Genoma del Canario: fundamentos genéticos

Fundamentos genéticos

La genómica es una rama de la genética que estudia el genoma, su origen y evolución. En los últimos años, junto con la ingeniería genética, ha experimentado un extraordinario desarrollo Las técnicas de ingeniería genética modifican el genoma de un ser vivo por diferentes técnicas de laboratorio (“cortar y pegar genes”). La genómica funcional estudia la función de los genes en los seres vivos. La función de la mayoría de las secuencias de bases del genoma en las aves se desconoce actualmente. El término genoma hace referencia a la totalidad de los genes de una especie presentes en los cromosomas; o sea, a toda la información genética, en nuestro caso del canario silvestre (Serinus canaria) o el canario doméstico (Serinus canaria domesticus), según nos refiramos a uno u otro. Por el contrario, el genotipo hace referencia a uno o varios caracteres. El gen es la unidad hereditaria y está formado por una secuencia de ADN, que presenta información genética para fabricar una proteína/s, a través de la síntesis previa de un ARNm, responsable de un carácter hereditario. En un cromosoma existen miles de genes.

El tamaño del genoma se mide en millones de pares de bases nitrogenadas (Mb) y es variable según las especies. La cantidad de ADN que constituye el genoma también se puede expresar en picogramos (billonésima parte del gramo). Existe un genoma nuclear y un genoma mitocondrial. Las mitocondrias se heredan por línea materna y sólo contienen una molécula de ADN, con características diferentes al ADN de los cromosomas del núcleo, donde se incluyen todos los genes y su secuenciación (lectura) es más simplificada en relación al genoma nuclear, ya que presenta un número de genes muy inferior y no existe recombinación genética, al no contar con un cromosoma homólogo y, por otra parte, presenta baja tasa de mutación. En ocasiones, pequeños cambios en el genoma producen diferencias fenotípicas importantes en una especie. En el genoma nos encontramos: ADN codificante, representado por exones y ADN no codificante, mayoritario, formado por: secuencias repetidas, transposones, intrones, pseudogenes. El ADN no codificante, conocido anteriormente de forma impropia, como ADN basura, es responsable de la regulación de genes codificadores de proteínas, al igual que las histonas (proteínas) asociadas.

Los transposones o genes saltarines, son segmentos de ADN que pueden moverse de unas zonas a otras del genoma e incluso de unos a otros cromosomas, modificando la información genética. La cartografía (mapas) cromosómica trata de localizar, por medio del análisis matemático de los resultados del crossing-over, el sitio (locus) de cada gen en el cromosoma. Se pueden realizar mapas de ligamiento génico y establecer el orden y la distancia relativa entre los loci (lugar que ocupa el gen en el cromosoma) de genes ligados en un cromosoma. La distancia expresada en centimorgan (cM) o unidades de mapa genético (um) entre los genes se relaciona con el tamaño del cromosoma y aumenta proporcionalmente. Un cM se corresponde con un 1% de frecuencia de recombinación y con una unidad de mapa. Así, de forma provisional, el valor de entrecruzamiento (COV) para los genes bruno y ágata en el canario es del 46,1%. O sea, la distancia entre ambos genes es de 46,1 cM (Onsman. Mutavi). También se pueden establecer mapas físicos para conocer las distancias entre los nucleótidos de distintos loci en el cromosoma.

Genoma de las aves: caracteres generales

Hasta hace muy pocos meses, la genómica aviar era mucho menos estudiada y conocida en relación a los microorganismos y otros grupos de Vertebrados, como los mamíferos, por ejemplo. El genoma de las aves, al igual que el de otros vertebrados homeotermos (temperatura constante, “sangre caliente”), está constituido por un mosaico de segmentos de ADN relativamente largos, conocidos como isocoras. La cantidad de ADN que forma el genoma es menor en las aves que en otros grupos de Vertebrados, como los mamíferos, peces y algunos anfibios, pese a su mayor grado de evolución. Por término medio, las aves presentan unos 14000 genes, algo más de la mitad que en la especie humana. Esto puede deberse a grandes pérdidas de genes durante la evolución, o bien, a una baja tasa de ADN repetitivo (ADN no codificante). Los genomas pequeños de las aves también se relacionan con su habilidad para volar. Hay escasa correlación entre el número de cromosomas que componen el genoma de una especie y su grado de complejidad.

La sintenia es la presencia de genes comunes (genes ortólogos) ordenados en una determinada especie, de igual forma que en otros seres vivos, lo que indica según su número, el grado de proximidad filogenética entre dichas especies. En los cromosomas de las aves podemos diferenciar, atendiendo a su tamaño, macrocromosomas y microcromomosomas. Como característica distintiva, el cromosoma sexual W de las aves presenta un gran número de secuencias repetidas de nucleótidos de ADN (ADN repetitivo). El cromosoma W de las aves es muy importante para la fertilidad y, al igual que el cromosoma Y de los mamíferos, se piensa que con la evolución pueda llegar a desaparecer, pues ya ha perdido genes. La tasa de recombinación entre los cromosomas Z y W es inferior a la de otros cromosomas homólogos, debido al segmento diferencial que contiene genes exclusivos de cada cromosoma. Se piensa que los cromosomas sexuales proceden de autosomas por evolución.

Genomas aviares secuenciados

La secuenciación del ADN consiste en establecer el orden de los nucleótidos o bases por los que está constituido. En diciembre de 2004 se terminó de secuenciar por primera vez el genoma de un ave, en este caso de la gallina (Gallus gallus), especie con la que los humanos compartimos un 60 % de los genes. La gallina lleva más 3000 años en domesticación, es el ave más numerosa del planeta y se calcula que presenta de unos 20000 a 23000 genes y 1000 Mb. En su genoma existen 78 cromosomas y 51 pseudogenes (genes con secuencia de bases parecida a genes normales, pero que no se expresan dando lugar a proteínas). El genoma del diamante mandarín (Taeniopygia guttata), paseriforme de la familia de los estrildidos, ha sido el segundo genoma aviar secuenciado y el primer pájaro cantor. Presenta un tamaño de 2000 Mb y la importante cifra de unos 800 genes que intervienen en la emisión del canto, lo que nos ayuda a conocer mejor los mecanismos en la comunicación visual. En el cromosoma Z de esta especie se han identificado 747 genes. El genoma de la paloma bravía (Columba livia) está constituido por 80 cromosomas, 1100 Mb (millones de pares de bases) y 17300 genes.

La paloma bravía dio origen por evolución a la paloma doméstica (Columba livia domestica). El genoma del ánade real (Anas platyrynchos), ave anseriforme, fue secuenciado en 2013 y está formado por 19000 genes. Se comprobó cómo entre el pollo, diamante mandarín y el ánade real, existen tanto genes comunes como no comunes relacionados con el sistema inmunológico. Incluso en el ánade algunos de estos genes aparecen por duplicado, por lo que según algunos autores, podrían mejorar la respuesta inmunológica frente a determinadas enfermedades infecciosas, como pueda ser la gripe aviar, por ejemplo. Otros genomas secuenciados corresponden a las siguientes especies: garceta, pavo (82 cromosomas y 16000 genes), loro del Amazonas (70 cromosomas), Ibis crestado, el cual contiene 1,37 millones de pares de bases. El halcón peregrino (Falco peregrinus) presenta unos 16000 genes y se diversificó del halcón sacre (Falco sacre) hace unos 2,1 m.a.Canadá y Estados Unidos han descifrado el genoma de las especies aviares de sus ecosistemas.

Un equipo internacional de doscientos investigadores, algunos de ellos españoles, han secuenciado durante cuatro años, el genoma de cuarenta y ocho especies de aves que representan las diferentes líneas evolutivas de la totalidad de las especies actuales de aves; o sea, casi 10000 especies. Entre las especies cuyo genoma muy recientemente ha sido secuenciado figuran: avestruz, pájaro carpintero, águila, flamencos, periquito, cuervo, etc. Tras la conclusión de este proyecto (diciembre de 2014), la clase aves ha pasado a ser la más conocida dentro de los vertebrados, en cuanto a la lectura de su genoma. A partir de los datos obtenidos, se establecerá con bastante precisión el árbol filogenético de las aves, se data la separación de las diferentes líneas evolutivas, así como su origen a partir de un grupo de dinosaurios, los llamados dinosaurios terópodos. Los antepasados actuales más próximos a las aves son los cocodrilos, cuyo genoma de tres especies diferentes de estos, también ha sido secuenciado en este proyecto para compararlo con el de las aves.

A partir de todos estos datos se intenta reconstruir el genoma del ancestro común de los arcosaurios, grupo donde se encuentran las aves, cocodrilos y dinosaurios. La presencia de sacos aéreos,plumas y la ausencia de dientes también se da entre los antepasados de las aves. Con este proyecto se ha confirmado el origen de las aves a partir de un grupo de dinosaurios. Se han detectado mutaciones en genes responsables de la formación del esmalte y la dentina de los dientes. Anteriormente a la secuenciación del genoma aviar, la anatomía comparada y el tamaño permitía establecer el grado de parentesco y construir el árbol filogenético, muchas veces equívoco, entre aquellas especies morfológicamente más parecidas. Sin embargo, tras la conclusión de este proyecto de secuenciación masiva del genoma y previas secuenciaciones de genomas de otras especies, se observa cómo estaban más alejadas que otras que presentan un mayor grado de diferencias anatómicas. Las citadas investigaciones demuestran la existencia de un big-bang ornitológico, como consecuencia de la extinción de los dinosaurios hace 66 m.a.; o sea, una explosión de biodiversidad en las aves, 10-15 m.a.

después de la extinción masiva de los dinosaurios en la era mesozoica. A partir de estos estudios, también se analizan otros aspectos relacionados con las aves, como el mecanismo de emisión canto y su relación con el habla humana. Resulta muy interesante, comparar la secuenciación del genoma de varias especies de aves para analizar su grado de coincidencia, reconstruir árboles filogenéticos y calcular las distancias filogéneticas entre las especies y datar la divergencia evolutiva entre los diferentes grupos. Si utilizamos un ejemplo con mamíferos, la similitud entre el genoma humano y el del chimpancé es del 98,77%. Se considera que una diferencia del 1% en el genoma, se corresponde con una divergencia evolutiva de un m.a.

Estructura del genoma del canario

Ohno y su equipo de colaboradores, en 1964 estudiaron el material genético del canario y comprobaron como su dotación cromosómica diploide constaba de ochenta cromosomas (2n= 80 cromosomas), dispuestos en cuarenta pares de cromosomas homólogos. Setenta y ocho cromosomas corresponden a autosomas y dos a cromosomas sexuales (ZZ en el macho y ZW en la hembra). La hembra representa al sexo heterogamético (óvulos con un cromosoma Z y óvulos con un cromosoma W) y determina el sexo de la descendencia, a diferencia de los mamíferos que es el macho. Atendiendo a su diverso tamaño, tenemos: 18 macrocromosomas (cromosomas grandes) y 62 microcromosomas (cromosomas pequeños). O sea, 9 pares de macrocromosomas y 31 de microcromosomas. Dentro de los nueve pares de macrocromosomas, existen tres parejas de cromosomas submetacéntricos (brazos ligeramente desiguales), los cromosomas sexuales (Z y W) son metacéntricos (de brazos iguales), los pares de cromosomas 3 y 5 son subtelocéntricos (brazos extraordinariamente diferentes en longitud) y los pares de cromosomas 6, 7 y 8 son telocéntricos. En los gametos la dotación cromosómica es haploide (n).

El cromosoma sexual Z es de mayor longitud que el W y en él están presentes un mayor número de genes, entre ellos los genes que afectan a la coloración, tanto lipocrómica (marfil) como melánica (pastel, satiné, oxidación, dilución, etc.). El segmento diferencial del cromosoma W contiene genes que determinan la síntesis del antígeno HW (antígeno de histocompatibilidad), análogo al antígeno HY de los mamíferos, responsable del sexo del individuo. El genoma de los seres eucariotas, como es el caso del canario, es discontinuo, o sea, está formado por diferentes tipos de segmentos: exones e intrones. Los intrones se transcriben; o sea, forman ARNm, pero no se traducen, a diferencia de los exones que se transcriben y traducen en proteínas responsables de los caracteres hereditarios. Desconocemos el número total de genes en el genoma del canario, pero muy probablemente, será de varios miles, número semejante al de otras especies de aves próximas ya secuenciadas. Tampoco conocemos los genes presentes en cada cromosoma y los millones de pares de bases que lo forman (Mb), o sea, el tamaño del dicho genoma.

El número de genes compartidos del canario con otras especies está relacionado con su grado de parentesco. A mayor parentesco, mayor número de genes compartidos (genes ortólogos) y se observa una divergencia (separación) más tardía en el árbol filogenético. Los genes compartidos con el verdecillo (Serinus serinus) son los más numerosos, pues se trata de la especie más emparentada con el canario. Si comparásemos el genoma del canario doméstico con el canario silvestre, podríamos detectar como numerosos genes, a lo largo de más de quinientos años de domesticidad, han experimentado modificaciones como consecuencia de mutaciones, hibridaciones con diferentes especies e incluso géneros, y selección por el hombre. Las mutaciones afectan a la talla, forma, plumaje, pigmentación, metabolismo, diseño melánico, etc.; producen variabilidad genética que ocasiona variabilidad fenotípica, responsable de la adaptación al medio y evolución de las especies. El cambio sufrido por el canario al pasar de la vida en estado silvestre al estado doméstico, ha dado lugar a numerosos genes producto de la domesticación (genes domésticos) y a la adaptación a un nuevo medio.

La vida en criaderos, hibridaciones, agentes mutagénicos, etc. ha alterado el genoma del canario y otras aves de jaula, en relación a las poblaciones silvestres. Es posible que algunos de estos genes surgidos como consecuencia de la domesticación hayan influido incluso en la reducción del volumen del cerebro del canario, como ha ocurrido con otros animales domésticos. Se puede analizar el grado de coincidencia génica del canario silvestre y doméstico tras más de 500 de domesticidad, tras la secuenciación del genoma de ambos. Lo mismo que ocurre con otros animales domésticos, la magnitud de estas diferencias genéticas que probablemente sean insignificantes (inferiores al 0,01 %), nos permitirá construir el mapa génico y establecer con mayor precisión el árbol filogenético o cladograma de esta especie. La proporción de pares de bases GC/ AT, es característica de cada cromosoma y genoma, y desconocemos si será elevada o no en el caso del canario, como ocurre con la especie humana. El genoma del canario está insuficientemente estudiado y, a partir de su análisis, se puede obtener información y conclusiones de gran interés para el estudio de la evolución.

Se ha secuenciado (Arnaiz-Villena y colaboradores) el gen del citocromo b presente en la mitocondrias y esto ha permitido elaborar árboles filogenéticos y de distancias genéticas, donde se conoce mejor el grado de parentesco entre los jilgueros y canarios, por ejemplo, confirmándose como los canarios son los parientes de la familia de los fringílidos más próximos a los jilgueros.

Aplicaciones del estudio del genoma aviar

El estudio comparativo (genómica comparada) y la secuenciación del genoma o de proteínas en distintas especies de aves como el canario, por ejemplo, contribuye a conocer mejor la evolución y filogenia (árboles filogenéticos o cladogramas) de esta clase de vertebrados, o sea, sus antepasados comunes y las relaciones de parentesco entre distintos grupos y especies, fechas aproximadas de las divergencias entre las distintas ramas evolutivas. Se puede incluso secuenciar el ADN de especies fósiles de aves, para analizar el parentesco con especies actuales e incluso de sus ancestros. La secuenciación completa del genoma e incluso del ADN mitocondrial se utiliza para la clasificación de aves y reconstrucción de árboles filogenéticos basados en la anatomía comparada, lo que resulta de mayor fiabilidad. Mediante técnicas de bandeo cromosómico, también se pueden establecer relaciones de parentesco entre las aves, aunque la secuenciación del genoma es un método más preciso y actual. La información génica de las aves puede ser utilizada para la mejora de la salud, fertilidad, resistencia a enfermedades, etc.

El conocimiento del genoma también es útil para estudios de ecología, etología, neurología, etc. La similitud entre el habla humana y el canto de las aves puede ser utilizada para un mejor conocimiento de estos procesos a partir del análisis del genoma aviar, por ejemplo del diamante mandarín. Las alteraciones de la secuencia del ADN, número de cromosomas que conforman el genoma (mutaciones), pueden dar lugar a fenotipos atípicos, letales, enfermedades hereditarias, etc., cuyo estudio puede ser de interés en la patología aviar. Estudiando el genoma de las aves se ha comprobado, por ejemplo, cómo los genes responsables del desarrollo de las plumas surgieron muchos millones de años antes que la aparición de la clase aves. El análisis del ADN permite que algunas subespecies que son consideradas actualmente como tales, sean realmente especies distintas y, al contrario, especies actuales pueden ser en realidad subespecies de la misma especie.

Mediante técnicas moleculares de sexado (reacción en cadena de la polimerasa, PCR), a partir del ADN se pueden sexar aves monomórficas (ambos sexos de igual apariencia fenotípicas), a partir de la detección, por ejemplo, de genes exclusivos del cromosoma W, como el llamado gen CHD.

Secuenciación del genoma del canario

A partir de 1977, se comienza, gracias al científico Frederick Sanger la secuenciación del ADN y estas técnicas (método de Sanger) se han desarrollado enormemente hasta llegar a nuestros días. Actualmente el genoma se fragmenta mediante las llamadas enzimas nucleasas de restricción, que rompen el ADN en fragmentos, actuando como una especie de tijeras biológicas. Después, mediante secuenciadoras de ADN (método automático de secuenciación) se obtiene la secuencia completa de los diversos fragmentos. Con el paso del tiempo, dispondremos de técnicas de secuenciación más rápidas y económicas, que nos permitirán conocer mejor a nuestros queridos pájaros. El Instituto del genoma de Pekín es una institución muy prestigiosa en el estudio del genoma de los seres vivos. De hecho, a través de internet, he podido comprobar cómo una empresa china ya está llevando a cabo este proyecto, pero no dispongo actualmente de más datos acerca de este estudio. En España también es posible esta secuenciación. En cuanto a la valoración económica de este proyecto, la desconocemos, pero una cantidad orientativa puede ser de 100.000 euros.

Confiemos en que algún día, pueda llevarse a cabo este proyecto de secuenciación del genoma del canario, el cual sería un objetivo que merecería la pena conseguir y las federaciones ornitológicas, con el apoyo de los criadores, podrían ponerse de acuerdo para realizarlo. ¡No olvidemos que España es la cuna del canario silvestre!

Bibliografía

Cuevas Martínez, Rafael. Genética y reproducción aplicadas a la Ornitología deportiva. Croma Press. s.a. 2012 Gallori, Enzo. Atlas ilustrado. Genética. Susaeta. Griffiths, Anthony, J.F. Genética. 5ª edición. 1993.

Webgrafía

Artículos en internet sobre el genoma de: diamante mandarín, halcón peregrino y halcón sacre, paloma bravía, Diario El País Diario El Mundo Diario ABC Plumas y genes. Diario el Mundo Arnaiz Antonio y col. Los canarios y los jilgueros muestran filogenias conjuntas y con politomias. Cortés, Oscar y varios. Sexado de aves mediante técnicas moleculares. Inte Onsman. Mutavi. Artículos de genética. López Ramos, Mónica. El genoma de las aves. 2007. Revista investigación y ciencia: Los genes de la domesticación. Del genoma al filoma Revista Science (nº 346-6215, diciembre 2014). Waldrigues Aldo. Algunas características cromosómicas del canario. Wikipedia. El genoma humano.

Aprovecho el contenido del artículo para ofrecerme desinteresadamente a las asociaciones para dar charlas sobre genética, sesiones prácticas de identificación y valoración de fenotipos u otros temas ornitológicos de su interés. Rafael Cuevas