La asociación entre un único gen y un rasgo complejo es muy excepcional, pero copa titulares. Hay unos 140 genes asociados a que no tengas cola. Se publica en Nature que la inserción de un elemento Alu (AluY) en el intrón 5 del gen TBXT, que se acopla en el ARN transcrito a otro elemento Alu invertido (AluSx1) en el intrón 6, produce un corte y empalme alternativo de la proteína Tbxt sin el exón 6. En modelos de ratón un cambio similar en este gen produce la pérdida de la cola. El gen TBXT interviene en el desarrollo de la notocorda embrionaria, precursora de la columna vertebral. Al final de la cuarta semana del desarrollo embrionario humano aparece una cola, que desaparece al inicio de la octava semana, dejando un vestigio de cola, el coxis en el que acaba tu columna. Como efecto colateral, la isoforma Tbxt sin exón 6 induce defectos en el tubo neural de los ratones; algo que ocurre en uno de cada mil recién nacidos humanos. La pérdida de la cola pudo contribuir al bipedalismo, pero con un precio, un mayor riesgo de defectos en el tubo neural.

Me ha resultado curioso que este artículo haya tardado tanto tiempo en publicarse. Su preprint apareció en bioRxiv en septiembre de 2021, generando mucho eco mediático. Nadie esperaba que tardase en ser publicado casi 900 días (2.5 años) después de ser enviado a Nature. La razón es que sus experimentos con ratones humanizados no eran concluyentes. La mutación observada en hominoides no conducía a la pérdida de la cola para todos los ratones (daba lugar a todo el espectro del rasgo, desde ratones sin cola a ratones con cola completa). El primer autor, Bo Xia, que tras una lesión en el coxis decidió estudiar este tema para su tesis doctoral en la Universidad de Nueva York (NYU), necesitaba un experimento concluyente definitivo. Como se cuenta en el propio artículo, por pura serendipia, descubrió que insertando una secuencia de 220 pares de bases del intrón 6 en el intrón 5 del gen TBXT de los ratones se lograba un corte y empalme alternativo similar al humano. Con esta idea logró que el experimento fuese exitoso; para ello insertó 297 pares de bases (la misma longitud que el AluY humano) del intrón 5, pero invertidos, en el intrón 6; así emuló en el ratón la inserción observada en humanos y logró que todos los ratones nacieran sin cola. Este experimento confirmaba su hipótesis y le permitía superar la revisión por pares en Nature. De hecho, Xia ya es postdoc en la Universidad de Harvard y en el Instituto Broad (MIT/Harvard).

Por supuesto, que se haya desvelado el rol del gen TBXT en que no tengas cola no significa que el problema de la ausencia de cola esté resuelto. Con seguridad, se trata de un rasgo poligénico. Hay al menos 140 genes involucrados y solo se ha explorado en detalle uno de ellos. Futuros estudios tendrán que clarificar cómo interaccionan todos estos genes entre sí. El artículo es Bo Xia, Weimin Zhang, …, Itai Yanai, «On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes,» Nature 626: 1042-1048 (28 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07095-8 («The genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes,» BioRxiv preprint 460388, doi: https://doi.org/10.1101/2021.09.14.460388). Más información divulgativa en Miriam K. Konkel, Emily L. Casanova, «A mobile DNA sequence could explain tail loss in humans and apes,» Nature 626: 958-959 (28 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00309-z; y en el curioso Ewen Callaway, «How humans lost their tails — and why the discovery took 2.5 years to publish,» News, Nature (28 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00610-x.

Por cierto, me gustaría enfatizar que, como la cola aparece en el embrión humano en la cuarta semana, pero se retrae en la octava, en rigor, no hay una pérdida de la cola, sino una retracción embrionaria. Futuros estudios tendrán que desvelar el mecanismo genético de dicha retracción. Lo ha recalcado en redes sociales expertos en desarrollo embrionario como Alfonso Martinez Arias @AMartinezArias.

Los primates no hominoides tienen cola (salvo los mandriles, algunos macacos y los loris), a diferencia de los primates hominoides (gibones, orangutanes, gorilas, chimpancés y humanos). Se estima que esta divergencia evolutiva ocurrió hace unos 25 millones de años. Los humanos modernos mantenemos entre 3 y 5 vértebras caudales (hay variabilidad entre individuos) que dan lugar al coxis. Para buscar la causa genética de la ausencia de cola en humanos el primer paso es recurrir a herramientas bioinformáticas. En la base de datos Mouse Genome Informatics (MGI) aparecen más de cien genes relacionados con la ausencia o el acortamiento de la cola en ratones. Los más estudiados con los genes Tbxt (Brachyury), Wnt3a y Msgn1.

Bo Xia y sus colegas buscaron en MGI genes anotados con «cola ausente» (absent tail), 31 genes, y con «cola vestigial» (vestigial tail) o «cola corta» (short tail), 109 genes. Luego buscaron los genes ortólogos en primates para estos 140 genes. En las células eucariotas, como las tuyas, los genes están divididos en intrones (parte no codificante) y exones (parte codificante de proteínas); el ADN del gen se transcribe completo a un pre-ARN mensajero, que es procesado con un mecanismo de corte y empalme (splicing, que también se traduce por ayuste) para dar lugar al ARN mensajero final, que solo contiene los exones. Dicho ARNm abandona el núcleo celular para ser traducido a proteínas por los ribosomas. Xia y sus colegas buscaron diferencias en los exones de estos 140 genes entre varios primates hominoides y no hominoides. Encontraron 85064 variantes de un único nucleótido (SNVs), 5533 deleciones y 13280 inserciones específicas de los hominoides. Pero ninguna les pareció prometedora para un estudio en profundidad.

Por ello se decidió buscar en las secuencias no codificantes (intrones) en dichos 140 genes. Brilló con luz propia una secuencia Alu en el sexto intrón del gen TBXT de los hominoides, llamada AluY. Esta figura presenta el alineamiento múltiple de las secuencias del gen TBXT en 20 primates (con sus ocho intrones y sus ocho exones, estos últimos en diferentes colores). Este gen contiene otras dos secuencias Alu, en concreto, AluSx1 en el quinto intrón, de sentido opuesto a AluY, y AluSq2 en el séptimo intrón, con el mismo sentido que AluY. Por cierto, las secuencias (a veces llamadas elementos) Alu son trozos cortos de ADN (de unos 300 pares de bases) que se comportan como transposones (secuencias de ADN «móviles», que «saltan» entre generaciones de unas partes del ADN a otras). Se llaman Alu porque se descubrieron gracias a la endonucleasa Alu. Hay que destacar que estas secuencias son una característica genómica de los primates (se estima que su origen evolutivo se remonta a hace unos 65 millones de años); los ratones carecen de secuencias Alu.

La secuencia AluY en el gen TBXT brilló con luz propia porque los sentidos de AluSx1 y AluY son opuestos (igual que los sentidos de AluSx1 y AluSq2). Además, las cadenas AluSx1 y AluY son muy parecidas, pero en direcciones distintas, con lo que se pueden emparejar entre sí en la estructura secundaria del pre-ARNm. Esto sugiere que pueden intervenir en un mecanismo de corte y empalme alternativo (alternative splicing, o ayuste alternativo); en algunos genes eucariotas se observa la ausencia de algunos exones en el ARNm que estaban presentes en el pre-ARNm, lo que implica que un único gen en el ADN puede producir varias proteínas diferentes. Para confirmarlo, Xia y sus colegas usaron el software ViennaRNA para la reconstrucción de la estructura secundaria del ARNm. Como muestra la figura se observa una larga estructura lineal debida al emparejamiento de AluSx1 y AluY que aleja el sexto exón del gen TBXT en el pre-ARNm de los exones quinto y séptimo. Así, en el procesado de este pre-ARNm para dar lugar al ARNm final se puede omitir dicho exón. Por cierto, también se puede dar un emparejamiento entre AluSq2 y AluSx1 que conduce a un ARNm sin los exones sexto y séptimo; en dicho caso, el desarrollo embrionario de los ratones no llega a término, así que no es una variante viable.

 

El resultado de estos mecanismos de corte y empalme alternativos es que la transcripción del gen TBXT conduce a dos ARNm diferentes: el completo, con todos los exones desde el primero al octavo, y el relevante en la pérdida de la cola de hominoides, en el que falta el sexto exón. Para confirmar este mecanismo se han hecho estudios con ratones mutantes con todas estas variantes. No entraré en los detalles de estos estudios con ratones (ya sabéis que estoy sesgado hacia la biología estructural). Como ya he comentado el punto clave de estos experimentos es que la ausencia de secuencias Alu en los ratones obligó a simular dichas secuencias con un ingenioso experimento de imitación (una idea que seguro que será usada por otros investigadores interesados en el estudio de las secuencias Alu en ratones modelo). El resultado principal del estudio con ratones es que hay una correlación entre la abundancia relativa de las dos isoformas de Tbxt y la longitud de la cola de los ratones.

En resumen, se ha mostrado que la inserción de la secuencia AluY en un intrón del gen TBXT tuvo un papel evolutivo en el acortamiento o la pérdida parcial de la cola en los primeros ancestros hominoideos. Sin embargo, no se puede afirmar que sea la causa última de la pérdida de cola en los hominoides. Cambios genéticos adicionales deben haber actuado para estabilizar el fenotipo sin cola. Por ello se necesitan futuros estudios (de los 140 genes identificados o, incluso, de nuevos genes por identificar) para desvelar la causa poligénica de que tú y yo carezcamos de cola. Los rasgos complejos siempre son poligénicos. Pero el nuevo estudio también nos lleva más allá. El genoma humano contiene unos 1.8 millones de copias de transposones, de los que un millón son secuencias Alu (más del 60 % se encuentran en intrones). La búsqueda sistemática de pares de secuencias Alu de sentidos opuestos, que podrían estar asociados a cortes y empalmes alternativos, podría ayudar a desvelar sus funciones biológicas y su posible impacto en algunas patologías. Como siempre en ciencia, todo nuevo estudio es un primer paso en un largo camino aún por recorrer.