro de una población está determinada en gran parte genéticamente, pero la variación debida al ruido puede contribuir a una respuesta rápida de un individuo a los cambios en el medio ambiente. Esta variación puede tener un efecto de ajuste evolutivo que contribuye a la aptitud óptima de una población. En apoyo de esta idea, se ha demostrado que las bacterias pueden cambiar estocásticamente a un estado "persistente" que tiene un crecimiento lento junto con una capacidad de sobrevivir al tratamiento con antibióticos. [7] En otro estudio, se ha demostrado que la mayoría de las proteínas ruidosas estaban asociadas con la respuesta al estrés. Cuando las proteínas se expresan en pequeñas cantidades, la expresión de proteínas más ruidosas estará más influenciada por los ruidos que provienen del contexto ambiental. Los tipos de ruido incluyen el ruido extrínseco, que es la variación en el nivel de expresión de proteína de célula a célula, y el ruido intrínseco, que es la variación de la naturaleza estocástica inherente de la expresión de proteínas. [8] Además, los genes ruidosos están asociados con una arquitectura promotora distinta, incluida la prevalencia de cajas TATA , lo que es coherente con las predicciones teóricas de que el ruido está muy influenciado por la lógica del proceso transcripcional en sí y, en particular, la transición de cromatina cerrada a cromatina abierta. [9]
El ruido del desarrollo también puede contribuir a patrones únicos de desarrollo en cada individuo. Durante el desarrollo de un órgano complejo, puede ser necesaria la variabilidad en la expresión genética para contribuir a la diferenciación de múltiples tipos de células a partir de células que tienen un potencial equivalente. Por ejemplo, el patrón del ojo de la mosca adulta depende de múltiples opciones alternativas de vías de diferenciación dentro de un campo aparentemente homogéneo de células. Las facetas ( omatidios ) en los ojos de la mosca se presentan en dos tipos, denominados pálidos y amarillos, según lo definido por los tipos particulares de fotopigmentos de rodopsina expresados en las dos células fotorreceptoras internas. [10] [11] En las moscas que portan mutaciones en el gen spineless, todos los omatidios muestran el destino pálido, mientras que la sobreexpresión de spineless induce el destino amarillo. El patrón final de los omatidios está determinado por la variación estocástica en la expresión de este único factor de transcripción Spineless. [10]
Un artículo de revisión exhaustivo resumió los efectos del ruido en las decisiones celulares, desde bacterias hasta células de mamíferos. [12]
La mayoría de los estudios sobre el ruido del desarrollo se han centrado en los animales, pero también hay ejemplos en plantas. En un estudio temprano, Roy hizo miles de observaciones sobre el número de pétalos y el número de dientes de las hojas. Observó un alto grado de variabilidad en ambos rasgos. Después de analizar sus datos, no pudo concluir que la variabilidad fuera causada por el efecto ambiental. Otro ejemplo de ruido en las plantas es el comportamiento de las raíces laterales. Se ha descubierto que el crecimiento de las raíces laterales es impredecible en plantas genéticamente idénticas que crecen en el mismo entorno. Otro ejemplo de germinación de semillas puede ilustrar el beneficio del ruido del desarrollo en las plantas. La estocasticidad en el momento de la germinación garantiza que al menos una fracción de la progenie sobrevivirá para reproducirse. [11]
Aunque las variaciones estocásticas en el comportamiento celular pueden ser beneficiosas, la mayoría de los sistemas biológicos necesitan mantener un resultado confiable sin variaciones impredecibles. Esta capacidad de amortiguar las variaciones generadas por el ruido molecular, el polimorfismo genético o las fluctuaciones ambientales se denomina robustez.
Por ejemplo, en el desarrollo de los bloques repetitivos de somitas en el mesodermo de los animales vertebrados, aunque el sistema biológico pueda estar sujeto a un entorno ruidoso, el reloj de segmentación mantiene la expresión periódica de genes a través de osciladores acoplados, en los que la oscilación sincrónica de los vecinos se mantiene mediante el acoplamiento mutuo. Este mecanismo permite a los embriones mantener una segregación constante de somitas, a pesar del ruido impuesto por la mitosis de alto nivel necesaria para el crecimiento continuo. [13]
Las fuentes, las consecuencias y el control del ruido son cuestiones importantes en el estudio del ruido del desarrollo. Estudios recientes sugieren que este ruido tiene múltiples fuentes, incluida la naturaleza estocástica o inherentemente aleatoria de las reacciones bioquímicas de la expresión génica. Pero los mecanismos detallados aún no están claros y las contribuciones de factores como los microARN , cuya existencia se descubrió por primera vez en la década de 1990, siguen sin estar claras. Por ejemplo, un estudio reciente mostró que los microARN pueden cumplir diferentes funciones, desde usar el ruido para activar un interruptor de desarrollo hasta amortiguar las consecuencias del ruido para conferir robustez a la perturbación ambiental. [13] Por lo tanto, queda mucho trabajo por hacer para comprender la importancia, el control y los mecanismos del ruido del desarrollo.