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¿Cómo evolucionó la jirafa su largo cuello?

Secuenciados por primera vez los genomas de la jirafa y el okapi

Pistas reveladas ahora por una nueva secuenciación del genoma

Han sido secuenciados por primera vez los genomas de la jirafa y su pariente más cercano, el solitario okapi de la selva africana, revelando las primeras pistas sobre los cambios genéticos que dieron lugar a la evolución del excepcionalmente largo cuello de la jirafa y su registro en la clasificación como la especie de tierra más alta del mundo. La investigación se publicó en la revista científica Nature Communications el 17 de mayo de 2016.

"La estatura de la jirafa, dominada por su largo cuello y patas, y una altura total que puede alcanzar los 19 pies (~ 6 m), es una proeza extraordinaria de la evolución que ha inspirado asombro y maravilla durante al menos 8.000 años - ya grabadas en las famosas tallas en la roca de Dabous en la República de Níger", dijo Douglas Cavener de la Penn State University, quien dirigió el equipo de investigación con Morris Agaba del Instituto africano Nelson Mandela para la Ciencia y la Tecnología en Tanzania.

Jirafas africanas Jirafas africanas

"Los cambios evolutivos necesarios para construir la imponente estructura de la jirafa y equiparla con las modificaciones necesarias para su sprint de alta velocidad y las potentes funciones cardiovasculares han seguido siendo una fuente de misterio científico desde la década de 1800, cuando Charles Darwin fue el primera que se preguntó sobre los orígenes evolutivos de la jirafa", dijo Cavener, profesor de biología y Verne M. Willaman, Decano de la Facultad de Ciencias Eberly en Penn State.

El corazón de la jirafa, por ejemplo, debe bombear sangre dos metros hacia arriba a fin de proporcionar un amplio suministro de sangre a su cerebro. Esta hazaña es posible porque el corazón de la jirafa ha evolucionado para tener un inusualmente grande ventrículo izquierdo, y la especie también tiene una presión arterial que es dos veces más alta que otros mamíferos.

divergencia de un ancestro común de la jirafa y el okapiPara identificar los cambios genéticos que podrían ser responsables de las características únicas de la jirafa, incluyendo carreras cortas que pueden alcanzar 37 millas por hora (60 km/h), Cavener y Agaba compararon las secuencias de genes codificantes de la jirafa y el okapi a más de cuarenta otra mamíferos, incluidos la vaca, oveja, cabra, camello y humano. "Las secuencias de genes del Okapi son muy similares a la jirafa, y es porque el okapi y la jirafa divergieron de un ancestro común hace sólo de 11 a 12 millones de año - hace relativamente poco tiempo en una escala de tiempo la evolución", dijo Cavener. "A pesar de esta estrecha relación evolutiva, el okapi se parece más a una cebra y carece de la imponente altura de la jirafa y sus impresionantes capacidades cardiovasculares. Por estas dos razones, la secuencia del genoma del Okapi ofrece una pantalla de gran alcance que hemos utilizado para identificar algunos de los cambios genéticos únicos de las jirafas".

Usando una batería de pruebas comparativas para el estudio de las secuencias del genoma de la jirafa y el okapi, los científicos descubrieron 70 genes que mostraron signos de múltiples adaptaciones. "Estas adaptaciones incluyen sustituciones únicas de aminoácidos de secuencia que se predicen para alterar la función de las proteínas, la divergencia de secuencia de las proteínas, y la selección natural positiva", dijo Cavener. Más de la mitad del código de 70 genes para las proteínas se sabe que regulan el desarrollo y la fisiología de los sistemas esquelético, cardiovascular y sistema nervioso - justo el tipo de genes predichos que son necesarios para conducir al desarrollo de las características únicas de la jirafa.

Entre los descubrimientos del equipo de investigación están que varios genes que se sabe bien que regulan el desarrollo del sistema cardiovascular o controlan la presión arterial se encuentran entre los genes que muestran múltiples signos de adaptación de la jirafa. Algunos de estos genes controlan tanto el desarrollo cardiovascular y el desarrollo del esqueleto, lo que sugiere la intrigante posibilidad de que la estatura de la jirafa y el sistema cardiovascular turbo evolucionaron en concierto a través de cambios en un pequeño número de genes.

Los científicos también descubrieron pistas genéticas a la evolución del largo cuello y las patas de la jirafa, que tienen el mismo número de huesos como el cuello y las patas que los seres humanos y otros mamíferos. "Para lograr su extraordinaria longitud, las vértebras cervicales y los huesos de las patas de la jirafa han evolucionado para ser ampliados en gran medida", dijo Cavener. "Se requieren al menos dos genes - un gen para especificar la región del esqueleto que crecerá más y otro gen para estimular el aumento del crecimiento". Entre los 70 genes que la investigación del equipo ha revelado son marcadamente diferentes en la jirafa, los científicos identificaron genes que se sabe que regulan ambas funciones.

"El más intrigante de estos genes es el FGFRL1, que tiene un grupo único de sustituciones de aminoácidos para la jirafa que se encuentra en la parte de la proteína que se une a factores de crecimiento de la familia de los fibroblastos, unos reguladores implicados en la regulación de muchos procesos incluyendo el desarrollo embrionario", dijo Cavener. Esta vía del factor de crecimiento de los fibroblastos juega un papel crucial en el control del desarrollo, comenzando en el desarrollo temprano del embrión y que se extiende a través de la fase de crecimiento óseo después del nacimiento de la jirafa. En los seres humanos y también en ratones, graves defectos esqueléticos y cardiovasculares se asocian con mutaciones debilitantes en este gen.

okapi

Los científicos también identificaron cuatro genes homeobox - la especie involucrada en el desarrollo de las estructuras del cuerpo - que son conocidos para especificar las regiones de la columna vertebral y las patas. Cavener especula, "La combinación de los cambios en estos genes homeobox y el gen FGFRL1 podría proporcionar dos de los ingredientes necesarios para la evolución del largo cuello y las patas de la jirafa".

Agaba primero contó un grupo de genes que regulan el metabolismo y el crecimiento que se separaron en jirafa en comparación con el okapi. Uno de estos genes codifica el receptor de ácido fólico, que es una vitamina B esencial necesaria para el crecimiento y desarrollo normal. Otros genes metabólicos que los científicos descubrieron que están cambiados de manera significativa en la jirafa son los que participan en el metabolismo de los ácidos grasos volátiles que se generan a partir de la fermentación de las plantas ingeridas, la principal fuente de energía para la jirafa y otros rumiantes como el ganado y las cabras. La jirafa tiene una dieta inusual de hojas y vainas de acacia, que son de alto valor nutritivo, pero también son tóxicas para otros animales. Los científicos especulan que los genes responsables de la metabolización de las hojas de acacia pueden haber evolucionado en la jirafa con el fin de evitar esta toxicidad.

Cavener y Agaba, dos genetistas experimentales, dicen que están ansiosos por probar la función de algunos de los genes identificados que ellos creen que pueden ser responsables de las características únicas de la jirafa. Su equipo de investigación actualmente está probando el efecto potencial de las diferencias únicas del gen FGFRL1 de la jirafa con la introducción de estos cambios en ratones utilizando los nuevos métodos de edición de gen CRISPR. La sustitución de genes FGFRL1 de la jirafa en el ratón no se espera que haga un ratón de cuello largo. Sin embargo, los científicos tienen la esperanza de ver cómo el gen FGFRL1 de la jirafa puede afectar al crecimiento diferencial de la columna vertebral y las patas de los ratones que es predictivo de las características únicas de la jirafa.

"Esperamos que la publicación del genoma de la jirafa y las pistas para su biología única va a llamar la atención sobre esta especie a la luz de la reciente caída en picado de las poblaciones de jirafas", dijo Cavener. "A pesar de la difícil situación de la jirafa en la sabana africana, el compañero más bajo, el elefante, ha recibido la parte del león de la atención, mientras las poblaciones de jirafas han disminuido en un 40 por ciento en los últimos 15 años debido a la caza furtiva y la pérdida de hábitat. A este ritmo de declive, el número de jirafas en estado salvaje caerá por debajo de 10.000 a finales de este siglo. Algunas subespecies de jirafa ya se tambalean al borde de la extinción".

Artículo científico: Giraffe genome sequence reveals clues to its unique morphology and physiology

Modificado por última vez enMiércoles, 18 Mayo 2016 00:05