Tercer Milenio
En colaboración con ITA
La secuenciación de ADN de un millón de años rompe los límites de la paleogenómica
Estudiando ADN antiguo, los científicos reconstruyen la historia evolutiva de especies extintas hace miles de años. Los paleogenomas de mamuts, osos y caballos arcaicos arrojan nuevas claves sobre el pasado de la vida en nuestro planeta.
¿Se imaginan que a partir de los restos de un animal que desapareció de la faz de la Tierra hace decenas o centenares de miles de años se pudiese obtener su ADN y reconstruir su genoma? ¿Qué nos podría desvelar la secuencia de ADN de esta especie arcaica sobre su modo de vida, sobre sus características o su parentesco con otras especies también extintas o presentes?
Esto es precisamente lo que acaba de conseguir un equipo de investigadores de Estocolmo (Suecia), en colaboración con expertos en ADN antiguo de otros siete países. A partir de dientes de mamut preservados desde hace más de un millón de años en el permafrost del este de Siberia, han podido extraer y secuenciar su ADN. Este hito, publicado en febrero en la revista ‘Nature’, es relevante porque se trata de la primera vez que se obtienen datos del genoma de un animal de más de un millón de años de antigüedad.
Una vez un organismo muere, el ADN que contienen los cromosomas de cada una de sus células empieza a degradarse, a romperse en fragmentos cada vez más pequeños. Si transcurre mucho tiempo los fragmentos de ADN son tan cortos que será casi imposible para los investigadores reconstruir la secuencia original del genoma de la especie.
En 2013, Ludovic Orlando y Eske Willerslev, del Museo de Historia Natural de Dinamarca, y colaboradores pudieron interpretar y unir fragmentos de tan solo 25 letras de ADN para reconstruir el genoma completo de un caballo arcaico, de aproximadamente 560.000–780.000 años de antigüedad, a partir del ADN obtenido de un hueso preservado en el permafrost del Yukón (Canadá). Hasta la fecha, este era el genoma más antiguo que se había podido secuenciar. Han tenido que pasar ocho años para que se superara este hito temporal en la secuenciación de paleogenomas.
El especimen que rompiese el récord establecido en 2013 debía proceder también del permafrost, la capa de suelo permanentemente congelada que se encuentra en las regiones circumpolares de Alaska, Groenlandia, Canadá o Siberia, y que contiene restos de criaturas extintas hace decenas o centenares de miles de años. Las bajas temperaturas del permafrost, siempre bajo cero, enlentecen la fragmentación del material genético y hacen de él un ambiente idóneo para preservar el ADN mucho mejor de lo que ocurre en los climas más templados. Aún así, la mayor parte de muestras obtenidas del permafrost contienen ADN de mala calidad y, quizá por esta razón, se ha tardado casi una década en superar la barrera del millón de años.
Mamuts atrapados en el permafrost
Love Dalén, genetista del Centro de Paleogenética de Estocolmo, y su equipo llevan años explorando la posibilidad de secuenciar el ADN de especímenes muy antiguos de mamut. Su grupo trabaja para descifrar las historias evolutivas de animales extintos hace milenios y el impacto que tuvieron los cambios climáticos en la aparición de nuevas especies. En 2017 recibieron muestras extremadamente antiguas de dientes de mamut congeladas en el permafrost siberiano. A partir de la más reciente –que denominaron Chukochya– procedente de un mamut lanudo (Mammuthus primigenius) de 500.000–600.000 años de antigüedad, pudieron secuenciar todo el genoma completo de 3.100 millones de pares de bases (letras de ADN). Y de las otras dos, reconstruyeron 49 millones de letras del genoma de la más arcaica de 1,1–1,65 millones de años de antigüedad –que denominaron Krestovka– y 884 millones en el caso de Adycha, de 1–1,3 millones de años.
Por su forma, los dos dientes arcaicos debían de ser de Mammuthus trogontherii, el mamut de la estepa, una especie que ocupó gran parte del norte de Eurasia durante el Pleistoceno y que se creía que era el ancestro tanto del característico mamut lanudo como del mamut colombino (Mammuthus columbi), específico de Norteamérica. No obstante, al comparar los genomas, los investigadores se llevaron una sorpresa. Durante el Pleistoceno Inferior, en el este de Siberia no había una sola especie de mamut, sino que existían dos linajes distintos. Uno de ellos –representado por Adycha– sería el ancestro del mamut lanudo, mientras que el otro –representado por Krestovka– era distinto. Krestovka corresponde a un linaje nuevo, del que no se tenía constancia hasta ahora, pero que contribuyó con parte de su material genético a los primeros mamuts que colonizaron Norteamérica.
El origen de los mamuts colombinos, hace más de 420.000 años, se habría producido por un fenómeno de hibridación entre dos linajes: el linaje de Krestovka y el del mamut lanudo, que contribuyeron a partes iguales al genoma de la nueva especie. Probablemente fenómenos de hibridación como este, responsables del origen de nuevas especies, no habrán sido infrecuentes y, gracias a los estudios de ADN antiguo, en un futuro se podrán encontrar más ejemplos.
Reescribiendo historias evolutivas con ADN antiguo
Los avances en las técnicas de secuenciación genómica y en las herramientas bioinformáticas para ensamblar genomas han conferido a la paleogenética el potencial de estudiar los procesos evolutivos a tiempo real. Sin embargo, este potencial está limitado por la capacidad de los científicos de recuperar ADN en condiciones de ser secuenciado. Frecuentemente, las muestras están contaminadas con ADN de otras procedencias, por ejemplo de las bacterias que se alimentaron del animal en descomposición. Y la cantidad de ADN contaminante supera con creces el que se quiere secuenciar.
El ADN antiguo presenta un patrón característico de modificaciones químicas que permite distinguirlo del contaminante y se encuentra más fragmentado que uno más reciente. No obstante, las secuencias extremadamente cortas son muy difíciles de colocar correctamente en el genoma y también se corre el riesgo de confundirlas con contaminantes. Por lo que muchas veces se terminan descartando. Para ensamblar el puzle de un genoma antiguo, los científicos emplean como modelo el genoma de una especie cercana actual. Para los de mamut, por ejemplo, el equipo de Dalén usó el del elefante africano.
En febrero también se batió otro récord en paleogenómica, el del genoma más antiguo secuenciado a partir de los restos de un animal que no procede del permafrost. Se trata de un oso de las cavernas (Ursus spelaeus) de hace 360.000 años. Todo un hito si tenemos en cuenta que, en condiciones más templadas, el ADN se degrada rápidamente. En un estudio liderado desde la Nottingham Trent University (Reino Unido) los científicos extrajeron ADN del hueso petroso de la zona temporal del cráneo, que contiene el oído interno, porque se ha visto que de él se obtiene más cantidad de ADN y menos contaminado, probablemente debido a la alta densidad de este hueso. Comparando genomas de osos de las cavernas los investigadores determinaron que las relaciones evolutivas que existen entre ellos son muy distintas de las que se habían determinado anteriormente solo con el estudio del ADN mitocondrial, que se hereda por línea materna y que no refleja necesariamente la relación existente entre individuos y poblaciones.
Entre los ancestros de los humanos, el ADN más antiguo de un hominino que ha podido ser secuenciado hasta la fecha tiene 430.000 años y procede de especímenes de la Sima de los Huesos en Atapuerca. Este hallazgo, publicado en 2016 en ‘Nature’, que no se trata de un genoma completo sino de secuencias aisladas, permitió relacionar a los homininos de la Sima de los Huesos con los neandertales y no con los denisovanos, y establecer que la divergencia de estos grupos es anterior a 430.000 años.
Quizá un ambiente adecuado, como el de una cueva profunda, podría proporcionar muestras más antiguas de ADN de hominino. Sin embargo, los estudios paleogenómicos probablemente tienen un límite temporal: la edad de los depósitos más antiguos de permafrost, del Pleistoceno Inferior, de unos 2,6 millones de años de antigüedad. Pero seguro que todavía esconden muchas sorpresas evolutivas.
Gigantes extintos
De la misma familia que los elefantes actuales, los mamuts se originaron en África en el Plioceno, hace 5 millones de años, y se expandieron por Eurasia y Norteamérica, diversificándose en distintas especies. La más reciente, el mamut lanudo, coexistió con los primeros humanos modernos que la cazaron e inmortalizaron sus formas en pinturas rupestres. Desapareció de Eurasia y Norteamérica con la extinción masiva de megafauna que tuvo lugar al final de la última glaciación, hace 10.000 años, y sus últimas poblaciones aisladas se extinguieron en la isla de Saint Paul (Alaska) hace 5.600 años y en la isla de Wrangel (en el océano Ártico) hace 4.000 años. Los investigadores han identificado que la mayoría de las mutaciones que permitieron a los mamuts lanudos adaptarse al clima del Ártico –aumentando sus reservas de grasa y su tolerancia al frío– ya estaban presentes hace un millón de años en el genoma de Adycha.
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