UNIVERSIDAD DE BARCELONA

El profesor Cristian Cañestro (Dep. Genética, IRBio-UB ) es el único experto de todo el Estado que es coautor del presente estudio internacional en el que participan científicos de más de 30 centros de investigación del mundo, liderado por la Universidad de Oregon y con la colaboración del Broad Institute del MIT y la Universidad de Harvard en Estados Unidos

El carácter ancestral del genoma del catán pinto (Lepisosteus oculatus) le permite hacer de puente genómico entre humanos y otros modelos animales como el pez cebra

La secuenciación del genoma de este pez primitivo ayudará a entender algunas de las transiciones evolutivas de los vertebrados como el paso del agua a la tierra o el desarrollo de las extremidades

Desde un punto de vista aplicado en biomedicina, el genoma secuenciado ayudará a desarrollar nuevos modelos de estudio de enfermedades humanas

El profesor Cristian Cañestro, del Departamento de Genética y del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio) de la Universidad de Barcelona, ha formado parte del consorcio internacional que ha secuenciado el genoma de un pez primitivo, el Lepisosteus oculatus (en inglés, ‘spotted gar’). El estudio publicado en la revista científica Nature Genetics revela como el genoma de este pez puede ser clave para entender transiciones evolutivas importantes (por ejemplo, el paso del agua a la tierra de los vertebrados), y desde un punto de vista aplicado en medicina traslacional, conectar mejor el genoma humano con destacados modelos animales como el pez cebra vez de estudiar enfermedades humanas.

El consorcio internacional ha sido dirigido por los expertos John H. Postlethwait, de la Universidad de Oregon, y Ingo Braasch, ahora en la Michigan State University, en colaboración con el Broad Institute del MIT y la Harvard University en Estados Unidos. El profesor Cristian Cañestro es el único experto de todo el Estado que es coautor del presente estudio donde participan científicos de más de 30 centros de investigación de todo el mundo.

Uno de los ‘fósiles vivientes’ favoritos de Charles Darwin

El catán pinto es un pez de agua dulce, un voraz depredador de peces y crustáceos que puede llegar a medir más de un metro de longitud. Su distribución geográfica está restringida a los ecosistemas de América del Norte, Central y Cuba.

Este organismo pertenece a la familia ancestral Lepisosteidae, con fósiles ya presentes en el Cretáceo, caracterizada por una excepcional baja tasa de especiación -sólo se conocen siete especies- y una lenta evolución morfológica.

Tal como explica el profesor Cristian Cañestro, que es miembro del Grupo de Investigación Evolución y Desarrollo (Evo-Devo) de la UB, «esta familia de peces ya fue citada en 1859 por el naturalista Charles Darwin en su libro El Origen de las especies como ejemplo para describir el término de ‘fósil viviente’. Una de las características singulares de este pez es su capacidad de respirar fuera del agua de forma facultativa utilizando la vejiga natatoria como un pulmón, especialmente si la temperatura del agua es alta y la concentración de oxígeno es baja ».

«La secuenciación del genoma -continúa Cristian Cañestro- ha permitido demostrar que este pez tiene una tasa de cambio genético extraordinariamente baja, extendiendo al nivel molecular el carácter ancestral que le atribuyó en Darwin a partir de observaciones morfológicas».

Una posición filogenética clave en la evolución de los peces

La condición del catán pinto como ‘fósil viviente’ y su posición filogenética clave, basal dentro de los peces actinopterigios (con esqueleto de espinas óseas en sus aletas) y grupo hermano de los teleósteos, son los motivos que han impulsado el consorcio internacional a secuenciar su genoma. «Este pez representa para los teleósteos lo que el celacanto representa los tetrápodos» afirman el Dr. Ingo Braasch y el Dr. John H. Postlethwait, líderes de este consorcio internacional.

Durante la evolución temprana de los teleósteos se produjo una duplicación genómica (TGD, Teleost Genome Duplication) que aumentó extraordinariamente el número de genes y favoreció la explosión radiactiva que ha originado uno de los grupos vertebrados con más especies (~ 27.000 especies, el 96% de todos los peces). El hecho de que la familia del Lepisosteus oculatus diverge previamente a la TGD ofrece una oportunidad única para inferir cómo era el genoma ancestral de los peces y estudiar el impacto de las duplicaciones genómicas en las radiaciones de las especies.

El estudio realizado en la UB contribuye a demostrar la utilidad del Gar para identificar pérdidas de genes durante la evolución de los vertebrados

El grupo de investigación del Dr. Cristian Cañestro es especialista en el estudio del impacto de las pérdidas génicas en la evolución de las especies. «La pérdida de genes -apunta Cañestro- puede ser una fuerza evolutiva adaptativa seleccionada positivamente, como por ejemplo la pérdida de los genes CCR5 o DARC en ciertas poblaciones humanas que confieren resistencia a la infección del SIDA o la malaria, respectivamente».

La duplicación genómica de los teleósteos fue acompañada de masivas pérdidas génicas, las cuales dificultan saber si un gen presente en humanos pero ausente en el pez cebra es una innovación evolutiva de los primeros o una pérdida del segundo. «Participar en el análisis del genoma de este pez primitivo -comenta Cañestro – ha sido una oportunidad única que nos ha permitido afrontar esta problemática: gracias a la posición filogenética basal ya su lenta tasa evolutiva -que ha hecho que mantenga la mayoría de genes ancestrales – hemos demostrado que el genoma del catán pinto es una herramienta muy valiosa para diferenciar pérdidas de ganancias génicos durante la evolución de los vertebrados ».

La comparación del genoma del L. oculatus con el del pollo y el humano revela que la tasa de cambio cromosómico es también muy baja, y muchas regiones cromosómicas se mantienen casi idénticas, a diferencia de las de otros peces que han sufrido muchas reorganizaciones. Esta semejanza cromosómica se mantiene incluso en el orden en que los genes están posicionados en los cromosomas, fenómeno que se conoce como conservación sintènica.

El grupo investigador de la UB ha realizado análisis filogenéticos y de sintenia comparada (conservación del orden génico ) entre el genoma del catán pinto y el genoma humano, en especial de regiones donde se localizan los genes de la familia Aldh1a que codifican para enzimas que regulan la síntesis del ácido retinoico, un morfógeno derivado de la vitamina A fundamental para el desarrollo del embrión, sistema nervioso, retina y extremidades. Estos análisis han demostrado la presencia de algunos de estos genes en el catán pinto, y han revelado que su origen es ancestral en los vertebrados, y la ausencia de algunos de estos genes en peces teleósteos se ha debido a pérdidas génicas en estos animales en lugar de innovaciones en los tetrápodos.

Dientes en tetrápodos y escamas en peces ancestrales

Un ejemplo muy ilustrativo de la utilidad de Lepisosteus oculatus para entender la evolución de ganancias y pérdidas de los genes y su relevancia en entender las innovaciones evolutivas es el caso de la familia SCPP (Secretory Calcium-binding PhosphoProteins), que son fundamentales para la mineralización de tejidos (por ejemplo, la del esmalte dental).

«La ausencia de genes SCPP en teleósteos relacionados con la formación del esmalte dental había sido interpretada como que esta era una innovación de los tetrápodos» apunta Cañestro. «El genoma de Gar ha revelado, sin embargo, la presencia de estos genes SCPP, y el descubrimiento de su rol en la mineralización de escamas de este organismos, sugiriendo la hipótesis de que rol de estas proteínas en las escamas del ancestro de los vertebrados fue reclutado posteriormente por la formación del esmalte dental ».

Un puente genómico entre humanos y peces para desarrollar modelos de enfermedades

El genoma de Gar no sólo facilita la correcta conexión entre los genes humanos y los de modelos como el pez cebra, sino también permite descubrir regiones reguladoras conservadas (CNES) en los genes humanos que hasta ahora permanecían crípticas.

La distancia genética entre peces teleósteos y humanos es en muchos casos demasiado lejana como para identificar CNES cuando se comparan las regiones reguladoras. La distancia genética de este organismo ha demostrado ser ideal para hacer de puente entre el genoma humano y el de otros modelos teleósteos como el pez cebra. Así pues, el genoma del Lepisosteus oculatus ha ayudado a identificar unos 6500 CNES humanos previamente desconocidos, de los cuales cerca de 1000 están relacionados con enfermedades o de otras alteraciones fenotípicas en estudios de asociación a gran escala en el genoma humano.

El Dr. David Parichy, profesor de la Universidad de Washington, comenta en un artículo News and Views incluido en el mismo número de la publicación que «la futura aplicación de técnicas de transgénesis y de edición génica como el CRISPR en el L. oculatus, y el uso del su genoma como puente entre el hombre y otros peces augura un futuro prometedor para este organismo como herramienta clave a la hora de establecer nuevos modelos animales de enfermedades humanas y de otras aplicaciones de medicina traslacional, así como para descubrir muchos de los aspectos claves de la evolución de los vertebrados».