Revista Quanta

27 de octubre de 2022

Un gen que se originó en las serpientes ha saltado repetidamente la barrera de las especies en ranas en todo el mundo. Los investigadores están tratando de comprender por qué sucedió en Madagascar con mucha más frecuencia que en cualquier otro lugar.

Modismos fahmi

Escritor colaborador

27 de octubre de 2022

Posada sobre una hoja en la selva tropical, la pequeña rana mantella dorada guarda un secreto. Comparte ese secreto con la rana de lengua tenedor, la rana de caña y muchas otras ranas en las colinas y bosques de la nación insular de Madagascar, así como con las boas y otras serpientes que se alimentan de ellas. En esta isla, muchas de cuyas especies animales no se encuentran en ningún otro lugar, los genetistas hicieron recientemente un descubrimiento sorprendente: esparcido por los genomas de las ranas hay un gen, BovB, que aparentemente proviene de las serpientes.

Después de estudiar minuciosamente los genomas de especies de ranas y serpientes en todo el mundo, los científicos informaron en abril en un artículo en Molecular Biology and Evolution que este gen de alguna manera ha viajado de serpientes a ranas al menos 50 veces en todo el planeta. Pero en Madagascar se ha insertado en las ranas con una promiscuidad sorprendente: el 91% de las especies de ranas muestreadas allí la tienen. Algo parece hacer de Madagascar un lugar excepcionalmente propicio para que el gen se vuelva móvil.

Cuando Atsushi Kurabayashi, profesor asociado del Instituto Nagahama de Biociencia y Tecnología y autor principal del nuevo artículo, vio por primera vez la versión del gen en serpientes en las ranas, quedó desconcertado. Le preguntó a un colega que se especializa en genómica al respecto, y el colega inmediatamente gritó: "¡Debe ser una transferencia horizontal!". — la transferencia de un gen de una especie a otra, en contraste con la herencia vertical de genes por parte de un hijo de uno de sus padres.

Ese estallido envió a Kurabayashi tras la pista de un fenómeno que alguna vez se pensó que era extremadamente raro, aunque el aumento de una mejor secuenciación genómica hace que los biólogos reevalúen esa opinión. Y este nuevo artículo, que muestra que la transferencia horizontal de genes puede ser más probable en algunos lugares que en otros, complica aún más la historia. Sugiere que, al buscar explicaciones para las transferencias horizontales, es posible que los investigadores deban mirar más allá de los simples mecanismos genéticos, hacia los contextos ecológicos en los que viven las especies. Los genómicos todavía están luchando por comprender cuán comunes o raras son las transferencias horizontales en organismos complejos, pero algunos lugares, como Madagascar, pueden ser puntos calientes para ellas.

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Los investigadores sospechan que la versión del gen BovB que se encuentra en las boas (centro) y otras serpientes en Madagascar puede ser particularmente hábil para realizar transferencias horizontales. La rana de caña pintada (arriba) y la rana mantella dorada (abajo) son dos de las muchas especies de ranas que han adquirido BovB.

(desde arriba) Bernard Dupont; reptiles4all; Vladimir Wrangel

Los investigadores sospechan que la versión del gen BovB que se encuentra en las boas (centro) y otras serpientes en Madagascar puede ser particularmente hábil para realizar transferencias horizontales. La rana de caña pintada (izquierda) y la rana mantella dorada (derecha) son dos de las muchas especies de ranas que han adquirido BovB.

(desde la izquierda) Bernard Dupont; reptiles4all; Vladimir Wrangel

La transferencia horizontal es algo común en las bacterias. Los numerosos organismos unicelulares que pueblan casi todos los rincones del planeta recogen genes de su entorno con la misma facilidad con la que un cepillo de pelusa recoge el pelo de un gato. Ésa es una de las razones por las que la resistencia bacteriana a los antibióticos está muy extendida: los genes protectores se transmiten fácilmente y la selección natural garantiza que las bacterias resistentes superen a sus vecinas y transmitan sus genes a la siguiente generación. Las bacterias intercambian genes con tanta facilidad que algunos científicos incluso han propuesto que las bacterias forman una red de vida relacionada en lugar de un árbol genealógico ramificado.

Sin embargo, las células de organismos eucariotas como los humanos, las ranas y las serpientes son diferentes. Su núcleo celular suele parecer una fortaleza para proteger el genoma. El ADN se enrolla cuidadosamente y se almacena en la biblioteca de esa ciudadela, con enzimas que activan sólo los genes que necesitan examinar en un momento dado. La célula está cargada con dispositivos de seguridad para evitar daños a su ADN y reparar el desgaste. Si el genoma es como un manuscrito iluminado de valor incalculable, sus bibliotecarios portan espadas.

Sin embargo, siguen apareciendo en la literatura científica ejemplos de transferencias horizontales de genes que involucran a eucariotas. Los arenques y los eperlanos, peces no emparentados que nadan en las aguas heladas de los océanos Ártico, Pacífico norte y Atlántico norte, tienen precisamente el mismo gen para una proteína que evita que su sangre se congele; probablemente saltó de los arenques a los fundidos. Laurie Graham, bióloga molecular de la Universidad Queen's de Canadá, y sus colegas lo informaron el año pasado; sus hallazgos fueron tan contradictorios que Graham tuvo dificultades para publicar el trabajo.

De manera similar, el biólogo evolutivo Etienne GJ Danchin y sus colegas del Instituto Nacional de Investigación para la Agricultura, la Alimentación y el Medio Ambiente de Francia están estudiando un conjunto de enzimas que los gusanos nematodos obtuvieron de las bacterias. Y más de 100 familias de genes parecen haber saltado de microbios a plantas hace mucho tiempo, escribieron Jinling Huang de la Universidad de Carolina del Este y sus colegas en un artículo de este año.

Hay razones maravillosamente claras por las que la evolución sonrió ante algunas de estas transferencias improbables. Los peces con el gen no se congelan. Las enzimas digestivas de los nematodos les permiten extraer más energía de las células de las plantas que comen. Gracias a un grupo de enzimas extraídas de bacterias, las algas rojas que habitan en aguas termales estudiadas por el biólogo evolutivo Debashish Bhattacharya y su alumna Julia Van Etten en la Universidad de Rutgers pueden sobrevivir al contacto con sustancias que de otro modo las matarían. Si un gen aumenta la supervivencia, no pasa mucho tiempo antes de que los descendientes del primer organismo en adquirirlo tomen el control.

Sin embargo, no todos estos genes errantes conllevan necesariamente una ventaja. BovB es un transposón muy conocido, un fragmento de material genético propenso a saltar aleatoriamente por el genoma. En cierto modo, sus saltos de serpientes a ranas en Madagascar (comoquiera que ocurrieran) son saltos extrañamente mayores de lo habitual. Además, aunque los transposones pueden tener efectos profundos en los genomas, BovB no es un gen con una función en el sentido tradicional; es sólo un trozo de ADN que hace copias de sí mismo. Kurabayashi señala que aunque no se puede descartar la posibilidad de que BovB haya beneficiado a las ranas, es más probable que BovB persista a través de su propio éxito agresivo en la autoduplicación. Esto puede ayudar a explicar por qué cuando los eucariotas terminan con el material genético de otros organismos, a menudo intervienen transposones como BovB.

Por extraño que parezca que los eucariotas recojan genes de bacterias, más extraño aún es el hecho de que los ejemplos de transferencia horizontal de genes en la otra dirección son mucho más raros. Por alguna razón, las bacterias no quieren nuestros genes. Los genes eucariotas tienen características estructurales que los convierten en un material menos que perfecto para las bacterias, pero también puede haber otros factores contribuyentes.

"Tal vez los eucariotas no tengan los genes que interesan a las bacterias", dijo Patrick Keeling, biólogo de la Universidad de Columbia Británica que estudia las transferencias horizontales.

A diferencia de las bacterias, los virus tienen una verdadera habilidad para captar genes de sus huéspedes eucariotas. Los virus, particularmente los llamados retrovirus, tienen las herramientas para ingresar a las células y núcleos del huésped, y son maestros en la inserción de material genético en los genomas del huésped. Hasta el 8% del genoma humano está formado por restos de retrovirus, fragmentos de infecciones lejanas en la historia de nuestra especie.

A veces la transferencia también va en sentido contrario. En un artículo publicado en Nature Microbiology en diciembre pasado, Keeling, su colaborador Nicholas Irwin de la Universidad de Oxford y sus colegas realizaron el primer análisis exhaustivo de las transferencias horizontales de genes entre 201 eucariotas y 108.842 virus. Encontraron evidencia de más de 6.700 transferencias de genes, siendo las transferencias de huésped a virus aproximadamente dos veces más comunes que las transferencias de virus a huésped. Llegaron a la conclusión de que las transferencias horizontales de genes habían sido importantes impulsores de la evolución en ambos lados: los virus a menudo usaban los genes eucariotas que adquirieron para volverse más efectivos a la hora de infectar a sus huéspedes, mientras que los eucariotas a veces usaban elementos de los genes virales para crear características novedosas o regular su actividad. metabolismos de nuevas maneras.

Hallazgos como estos han persuadido a algunos biólogos de que los virus pueden facilitar al menos algunas transferencias horizontales de genes. Si los virus pueden recoger genes de sus huéspedes, y si pueden dejar fragmentos de sus genomas, parece posible que a veces también puedan transportar genes del último huésped que infectaron, o incluso de uno de hace generaciones, y dárselos a un nuevo anfitrión.

La participación de los virus también podría ayudar a resolver otro enigma sobre las transferencias horizontales en eucariotas. Para que se produzcan las transferencias, los genes viajeros deben superar una serie completa de obstáculos. Primero deben pasar de la especie donante a la nueva especie huésped. Luego deben entrar en el núcleo y refugiarse en el genoma del huésped. Pero no basta con acceder al genoma de cualquier célula: en criaturas multicelulares como las ranas y los arenques, un gen no se transmitirá a la descendencia del animal a menos que pueda colarse en una célula de la línea germinal: un espermatozoide o un óvulo.

Los virus podrían hacer que esa serie de eventos sea más probable. En organismos pequeños como el nematodo, dijo Danchin, el tracto reproductivo y sus células germinales no están lejos del tracto intestinal, donde pueden asentarse los virus ingeridos en los alimentos. Debido a que las ranas liberan sus óvulos y espermatozoides en aguas abiertas, esas células son potencialmente vulnerables a los virus del medio ambiente que podrían introducir genes.

Incluso con criaturas más grandes, puede que sea más fácil de lo que crees. En este punto, todavía es una idea especulativa, pero "el tracto reproductivo está lleno de microbios y virus", dijo Danchin. "Sabemos que algunos virus infectan específicamente el tracto reproductivo".

Keeling sugiere que para comprender el misterio de la transferencia horizontal de genes, tal vez deberíamos pensar en ellas como consecuencias ecológicas de los comportamientos de un organismo, sus vecinos y su entorno. Si un gen transferido horizontalmente confiere algún beneficio de supervivencia, es probable que dependa en gran medida del escenario específico en el que se encuentre el receptor del gen: un mar helado, una fuente termal, una apetitosa planta huésped con fuertes defensas. "Están muy apegados a la ecología del lugar donde está esa cosa, pero cambia", especuló. Con un cambio incorrecto en el entorno, el gen transferido "ya no es ventajoso y se pierde".

Las transferencias horizontales de genes en eucariotas pueden ocurrir todo el tiempo: en el estanque de su patio trasero, en el suelo bajo sus pies, en los animales, insectos y plantas que conforman el ecosistema. "Creo que hay muchas más transferencias de las que sabemos", dijo Bhattacharya. "Simplemente no los vemos porque fueron barridos".

Para comprobar qué tan común es que las ranas tengan BovB de serpiente, el equipo de Kurabayashi se acercó a sus colegas para obtener muestras de ranas de todo el mundo para secuenciar el ADN. Descubrieron que de 149 especies, 50 regresaron con BovB. Las 32 ranas malgaches que probaron constituían menos de una cuarta parte de todas las especies muestreadas, pero 29 de ellas portaban el gen de la serpiente, una clara mayoría de todas las transferencias encontradas en todo el mundo. Además, al menos dos de los linajes de ranas no adquirieron BovB hasta que sus ancestros emigraron de África a Madagascar.

Lo más interesante del artículo, dijo Graham, “es que muestra que la tasa de transferencia no es uniforme. Varía mucho entre regiones geográficas”. Si se realizan más estudios con el objetivo de observar la transferencia de genes en todo el mundo (ver si las transferencias se han producido a diferentes ritmos en diferentes lugares), lo que encontremos puede sorprendernos. Quizás la geografía importe más de lo que podríamos esperar.

¿Hay algo en el medio ambiente de Madagascar que lo convierte en un punto álgido para la transferencia de genes? Nadie sabe. Kurabayashi dice que él y su grupo sospechan fuertemente que la serpiente BovB de Madagascar se diferencia de las versiones de otras partes del mundo en que es un poco mejor a la hora de convertirse en un nuevo huésped.

Pero la abundancia de parásitos en la isla también podría ser un factor contribuyente. Por ejemplo, “en Madagascar hay muchas sanguijuelas”, dijo Miguel Vences, herpetólogo de la Universidad Tecnológica de Braunschweig en Alemania y autor del nuevo artículo. "Si estás en la selva tropical, los notarás". Estas criaturas chupadores de sangre se alimentan de muchos tipos de animales, incluidas ranas y serpientes, y no dudan en probar a los humanos. Vences y sus colegas especulan que las sanguijuelas pueden llevar sangre que contiene el gen saltador de la serpiente a las ranas, o tal vez el gen saltador ya se encuentra en el propio genoma de la sanguijuela debido a contactos previos con serpientes. Entonces tal vez un virus no identificado haga el resto.

Desafortunadamente, no es fácil probar o refutar escenarios que describen cómo podrían haber ocurrido tales transferencias horizontales. Sin una selección para preservar las secuencias de ADN, estas tienden a mutar y mezclarse durante largos períodos de tiempo, borrando la evidencia molecular de una transferencia. Y si un virus está involucrado en la transferencia, puede dejar muy poca evidencia en primer lugar, dijo Graham. Por lo tanto, es posible que los investigadores casi necesiten captar un salto genético en el acto para saber cómo está sucediendo.

Bhattacharya se encuentra en las primeras etapas de un proyecto que apunta a hacer precisamente eso. En las aguas termales de Lemonade Creek, en el Parque Nacional de Yellowstone, él y sus colegas buscan señales de transferencias que aún puedan estar en proceso de afianzarse. Están estudiando el ADN de las algas rojas que han adquirido genes de bacterias que también viven en los manantiales, genes que sólo presentan pequeñas diferencias con los originales. "No estamos hablando de hace millones de años", dijo Bhattacharya. "Estamos hablando de ADN que es muy similar, que coexiste en dos dominios diferentes de la vida, en el mismo entorno".

Si los científicos descubren que las algas en manantiales cercanos carecen de alguno de estos genes transferidos, entonces pueden estar siendo testigos del comienzo de una onda de cambio genético que se mueve hacia afuera a través de las algas, de un manantial vecino al siguiente. Cada nueva piscina caliente puede ser una isla al borde de una transformación.

Escritor colaborador

27 de octubre de 2022

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