El profesor Cristian Cañestro, del Departamento de Genética y del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio) de la Universidad de Barcelona, ha formado parte del consorcio internacional que ha secuenciado el genoma de un pez primitivo, el Lepisosteus oculatus, o catán pinto (en inglés, spotted gar, conocido en el ámbito científico como gar). El estudio, publicado en la revista científica Nature Genetics, revela cómo el genoma de este pez puede ser clave para entender transiciones evolutivas importantes (por ejemplo, el paso del agua a la tierra en los vertebrados), y desde un punto de vista aplicado a la medicina traslacional, conectar mejor el genoma humano con destacados modelos animales, como el pez cebra, a la hora de estudiar enfermedades humanas.
El consorcio internacional ha sido dirigido por los expertos John H. Postlethwait, de la Universidad de Oregón, e Ingo Braasch, ahora en la Universidad Estatal de Míchigan, en colaboración con el Instituto Broad del MIT y Harvard en Estados Unidos. El profesor Cristian Cañestro es el único experto de todo el Estado que es coautor del estudio, en el que participan científicos de más de treinta centros de investigación de todo el mundo.
Uno de los «fósiles vivientes» favoritos de Charles Darwin
El catán pinto es un pez de agua dulce, voraz depredador de peces y crustáceos que puede llegar a medir más de un metro de longitud. Su distribución geográfica está restringida a los ecosistemas de América del Norte, América Central y Cuba. El catán pinto pertenece a la familia ancestral Lepisosteidae, con fósiles ya presentes en el Cretácico y caracterizada por una excepcional baja tasa de especiación —solo se conocen siete especies— y una lenta evolución morfológica.
Tal como explica el profesor Cristian Cañestro, que es miembro del Grupo de Investigación Evolución y Desarrollo (EVO-DEVO) de la UB, «esta familia de peces ya fue citada en 1859 por el naturalista Charles Darwin, en su libro El Origen de las especies, como ejemplo para describir el término de fósil viviente. Una de las características singulares de este pez es la capacidad de respirar fuera del agua de forma facultativa utilizando la vejiga natatoria como un pulmón, especialmente si la temperatura del agua es alta y la concentración de oxígeno es baja».
La secuenciación de su genoma —continúa Cristian Cañestro— ha permitido demostrar que el catán pinto tiene una tasa de cambio genético extraordinariamente baja, de forma que el carácter ancestral que le atribuyó Darwin a partir de observaciones morfológicas se extiende también al nivel molecular».
Una posición filogenética clave en la evolución de los peces
La condición de «fósil viviente» del catán pinto y su posición filogenética clave, basal dentro de los peces actinopterigios (con esqueleto de espinas óseas en las aletas) y grupo hermano de los teleósteos, son los motivos que han impulsado al consorcio internacional a secuenciar su genoma. «El catán pinto representa para los teleósteos lo que representa el celacanto para los tetrápodos», afirman el Dr. Ingo Braasch y el Dr. John H. Postlethwait, líderes de este consorcio internacional.
Durante la evolución temprana de los teleósteos, se produjo una duplicación genómica (TGD, teleósteos genome duplication) que aumentó extraordinariamente el número de genes y favoreció la explosión radiactiva que ha originado uno de los grupos vertebrados con más especies (en torno a las 27.000 especies, el 96 % de todos los peces). El hecho de que la familia del catán pinto diverja previamente a la TGD ofrece una oportunidad única para inferir cómo era el genoma ancestral de los peces y estudiar el impacto de las duplicaciones genómicas en las radiaciones de las especies.
El catán pinto, útil para identificar pérdidas de genes durante la evolución de los vertebrados
El grupo de investigación del Dr. Cristian Cañestro es especialista en el estudio del impacto de las pérdidas génicas en la evolución de las especies. «La pérdida de genes —apunta Cañestro— puede ser una fuerza evolutiva adaptativa seleccionada positivamente, como por ejemplo la pérdida de los genes CCR5 o DARC en ciertas poblaciones humanas, que confiere resistencia a la infección del sida o la malaria, respectivamente».
La duplicación genómica de los teleósteos fue acompañada de masivas pérdidas génicas, las cuales dificultan saber si un gen presente en humanos pero ausente en el pez cebra es una innovación evolutiva de los primeros o una pérdida del segundo. «Participar en el análisis del genoma del catán pinto —comenta Cañestro— ha sido una oportunidad única que nos ha permitido afrontar esta problemática: gracias a la posición filogenética basal y a su lenta tasa evolutiva —que ha hecho que mantenga la mayoría de genes ancestrales—, hemos demostrado que el genoma del catán pinto es una herramienta muy valiosa para diferenciar pérdidas de ganancias génicas durante la evolución de los vertebrados».
La comparación del genoma del catán pinto con el del pollo y el humano revela que la tasa de cambio cromosómico es también muy baja, y muchas regiones cromosómicas se mantienen casi idénticas, a diferencia de las de otros peces que han sufrido muchas reorganizaciones. Esta semejanza cromosómica se mantiene incluso en el orden en que los genes están posicionados en los cromosomas, fenómeno que se conoce como conservación sinténica.
El grupo investigador de la UB ha realizado análisis filogenéticos y de sintenia comparada (conservación del orden génico) entre el genoma del catán pinto y el genoma humano, en especial de regiones donde se localizan los genes de la familia Aldh1a, que codifican para enzimas que regulan la síntesis del ácido retinoico, un morfógeno derivado de la vitamina A fundamental para el desarrollo embrionario, del sistema nervioso, de la retina y de las extremidades. Estos análisis han demostrado la presencia de algunos de estos genes en el catán pinto, y han revelado que su origen es ancestral en los vertebrados, y que la ausencia de algunos de estos genes en peces teleósteos se ha debido a pérdidas génicas en estos animales en lugar de innovaciones en los tetrápodos.
Dientes en tetrápodos y escamas en peces ancestrales
Un ejemplo muy ilustrativo de la utilidad del catán pinto para entender la evolución de ganancias y pérdidas de los genes y su relevancia para entender las innovaciones evolutivas es el caso de la familia SCPP (secretory calcium-binding phosphoproteins), que es fundamental para la mineralización de tejidos (por ejemplo, la del esmalte dental).
«La ausencia en teleósteos de genes SCPP relacionados con la formación del esmalte dental había sido interpretada como si fuera una innovación de los tetrápodos», apunta Cañestro. «El genoma del catán pinto ha revelado, sin embargo, la presencia de estos genes SCPP, y el descubrimiento de su papel en la mineralización de escamas, sugiriendo la hipótesis de que la función de estas proteínas en las escamas del ancestro de los vertebrados fue reclutada posteriormente por la formación del esmalte dental».
El catán pinto, un puente genómico entre humanos y peces para desarrollar modelos de enfermedades
El genoma del catán pinto no solo facilita la conexión correcta entre los genes humanos y los de modelos como el pez cebra; sino que también permite descubrir regiones reguladoras conservadas (CNE) en los genes humanos que hasta ahora permanecían crípticas.
La distancia genética entre peces teleósteos y humanos es en muchos casos demasiado lejana como para identificar CNE cuando se comparan las regiones reguladoras. La distancia genética del catán pinto ha demostrado ser ideal para funcionar como puente entre el genoma humano y el de otros modelos teleósteos como el pez cebra. Así pues, el genoma del catán pinto ha ayudado a identificar en torno a 6.500 CNE humanos previamente desconocidos, de los cuales, unos 1000 están relacionados con enfermedades u otras alteraciones fenotípicas en estudios de asociación a gran escala en el genoma humano.
El Dr. David Parichy, profesor de la Universidad de Washington, comenta en el artículo «News and Views», incluido en el mismo número de Nature Genetics en que se ha publicado el estudio sobre el catán pinto, que «la futura aplicación de técnicas de transgénesis y de edición génica como el CRISPR en el catán pinto, y el uso del su genoma como puente entre el hombre y otros peces auguran un futuro prometedor para el catán pinto como herramienta clave a la hora de establecer nuevos modelos animales de enfermedades humanas y de otras aplicaciones de medicina traslacional, así como para descubrir muchos de los aspectos clave de la evolución de los vertebrados».
Imagen: La secuenciación del genoma del catán pinto ayuda a entender algunas de las transiciones evolutivas de los vertebrados, como el paso del agua a la tierra o el desarrollo de las extremidades
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