Un estudio del genoma de peces pequeños revela las fuerzas que rigen la evolución paralela
¿Cómo de predecible es la evolución? Si la historia de la vida pudiera volver a empezar de nuevo sometida a los mismos factores ambientales limitantes, ¿la evolución tendría el mismo resultado? Estas preguntas han fascinado durante mucho tiempo a los biólogos evolutivos, que se afanan por dilucidar el papel de procesos estocásticos frente a los procesos deterministas en la historia evolutiva de los organismos. «Investigar cómo evolucionaron los organismos a lo largo del tiempo y cómo se adaptaron en respuesta a cambios ambientales similares podría ayudar a los investigadores a predecir cómo podrían adaptarse las bacterias o los virus a los tratamientos farmacológicos. Por lo tanto, los métodos evolutivos podrían ayudar a mejorar los tratamientos con antibióticos», señala Catherine Peichel, beneficiaria de una beca individual de investigación Marie Skłodowska-Curie y coordinadora del proyecto PLEVOCON.
Un banco de pruebas para experimentos evolutivos naturales
El espinoso, un pez con el tamaño de un dedo distribuido por el hemisferio norte, es una especie modelo clásica en biología evolutiva. Con el derretimiento de las capas de hielo de Groenlandia al final del último máximo glacial, los espinosos evolucionaron para vivir en agua dulce desde agua marina en tan solo 15 000 años. Tras colonizar nuevos entornos de agua dulce en diferentes regiones, comenzaron a presentar analogías en su fenotipo, un fenómeno conocido como evolución paralela. Las poblaciones de espinoso presentes en lagos grandes suelen tener un cuerpo esbelto y pequeño, ojos grandes y estructuras adaptadas para alimentarse de zooplancton en aguas superficiales. Sin embargo, en contraposición a sus homólogos limnéticos (que viven en lagos), las poblaciones bentónicas que habitan en arroyos suelen tener un cuerpo más largo y robusto y ojos más pequeños. «Estos patrones divergentes entre espinosos de lagos y arroyos se repiten en poblaciones aisladas geográficamente», señala Peichel. Si estos rasgos fenotípicos recurrentes surgieron de forma independiente en diferentes linajes evolutivos, esto demuestra que la evolución respondió a condiciones ambientales idénticas utilizando los mismos mecanismos. «La evolución no siempre es el resultado de procesos estocásticos, ya que también puede obedecer a procesos deterministas y llegar a la misma solución una y otra vez», agrega Peichel.
Dilucidar la base genética de la evolución paralela
PLEVOCON no se limitó a identificar patrones recurrentes de evolución paralela en el genoma del espinoso, sino que se propuso dilucidar qué determina dichos patrones, esto es, trató de responder a la pregunta de si se activan cada vez los mismos genes (o loci) y mecanismos genéticos para producir los patrones divergentes que se observan en organismos con un aspecto parecido. Los investigadores llevaron a cabo un estudio de secuenciación hologenómica de 16 parejas de espinosos de arroyos y lagos de agua dulce de la isla de Vancouver (Canadá) y descubrieron que aproximadamente el 30 % de las regiones genómicas altamente diferenciadas evolucionaron en paralelo. Los estudios comparativos revelaron que las tasas de mutación y recombinación entre ventanas móviles paralelas y no paralelas no diferían significativamente. Pero lo que sí observaron fue que las regiones genómicas paralelas contenían una mayor cantidad de genes pleiotrópicos, es decir, genes que contribuyen a múltiples rasgos fenotípicos. El equipo utilizó dos metodologías diferentes para estudiar la relación entre pleiotropía y evolución paralela. Primero, se buscó en grandes bases de datos genéticos loci de rasgos cuantitativos (regiones específicas del genoma donde los genes interactúan para dar lugar a rasgos fenotípicos complejos) y se descubrió que las ventanas paralelas albergaban un número mayor de tales regiones. En segundo lugar, se emplearon datos de secuenciación de ARN derivados de estudios previos con espinosos para buscar patrones de coexpresión génica. Los resultados revelaron que las ventanas paralelas actuaron como un punto crítico para genes altamente correlacionados, que sirven como una variable sustitutiva para la pleiotropía. «Nuestros hallazgos contradicen las predicciones que sostienen que los genes no pleiotrópicos tiene mayor libertad para evolucionar en paralelo. Los genes con niveles muy altos de pleiotropía podrían retrasar de hecho la adaptación, pero los genes con pleiotropía limitada tienden a favorecer la adaptación», concluye Peichel.
Palabras clave
PLEVOCON, pleiotropía, genoma, espinoso, evolución paralela, rasgo fenotípico, loci de rasgos cuantitativos, coexpresión génica