El tamaño no importa cuando de número de genes se trata

El viernes fue publicado en Science el borrador del genoma de un diminuto crustáceo llamado Daphnia pulex. Este pequeño animal, que mide entre 1 y 5 milímeotros, tiene un genoma de sólo 200Mb —unas 15 veces más pequeño que el genoma humano— pero posee más genes que cualquier organismo conocido hasta ahora, con 30,907. Esto debido a los procesos de duplicación genética que han ocurrido durante su evolución. Muchos de los genes presentes en Daphnia no tienen homólogos en otras especies, lo que significa que tiene proteínas con funciones únicas, no descritas anteriormente. Pero, ¿por qué es tan importante conocer el genoma de esta especie?

Las Daphnia son consideradas como el más antiguo de los modelos biológicos usados en investigación. Por ejemplo, Iliá Metchnikoff ganó el Premio Nobel en 1908 por sus estudios sobre la fagocitosis y los procesos de inmunidad usando a este diminuto crustáceo. Unos años más antes, gracias al uso de Daphnia, August Weismann desarrolló su teoría de que sólo las células germinales transmitían la información hereditaria en los animales. Pero el uso más importante que se la ha dado —y se le sigue dando— a Daphnia es en los estudios de plasticidad fenotípica, donde el organismo puede cambiar ciertas características en función a las condiciones del ambiente.

Daphnia es la base de la cadena alimenticia de los ecosistemas acuáticos, pero las características más importantes que tiene, la cual la convierten en un buen modelo biológico es que son casi transparentes, tienen un ciclo de vida muy corto (permitiendo hacer más experimentos en menos tiempo) y son fáciles de mantener y reproducir ya que se pueden dividir tanto sexual como asexualmente.

Como mencionamos anteriormente, su plasticidad fenotípica lo convierten en un organismo sumamente interesante. Daphnia responde de diferente manera ante los químicos liberados por diferentes depredadores, lo cual le permite expresar genes que les dan características especiales tales como espinas protectoras (figura superior) o estructuras tipo cascos. Además son capaces de adaptarse fisiológicamente a amplios rangos de pH, toxinas, niveles de oxígeno o alimento y temperaturas. 

Para tener todas estas características, es lógico pensar que tiene una gran cantidad de genes y por lo tanto un genoma sumamente grande. Fue así que un grupo internacional de investigadores liderados por el Dr. John K. Colbourne se dedicaron a develar los secretos del genoma de este pequeño crustáceo. En resumen esto fue lo que se encontró:

El genoma de Daphnia mide ~200Mb, fue secuenciado con una cobertura de 8.7X, lo que ha permitido ensamblarlo en un 80%, y está dividido en 12 cromosomas. Se ha predicho aproximadamente 30,907 genes codificantes de proteínas (genes putativos), de los cuales el ~64% presentan homólogos en otras especies. Tal vez el número elevado de genes se deba a la presencia de pseudogenes, pero al hacer un análisis profundo los investigadores determinaron que como máximo el 6% lo serían. Además se encontraron ~50 genes que codifican microARNs, 468 que codifican ARN ribosomales y 3798 que codifican ARN de transferencia. El ~9% del borrador del genoma esta compuesto de transposones (regiones de ADN que pueden saltar de un lugar a otro). De todos los artrópodos, Daphnia es el que comparte más genes con los humanos.

Bueno, si el 64% de los genes de Daphnia presentan homólogos en otras especies, esto quiere decir que el 36% son únicos. Esto se debe a la gran cantidad de genes duplicados que presenta este organismo. La tasa de duplicación de genes en Daphnia es tres veces superior a la tasa de duplicación en moscas y nematodos y un 30% mayor al de los humanos. Estos genes duplicados evolucionaron de manera independiente y adquirieron nuevas funciones. Al hacer un estudio filogenético para determinar la historia de la familia de genes presentes en Daphnia, se ve que este organismo ha ganado más genes que los que ha perdido. Esto explicaría el alto número de genes que posee.

Algo interesante del genoma de Daphnia es que posee genes que expresan un gran número de opsinas, las cuales son pequeñas proteínas fotosensibles. En Daphnia a estas opsinas se las conoce como artropsinas, las cuales son los ancestros de las melanopsinas de los cordados. Es probable que estos receptores de luz jueguen papeles importantes en el entorno marino y han podido ejercer una influencia en el contenido genético de Daphnia.

Las duplicación de genes son una importante fuerza evolutiva. Lo que normalmente ocurre cuando un gen es duplicado, es que una de las copias sufra mutaciones y se inactive, convirtiéndose en un pseudogen. Pero, la selección natural puede llegar a favorecer a las dos copias siempre y cuando cada una de las copias, al sufrir las mutaciones, adquieran funciones que sean beneficiosas para el organismo. Cada gen generado puede ubicarse en distintas regiones del genoma, por lo tanto estarán regulados por diferentes sitios o factores de transcripción, expresándose de manera diferencial. A esto se le conoce como expansión genética, la cual ha sido muy bien aprovechada por Daphnia.

Los investigadores observaron que los genes únicos encontrados en Daphnia eran sobre-expresados cuando el crustáceo era expuesto a diferentes estreses ambientales en el laboratorio. Es por esta razón que Daphnia sería un importante modelo biológico para estudios toxicológicos ambientales.

Por otro lado, los investigadores creen que estos genes únicos han sido preservados por arrastre, que se define como el proceso por el cual la probabilidad inicial de preservar un gen duplicado es a través de su interacción con otros genes pre-existentes o con la interacción de nuevos genes con los cuales comparte un mismo mecanismo de regulación.

Para terminar, la estructura del genoma de este pequeño crustáceo y la respuesta funcional de los genes ante diferentes condiciones ambientales, nos podrían ayudar a entender el rol que cumple el entorno en la evolución de los genomas, y por lo tanto, de las especies. Además, podríamos aprovechar de esos genes únicos para diseñar organismos capaces de solucionar nuestros problemas de polución de suelos, aguas y aire.

Referencia:

Colbourne, J., Pfrender, M., Gilbert, D., Thomas, W., Tucker, A., Oakley, T., Tokishita, S., Aerts, A., Arnold, G., Basu, M., Bauer, D., Caceres, C., Carmel, L., Casola, C., Choi, J., Detter, J., Dong, Q., Dusheyko, S., Eads, B., Frohlich, T., Geiler-Samerotte, K., Gerlach, D., Hatcher, P., Jogdeo, S., Krijgsveld, J., Kriventseva, E., Kultz, D., Laforsch, C., Lindquist, E., Lopez, J., Manak, J., Muller, J., Pangilinan, J., Patwardhan, R., Pitluck, S., Pritham, E., Rechtsteiner, A., Rho, M., Rogozin, I., Sakarya, O., Salamov, A., Schaack, S., Shapiro, H., Shiga, Y., Skalitzky, C., Smith, Z., Souvorov, A., Sung, W., Tang, Z., Tsuchiya, D., Tu, H., Vos, H., Wang, M., Wolf, Y., Yamagata, H., Yamada, T., Ye, Y., Shaw, J., Andrews, J., Crease, T., Tang, H., Lucas, S., Robertson, H., Bork, P., Koonin, E., Zdobnov, E., Grigoriev, I., Lynch, M., & Boore, J. (2011). The Ecoresponsive Genome of Daphnia pulex Science, 331 (6017), 555-561 DOI: 10.1126/science.1197761

Imagen: Flickr @galileo.galery.