Afers del cor: una recerca exclusiva de la UB, portada a la revista ʻNatureʼ

Publicar un article a Nature, considerada una de les revistes científiques més influents i prestigioses del món, és una fita molt desitjada per a qualsevol investigador i per a qualsevol universitat o institució de recerca. Que, a més, el treball hagi estat fet íntegrament per un sol grup de recerca és excepcional. I encara més: que aquest treball de recerca bàsica hagi estat destacat a la portada de la revista fa de tot plegat un episodi inaudit, que segurament no havia succeït mai abans a la Universitat de Barcelona, i en comptades ocasions al país.

El treball proposa un nou escenari evolutiu que ajuda a entendre millor lʼevolució del nostre fílum i a descobrir com era lʼavantpassat dels tunicats, el grup germà dels vertebrats. En concret, revela que les pèrdues massives de gens que van desconstruir la xarxa gènica del cor van facilitar la transició cap a un estil de vida pelàgic lliure en les apendiculàries tunicades, a partir dʼuna forma ancestral sedentària.

Desxifrant lʼimpacte de la pèrdua de gens en lʼevolució biològica

Durant molts anys, en el camp de la biologia evolutiva no sʼhavia parat gaire atenció a les pèrdues gèniques i la majoria dʼestudis se centraven en la manera com les duplicacions gèniques podien conduir a noves funcions biològiques.

«En lʼera de la genòmica, però, estem veient que perdre gens no és excepcional, sinó que és un fenomen evolutiu molt més freqüent del que es creia. A priori, es pensava que un gen simplement es perdia quan ja no es feia servir: és el que es coneix com a evolució regressiva», explica Cristian Cañestro, professor de la Secció de Genètica de la UB, membre de lʼInstitut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) i investigador principal del Grup @EvoDevoGenomeUB.

«Tal com mostrem en el nostre treball, però, cada cop estem identificant més pèrdues gèniques que poden ser de caràcter adaptatiu», continua. «És a dir, perdre certs gens també pot comportar avantatges evolutius que es poden relacionar amb lʼadquisició dʼinnovacions biològiques dels organismes».

El fílum dels cordats està integrat pels grups dels vertebrats, els tunicats (el grup germà dels vertebrats) i els cefalocordats. La posició basal dels cefalocordats i el fet que són organismes amb un estil de vida lliure, com els vertebrats, indica que lʼancestre de tots els cordats era també de vida lliure. Tanmateix, en el cas dels tunicats hi ha animals sèssils (ascidis) i animals de vida lliure (apendiculàries). Si lʼancestre comú dels tunicats era un filtrador passiu fixat al fons marí o un actiu nedador ha estat un focus de debat clau per entendre com era lʼavantpassat predecessor a partir del qual també es van originar els vertebrats.

El grup investigador és pioner a escala mundial en lʼús de lʼespècie Oikopleura dioica —un organisme del zooplàncton marí del grup de les apendiculàries— com a model animal per estudiar lʼimpacte de la pèrdua gènica com a força evolutiva. A diferència dels ascidis, lʼOikopleura dioica no pateix una dràstica metamorfosi per convertir-se en un animal sèssil. Ben al contrari, manté un estil de vida lliure durant tot el seu cicle. A més, la vida lliure de lʼOikopleura dioica es caracteritza per la construcció dʼun aparell filtrador mucopolisacàric anomenat casa que embolcalla lʼanimal (oikos significa ʻcasaʼ en grec). A través dʼaquesta casa, fa circular lʼaigua amb el moviment incessant de la cua per atrapar les microalgues marines de manera eficient. Tot plegat fa que lʼOikopleura dioica sigui un model atractiu per investigar com era lʼancestre dels tunicats i determinar si aquest avantpassat era també de vida lliure, com lʼancestre dels vertebrats.

Els resultats de lʼarticle revelen lʼexistència de pèrdues massives de gens en les apendiculàries que fa milions dʼanys van afectar la xarxa gènica cardiofaríngia. «En lʼestudi hem identificat la pèrdua de molts gens que són essencials per al desenvolupament del cor en la resta dʼorganismes del nostre fílum», revela Alfonso Ferrández-Roldán (Secció de Genètica-UB-IRBio), primer autor de lʼarticle, que recull els resultats de la seva tesi doctoral.

«El nostre treball demostra que el cor dʼOikopleura dioica és homòleg al de la resta de cordats i, per tant, prové dʼun cor que ja existia en lʼancestre comú entre els humans i lʼOikopleura dioica», remarca Alfonso Ferrández-Roldán. «Tanmateix, ha estat sorprenent comprovar que, tot i tenir un cor homòleg, molts dels gens essencials per fer un cor tant en humans com en la resta de cordats sʼhan perdut en lʼOikopleura dioica durant un procés de desconstrucció que ha afectat la seva xarxa gènica cardiofaríngia».

«Desconstrucció» en la perspectiva de lʼevo-devo

Lʼarticle aborda lʼimpacte de la pèrdua gènica des de la perspectiva de la biologia evolutiva del desenvolupament (informalment, evo-devo), una disciplina que, tot seguint les idees evolucionistes de Charles Darwin, vol entendre com els canvis dels mecanismes genètics del desenvolupament embrionari afavoreixen la generació de la biodiversitat. «En el nostre cas, ens centrem en les pèrdues gèniques com a generador de canvis», precisa Ricard Albalat, coautor del treball, professor de Genètica de la UB i membre de lʼIRBio.

Les pèrdues gèniques no afecten de manera aleatòria la xarxa gènica. «El nostre treball revela que les pèrdues gèniques no es distribueixen uniformement, sinó que tan sols afecten certs grups de gens que es coeliminen simultàniament». Segons explica lʼexpert, el treball, a més, «revela que la pèrdua massiva de gens es va donar de manera sobtada a la base del grup de les apendiculàries, i, per tant, ha marcat lʼevolució diferencial del cor de tot aquest grup en comparació a la resta de tunicats».

Els patrons de la coeliminació descobreixen un procés de desconstrucció de la xarxa gènica reguladora del desenvolupament del cor. «El terme desconstrucció prové del camp de la filosofia i avui sʼaplica també en àrees com lʼarquitectura, la literatura o, fins i tot, la gastronomia, en què el cuiner Ferran Adrià és el màxim exponent», detalla Cristian Cañestro. «No implica destrucció, sinó el desballestament dʼelements —normalment combinats—, que, un cop analitzats per separat, ajuden a entendre lʼestructura modular i lʼorganització dʼun conjunt més complex», assenyala.

Lʼestudi de les pèrdues gèniques i el concepte de desconstrucció aplicat a lʼevo-devo i a la biologia evolutiva en general ha fet possibles dues fites: identificar processos de coeliminació i reconèixer lʼevolució de certs mòduls dins de les xarxes gèniques que són importants per generar diferències en el desenvolupament embrionari de diferents espècies i per a la creació de biodiversitat.

«En el nostre cas, la pèrdua de gens i la desconstrucció de dos mòduls de la xarxa gènica es correlaciona amb la pèrdua de multipotència de cèl·lules mare procardíaques, que en vertebrats i ascidis dona lloc a diferents parts del cor i a la musculatura faríngia», continua Cristian Cañestro. «Per això, lʼestudi de les pèrdues gèniques i lʼaplicació del concepte de desconstrucció a lʼàrea de la biologia evolutiva del desenvolupament —que és una de les contribucions científiques més significatives del nostre treball— pot permetre impulsar la recerca en aquest sentit».

Perdre gens i el repte evolutiu dʼadaptar-se a una vida lliure

«Considerant que vertebrats, cefalocordats i apendiculàries són animals de vida lliure, es postulava que lʼescenari evolutiu més plausible era que lʼavantpassat tunicat era també de vida lliure», precisa Alfonso Ferrández-Roldán.

Ara, els resultats de lʼarticle contradiuen aquest escenari evolutiu. «En lʼestudi hem pogut correlacionar la pèrdua de gens amb la desaparició de característiques típiques de la vida sèssil dels ascidis. Això ens ha portat a inferir que lʼancestre comú de tots els tunicats era un organisme de vida sèssil, i no pas lliure, com es pensava fins ara», continua.

Lʼarticle assenyala que la pèrdua massiva de gens podria estar lligada a tres innovacions evolutives que van facilitar la transició dʼun ancestre amb trets semblants als ascidis —amb larves mòbils i adults sèssils— cap a lʼestil de vida completament lliure de les apendiculàries.

Una primera adaptació relacionada amb les pèrdues gèniques seria lʼacceleració en el procés de desenvolupament del cor (cardiogènesi). Aquesta acceleració va permetre que les apendiculàries tinguessin aquest òrgan plenament operatiu en iniciar el seu estil de vida lliure, quan inflen la primera casa poques hores després de la fertilització. En els ascidis, per contra, la cardiogènesi és un procés més lent, ja que el cor no sʼacaba de desenvolupar ni comença a bategar fins dies després dʼuna metamorfosi radical, en què la larva mòbil es transforma en un organisme sèssil adherit a una superfície al fons del mar.

Altres pèrdues gèniques que contribuirien a una segona adaptació estarien lligades al redisseny dʼuna nova estructura del cor: la pèrdua del camp secundari cardíac. Aquest canvi evolutiu es podria relacionar amb el pas dʼun cor amb estructura cilíndrica (ascidis) a un altre amb estructura laminar (apendiculàries). Lʼevolució a un cor laminar en les apendiculàries podria tenir un caràcter adaptatiu i millorar la circulació de lʼhemolimfa, també impulsada pel moviment de la cua característic de lʼestil de vida lliure dʼaquests organismes pelàgics.

La desaparició de la musculatura faríngia en el tronc de lʼOikopleura dioica seria una tercera innovació evolutiva en la ruta cap a la vida de natació activa. La funció que té aquesta musculatura en els ascidis sèssils —regula el sifó per on entra lʼaigua— seria totalment innecessària en les apendiculàries i, per tant, hauria comportat pèrdues gèniques addicionals (evolució regressiva).

Canvi dʼescenari evolutiu gràcies a la recerca dʼuna universitat pública

Aquest treball de recerca bàsica destacat a la portada de Nature perfila un nou escenari evolutiu per resoldre incògnites sobre lʼorigen i evolució de les apendiculàries, la seva relació filogenètica amb altres tunicats i lʼancestre comú dels vertebrats. «El nostre treball revela com era lʼancestre dels tunicats, i obre noves preguntes com, per exemple, de quina manera va evolucionar la vida sèssil en el tunicat ancestral a partir dʼun avantpassat de vida lliure possiblement semblant a la que observem en els vertebrats», planteja Cristian Cañestro.

En aquest context, el Grup de Recerca Consolidat Evolució i Desenvolupament (Evo-Devo) és capdavanter en una línia de treball que esdevé tot un referent internacional en aquest camp de la recerca bàsica de la biologia en lʼestudi de lʼevolució del nostre fílum i, per tant, investigant com eren els ancestres que van precedir lʼespècie humana fa milions dʼanys.

«Necessitem conèixer la història evolutiva per conèixer-nos a nosaltres mateixos», afirma Jordi Garcia-Fernàndez, catedràtic de Genètica de la UB, investigador principal del Grup de Recerca Evo-Devo i membre de lʼInstitut de Biomedicina de la UB (IBUB).

«Aquesta recerca bàsica és la base per poder impulsar lʼaplicabilitat dels coneixements (per exemple, nous models animals per estudiar malalties del cor, futures dianes terapèutiques en biomedicina, patents, etc.). Per això, cal destacar lʼesforç que sʼestà fent des de les universitats públiques en aquesta direcció», afegeix Jordi Garcia-Fernàndez, que és lʼactual vicerector de Recerca de la UB.

«En un context internacional altament competitiu, no és gens habitual que un equip dʼuna única universitat pública signi de manera exclusiva un article científic en una revista de prestigi. En el cas de la UB i Nature, per exemple, només en menys de cinc ocasions anteriors han aparegut publicacions amb el format dʼaquest article. Per tant, els resultats del nou treball destacat a la portada posen en valor la recerca duta a terme a les universitats públiques i posen de manifest la urgent necessitat de donar-los més suport i dʼaugmentar-ne el finançament per poder avançar en el món de la recerca i del coneixement», conclou Jordi Garcia-Fernàndez.

Més informació:

Trobareu la videonotícia sobre aquest article al canal UBTV.

Per saber més sobre la història que hi ha darrere de lʼarticle, podeu llegir aquesta entrada al portal de la comunitat dʼEcologia i Evolució a Nature.

Article de referència:

Ferrández-Roldán, A.; Fabregà-Torrus, M.; Sánchez-Serna, G.; Duran-Bello, E.; Joaquín-Lluís, M.; Bujosa, P.; Plana-Carmona, M.; Garcia-Fernàndez, J.; Albalat, R.; Cañestro, C. «Cardiopharyngeal deconstruction and ancestral tunicate sessility». Nature, novembre de 2021. Doi: 10.1038/s41586-021-04041-w