Descifrado el genoma animal más grande del mundo
Un equipo internacional de genetistas ha logrado secuenciar el ADN más grande del reino animal: el del pez pulmonado. El avance arroja luz sobre cómo los animales conquistaron la tierra firme.
Por la Universidad de Constanza
Los científicos acaban de secuenciar el genoma del pez pulmonado (Lepidosiren paradoxa). Cortesía: Katherine Seghers / Louisiana State University
Treinta veces el tamaño del genoma humano: un equipo internacional de investigadores dirigido por el biólogo evolutivo Axel Meyer, de la Universidad de Constanza y el bioquímico de Universidad Julius Maximilianus de Wurzburgo, en Alemania, ha secuenciado el genoma más grande de todos los animales, esto es, el ADN del pez pulmonado.
Imagina que te has embarcado en un viaje en el tiempo. Has llegado al período Devónico, hace entre 420 y 360 millones de años. En una zona de aguas poco profundas, cerca de la orilla, ocurre algo que cambiará para siempre la vida en nuestro planeta: un pez de la clase de los peces de aletas lobuladas utiliza su par de poderosas aletas pectorales para salir del agua poco profunda hacia tierra firme.
De este modo, la criatura desplaza su cuerpo por la superficie fangosa de la orilla. El pez no tiene prisa por volver al agua. Puede respirar aire con facilidad, porque este pez ya tiene pulmones, como los vertebrados terrestres de hoy en día.
Los peces pulmonados fueron los primeros animales en salir del agua
Este escenario o uno similar podría haber sido la primera vez que un vertebrado se desplazó por tierra firme, uno de los acontecimientos más importantes de la historia evolutiva. Porque todos los vertebrados terrestres posteriores, o tetrápodos, se remontan a un pez. Esto abarca no solo a los anfibios, reptiles y aves, sino también a los mamíferos, incluidos los seres humanos.
Sin embargo, sigue persistiendo un misterio: ¿por qué los peces de este linaje de aletas lobuladas estaban tan bien preparados para salir del agua y conquistar la tierra firme?
Para encontrar la respuesta a este enigma después de tanto tiempo, se ha analizado el material genético de los parientes vivos más cercanos de nuestro ancestro devónico, lo que permite sacar conclusiones sobre su aparición. Solo tres linajes de estos parientes más cercanos, los peces pulmonados o dipnoos, siguen vivos hoy en día: uno en África, otro en América del Sur y otro en Australia.
Parece que la evolución los ha olvidado, porque estos antiguos fósiles vivientes todavía se parecen mucho a sus antepasados. Dado que nuestro material genético, el ADN, está formado por nucleobases o letras genéticas — A (adenina), T (timina), G (guanina), C (citosina) y U (uracilo) y la secuencia de estas nucleobases contiene la información genética real, un análisis comparativo de los genomas de los peces pulmonados solo es posible con el conocimiento de sus secuencias completas.
Ejemplar de Protopterus annectens, un pez pulmonado de África. Foto: Gőtehal
Ya sabíamos que los genomas de los peces pulmonados son gigantescos, pero hasta ahora no estaba claro hasta qué punto lo son realmente ni qué se puede aprender de ellos. Por tanto, la secuenciación de los ADN de los dipnoos ha sido muy laboriosa y complicada, tanto desde el punto de vista técnico como bioinformático.
Sin embargo, un equipo internacional de investigación dirigido por Meyer y Schartl ha logrado secuenciar por completo el genoma del pez pulmonado sudamericano Lepidosiren paradoxa y el de un miembro del linaje africano (Protopterus). El mismo equipo ya había obtenido la mayor lectura del genoma del pez pulmonado de Queensland (Neoceratodus forsteri). Los resultados de su última investigación se publicaron en la revista Nature.
Muy, muy grande, pero ¿por qué?
El material genético del pez pulmonado sudamericano, en particular, bate todos los récords de tamaño: "Con más de 90 gigabases (en otras palabras, 90.000l millones de letras genéticas), el ADN del pez salamandra escamoso (Lepidosiren paradoxa) es el más grande de todos los genomas animales y más del doble de grande que el genoma del poseedor del récord anterior, el pez pulmonado de Queensland.
«Dieciocho de los diecinueve cromosomas de los peces pulmonados sudamericanos son individualmente más grandes que todo el genoma humano, con sus casi 3.000 millones de bases», dice Meyer. Los transposones autónomos son responsables del hecho de que el genoma del pez pulmonado se haya inflado a este enorme tamaño con el tiempo.
Recordemos que los transposones son secuencias de ADN que se replican y luego cambian su posición en el genoma de una célula, lo que a su vez hace que el ADN crezca de longitud. Es algo así como añadir frases al texto de un libro.
Aunque esto también ocurre en otros organismos, los análisis del equipo de investigación mostraron que la tasa de expansión del genoma del pez pulmonado sudamericano es, con mucho, la más rápida registrada: cada 10 millones de años en el pasado, su genoma ha crecido en tamaño el equivalente a todo el genoma humano. «Y sigue creciendo —advierte Meyer. Y añade—: Hemos encontrado evidencias de que los transposones responsables siguen activos».
Los investigadores identificaron el mecanismo de este gigantesco crecimiento del genoma: la expansión extrema se debe, al menos en parte, a la muy baja abundancia de piRNA. Este tipo de ARN forma parte de un mecanismo molecular que normalmente silencia a los transposones.
El pez pulmonado de Queensland (Neoceratodus forsteri) ostentaba hasta ahora el récord de poseer el genoma más grande. Foto: Vassil
Debido a que los transposones se multiplican y saltan en el genoma, contribuyendo así a su crecimiento, pueden alterar y desestabilizar en gran medida el material genético de un organismo. Esto no siempre es perjudicial, e incluso puede ser un importante impulsor de la evolución, ya que estos genes saltarines a veces también causan innovaciones evolutivas al alterar las funciones de los genes.
Esto hace que sea aún más sorprendente que el estudio actual no haya encontrado ninguna correlación entre el enorme excedente de transposones y la inestabilidad del genoma: el genoma del pez pulmonado es inesperadamente estable, y la disposición de los genes es sorprendentemente conservadora. Este hecho permitió al equipo de investigación reconstruir la arquitectura original del conjunto de cromosomas (cariotipo) del tetrápodo ancestral a partir de las secuencias de las especies de peces pulmonados que aún viven en la actualidad.
Además, la comparación de los genomas de los peces pulmonados les permitió sacar conclusiones sobre la base genética de las diferencias entre los linajes que siguen vivos hoy en día. El pez pulmonado australiano, por ejemplo, conserva las aletas en forma de extremidades que antaño permitían a sus parientes desplazarse por tierra.
La vía de señalización Shh controla, entre otras cosas, el número y el desarrollo de los dedos durante el desarrollo embrionario de los ratones
Sin embargo, en otras especies actuales de peces pulmonados de África y Sudamérica, estas aletas, cuya estructura ósea es similar a la de nuestros brazos, evolucionaron hasta convertirse en aletas filamentosas en los últimos cien millones de años, aproximadamente. «En nuestra investigación, también utilizamos experimentos con ratones transgénicos CRISPR-Cas para demostrar que esta simplificación de las aletas es atribuible a un cambio en lo que se conoce como la vía de señalización Shh», dice Meyer.
Durante el desarrollo embrionario de ratones, por ejemplo, la vía de señalización Shh controla, entre otras cosas, el número y el desarrollo de los dedos. Por lo tanto, los hallazgos de la investigación proporcionan evidencia adicional del vínculo evolutivo entre las aletas radiales de los peces óseos y los dedos de los vertebrados terrestres.
Dado que los científicos ahora tienen a su disposición las secuencias completas del genoma de todas las familias actuales de peces pulmonados, gracias a la nueva investigación, los estudios genómicos comparativos adicionales proporcionarán más información sobre los antepasados con aletas lobuladas de los vertebrados terrestres en el futuro, y ayudarán a resolver el misterio de cómo los vertebrados llegaron a pisar tierra firme. ▪️
Información facilitada por Universidad de Constanza -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Schartl, M., Woltering, J.M., Irisarri, I. et al. The genomes of all lungfish inform on genome expansion and tetrapod evolution. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07830-1
