Un estudio identificó el "enredo" genómico que explicaría los cerebros complejos de pulpos, calamares y sepias

Los pulpos, los calamares y las sepias poseen los cerebros más grandes y complejos entre todos los invertebrados. Son capaces de resolver problemas, cambiar de color en milésimas de segundo y exhibir comportamientos que durante décadas llamaron la atención de la biología evolutiva.

Es por este panorama que la pregunta que sobrevolaba a los investigadores era directa: ¿cómo lograron estos animales desarrollar sistemas nerviosos tan sofisticados y qué papel pudo tener la organización de su genoma en ese proceso? La respuesta, según un equipo de científicos de la Universidad de Viena, podría no estar en los genes en sí mismos, sino en la manera en que el ADN se pliega y se organiza dentro de la célula.

Un análisis comparativo de la arquitectura tridimensional del genoma en tres especies de cefalópodos coleoideos reveló que una reorganización cromosómica masiva, ocurrida hace cientos de millones de años, alteró la forma en que regiones distantes del ADN interactúan entre sí. Ese cambio habría modificado los patrones de regulación genética y facilitado la aparición de rasgos biológicos inéditos, entre ellos sus elaborados sistemas nerviosos.

Los hallazgos, publicados en la revista Nature Communications, introducen un concepto que los autores denominan “enredo regulatorio”: la acumulación progresiva de interdependencias entre elementos del genoma que, al quedar próximos tras los reordenamientos cromosómicos, se entrelazan en redes regulatorias cada vez más complejas.

“El genoma no es solo una secuencia de genes. Está plegado en una estructura tridimensional compleja”, señaló la autora principal, la doctora Thea Rogers, investigadora del Departamento de Neurociencia y Biología del Desarrollo, según el comunicado de prensa de la Universidad de Viena. “Comprender cómo evoluciona esa estructura es cada vez más importante para entender cómo surgen nuevas formas de complejidad biológica”, agregó.

La estructura estable y las conexiones flexibles del genoma

El estudio integró datos de estructura de la cromatina, actividad génica y accesibilidad del ADN en tres especies representativas de los principales linajes de cefalópodos coleoideos: el calamar Euprymna scolopes, la sepia Sepia officinalis y el pulpo Octopus bimaculoides.

Los investigadores encontraron que las grandes unidades estructurales del genoma, conocidas como dominios de cromatina, es decir, regiones delimitadas por barreras de aislamiento que organizan el material genético a gran escala, se mantuvieron en buena medida conservadas a lo largo de la evolución de estos animales.

Las conexiones más finas, llamadas bucles de cromatina, mostraron un comportamiento opuesto. Estos bucles acercan zonas distantes del ADN para regular la actividad de determinados genes, y resultaron mucho más dinámicos: variaban entre especies, entre tejidos y entre etapas del desarrollo embrionario. Según se detalla en el estudio, apenas tres bucles con genes compartidos se conservaban en las tres especies analizadas, lo que sugiere que se renuevan con rapidez evolutiva mientras la estructura de mayor escala permanece como un andamio estable.

Los bucles hallados cerca de genes vinculados al sistema nervioso resultaron especialmente relevantes. En Octopus bimaculoides, los tejidos neurales presentaron una cantidad de bucles notablemente superior a la de los órganos internos, consistente con las elevadas demandas regulatorias que impone el cerebro de estos animales. Según el comunicado de prensa, estos hallazgos desafían la idea de que la arquitectura del genoma es una consecuencia pasiva de la evolución y proponen, en cambio, que la organización tridimensional del ADN moldea activamente la trayectoria evolutiva.

El experimento que puso a prueba una región regulatoria dentro de un bucle

Para verificar que estas estructuras no eran meras curiosidades topológicas, el equipo recurrió a la edición genética mediante CRISPR-Cas9, una herramienta que permite cortar y modificar secuencias específicas del ADN.

Los investigadores eliminaron, en embriones del calamar Euprymna berryi, un fragmento de aproximadamente mil pares de bases, las unidades que componen la cadena genética, situado dentro de un intrón del gen Quaking B. Un intrón es un segmento no codificante ubicado en el interior de un gen, y en este caso el gen está implicado en el desarrollo neural y forma parte de un bucle de cromatina conservado en las tres especies.

Los resultados mostraron alteraciones claras en el desarrollo de los embriones editados. De los 25 ejemplares intervenidos, todos presentaron signos de retraso, y entre un tercio y dos tercios exhibieron defectos morfológicos específicos en el cerebro, como lóbulos ópticos reducidos y brazos más pequeños o ausentes.

El análisis de expresión génica reveló que la eliminación de esa secuencia no solo afectó al gen que la albergaba, sino que alteró genes ubicados a millones de pares de bases de distancia, según se detalla en el estudio. Algunos de esos genes afectados son exclusivos de los cefalópodos. El trabajo concluye que la región eliminada “integra señales regulatorias críticas para la expresión de genes neurales y el desarrollo”.

Por qué Octopus bimaculoides mostró un genoma más “enredado”

La investigación también reveló diferencias llamativas entre los dos grandes linajes de cefalópodos coleoideos. Octopus bimaculoides, representante de los octopodiformes, el grupo que incluye a los pulpos, exhibió un genoma más “mezclado” que el de las dos especies de decapodiformes analizadas, el calamar y la sepia.

Según el comunicado, esa diferencia obedece a una historia de fusiones cromosómicas más extensas en el linaje de los pulpos, que habría generado estados regulatorios más entrelazados.

En términos concretos, los bucles de cromatina de esta especie resultaron notablemente más grandes: su tamaño mediano alcanzó los 2,9 millones de pares de bases, frente a 1,6 millones en el calamar y 1,3 millones en la sepia. Más de la mitad de esos bucles contenían genes cuyos equivalentes en los calamares se encontraban dispersos en cromosomas diferentes, lo que indica que las fusiones cromosómicas remodelaron profundamente la organización regulatoria del genoma de Octopus bimaculoides.

Los autores proponen que este mayor enredo regulatorio impone restricciones que limitan la expansión futura del genoma en los octopodiformes, a diferencia de la expansión genómica más pronunciada que se observó en los decapodiformes. Según se detalla en el estudio, la organización tridimensional del genoma no solo refleja la historia evolutiva, sino que condiciona las trayectorias posibles, un hallazgo que replantea la comprensión de cómo surgen los rasgos complejos en la naturaleza.