Los científicos de la Universidad de Chicago han creado los primeros animales genéticamente modificados que contienen genes antiguos reconstruidos, que utilizaron para probar los efectos evolutivos de los cambios genéticos que ocurrieron en el pasado profundo en la biología y aptitud física de los animales.
La investigación, publicada temprano en línea en Ecología y evolución de la naturaleza el 13 de enero, es un gran paso adelante para los esfuerzos por estudiar las bases genéticas de la adaptación y la evolución. Los hallazgos específicos, que incluyen la capacidad de la mosca de la fruta para descomponer el alcohol en la fruta podrida, anulan una hipótesis ampliamente difundida sobre el molecularcausas de uno de los casos clásicos de adaptación de la biología evolutiva.
"Uno de los principales objetivos de la biología evolutiva moderna es identificar los genes que causaron que las especies se adapten a nuevos entornos, pero ha sido difícil hacerlo directamente, porque no hemos tenido forma de probar los efectos de los genes antiguos enbiología animal ", dijo Mo Siddiq, un estudiante graduado en el Departamento de Ecología y Evolución de la Universidad de Chicago, uno de los principales científicos del estudio.
"Nos dimos cuenta de que podíamos superar este problema combinando dos métodos desarrollados recientemente: la reconstrucción estadística de secuencias genéticas antiguas y la ingeniería de animales transgénicos", dijo.
Hasta hace poco, la mayoría de los estudios de adaptación molecular han analizado secuencias de genes para identificar "firmas de selección", patrones que sugieren que un gen cambió tan rápidamente durante su evolución que es probable que la causa haya sido la selección. La evidencia de este enfoque esSin embargo, solo es circunstancial, porque los genes pueden evolucionar rápidamente por muchas razones, como el azar, las fluctuaciones en el tamaño de la población o la selección de funciones no relacionadas con las condiciones ambientales a las que se cree que el organismo se ha adaptado.
Siddiq y su asesor, Joe Thornton, PhD, profesor de ecología y evolución y genética humana en la Universidad de Chicago, querían probar directamente los efectos de la evolución de un gen en la adaptación. Thornton ha sido pionero en métodos para reconstruir genes ancestrales, estadísticamentedeterminando sus secuencias a partir de grandes bases de datos de secuencias actuales, luego sintetizándolas y estudiando experimentalmente sus propiedades moleculares en el laboratorio. Esta estrategia ha arrojado importantes conocimientos sobre los mecanismos por los cuales evolucionan las funciones bioquímicas.
Thornton y Siddiq razonaron que al combinar la reconstrucción de genes ancestrales con técnicas para diseñar animales transgénicos, podrían estudiar cómo los cambios genéticos que ocurrieron en el pasado profundo afectaron a organismos completos: su desarrollo, fisiología e incluso su estado físico.
"Esta estrategia de ingeniería de 'animales ancestrales' podría aplicarse a muchas preguntas evolutivas", dijo Thornton. "Para el primer caso de prueba, elegimos un ejemplo clásico de adaptación: cómo las moscas de la fruta desarrollaron la capacidad de sobrevivir a las altas concentraciones de alcoholencontrado en la fruta podrida. Descubrimos que la sabiduría aceptada sobre las causas moleculares de la evolución de las moscas es simplemente incorrecta ".
La mosca de la fruta Drosophila melanogaster es uno de los organismos más estudiados en genética y evolución. En la naturaleza, D. melanogaster vive en fruta podrida rica en alcohol, tolerando concentraciones de alcohol mucho más altas que sus parientes más cercanos, que viven de otras fuentes de alimentos.Hace veinticinco años, en la Universidad de Chicago, los biólogos Martin Kreitman y John McDonald inventaron un nuevo método estadístico para encontrar firmas de selección, que sigue siendo hoy en día uno de los métodos más utilizados en la evolución molecular.gen de la deshidrogenasa Adh - el gen para la enzima que descompone el alcohol dentro de las células - de este grupo de moscas. Adh tenía una fuerte firma de selección, y ya se sabía que las moscas D. melanogaster descomponen el alcohol más rápido que susEntonces, la idea de que la enzima Adh fue la causa de la adaptación de la mosca de la fruta al etanol se convirtió en el primer caso aceptado de un gen específico que medió la evolución adaptativa deuna especie.
Siddiq y Thornton se dieron cuenta de que esta hipótesis podía probarse directamente utilizando las nuevas tecnologías. Siddiq dedujo primero las secuencias de los antiguos genes Adh justo antes y justo después de que D. melanogaster desarrollara su tolerancia al etanol, hace unos dos o cuatro millones de años.sintetizó estos genes bioquímicamente, los expresó y usó métodos bioquímicos para medir su capacidad de descomponer el alcohol en un tubo de ensayo. Los resultados fueron sorprendentes: los cambios genéticos que ocurrieron durante la evolución de D. melanogaster no tuvieron un efecto detectable en la función de la proteína.
Siddiq, trabajando con los colaboradores David Loehlin en la Universidad de Wisconsin y Kristi Montooth en la Universidad de Nebraska, creó y caracterizó moscas transgénicas que contienen las formas ancestrales reconstruidas de Adh. Criaron a miles de estas moscas "ancestrales", probaron qué tan rápidopodría descomponer el alcohol y qué tan bien sobrevivieron las larvas y las moscas adultas cuando se criaron con alimentos con alto contenido de alcohol. Sorprendentemente, las moscas transgénicas que transportan el Adh más reciente no fueron mejores para metabolizar el alcohol que las moscas que transportan la forma más antigua de Adh. InclusoLo más sorprendente es que no fueron capaces de crecer o sobrevivir al aumentar las concentraciones de alcohol. Por lo tanto, ninguna de las predicciones de la versión clásica de la historia se cumplió. No hay duda de que D. melanogaster se adaptó a las fuentes de alimentos con alto contenido de alcohol durantesu evolución, pero no debido a cambios en la enzima Adh.
"La historia de Adh fue aceptada porque la ecología, la fisiología y la firma estadística de la selección apuntaban en la misma dirección. Pero tres líneas de evidencia circunstancial no son un caso hermético", dijo Thornton. "Por eso queríamospara probar la hipótesis directamente, ahora que finalmente tenemos los medios para hacerlo "
Siddiq y Thornton esperan que la estrategia de hacer transgénicos ancestrales se convierta en el estándar de oro en el campo para determinar de manera decisiva los cambios históricos en los genes a sus cambios en la biología y aptitud de los organismos.
Por su parte, Kreitman, que todavía es profesor de ecología y evolución en UChicago, ha apoyado la nueva investigación, ayudando a asesorar a Siddiq en el proyecto y compartiendo su vasto conocimiento sobre la evolución molecular y la genética de Drosophila.
"Desde el principio, Marty estaba entusiasmado con nuestros experimentos, y fue tan solidario cuando nuestros resultados anularon conclusiones bien conocidas basadas en su trabajo anterior", dijo Siddiq. "Creo que es extremadamente inspirador".
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Materiales proporcionado por Centro médico de la Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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