Desde alpacas hasta yaks, el ADN de los mamíferos revela sus secretos

Para aprender más sobre los humanos, un gran equipo internacional de científicos pasó años rastreando algunas de las criaturas más extrañas de la Tierra. Acamparon en un témpano de hielo ártico para recolectar ADN de colmillos humanos narvalmarcó un pequeño murciélago abejorro en una región rica en cuevas del sudeste asiático y se aventuró detrás de escena de un zoológico caribeño para extraer sangre del delgado hocico solenodonteuno de los pocos mamíferos venenosos del mundo.

Los investigadores compararon los genomas de estos mamíferos con los de una variedad diversa de otros, incluido un oso hormiguero, una suricata, un topo de nariz estrellada y un ser humano. Al hacerlo, pudieron identificar segmentos de ADN que apenas han cambiado durante eones de evolución de los mamíferos y, por lo tanto, es probable que sean vitales para la salud y el funcionamiento humanos.

La base de datos genética que han compilado incluye los genomas completos de 240 especies, que cubren más del 80% de las familias de mamíferos del planeta (incluidos los humanos). Podría ayudar a los científicos a responder una amplia variedad de preguntas sobre otros animales, como cuándo y cómo evolucionaron y la base biológica de algunos de sus talentos inusuales.

“¿Qué cosas increíblemente geniales pueden hacer estas especies que los humanos no pueden?” dijo Elinor Karlsson, genetista de la Escuela de Medicina UMass Chan y el Instituto Broad y codirectora de lo que se llama el proyecto zoonomia. “Siempre nos gusta pensar en los humanos como la especie más especial. Pero resulta que somos realmente molestos de muchas maneras”.

El conjunto de datos de Zoonomia tiene limitaciones. Contiene solo un genoma por especie (con la excepción del perro doméstico, que ha sido secuenciado dos veces), y faltan miles de mamíferos.

Pero en un nuevo conjunto de artículos, publicado el jueves en Science, el equipo de Zoonomia mostró el poder de este tipo de datos de múltiples especies. Y eso es solo el comienzo.

“La secuenciación de un gran número de genomas no es trivial”, dijo Michael G. Campana, científico de genómica computacional del Instituto Nacional de Biología de la Conservación y Zoológico del Smithsonian, que no formó parte del proyecto. “Lo que es realmente importante es usar estos datos”.

Estas son algunas de las cosas que los científicos de Zoonomia ya están haciendo con él:

Descubre la base de datos de competencias específicas

Para buscar las bases de los talentos animales excepcionales, los científicos buscaron secuencias genéticas que hubieran evolucionado inusualmente rápido en especies que compartían un rasgo determinado, como la capacidad de hibernar.

Dentro un análisis, los investigadores se centraron en los hibernadores profundos, como el lémur enano de cola gorda y el murciélago orejudo mayor, que pueden mantener bajas las temperaturas corporales durante días o semanas seguidas. Los investigadores encontraron evidencia de “evolución acelerada” en una variedad de genes, incluido uno que se sabe que ayuda a proteger las células contra el estrés relacionado con la temperatura y otro que inhibe una vía celular relacionada con el envejecimiento.

“Muchas especies que hibernan también tienen una longevidad excepcional”, dijo el Dr. Karlsson, lo que lo llevó a preguntarse: ¿Los cambios en este gen contribuyen a su larga vida?

Los investigadores también han explorado el sentido del olfato en los mamíferos. Los animales tienen una amplia variedad de diferentes receptores olfativos, cada uno capaz de unirse a ciertas moléculas que causan el olor; las especies con más genes de receptores olfativos generalmente tienen un sentido del olfato más desarrollado.

Cuando el equipo de Zoonomia contó el número de estos genes en cada especie, el elefante africano de la sabana ocupó el primer lugar, con 4199. Le siguieron el armadillo de nueve bandas y el perezoso de dos dedos de Hoffmann, mientras que el agutí centroamericano ocupó el cuarto lugar.

El agutí “resulta tener uno de los mejores repertorios olfativos de cualquier mamífero, por razones completamente desconocidas”, dijo el Dr. Karlsson. “Nos recuerda cuánta diversidad hay de la que no sabemos nada”. (Los perros, señaló, no resultaron ser “particularmente especiales” en este sentido).

Por otro lado, los cetáceos, un grupo que incluye delfines y ballenas, tienen una cantidad particularmente pequeña de genes de receptores olfativos, lo que tiene sentido dados sus hábitats acuáticos. “Se comunican de otras maneras”, dijo Kerstin Lindblad-Toh, genetista del Instituto Broad y la Universidad de Uppsala y otra directora de proyectos de Zoonomia.

Las especies con más genes de receptores olfativos también tendían a tener más cornetes olfativos, estructuras óseas en la cavidad nasal que facilitan el olfato. Los hallazgos sugieren que “si bien ciertos rasgos son importantes, evolucionan de múltiples maneras”, dijo la Dra. Lindblad-Toh.

Agregó: “Creo que una de las cosas importantes con nuestro conjunto de datos es que genera la secuenciación del genoma para tantas especies diferentes que las personas pueden comenzar a observar sus características favoritas”.

En febrero de 1925, en medio de una epidemia de difteria, un relevo de equipos de perros de trineo entregó un suministro de emergencia de antitoxina a Nome, Alaska, que había quedado aislada por la nieve. Balto, uno de los perros que corrió el último tramo del relevo, se hizo famoso; cuando murió unos años más tarde, su cuerpo disecado se exhibió en el Museo de Historia Natural de Cleveland.

Ahora, un equipo de investigadores de Zoonomia ha utilizado un pequeño trozo de este tejido relleno para aprender más sobre el famoso perro de trineo y sus contemporáneos caninos. “Vimos esto como un pequeño desafío”, dijo Kathleen Morrill, autora del artículo de Balto, quien realizó la investigación como estudiante de posgrado en la Escuela de Medicina UMass Chan y ahora es científica principal en Colossal Biosciences. “Aquí está este individuo, realmente famoso. No sabemos mucho sobre su biología. ¿Qué podemos decir sobre su genoma?

Descubrieron que Balto era genéticamente “más saludable” que los perros de pura raza modernos, con más variación genética heredada y menos mutaciones potencialmente dañinas. Este hallazgo probablemente se deba al hecho de que los perros de trineo generalmente se crían para el rendimiento físico y pueden ser una mezcla de razas.

Balto también tenía una variedad de variantes genéticas que no estaban presentes en los lobos y que eran raras o estaban ausentes en los perros de pura raza modernos, encontraron los investigadores. Muchas de las variantes estaban en genes involucrados en el desarrollo de tejidos y pueden haber afectado una variedad de rasgos importantes para los perros de trineo, como el grosor de la piel y la formación de articulaciones. Balto tenía dos copias de estas variantes, una heredada de cada padre, lo que significa que probablemente eran al menos algo comunes entre otros perros de trineo de Alaska en ese momento.

“Obtenemos una imagen mucho más clara de cómo se veía y cómo se habría visto su población”, dijo Katie Moon, investigadora postdoctoral en la Universidad de California, Santa Cruz y autora del artículo. “Y esa imagen es de perros de trineo de trabajo muy bien adaptados”.

Iluminando líneas de tiempo evolutivas

Los científicos han debatido durante mucho tiempo exactamente cómo y cuándo surgió la diversa variedad de mamíferos de hoy. ¿Se ramificó el árbol genealógico de los mamíferos después de la extinción de los dinosaurios hace unos 66 millones de años? ¿O el proceso tuvo lugar en gran parte antes del desastre?

A nuevo análisis con genomas de Zoonomia sugiere que la respuesta es ambas. Los mamíferos comenzaron a diversificarse. Hace unos 102 millones de años, cuando los continentes de la Tierra se estaban fragmentando y el nivel del mar comenzó a subir. “Esto aisló a los predecesores de los linajes modernos en diferentes masas de tierra”, dijo William Murphy, genetista evolutivo de la Universidad Texas A&M y autor del artículo.

Pero otro brote de diversificación se produjo después de la extinción de los dinosaurios, encontraron los investigadores, cuando la aparición de nuevas tierras y la desaparición de los reptiles reinantes proporcionaron a los mamíferos nuevos hábitats, recursos y oportunidades.

“Es un documento realmente histórico”, dijo Scott Edwards, biólogo evolutivo de Harvard, que no participó en la investigación. “Probablemente sea el más grande de su tipo en términos de tratar de poner a los mamíferos en una escala de tiempo”.

El paquete Zoonomia es más ampliamente “un cuerpo de trabajo monumental”, agregó. “Esto realmente establecerá el estándar para nuestra comprensión de la evolución de los mamíferos en el futuro”.

Predecir el riesgo de extinción

Los mamíferos generalmente heredan dos copias de la mayoría de las secuencias genéticas, una de cada padre. Determinar qué tan cerca coinciden estas secuencias puede proporcionar información sobre el tamaño de las poblaciones animales anteriores; largos tramos de ADN coincidente pueden ser un signo de consanguinidad, por ejemplo.

El genoma de un solo animal refleja “cuán estrechamente relacionados estuvieron sus padres, sus abuelos, todo el tiempo”, dijo Aryn Wilder, genetista de conservación de San Diego Zoo Wildlife Alliance.

Dr. Wilder y sus colegas genomas de zoonomia usados estimar el tamaño de las poblaciones de diferentes especies a lo largo de la historia. En comparación con las especies históricamente abundantes, aquellas que tenían poblaciones anteriores pequeñas tenían mutaciones genéticas más potencialmente dañinas y tenían más probabilidades de ser clasificadas como amenazadas por Union Internacional para la Conservación de la Naturaleza.

Los investigadores también analizaron los genomas de tres especies cuyo riesgo de extinción es considerado desconocido por la UICN por falta de datos: la orca, la rata topo ciega de montaña de la Alta Galilea y el ciervo. se ve exactamente como se anuncia). Los resultados sugieren que las orcas pueden estar en mayor riesgo.

El enfoque podría proporcionar una forma rápida de priorizar especies para evaluaciones de riesgos más profundas y con uso intensivo de recursos, dijo Beth Shapiro, paleogenética de la Universidad de California en Santa Cruz y autora del estudio. “Podría ser una forma relativamente simple de hacer una clasificación de conservación”, dijo.