Caracoles lentos, genes rápidos: los caracoles predadores refinan venenos mediante una continua duplicación de genes
Cuando los caracoles marinos tropicales de cono clavan sus dientes como arpones en sus presas les inyectan venenos paralizantes compuestos por una mezcla potente de más de cien neurotoxinas diferentes.
Los biólogos han sabido por más de una década que los genes que proporcionan las recetas para las toxinas del caracol de cono se cuentan entre los genes de más rápida evolución en el reino animal, lo cual permite que estos gasterópodos predadores refinen constantemente sus venenos para atacar de manera más precisa los sistemas neuromusculares de sus presas.
Pero los científicos habían sido incapaces de explicar los mecanismos moleculares detrás de la impresionante diversidad y la veloz evolución de las toxinas de los caracoles de cono, conocidas como conotoxinas.
Ahora dos biólogos de evolución de la Universidad de Michigan informan que su reconstrucción de la historia evolucionaria de estos genes ha revelado una duplicación rápida y continua de genes a lo largo de los últimos once millones de años, que está acompañada con las tasas aceleradas de evolución de las conotoxinas.
La tasa de duplicación de genes en los caracoles de cono es, por lo menos, dos veces más alta que las tasas observadas en otras familias de gene renombradas por su extensa duplicación de genes, tales como los genes de los venenos de las víboras y los escorpiones, y los genes del olfato. Además el patrón de constante duplicación genética de los caracoles de cono no se ha observado en algún otro organismo, según los investigadores de la UM, Dan Chang y Thomas F. Duda.
“La elevada tasa de duplicación de genes puede, de hecho, facilitar la rápida evolución de los miembros de la familia genética incrementando el número de oportunidades para que ocurran mutaciones beneficiosas mediante los incrementos en el número de copias de genes”, dijo Chang, estudiante de doctorado en el Departamento de Ecología y Biología Evolucionaria.
Los resultados del estudio de conotoxinas se publicaron en Molecular Biology and Evolution.
Los caracoles de cono forman el genus Conus que incluye más de 600 especies de caracoles marinos predadores, en su mayoría distribuidos en aguas tropicales. El estudio de Chang y Duda observó las secuencias genéticas de conotoxinas en el ácido desoxirribonucleico genómico de cuatro especies de Conus estrechamente relacionadas. Los especimenes, recolectados originalmente en Hawai, Panamá y American Samoa, estaban almacenados en las colecciones del Museo de Zoología de la Universidad de Michigan.
El estudio de Chang y Duda es el primero que examina los genes de conotoxinas de varias especles estrechamente relacionadas para reconstruir la evolución de las familias genéticas de conotoxinas. Dentro de una especie los genes que son extremadamente similares en estructura y función se consideran como parte de la misma familia genética. La hipótesis es que los genes que forman parte de familias derivan de una secuencia ancestral común mediante la duplicación de genes, lo cual agrega una copia extra de un gene al genoma del organismo.
A lo largo de la evolución la copia extra del gene puede acumular mutaciones aleatorias. Las mutaciones benéficas –es decir las que resultan en nuevas funciones que son valiosas—pueden retenerse mediante la selección natural lo cual resulta en un gene nuevo y la creación de una familia genética.
A medida que el proceso se repite una y otra vez se añaden genes adicionales a la familia. En el presente la especie típica de caracol de cono tiene de cien a doscientas neurotoxinas únicas en su veneno y el proceso de duplicación de genes probablemente contribuyó a esa diversidad, indicaron Chang y Duda.
“Nuestro resultado principal, tal como yo lo veo, es que esta rápida producción de genes es algo que puede impulsar la evolución rápida”, señaló Duda, profesor asociado de ecología y biología evolucionaria y curador asociado en el Museo de Zoología de la UM. “Estamos equiparando la redundancia –esto es múltiples copias del mismo gene presente en el genoma- con cambio rápido”.
El origen de una novedosa función genética mediante la duplicación de genes, la mutación y la selección natural representa uno de los mecanismos por los cuales los organismos se diversifican y una de las sendas posibles que llevan a la adaptación. Sin embargo, la medida, el papel y las consecuencias de las duplicaciones de genes en los orígenes de las adaptaciones ecológicas, especialmente en el contexto de las interacciones de especies, han sido menos claros.
En su estudio de los Conus, Chang y Duda analizaron la “superfamilia A” de genes de conotoxina y encontraron que muestra tasas extremadamente altas de duplicación de genes que están correlacionadas con las tasas de evolución. “Después de la duplicación de genes, las tasas de evolución de hecho se elevaron y luego disminuyeron gradualmente con el tiempo”, dijo Chang.
La evolución rápida permitió que los Conus diversificaran y afinaran la fórmula de sus toxinas, cambios que pueden haber sido compelidos por modificaciones dietéticas entre los caracoles o el desarrollo de resistencia a la toxina por parte de las especies que son sus presas. Los caracoles de cono se alimentan de gusanos marinos, peces y otros caracoles.
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