Introducción
Posada sobre una hoja en la selva tropical, la diminuta rana mantella dorada alberga un secreto. Comparte ese secreto con la rana de lengua de tenedor, la rana de caña y una miríada de 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: salpicado a través de los genomas de las ranas hay un gen, bobb, que aparentemente provenía de serpientes.
Después de analizar detenidamente los genomas de las especies de ranas y serpientes de todo el mundo, los científicos informaron en abril en un papel in Biología Molecular y Evolución que este gen de alguna manera ha viajado de serpientes a ranas al menos 50 veces por todo el planeta. Pero en Madagascar se ha insertado en las ranas con sorprendente promiscuidad: el 91% de las especies de ranas muestreadas allí lo tienen. Algo parece hacer de Madagascar un lugar excepcionalmente propicio para que el gen se vuelva móvil.
Cuándo Atsushi Kurabayashi, profesor asociado en el Instituto de Biociencia y Tecnología de Nagahama y autor principal del nuevo artículo, vio por primera vez la versión serpiente del gen en las ranas, estaba 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 de un padre a un hijo.
Ese estallido envió a Kurabayashi tras la pista de un fenómeno que alguna vez se pensó que era extremadamente raro, aunque el surgimiento de una mejor secuenciación genómica ha hecho 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, los investigadores pueden necesitar mirar más allá de los simples mecanismos genéticos a los contextos ecológicos en los que viven las especies. Los genomicistas aún luchan por comprender qué tan comunes o raras son las transferencias horizontales en organismos complejos, pero algunos lugares, como Madagascar, pueden ser puntos críticos para ellas.
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Cuando los genes vagan
La transferencia horizontal es un lugar común en las bacterias. Los abundantes organismos unicelulares que pueblan casi todos los rincones del planeta recogen los genes de su entorno con la misma facilidad con la que un cepillo quitapelusa recoge el pelo de un gato. Esa 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 asegura 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 formen una red de vida relacionada en lugar de un árbol genealógico ramificado.
Sin embargo, las células de los 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 solo los genes que necesitan examinar en un momento dado. La célula está cargada con dispositivos de seguridad para evitar daños en su ADN y para reparar el desgaste. Si el genoma es como un manuscrito iluminado de valor incalculable, sus bibliotecarios llevan espadas.
Sin embargo, los ejemplos de transferencias horizontales de genes que involucran a eucariotas siguen apareciendo en la literatura científica. 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 por una proteína que evita que su sangre se congele; probablemente saltó de arenques a eperlanos. laurie graham, bióloga molecular de la Universidad de Queen en Canadá, y sus colegas lo informaron el año pasado; sus hallazgos fueron tan contradictorios que Graham tuvo dificultades para publicar el trabajo.
Del mismo modo, 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, escribió jinlinghuang de la Universidad de Carolina del Este y colegas en un papel este año.
Hay razones bellamente claras por las que la evolución sonrió en algunas de estas improbables transferencias. Los peces con el gen no se congelan. Las enzimas digestivas de los nematodos les permiten exprimir más energía de las paredes celulares de las plantas que comen. Debido a un grupo de enzimas recogidas de bacterias, las algas rojas que habitan en aguas termales estudiadas por el biólogo evolutivo Debashish Bhattacharya y su alumno Julia Van Etten en la Universidad de Rutgers pueden sobrevivir al contacto con sustancias que de otro modo los 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 transmiten necesariamente una ventaja. bobb es un transposón bien conocido, un trozo de material genético propenso a saltar aleatoriamente alrededor del genoma. En cierto modo, sus saltos de serpientes a ranas en Madagascar, sin importar cómo ocurrieran, son saltos extrañamente más grandes de lo habitual. Además, aunque los transposones pueden tener efectos profundos en los genomas, bobb no es un gen con una función en el sentido tradicional; es solo un poco de ADN que hace copias de sí mismo. Kurabayashi señala que aunque la posibilidad de que bobb beneficiado las ranas no se puede descartar, es más probable que bobb persiste a través de su propio éxito agresivo en la auto-duplicación. Esto puede ayudar a explicar por qué cuando los eucariotas terminan con el material genético de otros organismos, transposones como bobb a menudo están involucrados.
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 hacen menos que un material 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 Patricio Keeling, biólogo de la Universidad de Columbia Británica que estudia las transferencias horizontales.
Ir viral
A diferencia de las bacterias, los virus tienen una verdadera habilidad para recoger genes de sus huéspedes eucariotas. Los virus, particularmente los llamados retrovirus, tienen las herramientas para ingresar a las células y núcleos de un 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 de hace mucho tiempo en la historia de nuestra especie.
A veces, la transferencia también va en sentido contrario. En un papel publicado en Naturaleza Microbiología el pasado mes de diciembre, Keeling, su colaborador Nicolás 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, con transferencias de huésped a virus aproximadamente el doble de comunes que las transferencias de virus a huésped. Llegaron a la conclusión de que las transferencias horizontales de genes habían sido los principales impulsores de la evolución en ambos lados: los virus a menudo usaban los genes eucariotas que adquirieron para volverse más efectivos para infectar a sus huéspedes, mientras que los eucariotas a veces usaban elementos de los genes virales para crear características novedosas o para regular su metabolismos de nuevas formas.
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 anfitriones, y si pueden dejar fragmentos de sus genomas, parece posible que a veces también puedan transportar genes del último anfitrión que infectaron, o incluso uno de generaciones atrás, y dárselos a otros. un nuevo anfitrión.
La participación de 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 toda una serie de obstáculos. Primero deben pasar de la especie donante a la nueva especie huésped. Luego deben ingresar al núcleo y refugiarse en el genoma del huésped. Pero entrar en el genoma de cualquier célula no servirá: en criaturas multicelulares como ranas y arenques, un gen no se transmitirá a la descendencia del animal a menos que pueda colarse en una célula germinal: un espermatozoide o un óvulo.
Los virus pueden 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 los virus ingeridos en los alimentos pueden asentarse. Debido a que las ranas liberan sus óvulos y espermatozoides en aguas abiertas, esas células son potencialmente vulnerables a los virus en el medio ambiente que podrían introducirse en los genes.
Incluso con criaturas más grandes, podría ser más fácil de lo que piensas. 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 las células germinales”.
Keeling sugiere que para comprender el misterio de la transferencia horizontal de genes, tal vez deberíamos pensar en ellos 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 planta huésped apetitosa con fuertes defensas. “Están tan atados a la ecología donde está esa cosa, pero cambia”, especuló. Con el cambio incorrecto en el entorno, el gen transferido "ya no es ventajoso y se pierde".
Pistas ecológicas
Las transferencias horizontales de genes en eucariotas pueden estar ocurriendo todo el tiempo: en el estanque de su patio trasero, en el suelo bajo sus pies, en los animales, insectos y plantas que componen el ecosistema. “Creo que hay mucha más transferencia de la que sabemos”, dijo Bhattacharya. “Simplemente no los vemos porque son barridos”.
Para comprobar lo común que es que las ranas tengan serpiente bobb, el equipo de Kurabayashi se acercó a sus colegas para obtener muestras de ranas de todo el mundo para la secuenciación del ADN. Descubrieron que de 149 especies, 50 regresaron con bobb. Las 32 ranas malgaches que probaron representaban 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 bobb hasta después de que sus antepasados emigraran de África a Madagascar.
Lo más interesante del documento, dijo Graham, “es que muestra que la tasa de transferencia no es uniforme. Varía ampliamente entre las regiones geográficas”. Si se emprenden más estudios con el objetivo de observar la transferencia de genes en todo el mundo, ver si las transferencias han ocurrido a diferentes velocidades en diferentes lugares, lo que encontremos puede sorprendernos. Quizás la geografía importa más de lo que podríamos esperar.
¿Hay algo en el medio ambiente de Madagascar que lo convierta en un punto crítico para las transferencias de genes? Nadie sabe. Kurabayashi dice que él y su grupo sospechan con más fuerza que la serpiente bobb en Madagascar se diferencia de las versiones en otras partes del mundo en que es un poco mejor para ingresar a un nuevo host.
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”. Las criaturas chupasangre se alimentan de muchos tipos de animales, incluidas ranas y serpientes, y no están por encima de tomar muestras de humanos. Vences y sus colegas especulan que las sanguijuelas pueden llevar sangre que contiene el gen saltador de la serpiente a las ranas, o quizás el gen saltador ya está 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 los escenarios que describen cómo podrían haber ocurrido tales transferencias horizontales. Sin la selección para preservar las secuencias de ADN, tienden a mutar y codificarse 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 detectar un salto genético en el acto para saber cómo está sucediendo.
Bhattacharya se encuentra en las primeras etapas de un proyecto que pretende hacer precisamente eso. En las aguas termales de Lemonade Creek en el Parque Nacional de Yellowstone, él y sus colegas están buscando señales de transferencias que aún pueden estar en proceso de afianzarse. Están estudiando el ADN de las algas rojas que han recogido genes de bacterias que también viven en los manantiales, genes que solo tienen pequeñas diferencias con los originales. “No estamos hablando de hace millones de años”, dijo Bhattacharya. “Estamos hablando de un 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 los manantiales cercanos carecen de alguno de estos genes transferidos, entonces pueden estar presenciando el comienzo de una onda de cambio genético que se mueve hacia el exterior a través de las algas, de un manantial vecino al siguiente. Cada nueva piscina caliente puede ser una isla al borde de una transformación.
