El genoma mejorado revela parte del proceso de la evolución humana


Científicos consiguieron generar conjuntos de mayor calidad de genomas de enormes simios, sin guía del genoma humano como referencia. Proporcionan una visión más clara de las diferencias genéticas que surgieron a medida que los humanos divergían de otros primates. La investigación más reciente ofrece el catálogo más completo de variantes genéticas que se han obtenido en diferentes linajes de simios. La influencia de estas variantes se exploró en el desarrollo del cerebro, las necesidades dietéticas y la anatomía.

En la edición del 8 de junio de Science, los investigadores informaron sobre genomas de orangután y chimpancé mejorados que fueron construidos desde cero utilizando la secuencia de lectura PacBio de larga lectura y la tecnología de mapeo de largo alcance. Los genomas altamente contiguos y recién ensamblados presentan un mejor recurso para el descubrimiento de genes novedosos y la genómica comparativa de alta resolución entre los grandes simios.

El proyecto multi-institucional, que involucró a más de 40 científicos en una docena de centros de investigación, fue dirigido por Zev N. Kronenberg y Evan Eichler, investigadores del Instituto Médico Howard Hughes en el Departamento de Ciencias Genómicas en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington. Kronenberg ahora es un biólogo computacional en Phase Genomics.

Los científicos señalan que muchas de las diferencias genéticas entre los humanos y otros simios no fueron reconocidas cuando se compararon sus genomas por primera vez. Las áreas de cambio estructural rápido todavía eran nebulosas en aquellos primeros ensamblajes del genoma. Esto los hizo difíciles de comparar y limitó el descubrimiento de las diferencias funcionales que distinguen a los humanos de otros simios.

Al unir el ensamblaje de secuencia de lectura larga con un enfoque de andamiaje de genoma híbrido, los investigadores resolvieron la mayoría de las brechas en los genomas de los simios. Algunas de estas lagunas contenían genes, que ahora están anotados correctamente en los nuevos genomas. Para comprender mejor las estructuras génicas, los autores complementaron la investigación secuenciando más de 500,000 genes de longitud completa de cada especie.

La investigación más reciente proporciona el catálogo más completo de variantes genéticas que se obtuvieron en diferentes linajes de simios. Algunas de estas variantes afectan cómo los genes se expresan diferencialmente entre humanos y simios.

Los investigadores examinaron la posible influencia de algunas de las variantes genéticas y reguladores de la función génica en áreas tales como las diferencias dietéticas y humanas, la anatomía y la formación del cerebro.

En el análisis comparativo, el equipo de investigación de genomas humanos y de grandes simios también incluyó un conjunto de gorila, un nuevo ensamblaje de un genoma humano africano y un conjunto de mola hidatídico haploide humano (Debido a que contienen solo la mitad de los cromosomas humanos emparejados, los estudios de estos anormales crecimientos humanos ayudan a diferenciar genes duplicados similares). Todos los genomas fueron secuenciados y ensamblados utilizando el mismo proceso.

Además, los investigadores estudiaron los organoides cerebrales, tejidos cultivados en laboratorio, extraídos de células madre de monos o humanos y formando una versión simplificada de partes de órganos. Estas conexiones cerebrales se examinaron para tratar de comprender, cómo las diferencias en la expresión génica durante el desarrollo cerebral en humanos y chimpancés podrían explicar el volumen cerebral más pequeño de los chimpancés, que es tres veces menor que el volumen del cerebro humano. También hay diferencias significativas en las estructuras corticales en humanos y cerebros de chimpancés.

Los investigadores observaron en los organoides que ciertos genes, particularmente los que están en las células que son como los progenitores de las neuronas gliales radiales, se reducen (-) en humanos en comparación con los chimpancés. Esos genes tienen más probabilidades de haber perdido segmentos de ADN, específicamente en la rama humana, importantes para regular su expresión.

Los científicos dijeron que este hallazgo es consistente con una hipótesis llamada "menos es más", propuesta en la década de 1990 por el ahora jubilado profesor de ciencias del genoma de la Facultad de Medicina de la UW Maynard Olson y sus colegas. La hipótesis propone que la pérdida de elementos funcionales contribuye a los aspectos críticos de la evolución humana.

Por otro lado, ciertos genes humanos parecen estar relacionados con la regulación positiva (+) de los progenitores neuronales y las neuronas excitatorias en el sistema nervioso. Es probable que estos genes hayan obtenido copias adicionales en la especie humana, en comparación con otros simios, a través de un proceso de duplicación de genes.

Los investigadores dijeron que sus hallazgos recientes encajan con sus estudios previos, que muestran que los genomas del linaje ancestral común de los grandes simios africanos, probablemente experimentaron una expansión de la duplicación segmentaria hace más de 10 millones de años. Estas repeticiones de secciones del código genético pueden haber hecho los genomas de grandes simios particularmente propensos a eventos de deleción y duplicación, acelerando así la tasa de mutaciones con importantes consecuencias que ayudaron a impulsar la evolución de las especies de simios.

Otros descubrimientos reportados en este documento de Ciencia surgen de una investigación sobre el origen de un virus fósil, similar a los retrovirus actuales, que se cree que estuvo presente en el genoma del ancestro común de todos los simios africanos.

La secuencia de alta calidad ayudó a identificar la "fuente PtERV1", común a los chimpancés y gorilas. Los chimpancés y gorilas modernos llevan cientos de inserciones retrovirales del PtERV1 que parecen haberse originado a partir de esta fuente que nunca llegó al genoma humano. La "fuente PtERV1" fue pasada por alto en los primeros estudios de genomas porque solo se mapeó a las brechas abundantemente repetitivas.

En otros aspectos de este proyecto, la comparación de los ensambles del gorila y el genoma humano identificó una nueva inversión de la secuencia del gorila, cerca de un gen importante que controla la morfología de la columna del pene, algo de lo que los humanos carecen. Estos pequeños bultos en la superficie de la piel ocurren en los monos y algunos otros mamíferos.

Los humanos también sufrieron la eliminación de algunos genes implicados en la síntesis de ácidos grasos. Algunos cambios genéticos relacionados con el metabolismo de la dieta se identificaron en este proyecto. Estos pueden haber jugado un papel relevante para la evolución de las especies de simios. Las dietas de los grandes simios van, desde lo estrictamente vegetarianos hasta alimentarse casi cualquier cosa.

Los investigadores de este estudio predicen que las tecnologías de mapeo y secuenciación más avanzadas y de largo alcance, e incluso la secuenciación de lectura más larga, ayudarán a aumentar el conocimiento sobre el viaje evolutivo llevado a cabo por los grandes simios y toda nuestra estirpe de ancestros humanos. Los científicos advierten que su trabajo en los genomas de los simios todavía no está completo porque los ensamblajes del genoma todavía faltan. También se necesitan otras variaciones estructurales más grandes y complejas que aún no se pueden ensamblar.

"Nuestro objetivo", dijo Eichler, "es generar múltiples genomas de simios con una calidad tan alta como el genoma humano. Sólo entonces podremos comprender verdaderamente las diferencias genéticas que nos hacen únicos como humanos".

Referencia del documento científico:
Zev N. Kronenberg et al. Análisis comparativo en alta resolución de genomas de grandes simios. Science, Volumen. 360, Número 6393, eaar6343; doi: 10.1126 / science.aar6343

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