Científicos explican cómo perdieron sus extremidades las serpientes

Es un estudio que forma parte de un esfuerzo tendiente a entender de qué manera los cambios en el genoma provocan alteraciones del fenotipo

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las serpientes y los lagartos son reptiles del orden Squamata. Y constituyen dos subórdenes que comparten diversas características, pero que difieren en un aspecto bastante evidente: los lagartos poseen extremidades y las serpientes no. Ambos se diferenciaron hace más de 100 millones de años.

La identificación de las causas genéticas implicadas en esta pérdida de extremidades constituye uno de los enfoques del artículo intitulado Phenotype loss is associated with widespread divergence of the gen regulatory landscape in evolution, publicado por Juliana Gusson Roscito y sus colaboradores en Nature Communications. Otra vertiente del mencionado artículo, igualmente interesante, está relacionada con el mecanismo de degeneración de los ojos de ciertos mamíferos que pasaron a vivir en ambientes oscuros, debajo de la tierra.

“Investigamos ambos casos para intentar entender un proceso mucho más general: de qué manera los cambios en el genoma derivaron en alteraciones del fenotipo en el transcurso de la evolución”, declaró Gusson Roscito a Agência FAPESP.

La investigadora, quien actualmente se desempeña en el Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética, en la ciudad de Dresde, Alemania, realizó su posdoctorado en Brasil y un pasantía de investigación en el exterior con el apoyo de la FAPESP. Su beca posdoctoral estaba vinculada al Proyecto Temático intitulado “Filogeografía comparada, filogenia, modelado paleoclimático y taxonomía de reptiles y anfibios neotropicales”, coordinado por Miguel Trefaut Urbano Rodrigues en el marco del Programa FAPESP de Investigaciones en Caracterización, Conservación, Restauración y Uso Sostenible de la Biodiversidad (BIOTA- FAPESP). 

Trefaut Urbano Rodrigues es profesor titular del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo, en Brasil, y fue el supervisor del posdoctorado de Gusson Roscito. Y también firma el artículo que ahora ha salido publicado.

“Este estudio tuvo por objeto investigar los genomas de diversas especies de vertebrados e identificar regiones del genoma que experimentaron cambios únicamente en las serpientes o en los mamíferos subterráneos, pero que se mantuvieron preservadas en las otras especies que no perdieron las extremidades o que poseen ojos normales”, afirmó Gusson Roscito.

“En los mamíferos cuyo sistema visual se deterioró, sabemos que se perdieron varios genes, como los relacionados con el cristalino del ojo y con las estructuras fotorreceptoras de la retina. Esos genes experimentaron diversas mutaciones en el transcurso del proceso evolutivo hasta perder por completo su funcionalidad, es decir, su capacidad de codificar proteínas. Pero no fue esto lo que ocurrió con las serpientes: no hubo una pérdida de genes relacionados con la formación de las extremidades. Para ser más precisa: en el estudio en el cual se secuenció el genoma de una serpiente se constató efectivamente la pérdida de un gen. Pero fue sólo uno. Por eso nuestro abordaje en la investigación no se enfocó en los genes sino en la observación de los elementos que regulan la expresión de los genes”, añadió. 

Cada gen depende de elementos regulatorios para poder expresarse, es decir, para que la información contenida en él se transcriba como molécula de ARN (ácido ribonucleico) y, posteriormente, se traduzca en proteína. El elemento regulador –denominado Cis-regulatory element (CRE) en inglés– está constituido por una secuencia de nucleótidos del propio ADN (ácido desoxirribonucleico), situada cerca de la zona en donde se ubica el gen. Este elemento cumple la función de dotar de especificidad espacial, temporal y cuantitativa al patrón de expresión de un gen.

“Un elemento regulador puede activar o inhibir la expresión del gen en determinada parte del organismo –en las extremidades, por ejemplo–, mientras que otro elemento regulador puede activar o inhibir la expresión del mismo gen en otra parte: en la cabeza, por ejemplo. De producirse una pérdida del gen, la expresión dejará de concretarse en ambos sitios, y esto suele tener un efecto negativo en la formación del organismo. Con todo, de producirse únicamente la pérdida de uno de los elementos reguladores, la expresión podrá desaparecer en una parte, pero se mantenerse en la otra”, explicó Gusson Roscito.

El lagarto overo

Desde el punto de vista computacional, no resulta fácil efectuar la identificación de los CREs, como sí lo es con los genes. Éstos tienen una sintaxis característica, con bases que informan dónde empiezan y dónde terminan. Pero esto no es lo que sucede con los elementos reguladores, por eso su identificación debe concretarse en forma indirecta, normalmente con base en la conservación de secuencias de ADN entre muchas especies distintas. 

“Para detectar la divergencia de secuencias específicas en las serpientes, es necesario comparar los genomas de éstas con los de varios reptiles y los de otros vertebrados con extremidades totalmente desarrolladas. Dada la escasez de genomas de reptiles con extremidades desarrolladas, secuenciamos y montamos el genoma del lagarto overo (Salvator merianae), que constituye la primera especie secuenciada del linaje Teiidae”, se lee en el artículo.

“Al valernos del genoma del lagarto overo como referencia, creamos un alineamiento entre genomas de distintas especies, incluidos los de dos serpientes (Boa y Python), otros tres reptiles con extremidades (anolis verde, lagarto barbudo y gecko), tres pájaros, un yacaré, tres tortugas, 14 mamíferos, un sapo y un celacanto. Este alineamiento de 29 genomas se tomó como base para todos los análisis posteriores”, prosigue el texto.

Con este estudio, los científicos identificaron casi 6.000 regiones de ADN que constituirían posibles elementos reguladores en diversas especies. Con base en esta gran base de datos, y mediante procedimientos técnicos bastante ingeniosos descritos pormenorizadamente en el artículo, se identificó un conjunto de CREs cuyas mutaciones podrían haber llevado a la atrofia de las extremidades en los antepasados de las serpientes.

“Existen diversos estudios referentes a un elemento regulador muy conocido, que regula un gen cuya modificación provoca diversos defectos en las extremidades. Las serpientes poseen mutaciones en ese CRE, y en 2016 salió publicada una investigación en cuyo marco se reemplazó el elemento regulador de ratones por la versión de las serpientes, lo que resultó en descendientes prácticamente sin extremidades. Fue una demostración funcional de un mecanismo que puede haber llevado a la pérdida de las extremidades en las serpientes. Pero ese CRE es tan sólo uno de los elementos reguladores de uno de los diversos genes que controlan la formación de las extremidades”, dijo Gusson Roscito. 

“Nuestro estudio resultó en una expansión del conjunto de CREs. Demostramos que otros diversos elementos reguladores, que se encargan de la regulación de muchos genes, sufrieron mutaciones en las serpientes. La firma es mucho más abarcadora. Existe toda una cascada de señalización afectada”, añadió. 

El artículo intitulado Phenotype loss is associated with widespread divergence of the gene regulatory landscape in evolution (doi: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07122-z), de Juliana G. Gusson Roscito, Katrin Sameith, Genis Parra, Bjoern E. Langer, Andreas Petzold, Claudia Moebius, Marc Bickle, Miguel Trefaut Rodrigues y Michael Hiller, se encuentra publicado en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41467-018-07122-z.