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10 Octubre 2022

El pionero de un antiguo genoma

Svante Pääbo, premio Nobel de Fisiología y Medicina, logró obtener la secuencia del Neandertal, nuestro pariente extinto más cercano. A esto, le siguió otro descubrimiento: un homínido llamado Denisova.

Durante mucho tiempo, los estudios sobre la evolución humana se basaron en el análisis de antiguos restos óseos, sus características morfológicas y el examen de herramientas y otros artefactos arqueológicos. El trampolín para este tipo de estudios fue el Proyecto Genoma Humano, lanzado en 1990 por un gran consorcio internacional. El objetivo era secuenciar y anotar un genoma nuclear haploide completo y generar un mapa de referencia. Sin embargo, la cuestión de nuestro parentesco con homínidos extintos requeriría algo más que una inferencia a partir de ADN humano contemporáneo. 

Desde muy joven, y mientras estudiaba medicina en la Universidad de Uppsala, Pääbo cultivó un gran interés por la egiptología. Durante su posgrado trabajó en secreto en un proyecto paralelo destinado a aislar el ácido desoxirribonucleico de especímenes de momias. Consiguió clonar una biblioteca de una muestra de 2.400 años de antigüedad y la analizó con secuencias repetidas revelando ADN humano entre los clones. Sin embargo, no tardó en darse cuenta de que el trabajo con material antiguo está plagado de dificultades tecnológicas y, más tarde, reconoció que los resultados descritos en la primera publicación probablemente estaban contaminados por ADN de humanos contemporáneos. Por ello, se centró en mejorar las técnicas, para lo cual, analizó a especies no humanas, donde la contaminación era más fácil de detectar. 

El descubrimiento inicial

El ADN mitocondrial (ADNmt) tiene más posibilidades de persistir en los esqueletos antiguos que el ADN nuclear, ya que cada célula contiene entre cientos y miles de copias del primero, pero solo dos (una materna y otra paterna) de cada segmento del segundo. Por ello, Pääbo seleccionó el de tipo mitocondrial, como primer objetivo de secuencia neandertal para sus investigaciones. Así, se estimó que el tiempo transcurrido desde la existencia de un ancestro común de los neandertales y los humanos anatómicamente modernos era cuatro veces mayor: entre 550.000 y 690.000 años [1].

Pääbo, que ya había creado el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva en Leipzig (Alemania), se centró luego en el genoma nuclear impulsado por la aparición de una nueva tecnología de secuenciación. Se crearon bibliotecas de ADN monocatenario flanqueadas por adaptadores comunes y se amplificaron moléculas individuales mediante PCR en emulsión con perlas, seguida de pirosecuenciación [2]. 

En 2010, en una publicación pionera, Pääbo logró lo inalcanzable y presentó un borrador de la secuencia del genoma nuclear neandertal [3]. Su audaz plan se había cumplido. También se secuenciaron cinco genomas de Homo sapiens actuales de diferentes partes del mundo para ayudar a los análisis comparativos. Lo genial es que se emplearon tres enfoques para estimar la contaminación con ADN humano actual, en los datos producidos. En primer lugar, se utilizaron las posiciones que se sabe que difieren entre el ADNmt neandertal y el contemporáneo. En segundo lugar, en el caso de los huesos procedentes de hembras, se estimó la contaminación con ADN masculino actual buscando la presencia de fragmentos únicos de partes no recombinantes del cromosoma Y.

Por último, se utilizaron los lugares del genoma nuclear en los que los humanos actuales difieren de los chimpancés y los neandertales. Los tres métodos produjeron estimaciones de menos del 1% de contaminación.

El Denisovano

Al secuenciar el genoma del Neandertal, se demostró que puede recuperarse y analizarse de forma fiable, siendo pionero en un nuevo enfoque para estudiar nuestra historia evolutiva. Se requieren circunstancias excepcionales para que el ADN persista durante el largo tiempo transcurrido desde que se extinguieron nuestros parientes evolutivos más cercanos: la degradación aumenta con la temperatura y las condiciones del suelo, como la acidez, y la mayoría de los huesos de los primeros homínidos proceden de regiones ecuatoriales y tropicales de África y Eurasia, donde las condiciones para mantener la integridad del ADN son deficientes.

En 2008, en una faena arqueológica, se excavó la falange distal del quinto dedo manual de un homínido juvenil en la cueva de Denisova, en las montañas de Altái (Rusia), en un estrato datado entre 48.000 y 30.000 años atrás. A partir de este hueso, el científico hizo polvo y extrajo ADN, que se encontró excepcionalmente bien conservado. Se utilizó inicialmente la captura por extensión de cebadores para aislar fragmentos de ADNmt que fueron secuenciados y ensamblados con una cobertura media de 156 veces [4].

La secuencia se alineó con 54 ADNmt humanos actuales, uno del Pleistoceno tardío, seis neandertales completos, uno de bonobo y otro de chimpancé. El Neandertal difiere del Homo sapiens en una media de 202 posiciones de nucleótidos, la muestra del espécimen de hueso de dedo difiere en una media de 385 posiciones con nuestro pariente más cercano y la del chimpancé en 1462 posiciones. Así, el ADNmt desconocido era considerablemente más divergente.

Un análisis filogenético de las secuencias confirmó el sorprendente hecho de que se trataba de un homínido único, al que se llamó Denisova. La fecha del ancestro común más reciente compartido, se estimó en aproximadamente un millón de años, es decir, el doble que el ancestro común de ADNmt más reciente.

Con sus descubrimientos, Pääbo estableció una disciplina científica totalmente nueva, conocida ahora como paleogenómica. Desde entonces, se ha obtenido una gran cantidad de datos de secuencias de nuestros parientes extintos y este campo está evolucionando rápidamente.

Uno de los mayores misterios que quedan por resolver, es por qué los humanos modernos tuvieron tanto éxito en su expansión y por qué los neandertales y los denisovanos se extinguieron después de haberse adaptado a un entorno euroasiático durante varios cientos de miles de años. La observación de que estas poblaciones eran pequeñas y que tenían niveles relativamente altos de endogamia nos da una pista de que, quizá, no pudieron competir.

Relevancia para la fisiología humana

El trabajo de Svante Pääbo ofrece interesantes posibilidades para buscar variantes genéticas arcaicas entre los humanos actuales y estudiar su asociación con los fenotipos. Como nuestros antiguos parientes ya estaban adaptados genéticamente a la vida en algunos de los entornos de Eurasia, los eventos de introgresión podrían introducir alelos que impactaron positivamente en su capacidad para sobrevivir en los nuevos entornos tras su expansión fuera de África. Las secuencias que sufrieron una selección positiva pueden proporcionar información funcional sobre partes de nuestro genoma.

En la actualidad existen pruebas sólidas de que algunas de estas señales representan haplotipos arcaicos derivados de eventos de introgresión. Un ejemplo claro es la derivada del gen de la vía de la hipoxia, EPAS1, que confiere una ventaja genética para la supervivencia a gran altura y se encuentra en los tibetanos actuales [4]. Los límites de los SNPs específicos del haplotipo definen una región de 32,7 kb, una longitud que es consistente con que el evento de introgresión haya ocurrido durante el tiempo en que los Denisovanos y el Homo sapiens coexistieron. Esta estructura de haplotipos no se observa en ningún otro grupo de población a nivel mundial.

Otro ejemplo intrigante de introgresión, es un conjunto de genes que codifican tres receptores tipo Toll, TLR6-TLR1-TLR10, que se sabe que están implicados en el reconocimiento microbiano y las reacciones alérgicas [5]. Están presentes en frecuencias variables, pero sorprendentemente altas, en las poblaciones humanas actuales, lo que sugiere que proporcionan efectos biológicos favorables.

También incluyen un haplotipo que codifica la molécula de señalización antiviral Stat2 que está presente en una alta frecuencia en los melanesios [6], así como los que implican el grupo de genes 2′-5′-oligoadenilato sintetasa (OAS), que también desempeña un papel en la señalización antiviral, heredado de los neandertales en un subconjunto de euroasiáticos [7]. Estudios recientes han demostrado que los alelos arcaicos de los cromosomas 3 y 12, este último relacionado con la OAS, pueden influir en el riesgo de insuficiencia respiratoria durante la infección por SARS-CoV-2 [8 y 9]. 

Al mezclarse con nuestros parientes arcaicos, los ancestros de los humanos actuales se encontraron con una reserva de alelos ya adaptados que podrían ser útiles al cambiar el entorno. Así pues, el flujo de genes hacia el Homo sapiens influye en la fisiología humana, lo que ofrece interesantes posibilidades para dilucidar cómo las variantes genéticas específicas modulan los procesos biológicos a nivel molecular. 

Referencias
[1] Krings, M., et al., Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell, 1997. 90(1): p. 19-30.
[2] Margulies, M., et al., Genome sequencing in microfabricated high-density picolitre reactors. Nature, 2005. 437(7057): p. 376-80.
[3] Green, R.E., et al., A draft sequence of the Neandertal genome. Science, 2010. 328(5979): p. 710-722.
[4] Krause, J., et al., The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature, 2010. 464(7290): p. 894-7.
[5] Dannemann, M., A.M. Andres, and J. Kelso, Introgression of Neandertal- and Denisovan-like Haplotypes Contributes to Adaptive Variation in Human Toll-like Receptors. Am J Hum Genet, 2016. 98(1): p. 22-33.
[6] Mendez, F.L., J.C. Watkins, and M.F. Hammer, A haplotype at STAT2 Introgressed from neanderthals and serves as a candidate of positive selection in Papua New Guinea. Am J Hum Genet, 2012. 91(2): p. 265-74.
[7] Mendez, F.L., J.C. Watkins, and M.F. Hammer, Neandertal origin of genetic variation at the cluster of OAS immunity genes. Mol Biol Evol, 2013. 30(4): p. 798-801.
[8] Zeberg, H. and S. Paabo, The major genetic risk factor for severe COVID-19 is inherited from Neanderthals. Nature, 2020. 587(7835): p. 610-612.
[9] Zeberg, H. and S. Paabo, A genomic region associated with protection against severe COVID-19 is inherited from Neandertals. Proc Natl Acad Sci U S A, 2021. 118(9).

Por Carolina Julio M. 

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