Investigadores del IRBio exploran la evolución de los genes

El estudio se centra en la influencia de los "genes saltantes" en la neuroplasticidad: un nuevo enfoque para comprender la evolución de los animales. 

El uso de peces cebra revela la interacción de estos genes en las redes neurales. 

Investigación pionera sobre los genes neurales ARC 

El proyecto REARCTE tiene como objetivo descifrar las bases de la evolución de los genes neurales ARC: unos genes esenciales para el almacenamiento de información de larga duración en el cerebro de los mamíferos. El proyecto, que se extenderá hasta agosto de 2025, quiere entender cómo los elementos transponibles (o genes saltantes “jumping genes”), pueden adquirir funciones biológicas nuevas y relevantes. 

Liderado por Ignacio Maeso Martín, investigador del Institut de Recerca de la Biodiversitat de la Universidad de Barcelona y del grupo de investigación Evolution of Molecular Novelties and Gene Regulation cuenta con la participación central de Manuel Fernandez, estudiante de doctorado y Beatriz Loría, Técnica de investigación.  

Los genes saltantes: una herramienta evolutiva 

Los "genes saltantes", también conocidos como elementos transponibles, son secuencias de ADN que tienen la capacidad de moverse o "saltar" de una posición a otra dentro del genoma de una célula. Este proceso, conocido como transposición, puede llevarse a cabo de varias formas: algunos elementos se cortan y se reintegran en otro lugar del genoma, mientras que otros se copian, dejando una copia en la posición original. 

Los elementos transponibles pueden tener un impacto significativo en la evolución y diversidad genética de las especies, ya que pueden alterar la expresión de genes, activar o desactivar ciertos genes, o incluso crear nuevas funciones. A lo largo de la evolución, estos "saltos" han influido en la formación de nuevas estructuras y funciones biológicas. Un ejemplo notable es su implicación en el desarrollo de la placenta en mamíferos, donde elementos transponibles ayudaron a integrar funciones genéticas esenciales para la formación de esa estructura. También se ha visto su influencia en genes de desarrollo en vertebrados, clave para la formación de órganos y estructuras corporales. 

Estos elementos transponibles, como algunos retrovirus que pertenecen a la misma familia, son a menudo etiquetados como entidades parásitas o “egoístas”. Sin embargo, a lo largo de la evolución, han jugado un papel crucial en la innovación genómica en múltiples linajes de animales y plantas. Cuando estos elementos son integrados por los genomas huésped, pueden a veces adquirir funciones nuevas y beneficiosas: es decir, que son domesticados. El proyecto REARCTE se centra en investigar si estas proteínas de origen transponible pueden predisponerse a adquirir funciones con significado biológico nuevo, especialmente en procesos neurales. 

Un fenómeno sorprendente: la doble domesticación 

Los genes ARC, que regulan la plasticidad neuronal y están implicados en el aprendizaje, son un ejemplo fascinante de domesticación de elementos transponibles. A pesar de tener funciones similares, estos genes no están evolutivamente relacionados entre sí, sino que han aparecido de forma independiente en diferentes linajes, como en las moscas y los vertebrados terrestres. Esto significa que han emergido repetidamente (en este caso dos veces) a partir de elementos transponibles en grupos de animales distintos: se trata de una doble domesticación. 

Lo que hace que los genes ARC sean especialmente interesantes es que todavía conservan la capacidad de formar cápsidas víricas (estructuras propias de los virus), que permiten la comunicación entre neuronas mediante el transporte de ARN. Esta característica viral podría haber sido esencial para su domesticación reiterada en diversos linajes animales: las cápsidas podrían haber ofrecido ventajas en procesos como la comunicación neuronal. 

Experimentos con peces cebra 

El proyecto utiliza un enfoque innovador con peces cebra transgénicos. Estos peces expresan nuevos genes en sus neuronas: genes derivados de genes saltantes. Este método permite a los investigadores estudiar cómo interactúan las proteínas exógenas con las redes neurales existentes, lo que no es posible en peces cebra sin modificaciones. El objetivo es determinar si estos genes se integran en las redes celulares preexistentes. También buscan comprender mejor las fuerzas evolutivas que favorecen estas adaptaciones. 

Primeros hallazgos y colaboraciones clave 

Hasta ahora, el equipo ha establecido dos líneas de investigación: una que expresa el gen ARC de ratón y otra con el gen ARC de la mosca de la fruta. Las investigaciones actuales se centran en analizar los cambios en la expresión génica, la actividad de las larvas, la localización de las proteínas en las neuronas y sus interacciones con otras proteínas.  

Este proyecto forma parte de la tesis doctoral de Manuel Fernández Moreno, codirigida por Manuel Irimia investigador ICREA de la Universidad Pompeu Fabra y del Centro de Regulación Genómica que también participa en la investigación. El grupo Evolution of Molecular Novelties and Gene Regulation del dr. Maeso es parte de diversas redes de investigación, como el grupo de Investigación de Evolución y Desarrollo (EvoDevoCat), Red de Regulación Genómica (R2G) y LifeHub. 

El estudio de la domesticación de los elementos transponibles en procesos neurales ofrece una nueva perspectiva sobre cómo las fuerzas evolutivas pueden moldear las redes genéticas en diferentes especies, y puede aportar nuevas pistas sobre el funcionamiento del cerebro y su evolución.