Investigadores españoles secuencian el genoma del anfioxo, un organismo clave en la evolución de los vertebrados

l estudio, titulado The amphioxus genome and the evolution of the chordate karyotype, presenta en primicia científica el genoma completo del anfioxo, un organismo modelo que durante siglos ha centrado el interés de zoólogos, embriólogos, y ahora también de genetistas y biólogos moleculares.

El anfioxo es el representante más antiguo del philum, que comprende el subphilum de los urocordados (tunicados), de los cefalocordados (anfioxo) y de los vertebrados. Cefalocordados y vertebrados, desde hace más de 450 millones de años, han evolucionado de forma independiente pero hoy todavía comparten muchas características en común. Los amfioxos, en concreto, son los modernos supervivientes de un antiguo linaje de cordados con registro fósil desde el periodo Cámbrico. Muestran cualidades intermedias entre invertebrados y vertebrados, y son el modelo biológico más estudiado para reconstruir el camino evolutivo entre estos dos grupos.

En la actualidad, hay 29 especies de anfioxo en las costas de todo el planeta, pero en investigación sólo se utilizan tres: Branchiostomoa floridae (EE UU), Branchiostoma lanceolatum (Europa) y Branchiostoma belcheri (Asia). La genética molecular del anfioxo se inicia en 1992, con la clonación del primer gen con secuencia homeótica (homeobox), el AmphiHox 3.

El estudio publicado ahora en la revista Nature analiza la estructura genética del genoma del amfiox de Florida (B. floridae), dotado de 19 cromosomas y 520 megabases, y revisa los datos genéticos en el contexto evolutivo de los cordados.

En concreto, se trata de la secuenciación del genoma del ser vivo más próximo en el ancestro común de los cordados (tunicados, cefalocordados y vertebrados) a nivel de genes, estructura y organización cromosómica.

El misterio de las redes génicas

La secuenciación del genoma del anfioxo aporta una nueva comprensión a la evolución biológica de los tres grupos de cordados (tunicados, anfioxos y vertebrados), a la transición entre invertebrados y vertebrados, y al origen del genoma humano.

Para el catedrático García-Fernàndez, "el genoma del anfioxo ha conservado la mayoría de genes de los cordados ancestrales. Por eso, el anfioxo nos ayuda a entender mejor las redes génicas de desarrollo en humanos y las alteraciones que pueden afectar a estos procesos. Para nosotros, es una referencia para comprender mejor los mecanismos básicos de muchos procesos en un modelo genético mucho más sencillo".

El estudio también ha sido clave para confirmar la hipótesis 2R, las grandes familias génicas en vertebrados se originan a partir de la duplicación completa por dos veces de un genoma ancestral. Durante este proceso, los genes han adquirido funciones que pueden marcar las diferencias morfológicas entre los organismos. La controversia científica sobre la hipótesis 2R, que no se cerró con la publicación del genoma humano en el 2001, queda ahora definitivamente confirmada.

"Ahora conocemos perfectamente el origen del genoma humano", explica Jordi García-Fernández. "Un genoma parecido al del anfioxo -continúa- dotado de, por ejemplo, un complejo de 15 genes Hox, se duplicó dos veces y sólo se conservó un 25% de los genes duplicados. El 75% de los genes restantes se perdieron en el proceso evolutivo. La mayoría de los genes de regulación compleja -regulación génica y señalización celular- se mantienen hoy día en los vertebrados".

El origen evolutivo de los 23 cromosomas del genoma humano

El anfioxo tiene un genoma primitivo y también un patrón corporal primitivo. "Como hipótesis, pensamos que el hecho de conservar y utilizar de forma diferente estos genes más complejos ha permitido la aparición de algunas innovaciones evolutivas importantes (cerebro, extremidades, etc) en el patrón corporal en vertebrados", comenta García-Fernàndez.

Los expertos han identificado 17 grupos ancestrales de fragmentos de genoma que están conservados entre el actual anfioxo y el genoma de los vertebrados después de 500 milllones de años de evolución biológica. La investigación explica también el origen evolutivo de los 23 cromosomas del genoma humano.

"Quizás éste es el dato más significativo de todo del artículo", señala García-Fernández. El experto loo explica así: "Estos 17 grupos probablemente se han mantenido como cromosomas independientes en el anfioxo (los protocromosomas) que se duplicaron dos veces, y dieron lugar a los 23 cromosomas del genoma humano". El orden de los genes del anfioxo, que es el orden más ancestral conocido hasta hoy, también se mantiene en los vertebrados.

Los investigadores también han identificado 56 secuencias de genoma no codificadoras de función desconocida en el anfioxo y en humanos. El anfioxo y los humanos, además, compartimos una amplia fracción de intrones (85%), que son los fragmentos genéticos no codificantes que interrumpen los genes. "Hasta ahora, no se había encontrado este tipo de secuencias no codificadoras tan conservadas entre organismos tan diferentes", revela el científico.

En la investigación, además, han encontrado 56 secuencias reguladoras no codificantes, y éste es un aspecto muy estudiado ahora desde la perspectiva de la huella filogenética, una rama de la biología emergente que permite identificar regiones del genoma que se conservan entre diferentes especies y que no son genes, "pero que corresponden a secuencias muy importantes desde el punto vista de la regulación del funcionamiento de los genes", explica García-Fernàndez.

Un trabajo en equipo

Jordi García-Fernàndez dirige el Laboratorio Amfiox/EvoDevo en el Departamento de Genética, un grupo de investigación sobre el anfioxo que está centrado en líneas de investigación sobre la Evo-Devo (Experimental Evolutionary Developmental Biology) que destaca el papel clave de los genes del desarrollo para comprender la evolución biológica.

Con una destacada productividad científica revistas de máximo impacto internacional -cinco publicaciones en Nature-, el grupo ha participado en el análisis de los genes con homebox y Tirosina quinasas en el marco del proyecto internacional de secuenciación sobre el anfioxo. Además de este nuevo artículo, los análisis detallados se han publicado simultáneamente en diversas revistas científicas como Genome Research, Molecular Biology and Evolution, BioEssays, Int. J. Dev. Biol, y Dev. Genes and Evolution.

"En el futuro -dice García-Fernàndez- nuestro objetivo es intentar mimetizar en el laboratorio los pasos de la evolución natural. Además, el anfioxo tiene un rol privilegiado en la evolución de los vertebrados y puede utilizarse como modelo de laboratorio para entender mejor la biología y la salud humanas y los mecanismos moleculares que causan patologías, además de testar y estudiar la función de moléculas de interés biomédico y buscar nuevas estrategias terapéuticas en diversas enfermedades humanas".