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.

La generación de la diversidad de los anticuerpos en reptiles

En aves y mamíferos existe una diferencia sustancial en la generación de especificidades de los anticuerpos. En mamíferos la creación de esta diversidad está muy estudiada. Se basa fundamentalmente en la elección aleatoria de genes V, D y J. Este proceso ocurre tanto en las cadenas pesadas como en las cadenas ligeras. Los mamíferos tienen dos cadenas ligeras diferentes (kappa y lambda) mientras que las aves únicamente tienen cadenas ligeras lambda.

En las aves cada una de las cadenas del anticuerpo solamente utiliza una región V. esta región V es diversificada por procesos de recombinación con regiones V que se encuentran "upstream" de la usada. Este fenómeno ocurre tanto en las cadenas pesadas como en la cadena ligera.

Los reptiles van a utilizar el sistema de mamíferos. Además presentan las mismas cadenas ligeras que tienen los mamíferos. Por lo tanto el sistema de diversificación de los anticuerpos de las aves es propio de ellas y no ha sido delegado de los reptiles.

Otros procesos de diversificación como la unión desigual V-D-J, la adición de nucleótidos N y P y la mutación somática también se pueden estudiar. En principio con los datos presentes en el genebank creemos que podemos hacer el estudio detallado y responder a la pregunta de si los procesos de diversificación más sofisticados de los mamíferos estaban ya presentes en los reptiles.