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La evolución puede producirse con una sorprendente previsibilidad cuando los organismos se enfrentan a retos ecológicos similares. En el caso de la mayoría de los rasgos, es difícil determinar si esto ocurre debido a las limitaciones impuestas por el número de soluciones fenotípicas posibles o por las respuestas paralelas de la arquitectura genética y reguladora compartida. Excepcionalmente, los venenos orales son un modelo trazable de evolución de rasgos. Lo es porque se compone principalmente de toxinas proteináceas que han evolucionado en muchos tetrápodos, desde los reptiles hasta los mamíferos.
Las serpientes, los lagartos e incluso algunos mamíferos pueden tener una mordedura venenosa. Aunque estos linajes se separaron hace más de 300 millones de años, sus venenos han evolucionado a partir de la misma proteína salival ancestral, informan hoy los científicos en BMC Biology.
Los investigadores de la Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), en Japón, y de la Universidad Nacional de Australia se centraron en las toxinas que se encuentran en la mayoría de los venenos de serpiente y en todos los demás venenos de reptiles y mamíferos, denominadas calicreína serina proteasas de los venenos de mamíferos. Además, rastrearon sus orígenes hasta un gen encontrado en un ancestro común.
"Los venenos son cócteles de proteínas tóxicas que han evolucionado en todo el reino animal, normalmente como método para matar o inmovilizar a las presas", explicó Agneesh Barua, coprimer autor y estudiante de doctorado en el OIST. "Los sistemas de veneno oral que se encuentran en las serpientes son particularmente complejos, y el origen de sus venenos aún no está claro".
En un trabajo anterior, Barua y sus colegas descubrieron que la glándula salival de los mamíferos y la glándula del veneno de las serpientes comparten un patrón de actividad similar en un grupo de genes reguladores, lo que sugiere que la base necesaria para que el veneno evolucione existe tanto en las serpientes como en los mamíferos.
"En ese trabajo, planteamos la hipótesis de que en el ancestro de las serpientes y los mamíferos había un grupo común de genes que tenían un potencial tóxico", dijo Barua. "Las serpientes y los mamíferos tomaron luego caminos evolutivos diferentes, con linajes de serpientes que evolucionaron con brebajes diversos y cada vez más tóxicos, mientras que en los mamíferos el veneno sí evolucionó, pero en un grado mucho menor. Pero lo que queríamos saber es si las toxinas del veneno de los mamíferos y de las serpientes evolucionaron a partir de un gen ancestral común".
Las serinproteasas de calicreína son una enzima que degrada proteínas y desempeña un papel clave en la regulación de la presión sanguínea.
La saliva de los mamíferos contiene pequeñas cantidades de estas proteínas, aunque su función sigue sin estar clara a día de hoy. Pero en las serpientes venenosas y en los mamíferos, como las musarañas y los solenodones, estas proteínas han desarrollado una toxicidad. Cuando se inyectan en cantidades elevadas, reducen drásticamente la presión sanguínea, pudiendo provocar la inconsciencia e incluso la muerte.
Al principio, los investigadores observaron similitudes bioquímicas entre las serinproteasas de la calicreína en los venenos de las serpientes y las de la saliva de los mamíferos, pero los científicos no sabían hasta ahora si estaban, de hecho, relacionadas. "Hay tantas serinproteasas diferentes que tienen un alto grado de similitud, que hasta ahora era demasiado difícil aislar los genes correctos necesarios para determinar la historia evolutiva", dijo Barua.
Gracias a los recientes avances en los métodos genómicos, el grupo de investigación pudo identificar y comparar todos los genes de la calicreína en reptiles, anfibios, peces y mamíferos para crear un árbol evolutivo.
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| Las calicreínas salivales, como las que se encuentran en los ratones, los seres humanos y los mamíferos venenosos como las musarañas y los solenodones, están estrechamente relacionadas con las calicreínas tóxicas de serina proteasa que se encuentran en las serpientes venenosas. Crédito: OIST |
Y lo que es más emocionante, descubrieron que las calicreínas serinoproteasas del veneno de serpiente y las calicreínas salivales de los mamíferos evolucionaron a partir del mismo gen ancestral.
"Esto es una prueba realmente sólida para nuestra hipótesis de que el veneno evolucionó a partir de un grupo común de genes en un ancestro que tenía un potencial tóxico", dijo Barua. "Pero lo más sorprendente fue que las calicreínas salivales no tóxicas, como las que se encuentran en humanos y ratones, también evolucionaron a partir del mismo gen ancestral".
"La mayoría de las exaptaciones tienen intermedios bifuncionales en los que se conservan tanto las funciones antiguas como las nuevas. Esta naturaleza bifuncional probablemente permite una transición gradual de un estado fenotípico a otro. Por ejemplo, después de la duplicación de un gen, una o ambas copias del mismo pueden realizar su función original; o una copia puede adquirir aleatoriamente una nueva función en el curso de la acumulación de mutaciones neutras. Este es el modelo estándar de la evolución de la toxina de la serpiente, que presupone la duplicación del gen antes de la adquisición de la nueva función (toxicidad)". Citas del estudio.
Los investigadores descubrieron que las calicreínas no tóxicas de la saliva de los mamíferos estaban más relacionadas con las toxinas venenosas de las serpientes que con otras calicreínas de los mamíferos.
En general, estas pruebas sugieren que las calicreínas salivales de los mamíferos, incluidos los humanos, también tienen el potencial evolutivo de convertirse en tóxicas.
Sin embargo, Barua se apresuró a añadir una advertencia. "El hecho de que tengamos los componentes básicos para desarrollar el veneno no significa que vaya a ocurrir. El veneno es muy caro de fabricar desde el punto de vista energético, por lo que tendría que haber una fuerte presión ecológica para ello, que los humanos y la mayoría de los mamíferos no tienen".
Pero lo que esto nos dice, dijo, es que la línea entre los mamíferos venenosos y no venenosos es más borrosa de lo que se pensaba.
Fuentes, créditos y referencias:
Barua, A., Koludarov, I. & Mikheyev, A.S. Co-option of the same ancestral gene family gave rise to mammalian and reptilian toxins. BMC Biol 19, 268 (2021). DOI: 10.1186/s12915-021-01191-1