Desveladas las claves genómicas del origen de los vertebrados

El equipo de la UB, formado por los expertos del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio) y del Grupo Evo-Devo-Genomics Ricard Albalat y Cristian Cañestro, y por los del Instituto de Biomedicina de la UB (IBUB) Jordi Garcia Fernàndez, Beatriz Albuixech, Carlos Herrera-Úbeda y Demián Burguera, ha estado involucrado en el análisis de familias génicas del desarrollo, de transposones y del ADN no codificante regulador. «Este análisis es una parte central del trabajo para averiguar la regulación génica en la frontera entre invertebrados y vertebrados», explica Jordi Garcia Fernàndez, catedrático del Departamento de Genética, Microbiología y Estadística de la UB. «En la actualidad —continúa—, ya sabemos que tan importante como conocer los genes es comprender cómo funcionan, y esa es la tarea del ADN regulador. Además, entender la forma de funcionar del genoma en la evolución es básico para averiguar de qué manera está alterado este genoma en enfermedades humanas».

Los vertebrados comparten un conjunto de sistemas de regulación de los genes único, que permite que la información contenida en nuestro genoma dé lugar a multitud de funciones. En consecuencia, tenemos cientos de células especializadas, tejidos y órganos. «Hemos hecho un análisis exhaustivo de la regulación genómica de distintas especies y hemos encontrado dos diferencias clave. En primer lugar, hemos visto que, en general, nuestros genes tienen una regulación mucho más compleja que la de los invertebrados. La segunda diferencia es que tenemos copias de genes que originariamente llevaban a cabo solo funciones muy generales, pero que en los vertebrados se han especializado en funciones mucho más específicas, sobre todo en el cerebro», explica Manuel Irimia, jefe de grupo en el CRG y uno de los líderes de este estudio.

Los científicos estudiaron los genomas de varias especies de vertebrados, como el pez cebra o el pez medaka, y también los de la rana, el pollo, el ratón y el humano. Pero para poder entender el origen de los mecanismos de regulación genómica característicos de los vertebrados, necesitaban compararlos con los datos de alguna especie muy relacionada que informara evolutivamente de la transición entre invertebrados y vertebrados. Por ello secuenciaron el genoma del anfioxo y produjeron los datos necesarios para estudiar la regulación de sus genes. «El anfioxo es un organismo que se utiliza como modelo en investigación desde el siglo XIX. Su genoma ha evolucionado muy lentamente y sin las duplicaciones que tienen los vertebrados. Por ello, el anfioxo sirve como referencia en comparaciones evolutivas para entender el origen de nuestro linaje», señala Héctor Escrivà, uno de los líderes del trabajo e investigador de la Universidad de la Sorbona y del CNRS en Banyuls-sur-Mer (Francia). El análisis de ciertas familias génicas importantes para el desarrollo —como es el caso de la familia Wnt— ha llevado a calificar el anfioxo «como el grupo conservador en la evolución de los cordados, en contraposición al grupo liberal representado por los urocordados, que se caracterizan por una elevada tasa de divergencia evolutiva», concluyen Ricard Albalat y Cristian Cañestro, profesores del Departamento de Genética, Microbiología y Estadística de la UB, e Ildiko Somorjai, de la Universidad de St. Andrews (Escocia), cuyos grupos han participado en el análisis del genoma del anfioxo.

El trabajo que acaba de publicar Nature no solo compara los genomas, sino que también reúne datos epigenómicos y de expresión génica, y aporta, pues, información única sobre los cambios funcionales que dieron lugar a una mayor complejidad en los vertebrados. Los científicos han observado que, aunque los genes responsables de la anatomía básica están muy conservados entre especies, los vertebrados incorporaron más regiones reguladoras que les permitieron adquirir nuevas funciones. «De forma similar a estudios realizados en humanos, nuestro análisis nos da una visión global de las distintas capas reguladoras del genoma y describe con detalle el origen de las características únicas de la regulación genómica de los vertebrados, que dieron lugar a organismos con una morfología mucho más compleja», afirma José Luis Gómez-Skármeta, uno de los líderes del estudio del Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CSIC - Universidad Pablo de Olavide).

Uno de los resultados más importantes del trabajo es la posibilidad de entender cómo las duplicaciones genómicas que ocurrieron en el origen de los vertebrados contribuyeron a diversificar las funciones de los genes. Hace casi cincuenta años que se propuso que estas duplicaciones fueron clave para nuestro origen, pero hasta ahora muchas de estas predicciones no se habían podido probar. «Hemos visto que, en la mayoría de los casos, hay copias de genes que especializan su función en tejidos concretos. Esto es particularmente evidente en el cerebro, donde se han incorporado nuevas funciones que han resultado esenciales para el éxito evolutivo de los vertebrados», añade Ignasi Maeso, investigador en el Centro Andaluz de Biología del Desarrollo y uno de los primeros autores del trabajo.

La investigación que estos científicos españoles acaban de publicar ha contado con la participación de laboratorios de Francia, Reino Unido, Australia, la República Checa, Holanda, Japón, China, Portugal, Italia, Taiwán, Noruega y Estados Unidos, y supone un recurso sin precedentes para la comunidad científica, que servirá tanto para profundizar en los elementos de genómica funcional conservados entre especies como para estudiar los cambios que han dado lugar a la complejidad de los vertebrados.

Cabe destacar que uno de los codirectores del trabajo, Manuel Irimia, fue doctorando en el Departamento de Genética de la UB y premio Claustro de Doctores. Asimismo, uno de los primeros coautores, Ignasi Maeso, se doctoró en el mismo Departamento, al igual que los también firmantes del artículo Elia Benito-Gutiérrez y Lluís Permanyer. Por otro lado los autores Stephanie Bertrand, Salvatore D'Aniello, David Ferrier, Ildiko Somorjai fueron posdoctorandso en la UB. La mayor parte de ellos son actualmente jefes de grupo en varios países europeos, lo cual es un indicador claro de la capacidad formativa de la Universidad de Barcelona en ciencia de primera línea, y singularmente, en el campo de la evo-devo, que aborda el estudio de la evolución de los mecanismos genéticos del desarrollo embrionario.

Referencia del artículo

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