La rodopsina tiene un papel clave en la adaptación al frío del pez de hielo antártico
La Antártida puede parecer un lugar desolado, pero alberga algunas de las formas de vida más singulares del planeta. A pesar de que las temperaturas terrestres promedian alrededor de -60°C y las temperaturas del océano rondan el punto de congelación del agua salada (-1,9 °C), varias especies prosperan en este gélido hábitat.
Los dracos antárticos (Channichthyidae) son un excelente ejemplo, ya que exhiben notables adaptaciones que les permiten sobrevivir en las heladas aguas que rodean el continente. Por ejemplo, estos peces han desarrollado glicoproteínas especiales "anticongelantes" que evitan la formación de hielo en sus células.
Algunos dracos son de "sangre blanca" debido a que ya no producen hemoglobina, y algunos han perdido la respuesta de choque térmico inducible, una respuesta molecular casi universal a las altas temperaturas.
Agregando a este repertorio de cambios, un reciente estudio revela los mecanismos genéticos por los cuales los sistemas visuales de los dracos antárticos se han adaptado tanto al frío extremo como a las condiciones de iluminación únicas bajo el hielo marino antártico.
Un equipo de investigadores, dirigido por Gianni Castiglione (ahora en la Universidad de Vanderbilt) y Belinda Chang (Universidad de Toronto), se dispuso a explorar el impacto de las temperaturas bajo cero en la función y evolución del sistema visual del draco antártico. Los autores se centraron en la rodopsina, una proteína sensible a la temperatura implicada en la visión en condiciones de poca luz.
Imagen: Una filogenia de los señuelos de pesca muestra la rodopsina del draco antártico adaptándose a la luz y la temperatura bajo el hielo marino, detectada por espectroscopia UV-Vis. Los garabatos son una estructura de dibujos animados de la proteína rodopsina. Los gráficos son los resultados experimentales (espectroscopia) de las rodopsinas mutantes con las mutaciones del draco (nodos coloreados).
Como señaló Castiglione, su investigación anterior sugirió un papel clave de la rodopsina en la adaptación al frío. "Anteriormente habíamos encontrado una adaptación al frío en las rodopsinas de los peces gato de gran altitud de las montañas de los Andes, y esto nos impulsó a investigar la adaptación al frío en las rodopsinas de los dracos antárticos".
De hecho, los autores observaron evidencia de selección positiva y aceleradas tasas de evolución en las rodopsinas entre los dracos antárticos. Mirando más de cerca los sitios específicos identificados como candidatos para la selección positiva, Castiglione y sus coautores encontraron dos variantes de aminoácidos que estaban ausentes en otros vertebrados.
Se predice que estos cambios ocurrieron durante dos períodos clave en la historia del draco antártico: la evolución de las glicoproteínas anticongelantes y el inicio de las condiciones polares de congelación. Este momento sugiere que estas variantes se asociaron con la adaptación y especiación del draco en respuesta a eventos climáticos.
Para confirmar los efectos funcionales de estas dos variantes de aminoácidos, los investigadores realizaron ensayos in vitro en los que crearon versiones de rodopsina que contenían cada variante de interés. Ambas variantes de aminoácidos afectaron el perfil cinético de la rodopsina, reduciendo la energía de activación requerida para volver a una conformación "oscura" y probablemente compensando una disminución inducida por el frío en la tasa cinética de la rodopsina.
Además, uno de los cambios de aminoácidos resultó en un cambio en la absorbancia de luz de la rodopsina hacia longitudes de onda más largas. Este cambio funcional dual fue una sorpresa para Castiglione y sus coautores.
Imagen: Tasas evolutivas aceleradas en rodopsina de draco.
"Nos sorprendió ver que la rodopsina del draco ha desarrollado mutaciones que pueden alterar simultáneamente tanto la cinética como la absorbancia de la rodopsina. Predecimos que esto permite que los dracos adapten su visión a longitudes de onda desplazadas hacia el rojo bajo el hielo marino y a temperaturas frías a través de muy pocas mutaciones".
Curiosamente, los cambios de aminoácidos observados en los dracos antárticos fueron distintos de los que confieren adaptación al frío en los peces gato de gran altitud estudiados previamente por el equipo, lo que sugiere múltiples vías de adaptación en esta proteína. Para continuar con esta línea de estudio, Castiglione y sus colegas esperan investigar la adaptación al frío en las rodopsinas de otros linajes de peces que viven en el frío, incluidos los peces del Ártico.
"Los peces del Ártico comparten muchos de los fenotipos adaptados al frío que se encuentran en los dracos antárticos, como las proteínas anticongelantes. Sin embargo, esta evolución convergente parece haberse logrado a través de mecanismos moleculares divergentes. Sospechamos que este también puede ser el caso de la rodopsina".
Desafortunadamente, la adquisición de los datos necesarios para realizar dicho análisis puede resultar difícil. "Un importante obstáculo para nuestra investigación es la dificultad de recolectar peces de las aguas antárticas y árticas", dice Castiglione, "lo que nos limita a conjuntos de datos disponibles públicamente".
Esta tarea puede volverse aún más desafiante en el futuro, ya que estos peces adaptados al frío se ven cada vez más afectados por el aumento de las temperaturas globales. Como señala Castiglione, "el cambio climático puede alterar el paisaje adaptativo de los dracos en un futuro muy cercano, a medida que el hielo marino continúa derritiéndose, está obligando a los dracos a encontrarse muy probablemente en una 'desigualdad' evolutiva entre su entorno y su genética".
Los hallazgos se ha publicado en Molecular Biology and Evolution: Adaptation of Antarctic Icefish Vision to Extreme Environments
