El penúltimo artículo y primera incursión en peces

Siguiendo con la puesta al día del blog, presentamos el penúltimo artículo (el último está en el horno) y primero en peces. Allá por Marzo de este año, empezábamos a esbozar las primeras ideas en torno al locus genético de las inmunoglobulinas del pez espinoso, evolución rápida, regiones V y su agrupamiento en familias, nuevos anticuerpos... y finalmente el resultado ha sido la publicación en Developmental and Comparative Immunology en Septiembre de este año con el título de "Presence of an unique IgT on the IGH locus in three-spined stickleback fish (Gasterosteus aculeatus) and the very recent generation of a repertoire of VH genes". Espero que disfrutéis este sustancioso trabajo donde por ejemplo se concluye que la IgZ del pez zebra y la IgT de la trucha arcoiris y otras formas descritas posteriormente (IgZ/T), como en la Siniperca chuatsi, tienen una clara relación evolutiva y pueden ser agrupados bajo una misma clase de anticuerpos, y también que la rápida generación del repertorio VH puede tener relación con la adaptación de los peces a nuevos hábitats, constituyendo un modelo biológico que aclare los procesos evolutivos que originan los genes de inmunoglobulinas.

En la próxima entrada espero colgar el link del siguiente artículo ;)

Presentación de la charla "Origen evolutivo de los anticuerpos" por el Dr. Gambón Deza

La charla tuvo lugar en el IEO de Vigo en Noviembre de este año y en ella se hace un repaso al origen evolutivo de los anticuerpos, destacándose como conclusión que existe una similitud en la organización del locus genético para las cadenas pesadas de las inmunoglobulinas (IGH) en reptiles, anfibios y mamíferos, lo que sugiere que la reorganización genómica de este locus fue anterior al origen de los vertebrados tetrápodos.

El trabajo en su origen se planteó desde la necesidad de procesar y obtener el mayor conocimiento posible de los genomas de vertebrados que están siendo publicados (en la actualidad hay 16 genomas introducidos en bases de datos de uso público) y más concretamente, poder dilucidar cómo han evolucionado genes importantes para el funcionamiento del sistema inmune, como los de las inmunoglobulinas.

Se relata que en el inicio del proyecto sólo existían datos relacionados con la estructura del locus IGH en mamíferos, anfibios y algunos peces teleósteos, sin embargo, no existían trabajos que analizasen dicho locus en reptiles, los cuales representan un nexo evolutivo muy importante entre animales acuáticos y mamíferos terrestres.

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El origen evolutivo de la inmunoglobulina A

Hace dos años propusimos que la IgA tiene un origen por recombinación de la IgM y la IgY. Esta idea surgió como consecuencia del estudio de un anticuerpo nuevo encontrado en Eublepharis macularius que claramente era originario por este proceso de recombinación. En un principio cuando no sospechábamos de esta recombinación las búsquedas en el BLAST con su secuencia nos indicaba que era un anticuerpo similar a la IgX de Xenopus. Todo esto desencadenó la hipótesis de que todas las inmunoglobulinas A podrían tener un origen similar. Después de estudiar multitud de anticuerpos seguimos creyendo que el origen de la IgA se produce por este proceso de recombinación. Pero una cuestión que es importante es que las IgAs de cada clade evolutiva (aves, mamíferos y geckos) se ha producido por un proceso de recombinación diferente. Es decir, durante el proceso de evolución ha ocurrido varias veces la recombinación entre la IgM y la IgY, siendo las IgA encontradas en la actualidad descendientes de estos procesos de recombinación. Por lo tanto no existe un único proceso de recombinación que diera todas las IgA.

Cuando publicamos el artículo pensamos que los datos eran de interés. Era necesario esperar un tiempo para comprobar si otros grupos de investigación tomaban esta hipótesis como suficientemente plausible para poder discutirla. Han salido en estos momentos dos artículos del Dr. Zhao en el J. Immunol. En el que presentan trabajos muy similares a los nuestros realizados en Anolis carolinensis y en el ornitorrinco. En los resultados no existen contradicciones con lo publicado por nosotros. Nos agrada que vean plausible que el origen de la IgA sea por origen de recombinación, dándo apoyo a nuestra hipótesis.

Coevolución de los genes de las cadenas ligeras y pesadas de los anticuerpos

Quizás uno de los procesos más interesantes de coevolución a nivel genómico sea él de la evolución de las cadenas que componen los anticuerpos. En los peces cartilaginosos los anticuerpos ya tienen cadenas pesadas y cadenas ligeras. Tanto las unas como las otras están constituidas por dominios inmunoglobulina lo que indican un origen común. Por lo tanto los anticuerpos parece que desde un primer momento ya estaban constituidos por ambas cadenas. El hecho que el lugar del unión al antígeno está conformado por las regiones variables de ambas cadenas quizás haya constituido la mayor presión evolutiva para el mantenimiento de una estructura similar.

Pero el sistema tiene incongruencias. En un principio parece que debió haber múltiples cadenas ligeras, tan es así que los peces parece que tienen cuatro tipos de estas cadenas. Posteriormente en los animales que pasaron la tierra hubo una disminución existiendo solamente tres en los anfibios, dos en reptiles y mamíferos y una en aves. El hecho de que existan varias no encontramos una explicación a nivel evolutivo por que no se ha encontrado ninguna diferencia en la funcionalidad de un anticuerpo tenga una cadena variable o tenga otra. Quizás la clave esté en el repertorio de estas cadenas. Así en mamíferos suele ser muy común el uso predominante de las cadenas kappa mientras que en reptiles probablemente se use mas la cadena lambda.

También quedan muchas respuestas sin contestar. ¿Por qué las cadenas kappa únicamente tienen un isotipo?. ¿Por qué las cadenas lambda casi siempre tienen tres isotipos?. En las cadenas Lambda es de interés el mantenimiento de la secuencia de aminoácidos en cada uno de los isotipos de estas. Así que presentan tres isotipos que a su vez, a nivel genómico debe de haber intercambios recombinacionales que mantengan la secuencia prácticamente idéntica entre ellos.

Lo más lógico hubiera sido la existencia única de una de las cadenas como ocurre en las aves. El hecho del mantenimiento de como mínimo dos cadenas ligeras sugiere la necesidad de preservarlas. La pérdida de una de estas cadenas deberían llevar a la creación de agujeros en el repertorio que en algún determinado momento condicionarían en la viabilidad del individuo. Quizás esto contribuya a la explicación de la aparente " mala inmunidad" de las aves.

Tambien queda la cuestion de si guia una a la otra en la evolución. ¿Es mas fundamental la pesada que la ligera?¿Es mas básica la kappa que la lambda?. El interes de estas cuestiones viene en que si se demostrara la importancia de alguna de ellas sobre las otras implicaría la depencia evolutiva.

400 millones de años, duplicaciones y creatividad

Los peces y los animales que pasaron a tierra llevan 400 millones de años evolucionando de forma independiente. Ademas los ambientes también son totalmente diferentes, unos evolucionan en un medio acuatico y los otros sobre la superficie o el aire.

El sistema inmune con los anticuerpos aparecieron con la generación de los vertebrados hace unos 540 millones de años. La estructura de los anticuerpos de entonces no ha variado considerablente (sobretodo considerando la IgM). Durante 150 millones de años la evolución fué en medios acuáticos y fué entonces cuando algunos animales salieron fuera del agua. Los animales que quedaron en el agua parece que se dedicaron a duplicar los genes de los anticuerpos una y otra vez. En estos procesos de duplicación y recombinación se fueron formando variaciones de la estructura inicial que debieron de ser seleccionadas o no. La teoría de nacimiento y muerte de genes puede aplicarse a estos casos.

En los animales que pasaron a tierra la evolución cambió. Duplicaciones ha habido pero han sido menos frecuentes. Lo que ha tenido éxito han sido las recombinaciones que han creado nuevos genes como la IgA y duplicaciones con evolucion divergente como la IgY y sus derivadas IgG e IgE.

El cuadro que emerge del estudio de los locus genéticos de los anticuerpos evidencia el predominio de las duplicaciones en los genes de los peces y la creatividad de nuevos anticuerpos en los animales que pasaron a tierra.

¿Porque los reptiles han mantenido regiones V durante tanto tiempo?

La teoría de nacimiento y muerte para explicar el origen, la diversificación y la desaparición de regiones V parece que se cumple en la mayoría de las especies. Es muy clara en peces, existiendo algunos casos como el que hemos descrito en el pez espinoso que este proceso debe ocurrir a una gran velocidad. También parece que en mamíferos debe ocurrir un hecho similar ya que hay algunas especies que prácticamente la mayor parte de sus genes V se corresponden con unas pocas familias de un mismo clan. Con estos datos se podría concluir que ha de quedar muy poca memoria de la región V que hubo en los primeros momentos en que se generaron los vertebrados y en el momento en que éstos pasaron a tierra.

Por lo tanto los datos que hemos obtenido de reptiles tanto en la región V de la cadena pesada como la región V de la cadena Lambda son significativos. El hecho de encontrar genes que probablemente no han debido sufrir grandes cambios durante el proceso evolutivo y que además no han sufrido procesos de duplicación nos dan una imagen de cómo debieron ser estos genes en un momento posterior a la salida de los vertebrados a tierra. ¿Porque se han mantenido? cuando estudiamos los peces y describimos que existe una gran velocidad evolutiva en la generación de regiones V propusimos que puede que exista un mecanismo biológico que condicione la diversificación de estas regiones. Una explicación del mantenimiento quizás podría ser que este mecanismo se haya perdido en los reptiles. En realidad la cosa es más complicada ya que junto con regiones V que se han mantenido durante mucho tiempo coexisten otras V que han creado familias con generación reciente.

Otra interpretación posible podría ser la fijación de procesos de respuesta inmune. Me explico. Quizás alguna de las regiones variables tengan una importancia fundamental en la respuesta inmune frente a un germen del ambiente con gran efecto en la supervivencia del reptil. Esta región V no debería ser en ningún momento perdida mientras la amenaza ambiental subsistiera. Además debería haber alguna presión evolutiva para que esta región no se diversificará o se diversificará lo mínimo generando familias de uno o muy pocos miembros.

La primera hipótesis sería necesario demostrar el mecanismo que genera la diversificación de las regiones V mientras que para la segunda trabajo experimental se puede hacer, aunque no en un futuro próximo.

Duplicaciones en el locus IGH y el método de reproducción

Tanto en el pez espinoso como en el medaka existen procesos de duplicación génica que han ocurrido recientemente. Estas duplicaciones que hemos encontrado en los genes para los anticuerpos puede que sea un proceso que ocurra en otros genes. Un proceso de esta magnitud parece que no se corresponde con lo encontrado en las especies que pasaron la tierra. En mamíferos podemos encontrar duplicaciones recientes de un gen concreto de anticuerpos (IgG en humanos o IgA en conejos) pero no divisiones sucesivas y aditivas del locus y IGH completo.

Aunque se puede argumentar que el locus IGH en humanos se ha duplicado en periodos relativamente recientes, esto no es comparable con lo que hemos encontrado en los peces anteriormente mencionados. La duplicación en el locus humano ocurrió una sola vez y ha habido cambios importantes, encontrando la secuencia totalmente cambiada en las zonas intronicas y abundantes cambios en los exones de los anticuerpos que quedaron viables. En los peces las secuencias de los segmentos duplicados son prácticamente idénticas sugiriendo que la duplicación es extraordinariamente reciente.

¿Cómo podemos explicar estos procesos de duplicación tan frecuentes en peces?. La solución puede que esté en el método de reproducción. Los peces se reúnen produciendo un enorme desove de millones de huevos que a su vez se juntan con machos que producen millones de espermatozoides. En este proceso de fecundación se producirán millones y millones de zigotos sobre los que actuará la selección natural. El hecho de que en cada acto reproductivo se produzca una prole tan inmensa evidencia que muchos individuos presentarán variaciones genéticas que serán testadas por el ambiente y a su vez seleccionadas. Por lo tanto los procesos evolutivos que tienen que ser mucho más rápidos en peces que en mamíferos. Estos últimos generan una prole mínima la cual es ayudada por sus progenitores a sobrevivir. Es evidente que el mecanismo evolutivo en los animales terrestres y acuáticos cambian a partir de que cambian los métodos reproductivos.