Secuenciación de los genomas de la ballena azul y la musarañita etrusca
El tamaño no importa cuando se trata de secuenciar el genoma en el reino animal, como lo ilustró recientemente un equipo de investigadores del Instituto Morgridge al ensamblar las secuencias de dos nuevos genomas de referencia: uno del mamífero más grande del mundo y otro de uno de los más pequeños.
Los modelos de investigación que utilizan cultivos de células animales pueden ayudar a abordar grandes cuestiones biológicas, pero estas herramientas sólo son útiles cuando se sigue el mapa correcto.
"El genoma es un modelo de un organismo", dice Yury Bukhman, primer autor de la investigación publicada y biólogo computacional del Grupo Computacional Ron Stewart del Instituto Morgridge, una organización de investigación independiente que trabaja en afiliación con la Universidad de Wisconsin-Madison en campos emergentes como biología regenerativa, metabolismo, virología e imágenes biomédicas.
"Para manipular cultivos celulares o medir cosas como la expresión genética, es necesario conocer el genoma de la especie; eso hace posible más investigaciones".
El interés del equipo de Morgridge por la ballena azul (Balaenoptera musculus) y la musarañita etrusca (Suncus etruscus) comenzó con la investigación sobre los mecanismos biológicos detrás del "reloj del desarrollo" de James Thomson, director emérito de biología regenerativa en Morgridge y profesor desde hace mucho tiempo de biología celular y regenerativa en la Facultad de Medicina y Salud Pública de la Universidad de Wisconsin.
En general, se entiende que los organismos más grandes tardan más en desarrollarse desde un óvulo fertilizado hasta un adulto adulto que las criaturas más pequeñas, pero la razón sigue siendo desconocida.
"Es importante simplemente para el conocimiento biológico fundamental desde esa perspectiva. ¿Cómo se construye un animal tan grande? ¿Cómo puede funcionar?", dice Bujman.
Bukhman sugiere que una aplicación práctica de este conocimiento se encuentra en el área emergente de las terapias basadas en células madre. Para curar una lesión, las células madre deben diferenciarse en tipos de células especializadas del órgano o tejido correspondiente. La velocidad de este proceso está controlada por algunos de los mismos mecanismos moleculares que subyacen al reloj del desarrollo.
Lo que pueden decirnos los genomas de animales de diferentes tamaños sobre nuestra propia salud
Comprender los genomas de los mamíferos más grandes y más pequeños también puede ayudar a desentrañar el misterio biomédico conocido como la paradoja de Peto. Se trata de un curioso fenómeno en el que los grandes mamíferos, como las ballenas y los elefantes, viven más tiempo y tienen menos probabilidades de desarrollar cáncer (a menudo causado por errores de replicación del ADN que ocurren ocasionalmente durante la división celular), a pesar de tener una mayor cantidad de células (y por lo tanto más divisiones celulares) que los mamíferos más pequeños como los humanos o los ratones.
Mientras tanto, el conocimiento del genoma de la musarañita etrusca permitirá obtener nuevos conocimientos en el campo del metabolismo. La musarañita tiene una relación superficie-volumen extremadamente alta y una rápida tasa metabólica. Estas altas demandas de energía son producto de su pequeño tamaño (no más grande que un pulgar humano y pesa menos de un centavo), lo que lo convierte en un modelo interesante para comprender mejor la regulación del metabolismo.
Imagen: Musarañita etrusca (Suncus etruscus)
Los proyectos del genoma de la ballena azul y la musarañita etrusca son parte de un gran esfuerzo de colaboración que involucra a docenas de contribuyentes de instituciones de América del Norte y varios países europeos en conjunto con el Proyecto Genomas de Vertebrados (VGP).
La misión del VGP es reunir genomas de referencia de alta calidad para todas las especies de vertebrados vivos de la Tierra. Este consorcio internacional de investigadores incluye a los mejores expertos en ensamblaje y curación del genoma.
"El VGP ha establecido una serie de métodos y criterios para producir un genoma de referencia", afirma Bukhman. "La precisión, la contigüidad y la integridad son tres medidas de calidad".
Los métodos anteriores para secuenciar genomas utilizaban tecnologías de lectura corta, que producen longitudes cortas de la secuencia de ADN de 150 a 300 pares de bases, llamadas lecturas. Luego, las lecturas superpuestas se ensamblan en secuencias contiguas más largas llamadas Cóntigos.
Los Cóntigos ensamblados a partir de lecturas cortas tienden a ser relativamente pequeños en comparación con los cromosomas de los mamíferos. Como resultado, los borradores de genomas reconstruidos a partir de tales Cóntigos tienden a estar muy fragmentados y a tener muchos vacíos.
En su lugar, el equipo utilizó una secuenciación de lectura larga, con lecturas de alrededor de 10.000 pares de bases de longitud, siendo la principal ventaja Cóntigos más largos y menos espacios.
"Luego se pueden utilizar otros métodos, como el mapeo óptico y Hi-C, para ensamblar Cóntigos en estructuras más grandes llamadas andamios, que pueden ser tan grandes como un cromosoma completo", explica Bukhman.
Imagen: Métricas de calidad de ensamblaje. Los datos de la ballena azul (Balaenoptera musculus) se muestran en rojo; los otros dos ensamblajes del VGP, la vaquita (Phocoena sinus) y el delfín mular (Tursiops truncatus), están en azul.
Los investigadores también analizaron duplicaciones segmentarias, grandes regiones de secuencia duplicada que a menudo contienen genes y pueden proporcionar información sobre los procesos evolutivos en comparación con otras especies, ya sean relacionadas estrechamente o lejanamente.
Descubrieron que la ballena azul tuvo una gran explosión de duplicaciones segmentarias en el pasado reciente, con mayor número de copias que el delfín mular y la vaquita (el cetáceo más pequeño del mundo, el orden de los mamíferos que incluye ballenas, delfines y marsopas). Si bien es probable que la mayoría de las copias de genes creadas de esta manera no sean funcionales o su función aún se desconozca, el equipo identificó varios genes conocidos.
Uno codifica la proteína metalotioneína, que se sabe que se une a los metales pesados y secuestra su toxicidad, un útil mecanismo para los grandes animales que acumulan metales pesados mientras viven en el océano.
Cómo pueden ayudar los genomas de referencia a la conservación de la vida silvestre
Un genoma de referencia también es útil para la conservación de especies. La ballena azul fue cazada casi hasta su extinción en la primera mitad del siglo XX. Ahora está protegida por un tratado internacional y las poblaciones se están recuperando.
"En los océanos del mundo, la ballena azul está básicamente en todas partes excepto en el alto Ártico. Entonces, si se tiene un genoma de referencia, entonces se pueden hacer comparaciones y comprender mejor la estructura poblacional de los diferentes grupos de ballenas azules en diferentes partes del mundo", dice Bukhman. "El genoma de la ballena azul es altamente heterocigoto, todavía hay mucha diversidad genética, lo que tiene importantes implicaciones para la conservación".
Esto plantea la pregunta: ¿Cómo se pueden adquirir muestras de una gran criatura y en peligro de extinción que existe en la inmensidad de los océanos?
"La logística planteó varios desafíos, incluido el hecho de que los avistamientos de ballenas azules en nuestra zona son muy raros y casi impredecibles", afirma Susanne Meyer, un especialista en investigación de la Universidad de California en Santa Bárbara, que pasó más de un año coordinando los permisos, el personal y los recursos necesarios para adquirir las muestras.
Vídeo: Adquisición de biopsias de piel de ballena azul para secuenciación del genoma
Una vez que su equipo local de observación de ballenas determinó el momento y las coordenadas de los avistamientos de ballenas, trajeron al investigador de ballenas autorizado Jeff K. Jacobsen para realizar las biopsias de ballenas utilizando una técnica aprobada de biopsia de piel de cetáceos estándar, que implica un tubo de biopsia de acero inoxidable personalizado acoplado a una flecha de ballesta.
El equipo adquirió muestras de cuatro ballenas azules, que Meyer utilizó para desarrollar y expandir fibroblastos en cultivos celulares para la secuenciación del genoma y su uso en investigaciones adicionales.
El tamaño no importa cuando se trata del genoma de un animal
Si bien el genoma de la musarañita etrusca no se estudió tan exhaustivamente como el genoma de la ballena azul, el equipo informó un hallazgo interesante. "Descubrimos que hay relativamente pocas duplicaciones segmentarias en el genoma de la musarañita", dice Bukhman, aunque enfatiza que este resultado no se correlaciona necesariamente con el diminuto tamaño de la musarañita. "Si bien las musarañitas pertenecen a un orden de mamíferos diferente, algunos roedores igualmente pequeños tienen muchas duplicaciones segmentarias, y el ratón doméstico es una especie de campeón en el sentido de que tiene la mayor cantidad. Por lo tanto, no es una cuestión de tamaño".
A medida que el Proyecto Genomas de Vertebrados avanza en la producción de más genomas de referencia de alta calidad para todos los vertebrados, Bukhman tiene la esperanza de que las contribuciones a esos esfuerzos continúen haciendo avanzar la investigación biológica en el futuro.
El genoma de la ballena azul se publicó en la revista Molecular Biology and Evolution, y el genoma de la musarañita etrusca se publicó en la revista Scientific Data:
• A High-Quality Blue Whale Genome, Segmental Duplications, and Historical Demography
• Chromosome level genome assembly of the Etruscan shrew Suncus etruscus
