Desvelades les claus genòmiques de lʼorigen dels vertebrats

Lʼequip de la UB, format pels investigadors de l'Institut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) i del Grup Evo-Devo-Genomics Ricard Albalat i Cristian Cañestro, i pels de l'Institut de Biomedicina de la UB (IBUB) Jordi Garcia Fernàndez, Beatriz Albuixech, Carlos Herrera-Úbeda i Demián Burguera, ha estat involucrat en lʼanàlisi de famílies gèniques del desenvolupament, de transposons i de l'ADN no codificant regulador. «Aquesta anàlisi és una part central del treball per esbrinar la regulació gènica a la frontera entre invertebrats i vertebrats», explica Jordi Garcia Fernàndez, catedràtic del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística de la UB. «En lʼactualitat —continua—, ja sabem que tan important com conèixer els gens és comprendre com funcionen, i aquesta és la tasca de l'ADN regulador. A més, entendre la manera de funcionar del genoma en lʼevolució és bàsic per determinar de quina manera està alterat aquest genoma en malalties humanes».

Els vertebrats comparteixen un conjunt de sistemes de regulació dels gens únic, que permet que la informació continguda en el nostre genoma doni lloc a multitud de funcions. En conseqüència, tenim centenars de cèl·lules especialitzades, teixits i òrgans. «Hem fet una anàlisi exhaustiva de la regulació genòmica de diferents espècies i hi hem trobat dues diferències clau. En primer lloc, hem vist que, en general, els nostres gens tenen una regulació molt més complexa que la dels invertebrats. La segona diferència és que tenim còpies de gens que originàriament duien a terme només funcions molt generals, però que en els vertebrats s'han especialitzat en funcions molt més específiques, sobretot al cervell», explica Manuel Irimia, cap de grup al CRG i un dels líders dʼaquest estudi.

Els científics van estudiar els genomes de diverses espècies de vertebrats, com el peix zebra o el peix medaka, i també els de granota, pollastre, ratolí i humà. Però per poder entendre l'origen dels mecanismes de regulació genòmica característics dels vertebrats, necessitaven comparar-los amb les dades d'alguna espècie molt relacionada que informés evolutivament de la transició entre invertebrats i vertebrats. Per aquesta raó, van seqüenciar el genoma de l'amfiox i van produir les dades necessàries per estudiar la regulació dels seus gens. «Lʼamfiox és un organisme que s'utilitza com a model en recerca des del segle XIX. El seu genoma ha evolucionat molt lentament i sense les duplicacions que tenen els vertebrats. Per això, l'amfiox serveix com a referència en comparacions evolutives per entendre l'origen del nostre llinatge», assenyala Héctor Escrivà, un dels líders del treball i investigador de la Universitat de la Sorbona i del CNRS a Banyuls de la Marenda (França). Lʼanàlisi de certes famílies gèniques importants per al desenvolupament —com és el cas de la família Wnt— ha portat a qualificar lʼamfiox «com el grup conservador en lʼevolució dels cordats, en contraposició al grup liberal representat pels urocordats, que es caracteritzen per una elevada taxa de divergència evolutiva», conclouen Ricard Albalat i Cristian Cañestro, professors del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística de la UB, i Ildiko Somorjai, de la Universitat de St Andrews (Escòcia), els grups dels quals han participat en lʼanàlisi del genoma de lʼamfiox.

El treball que acaba de publicar Nature no només compara els genomes, sinó que també reuneix dades epigenòmiques i d'expressió gènica, i aporta, doncs, informació única sobre els canvis funcionals que van donar lloc a una major complexitat en els vertebrats. Els científics han observat que, tot i que la regulació dels gens responsables de l'anatomia bàsica estan molt conservats entre espècies, els vertebrats van incorporar més regions reguladores que els van permetre d'adquirir noves funcions. «De manera similar a estudis realitzats en humans, la nostra anàlisi ens dona una visió global de les diferents capes reguladores del genoma i descriu amb detall l'origen de les característiques úniques de la regulació genòmica dels vertebrats, que van donar lloc a organismes amb una morfologia molt més complexa», afirma José Luis Gómez-Skarmeta, un dels líders de lʼestudi del Centre Andalús de Biologia del Desenvolupament (CSIC - Universitat Pablo de Olavide).

Un dels resultats més importants del treball és entendre com les duplicacions genòmiques que van ocórrer en l'origen dels vertebrats van contribuir a diversificar les funcions dels gens. Fa gairebé cinquanta anys que es va proposar que aquestes duplicacions van ser clau per al nostre origen, però fins ara moltes d'aquestes prediccions no s'havien pogut provar. «Hem vist que, en la majoria dels casos, hi ha còpies de gens que especialitzen la seva funció en teixits concrets. Això és particularment evident al cervell, on s'han incorporat noves funcions que han resultat essencials per a l'èxit evolutiu dels vertebrats», afegeix Ignasi Maeso, investigador al mateix centre i un dels primers autors del treball.

La recerca que aquests científics espanyols acaben de publicar ha comptat amb la participació de laboratoris de França, el Regne Unit, Austràlia, la República Txeca, Holanda, el Japó, la Xina, Portugal, Itàlia, Taiwan, Noruega i els Estats Units, i representa un recurs sense precedents per a la comunitat científica, que servirà tant per aprofundir en els elements de genòmica funcional conservats entre espècies com per estudiar els canvis que han donat lloc a la complexitat dels vertebrats.

Cal destacar que un dels codirectors del treball, Manuel Irimia, va ser doctorand al Departament de Genètica de la UB i premi Claustre de Doctors. Així mateix, un dels primers coautors, Ignasi Maeso, es va doctorar al mateix Departament, igual que els també signants de lʼarticle Èlia Benito-Gutiérrez i Lluís Permanyer. Per altra banda, Stephanie Bertrand, Salvatore DʼAniello, David Ferrier, Ildiko Somorjai van ser postdoctorands de la UB. La major part d'ells són actualment caps de grup en diversos països europeus, la qual cosa és un indicador clar de la capacitat formativa de la Universitat de Barcelona en ciència de primera línia, i singularment, en el camp de lʼevo-devo, que comprèn l'estudi de lʼevolució dels mecanismes genètics del desenvolupament embrionari.

Referència de l'article

Marlétaz, F.; Irimia, M. et al. «Amphioxus functional genomics and the origins of vertebrate gene regulation». Nature, novembre de 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0734-6