La UB participa en la seqüenciació del genoma del ʻLepisosteus oculatusʼ, un «fòssil vivent» clau per desenvolupar models de malalties humanes

El consorci internacional ha estat dirigit pels experts John H. Postlethwait, de la Universitat dʼOregon, i Ingo Braasch, ara a la Universitat Estatal de Michigan, en col·laboració amb lʼInstitut Broad del MIT i Harvard, als Estats Units. El professor Cristian Cañestro és lʼúnic expert de lʼEstat que és coautor dʼaquest estudi, en el qual participen científics de més de trenta centres de recerca dʼarreu del món.

Un dels «fòssils vivents» preferits de Charles Darwin

El gar és un peix dʼaigua dolça, depredador voraç de peixos i crustacis que pot arribar a fer més dʼun metre de llarg. La seva distribució geogràfica està restringida als ecosistemes dʼAmèrica del Nord, Central i Cuba. Pertany a la família ancestral Lepisosteidae, amb fòssils ja presents al Cretaci i caracteritzada per una excepcional baixa taxa dʼespeciació —només seʼn coneixen set espècies— i una lenta evolució morfològica.

Tal com explica el professor Cristian Cañestro, que és membre del Grup de Recerca Evolució i Desenvolupament (EVO-DEVO) de la UB, «aquesta família de peixos ja va ser esmentada el 1859 pel naturalista Charles Darwin a Lʼorigen de les espècies, com a exemple per descriure el terme de fòssil vivent. Una de les característiques singulars dʼaquest peix és la seva capacitat de respirar fora de lʼaigua de manera facultativa fent servir la bufeta natatòria com un pulmó, especialment si la temperatura de lʼaigua és alta i la concentració dʼoxigen és baixa».

«La seqüenciació del genoma —continua Cristian Cañestro— ha permès demostrar que el gar té una taxa de canvi genètic extraordinàriament baixa, de manera que el caràcter ancestral que li va atribuir Darwin a partir dʼobservacions morfològiques sʼestén també a escala molecular».

Una posició filogenètica clau en lʼevolució dels peixos

La condició del gar com a «fòssil vivent» i la seva posició filogenètica clau, basal dins dels peixos actinopterigis (amb esquelet dʼespines òssies a les aletes) i grup germà dels teleostis, són els motius que han impulsat el consorci internacional a seqüenciar-ne el genoma. «El gar representa per als teleostis el que representa el celacant per als tetràpodes», afirmen el Dr. Ingo Braasch i el Dr. John H. Postlethwait, líders dʼaquest consorci internacional.

Durant lʼevolució primerenca dels teleostis es va produir una duplicació genòmica (TGD, teleost genome duplication) que va augmentar-ne extraordinàriament el nombre de gens i va afavorir lʼexplosió radiativa que ha originat un dels grups vertebrats amb més espècies: aproximadament 27.000 espècies (el 96 % de tots els peixos). El fet que la família del gar divergís prèviament a la TGD ofereix una oportunitat única per inferir com era el genoma ancestral dels peixos i estudiar lʼimpacte de les duplicacions genòmiques en les radiacions de les espècies.

El gar, útil per identificar pèrdues de gens durant lʼevolució dels vertebrats

El grup de recerca del Dr. Cristian Cañestro és especialista en lʼestudi de lʼimpacte de les pèrdues gèniques en lʼevolució de les espècies. «La pèrdua de gens —apunta Cañestro— pot ser una força evolutiva adaptativa seleccionada positivament. Per exemple, la pèrdua dels gens CCR5 o DARC en certes poblacions humanes confereix resistència a la infecció de la sida o la malària, respectivament».

La duplicació genòmica dels teleostis va anar acompanyada de massives pèrdues gèniques, les quals dificulten saber si un gen present en humans però absent en el peix zebra és una innovació evolutiva dels primers o una pèrdua del segon. «Participar en lʼanàlisi del genoma de gar —remarca Cañestro— ha estat una oportunitat única que ens ha permès afrontar aquesta problemàtica: gràcies a la posició filogenètica basal i a la seva lenta taxa evolutiva —que ha fet que mantingui la majoria de gens ancestrals— hem demostrat que el genoma del gar és una eina molt valuosa per diferenciar pèrdues de guanys gènics durant lʼevolució dels vertebrats».

La comparació del genoma de gar amb el del pollastre i els humans revela que la taxa de canvi cromosòmic és també molt baixa, i moltes regions cromosòmiques es mantenen gairebé idèntiques, a diferència de les dʼaltres peixos que han sofert moltes reorganitzacions. Aquesta semblança cromosòmica es manté fins i tot en lʼordre en què els gens estan posicionats en els cromosomes, fenomen que es coneix com a conservació sintènica.

El grup de recerca de la Universitat de Barcelona ha fet anàlisis filogenètiques i de sintènia comparada (conservació de lʼordre gènic) entre el genoma de gar i el genoma humà, en especial de regions on es localitzen els gens de la família Aldh1a, que codifiquen per enzims que regulen la síntesi de lʼàcid retinoic, un morfogen derivat de la vitamina A fonamental per al desenvolupament embrionari, del sistema nerviós, de la retina i de les extremitats. Aquestes anàlisis han demostrat la presència dʼalguns dʼaquests gens en el gar, i ha revelat que el seu origen és ancestral en els vertebrats, i lʼabsència dʼalguns dʼaquests gens en peixos teleostis ha estat deguda a pèrdues gèniques en aquests animals en lloc dʼinnovacions en els tetràpodes.

Dents en tetràpodes i escates en peixos ancestrals

Un exemple molt il·lustratiu de la utilitat del gar per entendre lʼevolució de guanys i pèrdues dels gens i la seva rellevància en entendre les innovacions evolutives és el cas de la família SCPP (secretory calcium-binding phosphoproteins), fonamental per a la mineralització de teixits (per exemple, la de lʼesmalt dental).

Lʼabsència de gens SCPP en teleostis relacionats amb la formació de lʼesmalt dental sʼhavia interpretat com si aquesta fos una innovació dels tetràpodes», apunta Cañestro. «El genoma de gar ha revelat, tanmateix, la presència dʼaquests gens SCPP i el descobriment del seu rol en la mineralització dʼescames, la qual cosa suggereix la hipòtesi que el rol dʼaquestes proteïnes en les escames de lʼancestre dels vertebrats va ser reclutat posteriorment per formar lʼesmalt dental».

Gar, un pont genòmic entre humans i peixos per desenvolupar models de malalties

El genoma de gar no només facilita la correcta connexió entre els gens humans i els de models com el peix zebra, sinó que també permet descobrir regions reguladores conservades (CNE) en els gens humans que fins ara romanien críptiques.

La distància genètica entre peixos teleostis i humans és en molts casos massa llunyana per identificar CNE quan seʼn comparen les regions reguladores. La distància genètica del gar sʼha demostrat ideal per fer de pont entre el genoma humà i el dʼaltres models teleostis com el peix zebra. Així doncs, el genoma de gar ha ajudat a identificar prop de 6.500 CNE humans prèviament desconeguts, un miler dels quals estan relacionats amb malalties o altres alteracions fenotípiques en estudis dʼassociació a gran escala en el genoma humà.

El Dr. David Parichy, professor de la Universitat de Washington, explica en un article a News and Views, inclòs en el mateix número de la publicació, que «la futura aplicació de tècniques de transgènesi i dʼedició gènica com el CRISPR en el gar, i lʼús del seu genoma com a pont entre lʼhome i altres peixos, augura un futur prometedor per al gar com a eina clau a lʼhora dʼestablir nous models animals de malalties humanes i altres aplicacions de medicina translacional, així com per descobrir molts dels aspectes clau de lʼevolució dels vertebrats».