Muchas personas, que habitualmente trabajan con animales de laboratorio, en especial ratones, ratas y conejos, probablemente ignoran que todos estos animales de pelaje blanco y ojos rojos, albinos, que habitualmente residen en nuestros animalarios/bioterios, son en realidad mutantes.

Autor: Lluís Montoliu, Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC), Madrid, España.

Muchas personas, que habitualmente trabajan con animales de laboratorio, en especial ratones, ratas y conejos, probablemente ignoran que todos estos animales de pelaje blanco y ojos rojos, albinos, que habitualmente residen en nuestros animalarios/bioterios, son en realidad mutantes. La ausencia de pigmentación, la carencia de melanina, es decir, el albinismo, no es el estado natural de todos estos animales, aunque las cepas albinas sean muy populares y se usen por doquier en biología, biomedicina o biotecnología. Por ello es importante conocer el fenotipo completo asociado al albinismo, para saber cuáles son las ventajas y cuáles son los inconvenientes de trabajar con animales de laboratorio albinos.

El albinismo es una condición genética recesiva que existe y está documentada en prácticamente todas las especies animales. La causa genética del albinismo es heterogénea pues hay más de 18 genes1 cuyas mutaciones, en recesividad, están asociadas a esta pérdida o disminución característica de la pigmentación. La causa más frecuente de albinismo en animales, también en roedores, es la aparición de mutaciones en el gen de la tirosinasa (uno de los 18 genes asociados a albinismo), que codifica para una proteína esencial en la síntesis del pigmento, de la melanina. Sin tirosinasa no es posible sintetizar pigmento, por ello los mutantes en el gen de la tirosinasa manifiestan albinismo, en grado diverso, en función de la actividad enzimática residual que quede en la proteína mutada. En mamíferos, el albinismo está igualmente asociado a graves alteraciones del sistema visual, por ello las limitaciones visuales de los mamíferos albinos suelen ser mucho más discapacitantes que el déficit pigmentario en sí mismo, cuando éste se manifiesta. Los animales mamíferos albinos tienen una visión pobre, con una agudeza visual muy baja, una menor capacidad visual en condiciones de baja iluminación y una alteración importante en la percepción de la profundidad del campo visual, de la tridimensionalidad. De hecho, en humanos, las personas con albinismo son reconocidas legalmente como ciegas (dado que su reducida agudeza visual les impide, por ejemplo, conducir vehículos), aunque esta ceguera funcional no sea total y les permita, con una educación visual adecuada, desenvolverse con una cierta normalidad. El albinismo en humanos es una condición genética de las denominadas enfermedades raras, o de baja prevalencia, y afecta globalmente a una de cada 17,000 personas nacidas2, aproximadamente, con variaciones según distintas zonas del mundo.

El pigmento, la melanina, se produce en dos tipos de células muy específicos, los melanocitos y las células del epitelio pigmentado de la retina, estas últimas derivadas de la misma copa óptica y por lo tanto del cerebro, del sistema nervioso central. Los melanocitos derivan de la cresta neural y, a lo largo del desarrollo embrionario migran y se diferencian hasta colonizar muchas partes del cuerpo, como por ejemplo el coroides, la cóclea, las válvulas cardíacas, los bulbos capilares, el iris, y la piel. Dentro de estas células pigmentarias existen unos orgánulos especializados, derivados de los lisosomas, denominados melanosomas, que es donde se acumulan la mayoría de las proteínas implicadas en la biosíntesis de la melanina. En roedores adultos, los melanocitos de la piel se acumulan preferentemente en los bulbos capilares, de ahí que, la piel de estos animales, debajo del pelaje, tenga el color rosado característico. Por el contrario, los humanos tenemos distribuidos los melanocitos tanto en los bulbos capilares como en la epidermis3.

Existen dos tipos de melanina, la eumelanina, o pigmento más oscuro, negruzco, y la feomelanina, o pigmento más claro, amarillento-rojizo. La proporción relativa y distribución espacial de estas melaninas determina la gran variedad de colores que observamos en el pelaje de los animales. La síntesis de la eumelanina está promovida por la hormona estimuladora del melanocito (MSH), la cual, tras unirse al receptor de melanocortinas de tipo 1 (MC1R), situado en la membrana plasmática del melanocito, dispara una cascada de reacciones enzimáticas que acaban en la acumulación de eumelanina en los melanosomas. Por otro lado, el receptor MC1R también puede interaccionar con una molécula antagonista, la proteína señalizadora Agouti (ASP), que, al bloquear la síntesis de eumelanina, promueve la activación espontánea de la síntesis de feomelanina. Los ratones mutantes en el gen de la ASP (como por ejemplo los famosísimos C57BL/6) no pueden reprimir la activación de la MSH y el receptor MC1R está permanentemente activado, de ahí que muestren el color negro característico de su pelaje, debido a que solamente pueden producir eumelanina. Los ratones mutantes en el receptor MC1R (los ratones mutantes extensión), o con mutaciones dominantes en la ASP (como por ejemplo los ratones yellow, Ay), tienen la vía de síntesis de eumelanina permanentemente inactivada, por ello solamente son capaces de sintetizar feomelanina y muestran el color amarillento característico en su pelaje. En humanos, las mutaciones en MC1R son la causa del fenotipo pelirrojo.

En ratones y ratas de laboratorio, el albinismo, junto con muchas otras alteraciones características en la pigmentación, tiene su origen en las tiendas y granjas de mascotas, de animales de compañía, que desde muy antiguo (el albinismo en roedores está descrito en dibujos y pinturas chinas y japonesas de varios siglos de antigüedad) se percataron de estas alteraciones pigmentarias, que aparecían espontáneamente en la población, y las perpetuaron de generación en generación. En estos establecimientos, los cuidadores se encargaban de hacer selección genética, muchas veces de forma involuntaria, seleccionando de cada cruce aquellos animales con pelajes más atractivos o exóticos que podían ser luego vendidos a personas interesadas. Este fue de hecho el origen de la genética del ratón4, a finales del siglo XIX y principios del XX, y de muchas de las cepas consanguíneas que hoy en día seguimos utilizando y que tienen su origen en estos vendedores de mascotas5. La mayor parte de cepas de ratón albinas que se utilizan en la actualidad son portadoras de la misma mutación, luego derivan, en origen, de un reducido grupo de ratones albinos que, muy probablemente desde Asia, desde China, dieron origen a la gran diversidad de cepas existentes hoy en día. En la actualidad conocemos alrededor de 400 genes6 que, directa o indirectamente, están involucrados en la pigmentación. Las mutaciones descritas en muchos de ellos han dado lugar a la gran mayoría de ratones mutantes con pelajes característicos que hoy conocemos7.

Las alteraciones visuales asociadas al albinismo se han estudiado principalmente en roedores, en ratas y ratones, con alguna otra aportación de lagomorfos (conejos)8 y de algunas especies de animales carnívoros, como los hurones, y primates9. Los mamíferos albinos desarrollan el sistema visual de forma anormal, con múltiples alteraciones10. Inicialmente, durante el desarrollo embrionario del ojo, se produce una hiperproliferación de células de la neuroretina que finalmente se resuelve con un aumento de la apoptosis, de la muerte celular programada, generándose así retinas con un menor número de células en diferentes capas. En particular los mamíferos albinos poseen hasta un 30% menos de fotorreceptores bastones, no viéndose afectados, aparentemente, los conos. Los bastones son como los pixeles del chip de una cámara fotográfica. A mayor número mayor resolución y calidad de la imagen, pero cuando su número se reduce se resiente igualmente la calidad y nitidez de la imagen. Igualmente, los bastones son los fotorreceptores que se activan y realizan su función fototransductora en condiciones de baja iluminación, por la noche. Durante el día, o en situaciones de iluminación óptima, todos los bastones están saturados y son los conos los únicos que operan y trasladan información de imagen al cerebro. En mamíferos albinos existe igualmente un déficit en neuronas bipolares y células ganglionares, dos más de los múltiples tipos celulares que hay en nuestras retinas. En primates albinos, incluidos nosotros, los humanos, la falta de células en la zona central de la retina, la fóvea, la región que contiene la mayor concentración de fotorreceptores, mayoritariamente conos, es máxima. Tanto es así que, de hecho, las personas con albinismo carecen de fóvea (hipoplasia foveal) y su visión central, la que usamos para fijar nuestra atención en un objeto determinado, es por lo tanto similar a su visión periférica, la que usamos para ver lo que ocurre a ambos lados de nuestro campo central de visión, lo que habitualmente se entiende como mirar a través del “rabillo del ojo”, con una notoria inferior resolución, causada por la menor proporción de fotorreceptores existentes en la zona periférica de la retina. Los roedores carecen de fóvea, pero, si que es posible localizar un cierto aumento de fotorreceptores en la zona central, aumento que está igualmente disminuido en roedores albinos11.

Los mamíferos albinos manifiestan fotofobia, incomodidad y daño frente a la luz directa. Sus ojos, al carecer de pigmentación en el iris, no pueden modular la cantidad de luz que llega a sus retinas mediante el oportuno cierre de la pupila (cuyos melanocitos carecen de pigmento). Por ello, las habitaciones o celdas de estabulación donde existen animales mamíferos albinos deberían tener iluminación indirecta y con una intensidad menor, acorde con las limitaciones visuales que padecen y para mitigar el estrés adicional/deslumbramiento al que están sometidos los animales albinos en idénticas condiciones de iluminación, en comparación con los animales pigmentados. Esta circunstancia, relevante para el bienestar animal, aunque muy raramente tenida en cuenta, puede solventarse/paliarse situando las jaulas con ratones o ratas albinas en los estantes inferiores y/o posteriores, alejándolas en lo posible de la fuente de luz (que habitualmente estará situada en la parte superior de las celdas) y mitigando con ello el estrés lumínico y daño fototóxico al que se ven sometidos sus retinas12.

Los mamíferos albinos muestran también conexiones anómalas entre la retina y los núcleos visuales del cerebro, donde se procesa la información y se forma la imagen. Habitualmente, en individuos pigmentados, los axones de las neuronas ganglionares de la parte temporal (exterior) de la retina conectan con los núcleos visuales situados en el hemisferio cerebral del mismo lado (conexiones ipsilaterales), a través del quiasma óptico, mientras que los axones de las neuronas ganglionares de la parte nasal (interior) de la retina conectan con los núcleos visuales situados en el hemisferio contrario (conexiones contralaterales). Naturalmente, este proceso ocurre en cada ojo, por lo que cada hemisferio cerebral recibe información de cada uno de los ojos y puede usarla para construir la ilusión óptica de la percepción tridimensional, de la profundidad del campo visual, mediante la cual somos capaces de situar unos objetos cercanos y otros más alejados, de ubicar los objetos en el espacio. En cambio, en individuos albinos, la mayoría de los axones ganglionares de cada retina conectan solamente con el hemisferio contrario, produciéndose un déficit de las conexiones ipsilaterales y, por ello, una pérdida de la información espacial, una visión tridimensional prácticamente inexistente o muy alterada. Es decir, cada ojo esencialmente se comunica con el lado opuesto del cerebro, impidiendo el solapamiento de imágenes y la visión en tres dimensiones. Estas alteraciones pueden estudiarse perfectamente en ratones albinos, mediante trazadores neuronales, con los que se consigue iluminar el tracto visual de cada ojo y valorar el déficit de fibras ipsilaterales presentes en ratones albinos13. Y es además importante que la actividad de la tirosinasa, ausente en ratones albinos, se active en el momento adecuado del desarrollo para que se establezcan las conexiones quiasmáticas correctamente, como quedó demostrado con un modelo de ratones transgénicos que expresaban el gen de la tirosinasa de forma inducible14. La proporción de fibras contra- e ipsi-laterales es un parámetro característico de la especie y de ello depende la cantidad de visión tridimensional (de superposición de campos visuales) que la evolución y su ciclo biológico hayan establecido para dicha especie. Por ejemplo, para especies predadoras, como los carnívoros, como los primates, de visión frontal, la superposición de campos es máxima, así como la calidad de visión en esa zona central, donde se haya la presa que tienen que cazar. Por ello, nosotros, los primates, y los carnívoros solemos tener un porcentaje de axones ganglionares que decusan por igual, al 50%, a ambos lados del cerebro desde cada ojo. Por el contrario una especie presa, como los roedores, debe tener un campo de visión muy amplio, para poder detectar la presencia de predadores acercándose desde muchas diversas direcciones, de ahí que tenga los ojos lateralizados y, con ello, la superposición de campos visuales sea mínima, apenas un 2-5% de la zona central frente a su nariz. De ahí que el porcentaje de fibras ipsilaterales en roedores sea igual de reducido, pero importante, presente en ratones pigmentados, y ausente en ratones albinos.

Las graves alteraciones visuales presentes en los mamíferos albinos condicionan su visión muy limitada, y, por ello, se desaconseja su uso en experimentos de comportamiento/conducta que requieran el procesamiento adecuado de estímulos visuales. Adicionalmente, es importante recordar que determinadas cepas de ratón pueden ser portadoras de mutaciones adicionales en otros genes, además de las causantes de albinismo. Por ejemplo, la cepa de ratones consanguínea FVB/N, ideal para producir ratones transgénicos15, además de ser albina es portadora de mutaciones16 en el gen Pdebrd1, que determinan la degeneración de sus fotorreceptores a las dos semanas de vida, lo cual provoca que además de las alteraciones visuales que serían características debido a su albinismo esta cepa sea completamente ciega, debido a la ausencia de fotorreceptores, lo cual debe ser tenido en cuenta para su uso posterior en experimentos funcionales que requieran la visión.

Otras cepas habituales de ratones albinos, como los ratones BALB/c son portadores, además, de mutaciones en otro gen que altera la pigmentación, el locus Tyrp1 (mutación brown), cuyos efectos no son visibles debido a la ausencia de tirosinasa pero que, si mediante cruces, estos ratones son expuestos a otros fondos genéticos con una tirosinasa funcional se recuperará su pigmentación marrón claro característica de la mutación brown. Lo mismo ocurre con los ratones albinos obtenidos a partir de colonias de ratones consanguíneas C57BL/6, habitualmente negros (debido a la mutación nonagouti (a) en el locus Asp). Esta pigmentación negra no se pondrá de manifiesto hasta restaurar la funcionalidad del gen de la tirosinasa, causante del albinismo original. También es importante recordar que los ratones (y ratas) albinas no consanguíneas habitualmente utilizados en investigación (como por ejemplo los ratones CD1, NMRI, ICR, etc…) pueden ser, y son, portadores de muchas otras mutaciones, algunas incluso posiblemente alterando adicionalmente la visión de estos animales.

Las alteraciones funcionales asociadas al albinismo en ratones no se limitan solamente a la visión. Existen melanocitos en el oído interno, en una estructura anatómica denominada estría vascular, presente en la cóclea de los mamíferos, y responsable de producir la endolinfa en la que están bañados los mecanorreceptores, quienes transforman la información mecánica de cambios de presión en eléctrica, para la integración e interpretación posterior como sonido en los núcleos auditivos del cerebro. Los melanocitos de la cóclea de ratones albinos no tienen pigmento y, por ello, aunque no son sordos (como tampoco lo son, habitualmente, las personas con albinismo) si que se ha demostrado que ensordecen prematuramente, antes que animales genéticamente similares, pero pigmentados, y que se recuperan peor tras el daño auditivo causado por ruidos intensos y/o repetitivos17. La capacidad que tiene la melanina, y sus intermediarios metabólicos, de tamponar los cationes de Ca2+, necesario para la mecanotransducción, podría explicar esta observación experimental.

Finalmente, un último párrafo de esta revisión sobre albinismo en animales de experimentación sobre lo que sabemos del mecanismo por el cual el albinismo está relacionado con alteraciones de la visión. Realmente es sorprendente que de la actividad de una enzima metabólica aparentemente poco relevante, una oxidasa como la tirosinasa, que oxida L-tirosina a otros componentes esenciales de la vía de síntesis de la melanina, dependa el correcto desarrollo del sistema visual en mamíferos. Otros vertebrados albinos como las aves, los anfibios, los reptiles y los peces no manifiestan problemas de visión, pues su sistema visual se desarrolla de forma distinta al de los mamíferos.

Hace unos años se observó que alteraciones en la concentración de uno de los intermediarios metabólicos principales en la vía de síntesis de la melanina, la 3,4-dihidroxi-L-fenilalanina, más conocida como L-DOPA, tenían efectos sobre la proliferación de las células de la retina en roedores18. La L-DOPA es el producto primario de la oxidación de la L-tirosina, mediada por tirosinasa, que es a su vez rápidamente oxidado al siguiente producto de la vía, DOPAquinona, también por la tirosinasa, a partir del cual se suceden una serie de pasos espontáneos y mediados por otras enzimas conducentes finalmente a la melanina. Por ello, la ausencia de tirosinasa, en mamíferos albinos, conlleva un déficit de melanina, pero también un déficit local de L-DOPA. Esta es una molécula que no puede cruzar fácilmente la barrera hematoencefálica, de la cual la capa más externa de la retina, el epitelio pigmentado de la retina, es parte integrante. Es decir, dentro de la retina, la fuente principal de L-DOPA proviene de la oxidación de la L-tirosina por parte de la tirosinasa. En ausencia de ésta no se produce ni melanina ni L-DOPA, por lo que el hecho cierto, para la retina, es un déficit de ambas moléculas, L-DOPA y melanina.

En mi laboratorio diseñamos un experimento para responder a la pregunta de si era el déficit de L-DOPA o el déficit de melanina el causante de las alteraciones visuales en los ratones albinos, en los mamíferos con albinismo en general. Para ello desarrollamos un transgén que expresaba en la retina una enzima relacionada con la tirosinasa, la tirosina hidroxilasa, que no está presente en la retina, bajo el control del promotor y de los elementos reguladores de la propia tirosinasa. La tirosina hidroxilasa es capaz, como la tirosinasa, de oxidar la L-tirosina a L-DOPA, pero, a diferencia de la tirosinasa, la tirosina hidroxilasa es incapaz de oxidar la L-DOPA a DOPAquinona, lo que da pie, ya de forma irreversible, a la síntesis final de melanina. La hipótesis experimental se probó en ratones transgénicos albinos quienes, al adquirir el transgén arriba descrito siguieron siendo fenotípicamente albinos, tal y como se esperaba, pero que, al producir L-DOPA en la retina en los momentos adecuados del desarrollo del sistema visual (dirigidos por las regiones reguladoras del gen de la tirosinasa) se lograba revertir la alteración visual y recuperar la visión de los ratones19. Este experimento, realizado en ratones, demostró que la ausencia de los intermediarios metabólicos en la síntesis de melanina (como es el caso de la L-DOPA), no de la propia melanina, era la causa de las alteraciones visuales observadas en mamíferos albinos, y que la restitución de la L-DOPA en el momento adecuado era suficiente para restaurar la visión de los ratones. Estos resultados tuvieron su traducción biomédica, y ya se han lanzado varios ensayos clínicos en USA para evaluar la posible administración de L-DOPA en personas con albinismo. Queda por supuesto por saber como las alteraciones en L-DOPA son capaces de regular tan finamente el desarrollo del sistema visual de mamíferos. A este tema y otros similares seguimos dedicándonos en nuestro laboratorio.

Quienes estén interesados en conocer algo más sobre albinismo en lo que respecta a las personas, en español, pueden consultar una página web que mantengo sobre el tema en: (http://www.cnb.csic.es/~albino/). Adicionalmente, existe una asociación de ayuda a personas con albinismo en España, ALBA, de la que formo parte, y en cuya página web también puede encontrarse información complementaria (http://www.albinismo.es/).

Espero que esta pequeña revisión sobre albinismo sea útil a todos quienes usan animales de experimentación albinos, y sirva de ayuda para comprender mejor el fenotipo de estos roedores blancos, cuyo principal problema no es el color de su piel sino su visión tan reducida.

Referencias:

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2. Albinism in Europe. Mártinez-García M, Montoliu L. J Dermatol. 2013 May;40(5):319-24.

3. The Pigmentary System, 2nd Edition, James J. Nordlund, Raymond E. Boissy, Vincent J. Hearing, Richard A. King, William S. Oetting, Jean-Paul Ortonne (eds.). Blackwell Publishing, Oxford, 2006.

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Foto: Tyrosinase albino allele Tyrc/Tyrc