La línea germinal masculina es el motor de la evolución estructural del genoma

El análisis de los genomas de diferentes mamíferos ha mostrado que, aunque todos tienen un catálogo similar de genes, pueden estar ordenados de forma diferente y activarse y desactivarse de manera distinta. Dichos reordenamientos cromosómicos influyen en la función y regulación génica, y también contribuyen a definir la identidad de las especies, aunque hasta ahora se desconocía su origen.

Un estudio dirigido desde la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y la Universidad de Kent (Reino Unido) muestra que la formación de las células germinales masculinas es clave para determinar qué regiones del genoma se reorganizan dentro y entre los cromosomas durante la evolución.

"El objetivo principal de este estudio es entender, en último término, el origen de la biodiversidad que nos rodea. Todas las especies que habitamos el planeta compartimos genes, que pueden ordenarse de forma diferente en cada especie, en forma de cromosomas", explica a SINC Aurora Ruiz-Herrera, investigadora del Instituto de Biotecnología y Biomedicina (IBB) de la UAB y autora principal.

"En la naturaleza, la diversidad de especies que encontramos también se ve reflejada en un número diferente de cromosomas. Los humanos, por ejemplo, poseen 46 cromosomas, pero el ratón tiene 40 o el rinoceronte se caracteriza por 86 cromosomas. Por lo tanto, existe una gran variedad de formas en las que el genoma puede empaquetarse dentro de las células", añade.

"Como todos los mamíferos compartimos un ancestro común, durante la evolución de las especies han tenido lugar reordenamientos de genes específicos en cada grupo taxonómico que pueden exponer la diversidad en número y estructura de los cromosomas que detectamos hoy en día en las especies actuales", resalta Ruiz-Herrera.

Y estos reordenamientos tienen lugar en la línea germinal –durante la formación de los óvulos y los espermatozoides– para que puedan transmitirse a las siguientes generaciones, a la descendencia. En concreto, están asociados a procesos físicos y bioquímicos específicos de las etapas finales de la producción de los gametos masculinos, una vez completadas las divisiones celulares meióticas.

Entender la diversidad de las especies

La secuencia total de ADN de un individuo está empaquetada en una estructura tridimensional (3D) dinámica específicamente adaptada, la cromatina, dentro del núcleo de las células. Esta disposición determina qué genes se 'activan' y cuáles se 'desactivan' en cada tipo celular y también tiene lugar en los gametos.

Los ovocitos y espermatozoides se generan en cualquier organismo con reproducción sexual mediante la meiosis. Este proceso implica una ronda de replicación del genoma seguida de dos divisiones celulares consecutivas con la finalidad de generar células haploides (los gametos), que llevan una sola copia de cada cromosoma.

Durante la meiosis, los genes se 'barajan' entre las copias cromosómicas heredadas de la madre y del padre, un proceso conocido como recombinación meiótica. Estos complejos eventos tienen lugar mientras el genoma se empaqueta de una manera altamente precisa y regulada.

Según explica Ruiz-Herrera, "la dinámica de la remodelación de la cromatina durante la formación de los gametos masculinos es fundamental para entender qué regiones del genoma se sitúan cerca unas de otras dentro del núcleo y, por tanto, es más probable que estén implicadas en los reordenamientos cromosómicos en diferentes momentos a lo largo de la espermatogénesis".

"Estos resultados indican que el proceso de formación de los espermatozoides es un factor importante en la evolución del genoma de las especies. Determinar qué regiones genómicas se ven afectadas y en qué momento durante la formación de los espermatozoides es importante para entender la diversidad de especies", afirma la investigadora.

Estudiar en detalle la evolución del genoma

El equipo comparó los genomas de 13 especies diferentes de roedores y descifró los reordenamientos que los distinguen. Aunque el estudio se ha realizado en roedores, la espermatogénesis es un proceso muy conservado y, por tanto, es probable que este principio se aplique a otras especies, señalan los investigadores.

"Esto ha permitido elaborar la configuración del genoma del ancestro común de estos roedores y determinar la ubicación de las regiones genómicas que participan en los reordenamientos", apunta Marta Farré, profesora de Genómica en la Facultad de Biociencias de la Universidad de Kent y codirectora del estudio.

Por su parte Peter Ellis, investigador también en Kent y codirector del estudio, señala que "las regiones genómicas que participan en los reordenamientos se suelen activar en las últimas etapas de la espermatogénesis, cuando las células germinales masculinas en desarrollo se denominan espermátidas. Descubrimos que los reordenamientos evolutivos que se producen en regiones genómicas se hallan físicamente cerca unas de otras en el núcleo de estas células", sostiene.

Además, las regiones genómicas que participan en los reordenamientos evolutivos no se encuentran asociadas con puntos calientes de recombinación meiótica, lo que indica que lo más probable es que no ocurran durante la meiosis. En cambio, se correlacionaron con la localización de daños en el ADN en etapas más avanzadas del proceso.

"Mostramos que las espermátidas conservan una ‘memoria’ de configuraciones genómicas anteriores. Hay regiones del ADN que solían formar parte de un solo cromosoma en el ancestro de los roedores pero que ahora se encuentran en cromosomas diferentes en el genoma del ratón y, sin embargo, siguen en contacto físico dentro del núcleo de los espermatozoides en desarrollo (las espermátidas)", dice Farré.

Diferencias entre machos y hembras

Las espermátidas son células que se encuentran en la fase final del desarrollo de los espermatozoides, una vez finalizada la división celular, y los eventos que se producen durante este proceso son específicos de los machos. Esto implica que machos y hembras no son iguales en cuanto a su impacto en la evolución del genoma.

"De todos los reordenamientos que distinguen a un ratón de una rata, una ardilla o un conejo, la mayoría parecen haber surgido en una célula espermatozoide y no en un óvulo. Esto demuestra que la línea germinal masculina es el motor general de la evolución estructural del genoma", puntualiza Ellis.

Los autores proponen que los eventos diferenciales que tienen lugar durante la formación de óvulos y espermatozoides podrían explicar los resultados. Los espermatozoides sufren un proceso de compactación del ADN para adaptarse a un volumen celular muy pequeño, situado en la cabeza, algo que no ocurre en los óvulos (una célula más grande en comparación).

Esta compactación puede provocar roturas en el ADN, que suelen repararse mediante un mecanismo capaz de generar errores. Algunos de estos errores pueden resultar en reordenamientos genómicos, lo que explicaría que el proceso de formación de los espermatozoides sea un factor crítico en la evolución del genoma de las especies.

Un aspecto todavía poco conocido es por qué algunas especies poseen genomas muy estables con pocos reordenamientos, mientras que otras han sufrido múltiples cambios cromosómicos. "La investigación de la línea germinal puede ayudarnos a resolver este misterio: determinar qué regiones genómicas se ven afectadas, y en qué momento, durante la formación de los espermatozoides", concluye Ruiz-Herrera.

Referencia:

Alvarez-González et al. "3D chromatin remodelling in the germ line modulates genome evolutionary plasticity". Nature Communications, May 2022, https://doi.org/10.1038/s41467-022-30296-6