El genoma completo de la jararaca insular revela cómo evolucionaron los genes responsables de las toxinas del veneno

La secuenciación es una de las más completas realizadas en serpientes en el mundo y sirve como referencia para todas las jararacas, lo que puede contribuir a nuevos descubrimientos sobre las toxinas y a la conservación de la especie de la Isla de Queimada Grande (Brasil), críticamente amenazada de extinción

Por André Julião  |  Agência FAPESP – Un grupo liderado por investigadores del Instituto Butantan (São Paulo, Brasil) y apoyado por la FAPESP realizó la secuenciación genética más completa de una jararaca. El foco del trabajo fue el genoma de la jararaca insular (Bothrops insularis), principalmente los genes del veneno. Como la mayor parte de los genes de la especie es compartida con las otras 48 especies del género, los datos sirven como referencia para estudios más amplios sobre la evolución de las jararacas y de sus toxinas.

El trabajo fue publicado en la revista Genome Biology and Evolution.

La jararaca insular fue descrita en 1921 como una especie distinta de la conocida en el continente, llamada simplemente jararaca (Bothrops jararaca). Aislada en la Isla de Queimada Grande, en el litoral del estado de São Paulo, hace cerca de 100 mil años, la población se diferenció de sus congéneres del continente hasta separarse en una nueva especie.

Además de las diferencias morfológicas, como la piel amarilla, la jararaca insular posee hábitos semi-arbóreos y se alimenta de aves en la etapa adulta. Las jararacas del continente, en cambio, tienen color oscuro y suelen cazar pequeños mamíferos, como ratones, en el suelo. En 2021, B. jararaca fue la primera serpiente brasileña en tener su genoma secuenciado (lea más en: agencia.fapesp.br/36562).  

“Estudios experimentales desde hace tiempo indican que el veneno de la jararaca insular sería más potente en aves que en mamíferos. No encontramos grandes diferencias en los genes de toxinas, pero probablemente alguna proteína o un fragmento menor de una de ellas pueda ser suficiente para hacer que el veneno sea más letal para las aves”, cuenta Pedro Nachtigall primer autor del estudio, realizado durante un posdoctorado en el Instituto Butantan con beca de la FAPESP.

El genoma mostró que el veneno de la jararaca insular es rico en enzimas y proteínas que causan hemorragias y trastornos de coagulación, además de potencialmente actuar en otros frentes comunes a los venenos de las jararacas del continente, como hipotensión y daño tisular.

Los investigadores también observaron que las variaciones en el genoma de la especie no ocurren de forma aleatoria, por lo que se conoce como deriva genética. Por el contrario, los análisis señalaron un alto grado de selección natural.

“Al tratarse de una población aislada, esos cambios podrían estar ocurriendo de manera aleatoria, como resultado de una baja variabilidad genética. Pero no fue lo que vimos. Hay una distribución más específica, una señal de que existe presión selectiva. Esta puede haber sido causada tanto por la alimentación como por el propio hecho de que la especie haya quedado restringida a un área muy pequeña”, añade Inácio Junqueira de Azevedo, investigador del Instituto Butantan que coordinó el estudio, el cual integra un proyecto apoyado por la FAPESP.

Toda la población silvestre de la jararaca insular está restringida a las 43 hectáreas de la Isla de Queimada Grande, una de las islas formadas en el litoral paulista después de la última glaciación, hace unos 100 mil años, cuando el nivel del mar aumentó considerablemente.

Además del genoma completo de un individuo macho de la isla, el trabajo incluyó otros genomas, menos detallados, de ocho individuos más: siete en libertad y uno que forma parte de un programa de conservación ex situ realizado en el Instituto Butantan. Al comparar los genomas, los investigadores pueden comprender mejor la variabilidad genética dentro de la especie.

Entre las futuras aplicaciones, el estudio sirve de base para comparar el genoma de la población silvestre con el de la población en cautiverio, permitiendo evaluar la salud genética de esta última. Además, el retrato genético de la población silvestre ayuda a sustentar políticas de conservación de la jararaca insular, considerada críticamente amenazada de extinción.

Evolución y datación

Otro análisis que sirvió de base para el trabajo fue el transcriptoma, el conjunto de moléculas producido por la glándula de veneno, a partir de cuatro individuos. Durante su doctorado a comienzos de la década de 2000, Junqueira de Azevedo realizó el primer estudio de transcriptómica de las glándulas de veneno de una serpiente, precisamente la jararaca insular. En ese momento, cuando las secuenciaciones genéticas aún eran una novedad, contó con una beca de la FAPESP.

El estudio actual amplía el conocimiento que se tenía sobre el veneno de las jararacas y también puede explorarse en el futuro en aplicaciones biotecnológicas, como medicamentos anticoagulantes o que reduzcan la presión arterial, como el captopril, que en este último caso se originó a partir del veneno de la jararaca del continente.

“Mucho más allá de encontrar aplicaciones, estudios como este ayudan a comprender la evolución de los genes del veneno y, en este caso, captaron el origen de un subtipo de toxina a partir de un tipo ya existente”, explica Junqueira de Azevedo.

El genoma completo también permitió reconstruir la historia demográfica de la especie a partir de una población de origen de hace cerca de 100 mil años. El modelo matemático estimó períodos de declive poblacional en el pasado y el número de individuos que se esperaría hoy. Las estimaciones se basan en la tasa de mutaciones, considerando una nueva generación de serpientes cada dos años.

Según el modelo, hace aproximadamente 100 mil años, una parte de una población continental de alrededor de 140 mil individuos probablemente se aisló en una montaña que hoy corresponde a la Isla de Queimada Grande. Los análisis muestran dos declives severos posteriores de la población, que coinciden con dos posibles eventos de insularización: hace 50 mil años (cuando la población habría llegado a 30 mil serpientes) y hace 11 mil años, cuando la población se redujo a 10 mil individuos en total.

“No es posible saberlo con certeza, pero puede haber habido un primer aislamiento con el aumento del nivel del mar, que posteriormente habría disminuido y permitido que aquella población tuviera contacto con las serpientes del continente e intercambiara genes con ellas. Después, un segundo evento de elevación de los océanos las aisló definitivamente”, afirma Nachtigall, quien durante el trabajo realizó una pasantía en la Florida State University, en Estados Unidos.

Un declive más gradual ocurrió entre hace 10 mil y 5 mil años, alcanzando alrededor de 5 mil serpientes, lo que es coherente con el censo actual de la isla, que estimó la población actual entre 2 mil y 4 mil jararacas insular.

“Logramos obtener un genoma con una resolución muy alta, lo que genera una base de datos robusta para estudios poblacionales, evolutivos, de conservación, genómicos y de venenos, tanto para comprender los orígenes como las posibles aplicaciones de las toxinas”, concluye Junqueira de Azevedo.

El trabajo también contó con apoyo de la FAPESP por medio del Programa FAPESP de Investigaciones en Caracterización, Conservación, Restauración y Uso Sostenible de la Biodiversidad (BIOTA-FAPESP). 

Hace aproximadamente 100 mil años, una parte de una población continental de alrededor de 140 mil individuos probablemente se aisló en una montaña que hoy corresponde a la Isla de Queimada Grande(foto: Daniel Antônio/Agência FAPESP)

El artículo The golden lancehead genome reveals distinct selective processes acting on venom genes of an island endemic snake puede leerse en: academic.oup.com/gbe/article/18/1/evaf243/8379231.