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La pérdida de genes puede ser una estrategia evolutiva ventajosa

El organismo planctónico Oikopleura dioica, un modelo animal utilizado en el estudio de la evolución y el desarrollo embrionario de nuestro filo (cordados), ha perdido la mayoría de los genes relacionados con el metabolismo del ácido retinoico, según un nuevo estudio. A pesar de ello, el organismo que no depende de la vitamina A y del ácido retinoico puede generar un corazón, lo que muestra cómo la pérdida de genes ha permitido una adaptación ventajosa.

El Grupo de Investigación Evo-Devo-Genomics, liderado por Ricard Albalat y Cristian Cañestro, es uno de los pocos equipos científicos del mundo que estudian el cordado Oikopleura dioica desde la perspectiva de la biología evolutiva del desarrollo (evo-devo). / UB

El ácido retinoico (AR) es una molécula derivada de la vitamina A (retinol) que es clave en la fisiología y el desarrollo embrionario en la especie humana y en el conjunto de nuestro filo. La pérdida de genes habría facilitado que el organismo Oikopleura dioica se pudiera desarrollar sin depender de la vitamina A, lo que sería un nuevo ejemplo de cómo el fenómeno de la pérdida de genes puede ser una estrategia evolutiva que permite la adaptación de las especies a determinados escenarios biológicos de forma ventajosa.

En muchos cordados, el AR es un factor imprescindible para regular la expresión de genes implicados en los procesos de proliferación y diferenciación celular, como los que ocurren durante el desarrollo embrionario de órganos y sistemas, o en la formación de los patrones de simetría corporal. Algunas enfermedades genéticas, además, conllevan alteraciones de la acción del AR que pueden causar desequilibrios en la proliferación celular y el desarrollo de cánceres como la leucemia promielocítica aguda.

El cordado O. dioica es un organismo evolutivamente muy cercano a los vertebrados, con los que comparte un plan corporal similar y diversos órganos o estructuras homólogas, como el corazón, el cerebro o la musculatura esquelética, cuyo desarrollo depende del AR.

Uno de los grandes retos del trabajo publicado en Molecular Biology and Evolution ha sido demostrar que, a pesar de que muchos de estos órganos se desarrollan normalmente en O. dioica, este proceso se produce en ausencia de AR a causa de la pérdida masiva de genes implicados en la síntesis de este ácido y la falta de vías alternativas para su producción.

"Nuestros resultados revelan que la pérdida de genes relacionados con el AR en el O. dioica se dio en un escenario de evolución regresiva, donde las funciones que se perdían no eran necesarias para el organismo", explica Ricardo Albalat Departamento de Genética, Microbiología y Estadística y del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio) de la Universidad de Barcelona .

"La pérdida de genes relacionados con el ácido retinoici en el O. dioica se dio en un escenario de evolución regresiva, donde las funciones que se perdían no eran necesarias para el organismo"

"En humanos, como en el resto de especies de cordados, se conocen muchas de las enzimas que regulan la síntesis y degradación del AR. Entender cómo se regulan estas enzimas es relevante para nuestra salud. Todo indica que la maquinaria metabólica del AR es un sistema genéticamente robusto, es decir, que forma una vía difícil de alterar donde varias enzimas codificadas por múltiples genes pueden desempeñar la misma función de forma redundante. Además, descubrir que el AR era también importante para la biología de animales no vertebrados implicaba que la maquinaria metabólica del AR podía ser muy antigua, surgida en los orígenes de la evolución animal", continúa Albalat.

¿Cómo se puede generar un corazón sin ácido retinoico?

Según Cristian Cañestro, investigador en el mismo centro, "estos resultados ilustran lo que se conoce como la “paradoja inversa” de la biología evolutiva del desarrollo (evo-devo), en la que estructuras morfológicamente similares difieren de forma importante en cuanto a los genes responsables de su formación".

"El corazón es otro de los ejemplos paradigmáticos que intentamos entender: ¿Cómo es posible que O. dioica pueda formar un corazón sin AR mientras que para el resto de cordados el AR es imprescindible para crear este órgano? En breve, esperamos poder aportar algunas respuestas y evaluar el impacto que la pérdida del AR ha comportado en la función de los genes cardiogénicos", detalla Cañestro.

La innovación biológica no va ligada necesariamente a un incremento de la complejidad funcional o del número de genes, apuntan los autores. Reordenaciones genómicas y cambios en la maquinaria epigenética, pérdida aparente de los órganos receptores de la luz, reducción de la complejidad y tamaño corporal, o aumento de la velocidad del desarrollo embrionario y del ciclo de vida de O. dioica son circunstancias que posiblemente permitieron la evolución de nuevas formas para construir perfectamente un corazón, por ejemplo, sin necesitar AR.

Identificar los genes que han sobrevivido a desmantelamientos de vías génicas es útil para descubrir nuevas funciones que habían pasado desapercibidas.

Reconstruyendo la evolución génica como una ruta abandonada de trenes

Albalat y Cañestro demuestran que los genes pueden seguir patrones de pérdida no aleatorios, como la coeliminación de todos los genes relacionados con una función que ha dejado de ser útil durante la evolución de una determinada especie, como en el caso del AR en O. dioica.

Los expertos explican que su trabajo es comparable a imaginar que una cierta ruta de tren dejó de ser útil y se abandonó el mantenimiento de sus estructuras: si después de muchos años un historiador redescubriera restos de un conjunto de estaciones de tren abandonadas en diferentes puntos del territorio, en teoría podría reconstruir la antigua ruta del tren.

"El descubrimiento de esta ruta de genes perdidos en O. dioica demuestra experimentalmente que la identificación de conjuntos de genes que han sido coeliminados (estaciones de tren abandonadas) es una herramienta útil para identificar genes funcionalmente relacionados (la ruta del tren). Por otra parte, si una de las estaciones de ruta abandonada hubiera sobrevivido en perfecto estado de conservación, podríamos concluir que muy posiblemente esta estación aún está conectada con otra ruta que se ha mantenido activa todo este tiempo", aclaran Albalat y Cañestro.

El trabajo también demuestra que identificar los genes que han sobrevivido a desmantelamientos de vías génicas es útil para descubrir nuevas funciones que habían pasado desapercibidas. En el caso de O. dioica, el mantenimiento y la extensa duplicación de un par de genes tradicionalmente asociados con la vía del AR (los genes Cco y RdhE2) ha permitido a los expertos de la UB descubrir su potencial relevancia en la compartimentalización del sistema digestivo (como mínimo en este organismo).

En paralelo, también han constatado que el hecho de que el gen Aldh8a haya sobrevivido en O. dioica es gracias a su función en la respuesta defensiva de este organismo ante el impacto de los tóxicos medioambientales, como es el caso de algunas toxinas producidas por microalgas marinas.

Referencia bibliográfica:

Josep Martí-Solans et al. "Co-elimination and survival in gene network evolution: dismantling the RA-signaling in a chordate" Molecular Biology and Evolution julio de 2016

Fuente: Universidad de Barcelona
Derechos: Creative Commons
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