Proyecto de secuenciación del genoma revela nuevos secretos sobre la evolución de los gatos.

2 de noviembre de 2023

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por Courtney Price, Texas A&M University

Investigadores de la Escuela de Medicina Veterinaria y Ciencias Biomédicas de Texas A&M (VMBS) y un equipo interdisciplinario de colaboradores han descubierto nueva información sobre la historia de la evolución de los gatos, explicando cómo los gatos, incluidas especies conocidas como leones, tigres y gatos domésticos, evolucionaron en diferentes especies, y arrojando luz sobre cómo los diferentes cambios genéticos en los gatos se relacionan con habilidades de supervivencia como la capacidad de olfatear a sus presas.

Al comparar los genomas de varias especies de gatos, el proyecto, publicado hoy en Nature Genetics, ha ayudado a los investigadores a comprender por qué los genomas de los gatos tienden a tener menos variaciones genéticas complejas (como reorganizaciones de segmentos de ADN) que otros grupos de mamíferos, como los primates. También reveló nuevas ideas sobre qué partes del ADN de los gatos son más propensas a evolucionar rápidamente y cómo desempeñan un papel en la diferenciación de especies.

"Nuestro objetivo era entender mejor cómo evolucionaron los gatos y la base genética de las diferencias de rasgos entre las especies de gatos", dijo el Dr. Bill Murphy, profesor de integración de biociencias veterinarias en VMBS, quien se especializa en evolución de gatos. "Queríamos aprovechar algunas tecnologías nuevas que nos permitieran crear mapas genómicos de gatos más completos.

"Nuestros hallazgos abrirán puertas para las personas que estudian enfermedades felinas, comportamiento y conservación", dijo. "Trabajarán con una comprensión más completa de las diferencias genéticas que hacen que cada tipo de gato sea único".

Entre las cosas que los científicos trataban de comprender mejor estaba por qué los cromosomas felinos, estructuras celulares que contienen información genética para rasgos como el color del pelaje, el tamaño y las habilidades sensoriales, son más estables que en otros grupos de mamíferos.

"Sabemos desde hace un tiempo que los cromosomas de los gatos entre especies son muy similares entre sí", dijo Murphy. "Por ejemplo, los cromosomas de los leones y los gatos domésticos apenas difieren en absoluto. Parece haber muchas menos duplicaciones, reorganizaciones y otros tipos de variación de las que se encuentran comúnmente en los grandes simios".

En el orden de los primates, este tipo de variación genética ha llevado a la evolución de diferentes especies, incluidos los humanos y los grandes simios.

"Los genomas de los grandes simios tienden a romperse y reorganizarse, e incluso los genomas humanos tienen regiones muy inestables", dijo Murphy. "Estas variaciones pueden predisponer a ciertos individuos a tener afecciones genéticas, como el autismo y otros trastornos neurológicos".

La clave de esta variación entre los gatos y los simios, según descubrió Murphy, parece ser la frecuencia de algo llamado duplicaciones segmentales, segmentos de ADN que son copias altamente similares de otros segmentos de ADN que se encuentran en otros lugares del genoma.

"Los investigadores del genoma de primates han podido vincular estas duplicaciones segmentales con las reorganizaciones cromosómicas", dijo. Cuantas más duplicaciones segmentales haya en su ADN, más probabilidades habrá de que los cromosomas se reorganicen, y así sucesivamente.

"Lo que descubrimos al comparar un gran número de genomas de especies de gatos es que los gatos solo tienen una fracción de las duplicaciones segmentales que se encuentran en otros grupos de mamíferos: los primates tienen siete veces más de estas duplicaciones que los gatos. Esa es una gran diferencia, y ahora creemos que entendemos por qué los genomas de los gatos son más estables", dijo.

Aunque los gatos pueden no tener tantas reorganizaciones genéticas grandes en su ADN, aún tienen muchas diferencias. A través de su investigación, Murphy y sus colegas entienden mejor qué partes del ADN de los gatos causan esas variaciones, especialmente las variaciones que definen la especiación o las diferencias entre especies.

"Resulta que hay una gran región en el centro del cromosoma X donde ocurren la mayoría de las reorganizaciones genéticas", dijo Murphy. "De hecho, hay un elemento repetitivo específico dentro de esta región llamado DXZ4 que la evidencia nos dice que es en gran medida responsable del aislamiento genético de al menos dos especies de gatos, el gato doméstico y el gato de la selva".

DXZ4 es lo que Murphy llama una repetición satelital: no es un gen típico que codifica un rasgo físico como el color del pelaje, sino que ayuda en la estructura tridimensional del cromosoma X y probablemente desempeñó un papel importante en la especiación de los gatos.

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Aún no conocemos el mecanismo preciso, pero al comparar todos estos genomas de gatos, podemos medir mejor la velocidad a la que DXZ4 evolucionó en una especie en comparación con las demás. Lo que aprendimos es que DXZ4 es una de las partes del genoma de gatos que evoluciona más rápidamente; está evolucionando más rápido que el 99.5% del resto del genoma", explicó.

"Debido a la velocidad a la que muta, pudimos demostrar por qué DXZ4 probablemente está relacionado con la especiación", dijo Murphy.

Utilizando secuencias de genomas nuevas y altamente detalladas, el equipo también descubrió vínculos más claros entre el número de genes olfativos, que gobiernan la detección del olor en los gatos y la variación en el comportamiento social y cómo se relacionan con su entorno.

"Dado que los gatos son depredadores que dependen mucho del olfato para detectar a sus presas, su sentido del olfato es una parte bastante importante de quiénes son", dijo Murphy. "Los gatos son una familia muy diversa y siempre hemos querido entender cómo la variación genética juega un papel en la capacidad de diferentes especies de gatos para oler en sus diferentes entornos.

"Los leones y los tigres tienen una diferencia bastante grande entre ciertos genes olorantes que intervienen en la detección de feromonas, que son sustancias químicas que diferentes animales liberan al ambiente para comunicar información sobre identidad, territorio o peligro", continuó.

"Creemos que esta gran diferencia se debe a que los leones son animales muy sociales que viven en grupos familiares y los tigres viven un estilo de vida solitario. Los leones pueden tener una dependencia reducida de feromonas y otras sustancias odoríferas porque están constantemente rodeados de otros leones, lo cual se refleja en la menor cantidad de genes de este tipo en sus genomas", dijo.

Los tigres, por otro lado, necesitan poder oler a sus presas en territorios muy extensos y también encontrar parejas.

"Los tigres, en general, tienen repertorios grandes de receptores olfativos y de feromonas", explicó Murphy. "Creemos que esto está directamente relacionado con el tamaño de sus territorios y la variedad de entornos en los que viven".

En cambio, los gatos domésticos parecen haber perdido una amplia gama de genes olfativos.

"Si no tienen que viajar mucho para encontrar lo que necesitan porque viven con las personas, tiene sentido que la selección natural no conserve esos genes", dijo Murphy.

Murphy compartió que su ejemplo favorito del proyecto son los receptores odorantes del gato pescador, una especie de gato salvaje adaptada acuáticamente que vive en el sudeste asiático.

"Pudimos demostrar que los gatos pescadores han conservado muchos genes para detectar sustancias odoríferas en el agua, lo cual es una característica bastante rara en vertebrados terrestres", dijo. "Todas las demás especies de gatos han perdido estos genes específicos con el tiempo, pero los gatos pescadores aún los tienen".

Esta nueva información sobre los genes olfativos en los gatos fue posible gracias a un nuevo enfoque de secuenciación de genomas llamado trio binning, que permite a los investigadores secuenciar las regiones más difíciles de un genoma.

Esta nueva tecnología también facilita la separación del ADN materno y paterno.

"Con el trio binning, ahora puedes tomar ADN de un híbrido F1, un animal cuyo ADN está dividido en un 50-50 entre padres de diferentes especies, y separar limpiamente el ADN materno y paterno, dándote dos juegos completos de ADN, uno para cada especie parental", dijo Murphy. "El proceso es mucho más sencillo y los resultados son más completos".

Una de las conclusiones más importantes del proyecto es que las especies de gatos pueden ser similares en muchos aspectos, pero sus diferencias importan.

"Estas diferencias nos muestran cómo estos animales están perfectamente adaptados a sus entornos naturales", dijo Murphy. "No son intercambiables, y esa es información valiosa para los conservacionistas y otros que trabajan en la preservación o restauración de especies en sus hábitats naturales".

"Por ejemplo, no se puede asumir que los tigres de Sumatra y Siberia son iguales", dijo. "Sus entornos son completamente diferentes y es probable que esas poblaciones de tigres hayan desarrollado adaptaciones genéticas especializadas para ayudarles a sobrevivir en estos lugares tan diferentes".

También es importante que los científicos se den cuenta de que las secciones del genoma que son más difíciles de ensamblar pueden ser la clave para comprender sistemas corporales cruciales como la inmunidad y la reproducción.

"Los genes olfativos no son los únicos que han sido difíciles de secuenciar y estudiar. Los científicos también han tenido dificultades para secuenciar genes inmunitarios y reproductivos, por lo que los estudios anteriores carecen de este tipo de información. Imagina tratar de estudiar una condición genética en gatos, humanos, o cualquier especie, sin tener todas las piezas; por eso es importante ensamblar genomas completos", dijo Murphy.

Por ahora, Murphy y su equipo continuarán aplicando las tecnologías más avanzadas de secuenciación y ensamblaje de genomas a los genomas de los gatos para obtener la mayor cantidad de información posible sobre el mundo de los gatos.

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The study was conceptualized by Bill Murphy—VMBS professor of veterinary integrative biosciences at Texas A&M and Wes Warren—professor of genomics in the Bond Life Sciences Center at the University of Missouri. Additional collaborations involved researchers from the University of Washington, University College Dublin, the Institute for Systems Biology in Seattle, Louisiana State University and the Guy Harvey Oceanographic Center.

Journal information: Nature Genetics

Provided by Texas A&M University