O xenoma máis grande do mundo pertence a este peixe, parente do noso antecesor común

Peixe pulmonado suramericano (Lepidosiren paradoxa) / Katherine Seghers, Universidade Estatal de Luisiana

Hai entre 420 a 360 millóns de anos, nunha zona pouco profunda preto da beira da auga, sucedeu algo que cambiaría para sempre a vida no noso planeta: un espécime de peixe da clase dos peixes de aletas lobuladas usaría o seu par de poderosas aletas peitorais para saír das augas pouco profundas e chegar a terra. Este animal podería respirar facilmente, porque xa tería pulmóns.

Todos os vertebrados terrestres posteriores remóntanse a estes peixes. Isto abarca non só anfibios, réptiles e aves, senón tamén mamíferos, incluídos os humanos. Con todo, o que ata o de agora se descoñecía era por que esta liñaxe estaba tan ben preparado para conquistar terra firme.

Para obter máis datos nesta dirección, un equipo científico, liderado por Axel Meyer, biólogo evolutivo e profesor de Zooloxía e Bioloxía Evolutiva na Universidade de Konstanz (Alemaña), e o bioquímico da Universidade de Würzburg (Alemaña), Manfred Schartl, analizou o material xenético dos parentes vivos máis próximos do noso devanceiro do devónico: o peixe pulmonado.

Na actualidade, só quedan tres liñaxes destes ‘fósiles viventes’: un en África, outro en América do Sur e outro en Australia.

Os xenomas dos peixes pulmonados son máis dunha orde de magnitude maiores que a maioría dos xenomas animais secuenciados ata o de agora, mesmo teñen o maior número de nucleótidos (as letras do xenoma).

“Canto máis grande sexa o xenoma, maior será o número de pezas e máis tedio xera ordenalas correctamente. Por esta razón, un xenoma grande é máis complexo de descifrar que un pequeno. E a correlación non é lineal senón exponencial”, declara Schartl.

O equipo de investigación logrou secuenciar completamente o xenoma do peixe pulmonado suramericano e o dun membro da liñaxe africana. A secuencia xenómica máis grande do peixe pulmonado australiano (Neoceratodus) xa fora secuenciada polo mesmo equipo e os resultados desta última investigación publícanse na revista Nature.

“Ninguén sabe por que moitos xenomas teñen un tamaño medio comparable ao seu tamaño, outros se compactan ata alcanzar un tamaño miniaturizado e outros se expanden ata alcanzar un tamaño xigantesco. Atopamos un mecanismo sobre como pode crecer o xenoma, pero cal é a razón biolóxica e o significado evolutivo, non o sabemos (nin hai unha boa hipótese na literatura científica)”, explica o bioquímico alemán.

Segundo a investigación, o xenoma do peixe pulmonado surafricano creceu enormemente debido á expansión dos chamados transposones ocultos no xenoma entre os xenes e mesmo dentro deles.

“Estes transposones son segmentos de ADN que producen moitas copias de si mesmos, cambian a súa posición no xenoma e poden multiplicarse -polo menos teoricamente- de forma indefinida, o que á súa vez fai crecer o xenoma. Normalmente existe unha maquinaria celular que controla a expansión dos transposones, pero nos xenomas do peixe pulmonado esta é defectuosa. Así, a expansión ilimitada dos transposones fai que os xenomas crezan a gran velocidade”, subliña o científico.

Con máis de 90 xigabases (noutras palabras, 90 mil millóns de bases), o ADN desta especie é o máis grande de todos os xenomas animais e máis do dobre de grande que o xenoma do posuidor do récord anterior, o peixe pulmonado australiano. “Dezaoito dos dezanove cromosomas deste animal son individualmente máis grandes que todo o xenoma humano, cos seus case 3.000 millóns de bases”, asegura Meyer.

Os transposones autónomos son responsables de que o xenoma do peixe pulmonado se inflara ata acadar este enorme tamaño co tempo.

Aínda que isto tamén ocorre noutros organismos, as análises deste equipo mostraron que a taxa de expansión do xenoma do peixe pulmonado suramericano é, con moito, a máis rápida rexistrada: cada 10 millóns de anos no pasado, o seu xenoma creceu no tamaño de todo o xenoma humano. “E segue crecendo”, puntualiza Meyer.

Durante a evolución a miúdo intercámbianse pezas entre cromosomas (translocacións) ou cambian mesmo de posición no mesmo cromosoma. Isto fai que a estrutura bruta dos cromosomas sexa moi diverxente mesmo entre especies estreitamente emparentadas nalgúns casos, e xeralmente en comparación co seu último devanceiro máis común.

Responsabilizouse aos transposones desta ‘inestabilidade xenómica evolutiva’: “Esperabamos que os cromosomas do peixe pulmonado tivesen un aspecto moi diferente entre as tres especies, e aínda máis en comparación co último devanceiro que comparten cos vertebrados terrestres, incluído o ser humano. Sorprendentemente, os cromosomas son estruturalmente moi similares e permitíronnos mesmo reconstruír os do último devanceiro común dos peixes pulmonados e os vertebrados terrestres que viviron fai centos de millóns de anos”, recalca Schartl.

Debido a que os transposones replícanse e saltan no xenoma, contribuíndo así ao seu crecemento, poden alterar e desestabilizar en gran medida o material xenético dun organismo. Isto non sempre é prexudicial, e mesmo pode ser un importante impulsor da evolución, xa que estes ‘xenes saltóns’ ás veces tamén causan innovacións evolutivas ao alterar as funcións dos xenes.

O xenoma do peixe pulmonado é inesperadamente estable e a disposición dos xenes é sorprendentemente conservadora.

A comparación dos xenomas dos peixes pulmonados actuais permitiulles sacar conclusións sobre as bases xenéticas das diferenzas entre eles.

Por exemplo, o peixe pulmonado australiano aínda ten as aletas en forma de extremidades que algunha vez permitiron aos seus parentes moverse en terra. Nas outras especies actuais de peces pulmonados de África e América do Sur, estas aletas, que son similares en estrutura ósea aos nosos brazos, evolucionaron de novo a aletas filamentosas nos últimos 100 millóns de anos máis ou menos.

“Na nosa investigación, tamén utilizamos experimentos con ratos transxénicos CRISPR-Cas para demostrar que esta simplificación das aletas é atribuíble a un cambio no que se coñece como a vía de sinalización Shh”, indica o científico da Universidade de Konstanz.

A vía de sinalización shh é un mecanismo xenético de comunicación celular que se activa nas extremidades embrionarias dos animais terrestres para fabricar os seus dedos. Por exemplo, se esta vía interrómpese dun xeito experimental, os embrións de rato perden os dedos.

“Hai tempo que non está claro se os elementos exteriores das aletas (radiais) presentes hai tanto tempo nas aletas de peces como o peixe pulmonado australiano son, de feito, os precursores evolutivos dos dedos. Facer o mesmo experimento no peixe pulmonado australiano, é dicir, eliminar a vía Shh e ver se desaparecen as radiais (o que demostraría que están feitas da mesma maneira que os dedos) non é tecnicamente posible”, aclara Schartl.

Con todo, os peixes pulmonados africanos e suramericanos perderon de forma natural as radiais das súas aletas. Ao comparar os xenomas dos tres peixes pulmonados, descubriron que os interruptores xenéticos de Shh son moi diferentes nos peixes pulmonados suramericanos e africanos.

“Probamos estes interruptores en embrións de ratos transxénicos e puidemos demostrar que xa non funcionan para activar Shh (pero aínda o fan no peixe pulmonado australiano que conserva as radiais). Por tanto, ao identificar os mecanismos evolutivos polos que os peixes pulmonados suramericanos e africanos perderon os radiais das aletas, puidemos demostrar que estes se fabrican mediante o mesmo mecanismo xenético que no rato”, asegura o científico.

Isto demostra que estes elementos están relacionados evolutivamente e que os radios das aletas convertéronse en dedos durante a transición de aletas a extremidades hai uns 380 millóns de anos.

Estas secuencias completas do xenoma de todas as familias actuais de peixes pulmonados permitirán máis estudos xenómicos comparativos. Un camiño para coñecer máis aos nosos antepasados de aletas lobuladas e para resolver o misterio de como os vertebrados chegaron á terra.

Este estudo foi publicado recentemente na revista Nature.

FONTE: gciencia.com