Dos peces árticos están rompiendo las reglas de la genética

eperlano arcoíris

Un gen del arenque se abrió paso en el genoma de otro pez fuera de los canales sexuales normales
La herencia lateral del ADN ocurre en las ramas de todo el árbol de la vida

Para sobrevivir en las gélidas aguas del océano alrededor del Ártico y la Antártida, la vida marina desarrolló muchas defensas contra el frío letal. Una adaptación común es la capacidad de producir proteínas anticongelantes (AFP por sus singlas en inglés) que evitan que los cristales de hielo crezcan en la sangre, los tejidos y las células. Es una solución que ha evolucionado repetida e independientemente, no solo en peces, sino también en plantas, hongos y bacterias.

No es sorprendente, entonces, que los arenques (Clupea harengus) y los capellanes o eperlanos (Osmerus mordax), dos grupos de peces que habitualmente deambulan por los confines más septentrionales de los océanos Atlántico y Pacífico, produzcan AFP. Pero es muy sorprendente, incluso extraño, que ambos peces lo hagan con el mismo gen AFP, particularmente porque sus ancestros divergieron hace más de 250 millones de años y el gen está ausente de todas las demás especies de peces relacionadas con ellos.

Un artículo de marzo de 2021 sostiene una explicación poco ortodoxa: el gen se convirtió en parte del genoma del capellán a través de una transferencia horizontal directa desde un arenque. No fue a través de la hibridación, porque el arenque y el capellán no pueden cruzarse, como han demostrado muchos intentos fallidos. El gen del arenque se abrió paso en el genoma del capellán fuera de los canales sexuales normales.

Laurie Graham, bióloga molecular de la Queen's University, en Ontario, y autora principal del artículo, sabe que está haciendo una audaz afirmación al defender la transferencia directa de un gen de un pez a otro. Ese tipo de movimiento horizontal del ADN no se imaginaba que ocurriera en ningún animal, y mucho menos en los vertebrados. Aún así, cuanto más estudian ella y sus colegas al capellán, más clara se vuelve la evidencia.

Tampoco el capellán es único. Estudios recientes de una variedad de animales (otros peces, reptiles, aves y mamíferos) apuntan a una conclusión similar: la herencia lateral del ADN, que alguna vez se pensó que era exclusiva de los microbios, ocurre en las ramas de todo el árbol de la vida.

Sarah Schaack, una genomicista evolutiva del Reed College, en Portland, Oregon, cree que estos casos de transferencia horizontal todavía tienen "un factor sorpresa bastante grande" incluso entre los científicos, "porque la sabiduría convencional durante tanto tiempo fue que era menos probable o imposible en eucariotas". Pero el descubrimiento de la fundición y otros recientes ejemplos apuntan a que las transferencias horizontales juegan un papel influyente en la evolución.

A principios de la década de 2000, Graham estaba estudiando las AFP bajo la dirección de su líder de laboratorio, Peter Davies, cuando le sorprendió la extraña semejanza del gen de la proteína del capellán con uno de los genes anticongelantes producidos por el arenque. Los intrones de los genes (tramos de ADN no codificante, que generalmente mutan más rápido que las regiones codificantes) son más del 95 por ciento idénticos. "La única conclusión a la que pudimos llegar fue que el gen se transfirió horizontalmente", dice.

Pero cuando el equipo intentó publicar sus hallazgos, los investigadores se enfrentaron a un retroceso significativo. "Lo enviamos a diario tras diario, y realmente tuvimos que luchar para conseguirlo", dice Graham. Su oportunidad fue quizás desafortunada. En 2001, uno de los principales artículos que describen el genoma humano recién secuenciado hizo extraordinarias afirmaciones de transferencias horizontales de genes de bacterias basadas en comparaciones con algunos genomas animales. Estas afirmaciones fueron rápidamente refutadas por trabajos que mostraban que los linajes de especies entre bacterias y humanos alguna vez tuvieron los genes, pero los perdieron.

"Luego llegamos e intentamos publicar esto, y fue en un clima en el que la gente decía: 'Estas afirmaciones son una tontería'", dice Graham. Incluso después de que el artículo fuera finalmente publicado en 2008 por Plos One, las conclusiones fueron puestas en duda. "Probablemente alrededor de la mitad de la gente de nuestro campo dijo: '¡Oh! ¡Esto es realmente genial! "Y la otra mitad dijo:" No. No te creemos '", dice.

La incredulidad en los hallazgos del equipo era comprensible porque las barreras para la transferencia horizontal en eucariotas parecían insuperables. Las transferencias horizontales son comunes y fáciles en las bacterias, cuyo ADN se encuentra dentro de su citoplasma. Si un fragmento de ADN puede atravesar la pared celular y la membrana de una bacteria, no hay mucho que impida su integración en el genoma.

Pero los eucariotas mantienen su genoma enclaustrado dentro de una segunda barrera, el núcleo, y la mayoría de las veces, su ADN está fuertemente condensado en cromosomas que limitan las oportunidades de empalmar en el genoma. Además, para que una transferencia horizontal se establezca en una especie eucariota, no puede integrarse en el ADN de cualquier célula; debe terminar en una célula germinal, transmitirse a la descendencia y persistir en la población general. Esa cadena de eventos parecía tremendamente improbable para muchos científicos.

Para no desanimarse, Graham y sus colegas investigaron más profundamente. Al clonar grandes porciones del genoma del capellán en bacterias, determinaron que el capellán tiene solo un gen AFP. Cuando observaron las regiones genómicas correspondientes de otros peces con secuencias genómicas publicadas, no encontraron rastros de un gen AFP, ni siquiera uno difunto, aunque estaba allí la matriz de genes que flanqueaban el gen AFP del capellán.

"Eso sugirió que esto era algo que entró; era una nueva llegada al capellán", explica Graham. "Y, sin embargo, todavía teníamos personas que dijeron: 'No, no lo compramos'".

banco de arenquesFinalmente, en 2019, se publicó una secuencia completa del genoma del arenque. Permitió al equipo examinar mejor las secuencias que rodean al gen AFP, algunas de las cuales parecían ser "elementos transponibles" (TE o transposones), fragmentos móviles de ADN que pueden copiarse y pegarse en un genoma. El genoma del arenque contiene muchas copias de estos TE, pero están ausentes en otros peces, con una reveladora excepción. Tres de ellos flanquean el gen AFP del capellán arcoíris, en el mismo orden visto alrededor del gen AFP del arenque.

Graham cree que estas secuencias son una "prueba definitiva" de que un pequeño trozo de un cromosoma de arenque se abrió paso en un capellán. "Si alguien quiere disputar esto", dice, "ya sabes, no veo cómo podrían hacerlo".

Cédric Feschotte, biólogo genómico de la Universidad de Cornell que no participó en el estudio, está de acuerdo. "Parece inconfundible cuando miras los datos", dice. Lo que realmente es intrigante, sin embargo, es lo bien que se alinea este hallazgo con el trabajo que él y otros están haciendo sobre TE y el surgimiento de nuevos genes.

Por ejemplo, en un estudio de 2008 publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, él y sus colegas identificaron un nuevo tipo de TE que se encuentra en un grupo dispar de vertebrados, incluidas algunas especies de mamíferos, un reptil y un anfibio. Estos TE eran más del 96 por ciento idénticos en estas especies, pero extrañamente estaban ausentes en otros genomas examinados. Debido a que los elementos parecían haber aparecido repentinamente, Feschotte y sus colegas los llamaron "elementos de Space Invader" ("elementos SPIN" para abreviar) y concluyeron que deben haberse movido recientemente horizontalmente entre los diversos linajes. Estos TE tampoco eran simplemente ruido genético en sus nuevos huéspedes: los ratones, por ejemplo, habían obtenido un gen funcional completamente nuevo mediante la cooptación de una enzima del elemento SPIN.

Desde el documento SPIN de 2008, se han informado miles de otras transferencias horizontales de TE entre animales. Si bien estas supuestas transferencias horizontales se encontraron inicialmente con sorpresa, al igual que el gen AFP de Graham, la evidencia ahora es innegable.

Para el contexto, vale la pena señalar que las transferencias horizontales pueden ser difíciles de detectar: con el tiempo, se acumulan cada vez más mutaciones tanto en el linaje original como en el receptor, oscureciendo las similitudes en un gen compartido. Probar que un gen ha sido transferido horizontalmente también depende de demostrar que no estuvo presente en otras especies relacionadas y luego se perdió a través de la evolución, lo que puede ser difícil cuando algunas de esas especies están extintas.

"La tasa de transferencia horizontal real es probablemente mucho, mucho más alta de lo que creemos", dice Schaack.

Aunque nadie sabe con qué frecuencia el ADN salta entre células de vertebrados, Clément Gilbert, bióloga evolutiva de la Universidad Paris-Saclay, en Francia, y sus colegas encontraron al menos 975 transferencias cuando examinaron los 307 genomas de vertebrados que estaban disponibles públicamente en GenBank en el finales de 2017. Lo que se destaca de esos datos es que estas transferencias se producen de forma abrumadora entre peces. Casi el 94 por ciento de las transferencias involucraron peces con aletas radiadas; menos del 3 por ciento involucró aves o mamíferos.

"Todavía estoy muy desconcertado acerca de cómo es posible esto", dice Gilbert.

Una explicación podría depender de los famosos y exuberantes esfuerzos de desove del arenque. "Si vuelas en un avión y miras hacia la costa donde están desovando, el agua es de color blanco lechoso porque se libera mucho esperma durante el proceso de apareamiento", dice Graham. La gran mayoría de esos espermatozoides no encuentran óvulos, se degradan y liberan su ADN.

Ella cree que el ADN podría adherirse a los gametos de otras especies que desovan en la misma área y luego ser arrastrado a un óvulo durante la fertilización. Durante décadas, los ingenieros genéticos han utilizado una técnica similar llamada transferencia de genes mediada por espermatozoides para producir organismos transgénicos.

No hay garantía de que esto resulte en una inserción exitosa del ADN, pero a veces lo hace— "y luego, de repente, ¡bam! Ahí tienes. Tienes un organismo transgénico", dice Graham. Esta podría ser la forma en que el gen AFP del arenque entró en el capellán y cuántas de las otras transferencias de genes horizontales que Gilbert vio en los peces también ocurrieron.

La investigación se publicó en Trends in Genetics: Horizontal Gene Transfer in Vertebrates: A Fishy Tale

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