Perdre gens i sobreviure: quan menys és més en lʼevolució dels éssers vius

Considerar la pèrdua dʼun gen com una força evolutiva és una idea contraintuïtiva, ja que és més fàcil pensar que només quan guanyem alguna cosa —gens, en aquest cas— podem evolucionar. Però els autors del nou treball, que són membres del Grup de Recerca Evolució i Desenvolupament (EVO-DEVO) de la UB, reforcen la visió de la pèrdua gènica com un procés dʼenorme potencial de canvi genètic i adaptació evolutiva.

Perdre gens és també un motor evolutiu

Un gen es perd quan sʼelimina físicament del genoma (per recombinació il·legítima, transposició, etc.), o quan encara es troba en el genoma però no és funcional a causa dʼuna mutació (canvis puntuals, insercions, delecions, etc.). «La seqüenciació dels genomes dʼorganismes molt diversos ha revelat que la pèrdua de gens ha estat un fenomen freqüent durant lʼevolució de totes les formes de vida. En alguns casos, sʼha demostrat que la pèrdua pot suposar una resposta adaptativa a situacions dʼestrès davant de canvis ambientals sobtats», explica el professor Cristian Cañestro.

«En altres casos, hi ha pèrdues gèniques —explica Cañestro— que, tot i ser neutres per si mateixes, han contribuït a lʼaïllament genètic i reproductor entre poblacions, i per tant, a lʼespeciació; o bé han participat en la diferenciació sexual en contribuir a la formació dʼun nou cromosoma Y. El fet que els patrons de pèrdues gèniques no siguin estocàstics, sinó que hi hagi biaixos en els gens perduts (segons el tipus de funció del gen o la seva situació en el genoma en diferents grups dʼorganismes), reforça la importància de la pèrdua gènica en lʼevolució de les espècies».

Perdre per guanyar: una paradoxa evolutiva

Tradicionalment, es creia que els insectes tenien certa facilitat per perdre gens; però la seqüenciació del genoma del Tribolium castaneum, un escarabat que presenta molt poques pèrdues gèniques, ha obligat a reconsiderar aquesta idea. Dins del fílum dels cordats, que inclou els vertebrats, també hi ha diferències entre espècies, amb casos particulars, com ara lʼorganisme planctònic Oikopleura dioica, molt procliu a perdre gens.

En paraules del professor Ricard Albalat, «sʼha vist que la possibilitat de perdre gens es troba associada a la forma de vida de les espècies». Així, «les espècies paràsites, per exemple, mostren més tendència a perdre gens: com que aprofiten els recursos de lʼhoste, molts dels seus gens esdevenen dispensables i sʼacaben perdent». Per a altres organismes, en canvi, la possibilitat de perdre gens es troba associada a la redundància funcional: «Espècies amb molts gens redundants, com els vertebrats i moltes espècies de plantes i llevats que han duplicat el seu genoma, també han sofert moltes pèrdues gèniques al llarg de la seva evolució».

«Curiosament —detalla Albalat— les pèrdues massives de gens no van sempre lligades a canvis morfològics radicals en els plans corporals dels organismes afectats. El cordat Oikopleura dioica, per exemple, tot i haver perdut molts gens —alguns dʼessencials per al desenvolupament embrionari i el disseny del pla corporal del fílum—, manté un pla corporal típic de cordat, amb òrgans i estructures (cor, cervell, tiroides, etc.) que es poden considerar homòlegs als dels vertebrats. Malauradament, aquesta aparent contradicció, que hem definit com la «paradoxa inversa» de la biologia evolutiva del desenvolupament (evo-devo), encara és difícil dʼexplicar».

Gens perduts en la història evolutiva de lʼhome

La pèrdua dʼun gen pot esdevenir una condició avantatjosa. Això sʼha constatat amb experiments en el laboratori (cultius de llevat o bacteris) i amb estudis poblacionals en humans. Alguns dels casos més ben estudiats en lʼespècie humana són els de les pèrdues de gens codificadors per uns receptors cel·lulars (CCR5 i DUFFY), que fan que els individus siguin més resistents a la infecció del virus de la sida (VIH) i del plasmodi que causa la malària. A la natura, hi ha pèrdues de gens que han estat beneficioses per als organismes: pèrdues que han portat a canvis de color en flors que atreuen nous pol·linitzadors, pèrdues que han fet més resistents a la calor insectes capaços de colonitzar nous hàbitats, etc.

Alguns estudis també proposen que perdre alguns gens ha estat decisiu en lʼorigen de lʼespècie humana. El ximpanzé i lʼhome comparteixen més del 98 % del genoma —un fet que sempre ha despertat curiositat—, i en aquest context és temptador especular que potser caldria buscar les diferències, no pas en els gens que compartim, sinó en els que sʼhan perdut de manera diferent durant lʼevolució dels humans i la resta de primats. «Per exemple, es creu que la reducció de la musculatura mandibular, que va permetre el creixement del volum del crani en els humans, va ser deguda a pèrdues de gens. O que les pèrdues de gens van ser importants en la millora del nostre sistema de defensa contra malalties», apunta Cristian Cañestro.

Quants gens pot perdre un ésser viu?

Un gen es pot perdre només si és prescindible; és a dir, si la pèrdua no comporta un desavantatge per a lʼindividu. Què fa que un gen sigui prescindible? Un gen esdevé prescindible quan lʼorganisme té la capacitat de fer la seva funció de manera alternativa (redundància funcional), o bé quan el gen ja no és necessari perquè lʼorganisme ha perdut lʼestructura o el requeriment fisiològic en què el gen participava (evolució regressiva). Per això, canvis en la forma de vida de les espècies poden portar a la prescindibiliat de determinats gens; tal com sʼha constatat, per exemple, amb la pèrdua de gens associats a la pigmentació i la visió en espècies que han adoptat formes de vida cavernícoles.

Descobrir quants gens pot perdre un organisme i com els perd és bàsic per entendre quants gens humans són dispensables i per què certes mutacions són irrellevants i dʼaltres són dramàtiques per a la nostra salut. De fet, la recent seqüenciació del genoma dʼindividus de diferents poblacions dʼarreu del món ha revelat que qualsevol persona sana té de mitjana vint gens que no funcionen, i aparentment això no sembla originar cap conseqüència adversa.

Quan els gens són prescindibles: menys és més

És probable que la presència de gens redundants o les condicions ambientals en què vivim actualment fan que tinguem gens que no són necessaris. Tal com explica Ricard Albalat, «investigar les diferències de pèrdues gèniques entre diferents poblacions humanes ha permès descobrir, per exemple, que la pèrdua del gen de la lipoproteïna A confereix resistència a malalties coronàries en poblacions finlandeses sotmeses a dietes riques en greix». Aquesta aproximació experimental que relaciona gens amb patologies, coneguda com a genotype-first, obre la porta a descobrir gens que, en perdreʼs, donen un avantatge davant de certs estressos ambientals (dieta, clima, patògens, tòxics, etc.), i per tant, podria ajudar a identificar nous gens amb possible interès terapèutic.

Oikopleura dioica: un nou organisme model en recerca a la UB

Potenciar la recerca bàsica amb organismes model (bacteris, ratolins, llevat, plantes, peix zebra, Drosophila o C. elegans) ha estat clau per impulsar els avenços en lʼàmbit de la biomedicina i la salut. Un dels reptes dels científics al segle XXI és desenvolupar models animals alternatius als models clàssics que permetin aplicar tecnologies de seqüenciació massiva o de modificacions genètiques sistemàtiques per obrir noves perspectives en lʼàmbit de la recerca bàsica. Només a partir de generar coneixement bàsic és possible avançar en el benestar de la societat.

Avui en dia, el grup Evo-Devo-Genomics de la Universitat de Barcelona és un dels pocs equips científics del món que estudien lʼOikopleura dioica des dʼuna perspectiva de la biologia evolutiva del desenvolupament (EVO-DEVO). És també lʼúnic grup a tot lʼEstat que ha impulsat una infraestructura científica —nʼhi ha dues més a Bergen (Noruega) i a Osaka (Japó)— considerada com un referent de projecció internacional amb capacitat de desenvolupar i estudiar aquest nou organisme model.

O. dioica és un animal petit, de cicle de vida curt, molt prolífic i de fàcil manteniment al laboratori. Aquestes condicions el converteixen en un animal model excel·lent. El seu genoma, totalment seqüenciat, és extraordinàriament compacte —tres vegades més petit que el de la mosca Drosophila—, i ha perdut molts gens. En lʼactualitat, els experts de la Universitat de Barcelona fan servir O. dioica com a mutant evolutiu que ha perdut molts gens importants per al desenvolupament embrionari. El grup treballa en dues línies de recerca: dʼuna banda, fa servir O. dioica per investigar lʼefecte de compostos tòxics en el desenvolupament i la reproducció dels animals marins, i el seu impacte en les cadenes tròfiques dels oceans; dʼaltra banda, utilitza O. dioica per estudiar com les pèrdues gèniques han afectat els mecanismes del desenvolupament cardíac.

«Esperem que aquests estudis permetin identificar el conjunt mínim de gens essencials per desenvolupar un cor, i podrien ajudar a entendre millor les bases genètiques de certes cardiomiopaties i a descobrir nous gens per millorar-ne el diagnòstic», conclouen Ricard Albalat i Cristian Cañestro.

Referència de lʼarticle:

Albalat, R.; Cañestro, C. «Evolution by gene loss». Nature Review Genetics, abril de 2016. Doi:10.1038/nrg.2016.36