Asuntos del corazón

En la edición de esta semana, la portada de la revista Nature destaca, con el sugestivo titular «Asuntos del corazón», una investigación básica realizada en exclusiva por el Grupo de Investigación Consolidado Evolución y Desarrollo (Evo-Devo) de la Sección de Genética de la Facultad de Biología de la UB. El trabajo descifra uno de los enigmas aún sin resolver sobre la transición entre estilos de vida libre y sedentaria en antepasados de nuestro filo: los cordados.

Publicar un artículo en Nature, considerada una de las revistas científicas más influyentes y prestigiosas del mundo, es un hito muy deseado para cualquier investigador y para cualquier universidad o institución de investigación. Que, además, el trabajo haya sido realizado íntegramente por un solo grupo de investigación es excepcional. Y más aún: que este trabajo de investigación básica haya sido destacado en la portada de la revista hace de todo ello un episodio inaudito, que seguramente nunca había sucedido antes en la Universidad de Barcelona, y en contadas ocasiones en el país.

El trabajo propone un nuevo escenario evolutivo que ayuda a entender mejor la evolución de nuestro filo y a descubrir cómo era el antepasado de los tunicados, el grupo hermano de los vertebrados. En concreto, revela que las pérdidas masivas de genes que deconstruyeron la red génica del corazón facilitaron la transición a un estilo de vida pelágico libre en las apendicularias tunicadas a partir de una forma ancestral sedentaria.

Descifrando el impacto de la pérdida de genes en la evolución biológica

Durante muchos años, en el campo de la biología evolutiva no se había prestado demasiada atención a las pérdidas génicas, y la mayoría de los estudios se centraban en cómo las duplicaciones génicas podían conducir a nuevas funciones biológicas.

«En la era de la genómica, sin embargo, estamos viendo que perder genes no es excepcional, sino que es un fenómeno evolutivo mucho más frecuente de lo que se creía. A priori, se pensaba que un gen simplemente se perdía cuando ya no se utilizaba: es lo que se conoce como evolución regresiva», explica Cristian Cañestro, profesor de la Sección de Genética de la UB, miembro del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio) e investigador principal del Grupo @EvoDevoGenomeUB.

«Tal y como mostramos en nuestro trabajo, sin embargo, cada vez estamos identificando más pérdidas génicas que pueden ser de carácter adaptativo», continúa el experto. «Es decir, perder ciertos genes puede comportar también ventajas evolutivas que pueden relacionarse con la adquisición de innovaciones biológicas de los organismos».

El filo de los cordados está integrado por el grupo de los vertebrados, el de los tunicados (grupo hermano de los vertebrados) y el de los cefalocordados. La posición basal de los cefalocordados y el hecho de que son organismos con un estilo de vida libre, como los vertebrados, indica que el ancestro de todos los cordados también era de vida libre. Sin embargo, en el caso de los tunicados existen animales sésiles (ascidias) y de vida libre (apendicularias). Si el ancestro común de los tunicados era un filtrador pasivo fijado en el fondo marino, o un activo nadador, ha sido un foco de debate clave para entender cómo era el predecesor a partir del cual también se originaron los vertebrados.

El grupo investigador es pionero a escala mundial en el uso de la especie Oikopleura dioica —un organismo del zooplancton marino del grupo de las apendicularias— como modelo animal para estudiar el impacto de la pérdida génica como fuerza evolutiva. A diferencia de las ascidias, Oikopleura dioica no sufre una drástica metamorfosis para convertirse en un animal sésil. Por el contrario, mantiene un estilo de vida libre durante todo su ciclo. Además, la vida libre de Oikopleura dioica se caracteriza por construir un aparato filtrador mucopolisacárico llamado casa que envuelve al animal (oikos significa ‘casa’ en griego). A través de esa casa, hace circular el agua con el movimiento incesante de la cola para atrapar eficientemente las microalgas marinas. Todo ello hace que Oikopleura dioica sea un atractivo modelo para investigar cómo era el ancestro de los tunicados y determinar si este antepasado era también de vida libre, como el ancestro de los vertebrados.

Los resultados del artículo revelan la existencia de pérdidas masivas de genes en las apendicularias que hace millones de años afectaron a la red génica cardiofaríngea. «En el estudio hemos identificado la pérdida de muchos genes esenciales para el desarrollo del corazón en el resto de los organismos de nuestro filo», revela Alfonso Ferrández-Roldán (Sección de Genética-UB-IRBio), primer autor del artículo, que recoge los resultados de su tesis doctoral.

«Nuestro trabajo demuestra que el corazón de Oikopleura dioica es homólogo al del resto de cordados y que, por tanto, proviene de un corazón que ya existía en el ancestro común entre los humanos y Oikopleura dioica», remarca Alfonso Ferrández-Roldán. «Sin embargo, ha sido sorprendente comprobar que, pese a tener un corazón homólogo, muchos de los genes esenciales para hacer un corazón tanto en humanos como en el resto de cordados se han perdido en Oikopleura dioica durante un proceso de deconstrucción que ha afectado a su red génica cardiofaríngea».

«Deconstrucción» en la perspectiva de la evo-devo

El artículo aborda el impacto de la pérdida génica desde la perspectiva de la biología evolutiva del desarrollo (informalmente, evo-devo), una disciplina que, siguiendo las ideas evolucionistas de Charles Darwin, quiere entender cómo la generación de la biodiversidad se ve favorecida por los cambios de los mecanismos genéticos del desarrollo embrionario. «En nuestro caso, nos centramos en las pérdidas génicas como generadoras de cambios», comenta Ricard Albalat, coautor del trabajo, profesor de Genética de la UB y miembro del IRBio.

Las pérdidas génicas no afectan de forma aleatoria a la red génica. «Nuestro trabajo revela que las pérdidas génicas no se distribuyen uniformemente, sino que tan solo afectan a ciertos grupos de genes que se coeliminan simultáneamente». Según explica el experto, el estudio, además, «revela que la pérdida masiva de genes se dio de forma repentina en la base del grupo de las apendicularias y que, por tanto, ha marcado la evolución diferencial del corazón de todo este grupo en comparación con el resto de tunicados».

Los patrones de la coeliminación descubren un proceso de deconstrucción de la red génica reguladora del desarrollo del corazón. «Deconstrucción es un término que proviene del campo de la filosofía y que hoy se aplica también en áreas como la arquitectura, la literatura o incluso la gastronomía, en la que el cocinero Ferran Adrià es el máximo exponente», detalla Cristian Cañestro. «No implica destrucción, sino el despiece de elementos —normalmente, combinados— que una vez analizados por separado ayudan a entender la estructura modular y la organización de un conjunto más complejo», apunta el experto.

El estudio de las pérdidas génicas y el concepto de deconstrucción aplicado a la evo-devo y a la biología evolutiva en general ha hecho posibles dos logros: identificar procesos de coeliminación y reconocer la evolución de ciertos módulos dentro de las redes génicas que son importantes para generar diferencias en el desarrollo embrionario de distintas especies y para la creación de biodiversidad.

«En nuestro caso, la pérdida de genes y la deconstrucción de dos módulos de la red génica correlaciona con la pérdida de multipotencia de células madre procardiacas, que en vertebrados y ascidias da lugar a distintas partes del corazón, así como a la musculatura faríngea», continúa Cristian Cañestro. «Por eso, el estudio de las pérdidas génicas y la aplicación del concepto de deconstrucción al área de la biología evolutiva y del desarrollo —que es una de las aportaciones científicas más significativas de nuestro trabajo— puede contribuir a impulsar la investigación en ese sentido».

Perder genes y el reto evolutivo de adaptarse a una vida libre

«Considerando que vertebrados, cefalocordados y apendicularias son animales de vida libre, se postulaba que el escenario evolutivo más plausible era que el antepasado tunicado fuera también de vida libre», precisa Alfonso Ferrández-Roldán.

Ahora, los resultados del artículo contradicen ese escenario evolutivo. «En el estudio hemos podido correlacionar la pérdida de genes con la desaparición de características típicas de la vida sésil de las ascidias. Eso nos ha llevado a inferir que el ancestro común de todos los tunicados era un organismo de vida sésil, y no uno de vida libre, como se pensaba hasta ahora», prosigue.

El artículo señala que la pérdida masiva de genes podría estar ligada a tres innovaciones evolutivas que facilitaron la transición de un ancestro con rasgos parecidos a los de las ascidias —con larvas móviles y adultos sésiles— hacia el estilo de vida completamente libre de las apendicularias.

Una primera adaptación relacionada con las pérdidas génicas sería la aceleración en el proceso de desarrollo del corazón (cardiogénesis). Esa aceleración permitió que las apendicularias tuvieran este órgano plenamente operativo al iniciar su estilo de vida libre, cuando inflan la primera casa pocas horas después de la fertilización. En las ascidias, por el contrario, la cardiogénesis es un proceso más lento, ya que el corazón no se acaba de desarrollar ni empieza a latir hasta días después de una metamorfosis radical: la que lleva a la larva móvil a transformarse en un organismo sésil adherido a una superficie en el fondo del mar.

Otras pérdidas génicas que contribuirían a una segunda adaptación estarían ligadas al rediseño de una nueva estructura del corazón: la pérdida del campo secundario cardíaco. Este cambio evolutivo podría relacionarse con el paso de un corazón con estructura cilíndrica (ascidias) a otro con estructura laminar (apendicularias). La evolución a un corazón laminar en las apendicularias podría tener carácter adaptativo y mejorar la circulación de la hemolinfa, también impulsada por el movimiento de la cola característico del estilo de vida libre de estos organismos pelágicos.

La desaparición de la musculatura faríngea en el tronco del Oikopleura dioica sería una tercera innovación evolutiva en la ruta hacia la vida de natación activa. La función que tiene esta musculatura en las ascidios sésiles —regula el sifón por donde les entra el agua— sería totalmente innecesaria en las apendicularias, y por tanto habría comportado pérdidas génicas adicionales (evolución regresiva).

Cambio de escenario evolutivo gracias a la investigación de una universidad pública

Este trabajo de investigación básica destacado en la portada de Nature perfila un nuevo escenario evolutivo para resolver incógnitas sobre el origen y la evolución de las apendicularias, su relación filogenética con otros tunicados y el ancestro común de los vertebrados. «Nuestro trabajo revela cómo era el ancestro de los tunicados y abre nuevas preguntas: por ejemplo, de qué modo evolucionó la vida sésil en los tunicados ancestrales a partir de un antepasado de vida libre posiblemente similar a la que observamos en vertebrados», plantea Cristian Cañestro.

En este contexto, el Grupo de Investigación Consolidado Evolución y Desarrollo (Evo-Devo) es líder en una línea de trabajo que se ha convertido en todo un referente internacional para este campo de la investigación básica de la biología en el estudio de la evolución de nuestro filo y, por tanto, investigando cómo eran los ancestros que precedieron a la especie humana hace millones de años.

«Necesitamos conocer la historia evolutiva de estos organismos para conocernos a nosotros mismos», afirma Jordi Garcia-Fernàndez, catedrático de Genética de la UB, investigador principal del Grupo de Investigación Evo-Devo y miembro del Instituto de Biomedicina de la UB (IBUB).

«Esta investigación básica es la base para poder impulsar la aplicabilidad de los conocimientos (por ejemplo, nuevos modelos animales para estudiar enfermedades del corazón, futuras dianas terapéuticas en biomedicina, patentes, etc.). Por eso cabe destacar el esfuerzo que se está haciendo desde las universidades públicas en esta dirección», añade Jordi Garcia-Fernàndez, que es el actual vicerrector de Investigación de la UB.

«En un contexto internacional altamente competitivo, no es nada habitual que un equipo de una única universidad pública firme de forma exclusiva un artículo científico en una revista de prestigio. En el caso de la UB y Nature, por ejemplo, solo en cinco ocasiones anteriores han aparecido publicaciones con el formato de este artículo. Por tanto, los resultados del nuevo trabajo destacado en la portada ponen en valor la investigación llevada a cabo en las universidades públicas y ponen de manifiesto la urgente necesidad de darles más apoyo y aumentar su financiación para poder avanzar en el mundo de la investigación y del conocimiento», concluye Jordi Garcia-Fernàndez.