El genoma de “Adineta vaga”, un rotífer bdel·loid – el rol de la conversió i l’assimilació de gens en animals de reproducció asexual exclusiva

Genòmica: Tot sembla indicar que l’ancestre comú de tots els metazous (animals pluricel·lulars) era un organisme de reproducció sexual creuada, amb dos tipus de gàmetes (òvuls i espermatozoides) separats en dos tipus d’individus (mascles i femelles). A partir d’aquest model inicial, però, són molts els grups que han adoptat, de manera addicional o exclusiva, altres formes de reproducció. D’una banda, hi ha l’hermafroditisme, amb individus que són capaços, encara que sigui en moments diferents del cicle vital, de generar els dos tipus de gàmetes. De l’altra, hi ha espècies amb capacitat partenogenètica, és a dir de fer que un òvul, sense ésser fecundat per un espermatozoide, desenvolupi un individu adult. Quan la partenogènesi és obligada, l’espècie que l’adopta esdevé un organisme de reproducció asexual. Altres formes de reproducció asexual poden basar-se en la capacitat de regeneració de l’organisme. L’adopció de la reproducció asexual pot ésser afavorida per la selecció natural en determinades condicions, sobretot perquè afavoreix en general unes taxes de proliferació més elevades. La selecció natural sempre opera en el curt termini, però, i el cert és que l’adquisició de la reproducció asexual exclusiva sol comportar un atzucac evolutiu i conduir a l’extinció. No obstant, els rotífers bdel·loids, amb més de 460 espècies descrites, semblen en tots els sentits formes animals de reproducció asexual exclusiva. En aquest grup zoològic no s’han descrit mai ni individus mascles ni individus hermafrodites, sinó únicament femelles que conceben femelles. Els òvuls dels rotífers bdel·loids no es generen a través de meiosi (procés de reducció cromosòmica), de manera que les filles són, en principi (salvant mutacions), genèticament idèntiques a les mares, i genèticament idèntiques entre elles. Perquè hagin donat lloc a més de 400 espècies diferents, han hagut de passar desenes de milions d’anys. Com s’explica això? Gladyshev et al. (2008) han descrit la capacitat dels rotífers bdel·loids per assimilar ADN extern i incorporar-lo al seu genoma, cosa que és un exemple de transferència horitzontal de gens i, per tant, de sexualitat. També podrien haver altres mecanismes de bescanvi genètic entre llinatges ni que sigui de manera molt puntual. En el darrer número de la revista Nature, se’ns presenten els resultats de la seqüenciació genòmica del rotífer bdel·loid Adineta vaga. En aquest article, Flot et al. forneixen evidències de l’absència de meiosi en el passat evolutiu de A. vaga, però sí hi ha indicis de conversió gènica i de la incorporació horitzontal de gens exògens.

Imatge en el microscopi òptic d’un rotífer bdel·loid. Amb cossos que es mesures en desenes o centenars de micres, són animals microscòpics que es trobin en un ampli rang d’hàbitats d’aigua dolça i de sòls humits. Destaquen particularment per la capacitat d’entrar en un estat de latència (amb una deshidratació ràpida i controlada) en casos de sequedat o d’altres condicions ambientals desfavorables. També poden posar ous en un estat de diapausa, per tal que no eclosionin fins que les condicions no siguin favorables..

Un escàndol evolutiu

De tots els llinatges animals en els quals és absent la meiosi, els rotífers bdel·loids és el més destacat. Amb 460 espècies diferents, els bdel·loids apareixen en les classificacions zoològiques com una classe dins de la divisió dels rotífers (a tall de comparació, els mamífers són considerats com una classe dins de la divisió dels vertebrats). El nom de rotífers fa referència a la mena de roda que tenen a la part anterior del cos, i que els serveix per nedar i/o per captar aliment. Els rotífers no foren descoberts fins a la introducció del microscopi, al tombant dels segles XVII i XVIII. Els bdel·loids han despertat l’interès dels zoòlegs, no únicament pel fet de reproduir-se asexualment per partenogènesi, sinó per l’extremada resistència a la dessecació, que els ha fet possible colonitzar hàbitats d’aigua dolça de durada efímera.

Esquema de la meiosi, en aquest cas representada per a un organisme amb dos parells de cromosomes. El punt de partida són cèl·lules diploides (2n, com que n=2, 2n=4). La duplicació de l’ADN i la recombinació entre cromosomes, seguida d’una divisió cel·lular per repartir-los condueix, a quatre cèl·lules gamètiques, haploides (n, en aquest cas n=2). La combinació de dos gàmetes donarà lloc a un cèl·lula diploide, tancant el cicle meiòtic.

El genoma de Adineta vaga

Flot et al. presenten a Nature un ensamblatge de la seqüència genòmica d’un llinatge clonal de Adineta vaga. En total calculen que la mida del genoma de A. vaga és de 244 milions de parells de nucleòtids (el genoma humà compta amb més de 3000 milions) i que el contingut de gens és de 49.300 (el genoma humà compta amb uns 20.000 gens).

L’estructura del genoma d’Adineta vaga és tetraploide, és a dir que és el resultat de la duplicació genòmica completa d’un genoma originàriament diploide. El genoma humà i la majoria de genomes animals són diploides, per bé que també trobem altres genomes tetraploides entre els peixos salmònids (salmó, truita) i octaploides (en alguns esturions), així com triploides (alguns tardígrads) i dodecaploids (l’amfibi Xenopus ruwenzoriensis.

En un genoma diploide, cada gen es presenta en dos al·lels diferents. En el genoma tetraploide d’A. vaga, cada gen es presenta en quatre al·lels diferents. D’aquests quatre al·lels, hi ha dos parells que presenten una major homologia interna (98,6%; al·lels estrictes) mentre que l’homologia entre els dos parells diferents d’al·lels és més reduïda (75,1%, al·lels ohnòlegs). Aquest esquema de quartet A1-A2-B1-B2 abasta un 40% del genoma d’A. vaga, de manera que els autors parlen d’un genoma localment tetraploide.

Una altra característica que remarquen Flot et al. és la presència d’un mínim de 17 regions palindròmiques (repeticions invertides i juxtaposades d’una seqüència), que abasten 705 milers de parells de nucleòtids i 148 gens. Regions palindròmiques similars són presents en el cromosoma Y de primats i són el resultat de duplicacions internes. En el cas d’A. vaga aquests palíndroms poden ser deguts a reordenaments cromosòmics interal·lèlics

Uns altres elements de duplicació interna són les repeticions directes. En A. vaga apareixen tres seqüències de repetició directa, que abasten un total de 50 gens.

Els reordenaments cromosòmics són, en les espècies de reproducció sexuals, una de les bases més importants per a l’establiment de barreres reproductives interespecífiques. En el cas dels rotífers bdel·loids, l’absència de reproducció sexual, permet una bona acumulació d’aquests processos (tal com s’esdevé, per raons similars, en el cas la regió no recombinant del cromosoma Y de mamífers). En total, les 20 regions reordenades (17 palindròmiques i 3 directes) abasten el 3,5% del genoma total d’A. vaga. Aquest percentatge és incompatible amb un procés meiòtic, i és el principal indici en aquest sentit que han trobat Flot et al. Però no és l’únic, ja que existeixen centenars d’altres punts que trenquen l’homologia entre els cromosomes d’A. vaga, de manera que tan sols un 49% del genoma mostra l’homologia necessària per a l’aparellament cromosòmic indispensable en la meiosi.

L’efecte Meselson i la conversió gènica

Matthew Meselson va propugnar per explicar la sostenibilitat de la reproducció asexual dels rotífers bdel·loids un mecanisme de divergència al·lèlica. En les espècies de reproducció sexual, la recombinació cromosòmica actual com un fre a l’evolució diferenciada dels al·lels d’un mateix gen. En el cas dels rotífers bdel·loids, l’absència de meiosi, faria, segons Meselson, que s’acumulessin mutacions independents en els diferents al·lels. Aquestes mutacions permetrien que els individus adquirissin una diversificació al·lèlica comparable a la que obtindrien com a resultat de la reproducció sexual. L’efecte Meselson ha estat observat en alguns gens concrets (Pouchkina-Stantcheva et al., 2007), però Flot et al. el menystenen d’acord amb les dades genòmiques que han obtingut. La divergència inter-al·lèlica mitjana d’A. vaga és del 4,4%, comparable (si bé, relativament alta) a la que trobem en les espècies de reproducció sexual. És un valor insuficient per assumir que l’efecte Meselson tingui rellevància genòmica.

Aquesta xifra del 4,4% de divergència al·lèlica és especialment baixa. Com s’explica? Seria temptador pensar que la pròpia capacitat de resistència dels rotífers a factors ambientals hostils és deguda a una major resistència als agents mutàgens. No obstant, les taxes de mutació mitòtica entre els rotífers bdel·loids són similars a les de rotífers de reproducció sexual com el monogononts.

Flot et al. proposen com a mecanisme per explicar l’escassa divergència al·lèlica, la conversió gènica. La conversió gènica consisteix en la substitució de la seqüència d’un al·lel pel seu homòleg a través del sistema de reparació d’ADN (recombinació mitòtica). De fet, Flot et al., calculen que la taxa de conversió gènica en A. vaga és més de deu vegades superior a la taxa de mutació.

Dit així, sembla que calgui contraposar mutació genètica i conversió gènica (o recombinació mitòtica). Els dos processos són complementaris. Mentre la mutació introdueix variabilitat, la conversió gènica l’elimina. Ara bé, una vegada produïda una mutació, la conversió gènica pot o bé eliminar l’al·lel mutant o aprofitar l’al·lel mutant per convertir els altres al·lels no mutants. A més, recordem, que en el cas d’A. vaga, la majoria de gens presenten quatre al·lels possibles. La conversió gènica, a més, explicaria en part perquè els rotífers bdel·loids no han acumulat mutacions detrimentals que hagin conduït a l’extinció final d’aquest grup animal.

Hom esperaria (a, línia vermella discontínua) que un llinatge animal de reproducció asexual exclusiva experimentés una notable divergència al·lèlica (efecte Meselson), però “A. vaga” s’aparta d’aquest esquema. La combinació de mitosi i conversió gènica en els rotífers bdel·loids podria fer un rol semblant a la meiosi i fertilització de les espècies animals de reproducció sexual.

L’assimilació de gens exògens

Però si hom esperava amb interès els resultats de la seqüenciació genòmica d’aquesta espècie de rotífer bdel·loid era per conèixer millor l’abast de la transferència horitzontal de gens en aquest grup animal. La capacitat dels rotífers bdel·loids, sobretot en el moment que “desperten” d’un estat anhidrobiòtic, de captar gens de l’ambient (particularment, gens de microorganismes) és relativament única entre els organismes no-bacterians. És cert que, com a conseqüència de l’endosimbiosi (que ha donat lloc a mitocondris i cloroplasts), els genomes de plantes i animals pluricel·lulars han incorporat gens d’origen bacterià. Però en el cas dels rotífers bdel·loids, a més d’aquest procés antic, hi ha un procés continu d’incorporació de nou material gènic.

Concretament, en el genoma analitzat per Flot et al., el 8% dels gens mostren més homologia amb seqüències del GenBank de no-metazous que amb seqüències de metazous. Així doncs, el 8% dels gens d’aquest llinatge concret d’A. vaga provindrien de la “transferència horitzontal”.

Aquest 8% de gens es caracteritza per una menor freqüències de regions intròniques (els introns, ben presents en els genomes eucariòtics, són molt minoritaris en bacteris). El 20% d’aquests gens putativament incorporats podrien ser d’incorporació antiga, ja que es troben en quartets, i serien herència dels avantpassats anteriors a la duplicació genòmica que generà la tetraploidia d’A. vaga. En canvi, el 80% de gens es presenten en dues còpies o en una sola còpia (és el cas de 60 gens), i serien incorporacions més recents.

Els gens putativament transferits en una data més llunyana haurien patit transformacions com ara la introducció d’introns, i modificacions en el contingut de GC (per passar a un %GC més similar al del genoma d’A. vaga).

En canvi, els 60 gens presents en una sola còpia deuen correspondre a incorporacions recents: no presenten cap intró i tenen un %GC diferent (bé per dalt o bé per sota, en més d’un 1%) respecte el genoma d’A. vaga.

D’acord amb aquestes dades, la capacitat d’assimilació horitzontal de gens d’A. vaga entra dins del rang de variació que trobem entre els genomes bacterians. La transferència horitzontal constitueix una forma de generar variabilitat que compensaria l’absència de reproducció sexual.

Els elements transponibles

Els elements mòbils del genoma (elements transponibles) constitueixen, d’acord amb algunes teories, un factor limitant per als llinatges animals de reproducció asexual exclusiva. Sense la meiosi i la cariogàmia, els elements transponibles tendirien a acumular-se i a produir disfuncions, a no ser que s’adquirissin mecanismes per eliminar-los o limitar-los.

Flot et al. remarquen que tan sols un 3% del genoma d’A. vaga és ocupat per elements transponibles. En l’espècie humana suposen el 45% del genoma. Val a dir que en el nemàtode Meloidogyne incognita, de reproducció asexual partenogenètica obligada, aquest valor és encara elevat (36%).

Els elements transponibles del genoma d’A. vaga són diversos (un total de 255 famílies) però de baix nombre de còpies. A més, moltes d’aquestes còpies són fragmentàries, la qual cosa fa pensar en un mecanisme de repressió que, si bé no impedeix l’entrada d’elements transponibles (pel propi procés d’adquisició horitzontal de gens) sí que n’impedeix genèricament la proliferació. Efectivament, les dades genòmiques indiquen que en A. vaga hi ha una complexa maquinària de silenciament gènic (proteïnes Dicer1, proteïnes Argonauta/Piwi, etc.), que blocaria l’expressió dels elements transponibles.

Un genoma ric en gens

El fet que A. vaga presenti gairebé 50.000 gens s’explica per fenòmens de duplicació global i local. Com que no hi ha meiosi en aquesta espècie, no té sentit de parlar de dotació haploide o diploide del seu genoma. Si fem aquesta correcció, el nombre total de gens quedaria per sota de 20.000.

Gràcies a la tetraploidia local, A. vaga posseeix 284 gens de la superclasse dels homeobox, la majoria dels quals presents en quartets. Els gens homeobox participen en el desenvolupament i el genoma d’A. vaga n’és el més ric dels que s’han seqüenciat fins ara.

També és notable el nombre de gens vinculats a processos d’oxidació-reducció, molts d’ells expressats de manera constitutiva (és a dir, en tots els tipus cel·lulars i en tots els moments del desenvolupament). Entre aquests gens hi ha els que codifiquen per un potent sistema de protecció antioxidant, essencial per a la resistència ambiental (particularment a la radiació solar) d’aquests animals.

També s’ha expandit el ventall de gens implicats en la reparació d’ADN, com ara Spo11.

El repertori d’enzims de carbohidrats actius (CAZymes) és notable, amb un total de 202 famílies i 1075 gens, dels quals són 623 codifiquen per a glucòsid-hidrolases i 412 per a glucosil-transferases. Segurament, la meitat de tots aquests gens han estat adquirits per transferència horitzonal, i molts d’ells deuen haver estat captats de genomes vegetals. Gràcies a aquesta dotació enzimàtica, A. vaga pot aprofitar un ampli ventall de recursos alimentaris, alhora que disposar d’una maquinària de detoxificació de substàncies vegetals nocives.

No tot, naturalment, és expansió de gens. En relació amb altres grups d’animals protòstoms, A. vaga hauria perdut 1250 dels 7844 gens ancentrals. És lògic que entre els gens perduts hi siguin presents els vinculats al procés de reproducció sexual.

L’escàndol evolutiu explicat?

Durant els darrers anys, molts han estat les hipòtesis i teories avançades per explicar l’escàndol evolutiu dels rotífers bdel·loids. Malgrat que la reproducció obligadament asexual, amb uns individus que neixen d’òvuls formats per processos exclusivament mitòtics, no és del tot correcte dir que no hi hagi sexualitat en els rotífers. Flot et al. parlen de parasexualitat per referir-se als processos d’assimilació de gens. De fet, els bdel·loids poden incoporar, en teoria, material gènic procedent d’altres bdel·loids i d’altres animals, fins i tot de fongs, vegetals i bacteris. En la majoria de casos la incoporació té lloc en cèl·lules somàtiques, i no es transfereix en el llinatge, però de vegades pot tindre lloc també en el llinatge germinal i, passar a la següent generació, a través dels òvuls. Estudiar els mecanismes concrets d’aquests processos (i la rellevància ecològica) és el gran repte que tenen els grups de recerca que treballen amb aquests animals.

Aquesta entrada ha esta publicada en 3. La Vida. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *