La evolución lleva eones, pero deja marcas en los genomas de organismos que pueden detectarse con la secuenciación y el análisis de ADN.
A medida que mejoran los métodos para estudiar y comparar datos genéticos, los científicos comienzan a decodificar estas marcas para reconstruir la historia evolutiva de las especies, así como la forma en que las variantes de genes dan lugar a rasgos únicos.
Un equipo de investigación de la Universidad de Texas en Arlington dirigido por el profesor asistente de biología Todd Castoe ha estado explorando los genomas de serpientes y lagartos para responder preguntas críticas sobre la historia evolutiva de estas criaturas. Por ejemplo, ¿cómo desarrollaron el veneno? ¿Cómo¿regeneran sus órganos? ¿Y cómo las variaciones derivadas evolutivamente en los genes conducen a variaciones en el aspecto y funcionamiento de los organismos?
"Algunas de las preguntas más básicas impulsan nuestra investigación. Sin embargo, tratar de comprender las explicaciones genéticas de tales preguntas es sorprendentemente difícil teniendo en cuenta que la mayoría de los genomas de vertebrados, incluido el nuestro, están formados literalmente por miles de millones de bases de ADN que pueden determinar cómo un organismose ve y funciona ", dice Castoe." Comprender estos vínculos entre las diferencias en el ADN y las diferencias en forma y función es fundamental para comprender la biología y la enfermedad, e investigar estos vínculos críticos requiere una gran capacidad informática ".
Para descubrir nuevas ideas que vinculan la variación en el ADN con la variación en la forma y función de los vertebrados, el grupo de Castoe utiliza recursos de supercomputación y análisis de datos en el Centro de Computación Avanzada de Texas o TACC, uno de los principales centros mundiales para el descubrimiento computacional.
Recientemente, utilizaron las supercomputadoras TACC para comprender los mecanismos por los cuales las pitones birmanas regeneran sus órganos, incluidos su corazón, hígado, riñón e intestino delgado, después de alimentarse.
las pitones birmanas así como otras serpientes regulan de manera masiva sus funciones metabólicas y fisiológicas durante períodos prolongados de ayuno. Durante este tiempo, sus órganos se atrofian y ahorran energía. Sin embargo, al alimentarse, el tamaño y la función de estos órganos, junto con suscapacidad de generar energía, aumentar dramáticamente para acomodar la digestión.
Dentro de las 48 horas posteriores a la alimentación, las pitones birmanas pueden sufrir un aumento de hasta 44 veces en la tasa metabólica y la masa de sus órganos principales puede aumentar entre un 40 y un 100 por ciento.
Escribiendo en Genómica BMC en mayo de 2017, los investigadores describieron sus esfuerzos para comparar la expresión génica en pitones en ayunas, un día después de la alimentación y cuatro días después de la alimentación. Secuenciaron las pitones en estos tres estados e identificaron 1.700 genes que eran significativamente diferentes antesy después de la alimentación. Luego realizaron análisis estadísticos para identificar los impulsores clave de la regeneración de órganos en diferentes tipos de tejidos.
Lo que encontraron fue que unos pocos conjuntos de genes estaban influyendo en el cambio generalizado de la estructura orgánica interna de las pitones. Las proteínas clave, producidas y reguladas por estos genes importantes, activaron una cascada de diversas señales específicas de tejido que condujeron a un órgano regenerativocrecimiento.
Curiosamente, incluso se ha demostrado que las células de mamíferos responden al suero producido por las pitones posteriores a la alimentación, lo que sugiere que la función de señalización se conserva en todas las especies y que algún día podría usarse para mejorar la salud humana.
"Estamos interesados en comprender la base molecular de este fenómeno para ver qué genes están regulados en relación con la respuesta de alimentación", dice Daren Card, estudiante de doctorado en el laboratorio de Castoe y uno de los autores del estudio. "Nuestra esperanzaes que podemos aprovechar nuestra comprensión de cómo las serpientes logran la regeneración de órganos para algún día ayudar a tratar enfermedades humanas ".
Haciendo sentido evolutivo del contacto secundario
Castoe y su equipo utilizaron un enfoque genómico similar para comprender el flujo de genes en dos especies estrechamente relacionadas de serpientes de cascabel occidentales con una historia genética entrelazada.
Las dos especies viven en lados opuestos de la División Continental en México y los EE. UU. Se separaron durante miles de años y evolucionaron en respuesta a diferentes climas y hábitats. Sin embargo, con el tiempo sus rangos geográficos volvieron a unirse hasta el punto de quelas serpientes de cascabel comenzaron a cruzarse, dando lugar a híbridos, algunos de los cuales viven en una región entre los dos climas distintos.
El trabajo fue motivado por el deseo de comprender qué fuerzas generan y mantienen especies distintas, y cómo los cambios en los rangos de especies por ejemplo, debido al cambio global pueden afectar las especies y la especiación.
Los investigadores compararon miles de genes en el ADN nuclear de las serpientes de cascabel para estudiar la diferenciación genómica entre los dos linajes. Sus comparaciones revelaron una relación entre los rasgos genéticos que son más importantes en la evolución durante el aislamiento y los que son más importantes durante el contacto secundario, consuperposición mayor a la esperada entre genes en estos dos escenarios.
Sin embargo, también encontraron regiones del genoma de la serpiente de cascabel que son importantes solo en uno de estos dos escenarios. Por ejemplo, los genes que funcionan en la composición del veneno y en las diferencias reproductivas, rasgos distintos que son importantes para la adaptación al hábitat local,probablemente divergieron bajo selección cuando se aislaron estas especies. También encontraron otros conjuntos de genes que originalmente no eran importantes para la diversificación de la forma y la función, que luego se hicieron importantes para reducir la viabilidad de los híbridos. En general, sus resultados proporcionan una perspectiva a escala del genomasobre cómo podría funcionar la especiación que puede ser probada y refinada en estudios de otras especies.
El equipo publicó sus resultados en la edición de abril de 2017 de Ecología y evolución .
El papel de la supercomputación en la investigación genómica
Los estudios realizados por los miembros del laboratorio Castoe se basan en la computación avanzada para varios aspectos de la investigación. Primero, usan la computación avanzada para crear conjuntos de genoma, colocando millones de pequeños trozos de ADN en el orden correcto.
"Los genomas de los vertebrados suelen estar en el lado más grande, por lo que se necesita mucha potencia computacional para ensamblarlos", dice Card. "Utilizamos mucho TACC para eso".
Luego, los investigadores usan la computación avanzada para comparar los resultados entre muchas muestras diferentes, de múltiples linajes, para identificar diferencias sutiles y patrones que de otro modo no serían distinguibles.
El laboratorio de Castoe tiene sus propias computadoras internas, pero no alcanzan lo que se necesita para realizar todos los estudios en los que el grupo está interesado en trabajar.
"En términos de ensamblajes del genoma y los análisis muy intensivos que hacemos, acceder a recursos más grandes de TACC es ventajoso", dice Card. "Ciertas cosas se benefician sustancialmente de la producción general de las máquinas TACC, pero también nos permiten ejecutar 500 trabajosal mismo tiempo, lo que acelera considerablemente el proceso de investigación "
Un tercer enfoque impulsado por computadora permite al equipo simular el proceso de evolución genética durante millones de generaciones utilizando datos biológicos sintéticos para deducir las reglas de evolución e identificar genes que pueden ser importantes para la adaptación.
Para uno de esos proyectos, el equipo desarrolló una nueva herramienta de software llamada GppFst que permite a los investigadores diferenciar la deriva genética, un proceso neutral por el cual los genes y las secuencias de genes cambian naturalmente debido al apareamiento aleatorio dentro de una población, a partir de variaciones genéticas que son indicativasde cambios evolutivos causados por la selección natural.
La herramienta utiliza simulaciones para determinar estadísticamente qué cambios son significativos y puede ayudar a los biólogos a comprender mejor los procesos que subyacen a la variación genética. Describieron la herramienta en la edición de mayo de 2017 Bioinformática .
Los miembros del laboratorio pueden acceder a los recursos de TACC a través de una iniciativa única, llamada Infraestructura cibernética de investigación de la Universidad de Texas, que brinda a los investigadores de las 14 universidades públicas y centros de salud del estado acceso a los sistemas y la experiencia del personal de TACC.
"Ha sido parte integral de nuestra investigación", dijo Richard Adams, otro estudiante de doctorado en el grupo de Castoe y desarrollador de GppFst. "Simulamos grandes cantidades de diferentes escenarios evolutivos. Para cada uno, queremos tener cientos de réplicas, que sonse requiere para examinar completamente nuestras conclusiones. No hay forma de hacerlo en nuestros sistemas internos. Nos llevaría de 10 a 15 años terminar lo que tendríamos que hacer con nuestras propias máquinas; francamente, sería imposible sin el usode sistemas TACC "
Aunque las raíces de la biología evolutiva se pueden encontrar en el trabajo de campo y la observación cercana, hoy en día, el campo está profundamente vinculado a la informática, ya que la escala del material genético, pequeña pero voluminosa, no se puede ver a simple vista o poneren orden por un individuo.
"La escala masiva de genomas, junto con los rápidos avances en la recopilación de información de la secuencia del genoma, ha cambiado el paradigma para muchos aspectos de la investigación en ciencias de la vida", dice Castoe.
"El cuello de botella para el descubrimiento ya no es la generación de datos, sino el análisis de dichos conjuntos de datos masivos. Los datos que tardan menos de unas pocas semanas en generar pueden tardar años en analizarse, y los recursos flexibles de supercomputación compartidos como TACC tienenser más crítico que nunca para avanzar en el descubrimiento en nuestro campo y, en general, para las ciencias de la vida ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Aaron Dubrow. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
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