Desmantellant la via de síntesi de lʼàcid retinoic en lʼevolució dels cordats
Lʼorganisme planctònic Oikopleura dioica, un model animal utilitzat en lʼestudi de lʼevolució i el desenvolupament embrionari del nostre fílum (cordats), ha perdut la majoria dels gens relacionats amb el metabolisme de lʼàcid retinoic. Lʼàcid retinoic (AR) és una molècula derivada de la vitamina A (retinol) que és clau en la fisiologia i el desenvolupament embrionari en lʼespècie humana i en el conjunt del nostre fílum. La pèrdua de gens hauria facilitat que lʼO. dioica es pogués desenvolupar sense dependre de la vitamina A. Aquest fet seria un nou exemple de com el fenomen de la pèrdua gènica pot ser una estratègia evolutiva que permet lʼadaptació de les espècies a escenaris biològics de manera avantatjosa.
Lʼorganisme planctònic Oikopleura dioica, un model animal utilitzat en lʼestudi de lʼevolució i el desenvolupament embrionari del nostre fílum (cordats), ha perdut la majoria dels gens relacionats amb el metabolisme de lʼàcid retinoic. Lʼàcid retinoic (AR) és una molècula derivada de la vitamina A (retinol) que és clau en la fisiologia i el desenvolupament embrionari en lʼespècie humana i en el conjunt del nostre fílum. La pèrdua de gens hauria facilitat que lʼO. dioica es pogués desenvolupar sense dependre de la vitamina A. Aquest fet seria un nou exemple de com el fenomen de la pèrdua gènica pot ser una estratègia evolutiva que permet lʼadaptació de les espècies a escenaris biològics de manera avantatjosa.
Aquesta és una de les conclusions principals dʼun estudi publicat a la revista Molecular Biology and Evolution, una de les publicacions científiques amb més impacte en aquest àmbit del coneixement, i que signen els investigadors Josep Martí Solans, Núria P. Torres Águila, Ricard Albalat i Cristian Cañestro, del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística i de lʼInstitut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) de la Universitat de Barcelona. També hi han col·laborat les investigadores Olga V. Belyaeva i Natalia Y. Kedishvili, de la Universitat dʼAlabama (Estats Units).
Quan lʼevolució és regressiva
LʼAR és un factor imprescindible en els cordats per regular lʼexpressió de gens implicats en els processos de proliferació i diferenciació cel·lular, com els que es produeixen durant el desenvolupament embrionari dʼòrgans i sistemes, o en la formació dels patrons de simetria corporal. Algunes malalties genètiques, a més, comporten alteracions de lʼacció de lʼAR que poden causar desequilibris en la proliferació cel·lular i el desenvolupament de càncers com la leucèmia promielocítica aguda.
El cordat O. dioica és un organisme evolutivament molt proper als vertebrats, amb els quals comparteix un pla corporal similar i diversos òrgans o estructures homòlogues, com ara el cor, el cervell o la musculatura esquelètica, que tenen un desenvolupament dependent de lʼAR. Un dels grans reptes del treball publicat ha estat demostrar que aquests òrgans es desenvolupen en lʼO. dioica en absència de lʼAR a causa de la pèrdua massiva de gens implicats en la seva síntesi i la manca de vies alternatives per produir-ne.
Tal com explica el professor Ricard Albalat, «els nostres resultats revelen que la pèrdua de gens relacionats amb lʼAR en lʼO. dioica es va produir en un escenari dʼevolució regressiva, en què les funcions que es perdien no eren necessàries per a lʼorganisme».
«En els humans —continua Albalat—, com en la resta dʼespècies de cordats, es coneixen molts dels enzims que regulen la síntesi i degradació de lʼAR. Entendre com es regulen aquests enzims és rellevant per a la nostra salut. Tot indica que la maquinària metabòlica de lʼAR és un sistema genèticament robust: és a dir, forma una via difícil dʼalterar on diversos enzims codificats per múltiples gens poden fer la mateixa funció de manera redundant. A més, descobrir que lʼAR era també important per a la biologia dʼanimals no vertebrats implicava que la maquinària metabòlica de lʼAR podia ser molt antiga, sorgida en els orígens de lʼevolució animal».
Com és possible generar un cor sense àcid retinoic?
Segons el professor Cristian Cañestro, «aquests resultats il·lustren el que es coneix com a paradoxa inversa de la biologia evolutiva del desenvolupament (evo-devo), en què estructures morfològicament similars difereixen de manera important en els gens responsables de la seva formació».
«El cor és un altre dels exemples paradigmàtics que intentem entendre: com és possible que lʼO. dioica pugui fer un cor sense lʼAR mentre que en la resta de cordats lʼAR és imprescindible per crear aquest òrgan? En breu, esperem poder aportar algunes respostes i avaluar lʼimpacte que la pèrdua de lʼAR ha comportat en la funció dels gens cardiogènics», detalla Cañestro.
La innovació biològica no va lligada necessàriament a un increment de la complexitat funcional o del nombre de gens, apunten els autors. Reordenacions genòmiques, canvis en la maquinària epigenètica, pèrdua aparent dels òrgans receptors de la llum, reducció de la complexitat i mida corporal, o augment de la velocitat del desenvolupament embrionari i del cicle de vida dʼO. dioica, són circumstàncies que possiblement van permetre lʼevolució de noves formes per construir perfectament un cor, per exemple, sense necessitar lʼAR.
Reconstruint lʼevolució gènica com una ruta abandonada de trens
«Els resultats demostren que les pèrdues gèniques poden seguir patrons no aleatoris, com ara la coeliminació de tots els gens relacionats amb una funció que ha deixat de ser útil durant lʼevolució dʼuna determinada espècie, com en el cas de lʼàcid retinoic en lʼO. dioica», detallen Albalat i Cañestro.
Els autors ho comparen amb una ruta abandonada de trens: «És com imaginar que una certa ruta de tren va deixar de ser útil i seʼn va abandonar el manteniment. Si després de molts anys, un historiador redescobrís restes dʼun conjunt dʼestacions de tren abandonades en diferents punts del territori, en teoria podria reconstruir lʼantiga ruta del tren».
«La descoberta dʼaquesta ruta de gens perduts en lʼO. dioica demostra experimentalment com la identificació de conjunts de gens que han estat coeliminats (estacions de tren abandonades) és una estratègia útil per identificar gens funcionalment relacionats (la ruta del tren)», remarquen. Dʼaltra banda, si una de les estacions de ruta abandonada hagués sobreviscut en perfecte estat de conservació, es podria concloure que molt possiblement aquesta estació encara està connectada amb una altra ruta que sʼha mantingut activa tot aquest temps.
El treball publicat a la revista Molecular Biology and Evolution també demostra que identificar els gens que han sobreviscut als desmantellaments de vies gèniques és útil per descobrir noves funcions que havien passat desapercebudes. «En el cas de lʼO. dioica —expliquen Albalat i Cañestro—, el manteniment i lʼextensa duplicació dʼun parell de gens tradicionalment associats amb la via de lʼAR (els gens Cco i RdhE2) ens ha permès descobrir la seva potencial rellevància en la compartimentalització del sistema digestiu (com a mínim en aquest organisme)». En paral·lel, també sʼha constatat que la supervivència del gen Aldh8a en lʼO. dioica és deguda a la seva funció en la resposta defensiva dʼaquest organisme davant lʼimpacte dels tòxics mediambientals, com és el cas dʼalgunes toxines produïdes per microalgues marines.
Cal recordar que el grup de recerca Evo-Devo-Genomics (@evodevogenomeUB), liderat per Ricard Albalat i Cristian Cañestro a la Facultat de Biologia de la UB, és un dels pocs equips científics del món que estudien lʼO. dioica des dʼuna perspectiva de la biologia evolutiva del desenvolupament (evo-devo), i que disposa dʼuna de les poques infraestructures científiques amb capacitat de desenvolupar i estudiar aquest nou model animal.