La marmota del Himalaya (Marmota himalayana) es un roedor de la familia Sciuridae que se distribuye por las regiones alrededor del Himalaya de la India, Nepal, Pakistán y la meseta tibetana Qinghai de China en un rango de altitud que varía desde los 2.000 hasta los 5.200 metros. En estos lugares las condiciones climáticas son extremas: hay una baja presión atmosférica que da lugar a una baja concentración de oxígeno, el frío es extremo, la radiación ultravioleta es intensa y los recursos son muy limitados. La marmota del Himalaya posee ciertas adaptaciones que responden a las presiones selectivas de este ambiente tan duro como la hibernación, la excavación de madrigueras o un tamaño corporal grande para perder menos calor. En cuanto a la hibernación, podríamos decir que esta especie se diferencia del resto de sus congéneres en que ésta dura todo el período invernal y se hace en grupos familiares a unos 10 metros bajo tierra. Esta hibernación, que puede llegar a durar seis meses, es la responsable de que se ralenticen el metabolismo, el ritmo cardíaco y el consumo de oxígeno.
En diciembre de 2018 un equipo multidisciplinar de investigadores de China y EEUU publicó un artículo en la revista iScience donde desvelaron los mecanismos moleculares y genéticos que hay detrás de las adaptaciones de esta especie de marmota a este ambiente tan hostil. Para ello secuenciaron su genoma (conjunto de todos sus genes) y su transcriptoma (conjunto de todos sus ARN mensajeros durante la hibernación). Pero antes de comenzar a hablar de los genes concretos que encontraron, hablemos brevemente del parentesco de la marmota del Himalaya con otras especies y cuándo surgió en la historia evolutiva. Para conocer estos datos hay que recurrir a las secuencias de ADN, por lo que el grupo de investigación usó el genoma de esta especie para compararlo con el genoma de otros mamíferos como primates, roedores, lagomorfos, otras especies de marmotas, etc. Los análisis revelaron que la marmota del Himalaya apareció hace dos millones de años cuando divergió de su especie hermana, la marmota de Mongolia (Marmota sibirica). Si nos retrotraemos más atrás en el tiempo podemos ver que el grupo de las marmotas, que incluye 14 especies actuales, surgió hace unos 9-10 millones de años, momento en el cual se separó del linaje de las ardillas. También examinando su genoma encontraron que la marmota del Himalaya posee cientos de genes propios de la especie y que muchos de ellos están relacionados con la deficiencia de oxígeno, el metabolismo de ácidos grasos, la reparación del ADN o la regulación de la presión arterial.
Los genes específicos para la adaptación a este clima se encontraron examinando su transcriptoma. El ARN mensajero se extrajo de varios tejidos de marmotas hibernantes (hígado y cerebro) y, a grandes rasgos, encontraron que los genes que más se expresaban estaban relacionados con la degradación de ácidos grasos y carbohidratos (para obtener energía durante la hibernación) y con la supresión de la síntesis de más ácidos grasos y aminoácidos (para no gastar energía durante dicha hibernación). Es decir, que cuando una marmota hiberna algunas rutas metabólicas se suprimen y otras se activan para así suplir la demanda de energía que no aporta la ingesta de comida. Y no solo eso, también vieron que en su cerebro se expresaban algunos genes involucrados en la renovación de células madre. ¿Qué quiere decir esto? Pues que gracias a que durante la hibernación se mantiene activa la capacidad de división de estas células madre, éstas pueden diferenciarse en otros tipos celulares para reparar células y tejidos dañados por el frío extremo. Es decir, que estas marmotas son capaces de mantener activas ciertas células madre para combatir los daños indirectos provocados por el clima, como los coágulos. Por último, y siguiendo con los análisis del transcriptoma, los autores encontraron dos genes claramente diferenciados y mutados en aquellas marmotas del Himalaya que vivían a grandes alturas (a más de 4.500m):
(1) El primero de estos genes es Slc25a14. Este gen está implicado en la neuroprotección, además de intervenir en el mantenimiento de la tasa metabólica, la hipoxia y la regulación de la temperatura. Observando la secuencia de Slc25a14, el grupo de investigación encontró que solo en las marmotas que vivían a grandes alturas dicho gen tenía una mutación en uno de sus nucleótidos. Este cambio de un nucleótido por otro provoca en última instancia una alteración de la estructura tridimensional de la proteína a la que da lugar Slc25a14, ya que un aminoácido se sustituye por otro (ver imagen de la proteína que da lugar el gen Slc25a14).
(2) El segundo gen es ΨAamp. Muchos medios lo describieron como un gen, pero en realidad se trata de un pseudogén. Los pseudogenes son copias no funcionales de los genes, es decir, son secuencias de ADN similares a las de los genes pero que no dan lugar a proteínas (las secuencias génicas sí que dan lugar a proteínas). El grupo de investigación observó que la secuencia de ΨAamp, al igual que la de Slc25a14, también poseía mutaciones, y que este pseudogén se insertó en el genoma de las marmotas hace unos 23 millones de años, mucho antes de la separación de marmotas y ardillas. Este hallazgo sugiere que ΨAamp es específico de la familia Sciuridae (la familia que agrupa a las ardillas, marmotas y perritos de la pradera) y que fue heredado de sus ancestros. Bien, ¿y qué provoca ΨAamp y cuáles son sus consecuencias para la adaptación a la hipoxia y grandes alturas? Este pseudogén, que como hemos dicho está mutado en las marmotas que viven a grandes altitudes, es capaz de bloquear la acción del gen Aamp. El gen Aamp provoca el crecimiento y la creación de nuevos vasos sanguíneos, por lo que la existencia del pseudogén ΨAamp en las marmotas inhibe este proceso. Al evitar crear vasos sanguíneos durante la hibernación, y así reducir el transporte de sangre y el consumo de oxígeno, la marmota del Himalaya obtiene una protección extra bajo condiciones de hipoxia.
Este estudio es un ejemplo excelente de cómo las nuevas técnicas moleculares están ayudando a comprender las bases genéticas de las adaptaciones y la evolución en general. El grupo de investigación, no conforme con este increíble hallazgo, tiene pensado ir más allá. En palabras de Baoning Liu, uno de los principales autores del estudio, «el siguiente paso será descubrir las bases del sistema inmune de la marmota del Himalaya responsables de la lucha contra diversas infecciones bacterianas y virus de la hepatitis».
Referencias:
1. Liang Bai et al. (2018). Hypoxic and cold adaptation insights from the Himalayan marmot genome. iScience. doi: 10.1016/j.isci.2018.11.034.
2. T. Shrestha (2016). Marmota himalayana. The IUCN Red List of Threatened Species: e.T12826A115106426. Disponible en: https://www.iucnredlist.org/species/12826/115106426
3. Himalayan marmot genome offers clues to life at extremely high altitudes. PhysOrg (20 diciembre 2018). Disponible en: https://phys.org/news/2018-12-himalayan-marmot-genome-clues-life.html
Recursos: La imagen de portada (Marmota himalayana) es obra de Abhinava Mukherjee. La fotografía de la marmota del Himalaya es obra de Dhruvaraj S. La fotografía satélite de la cordillera del Himalaya se ha extraído de Wikipedia y pertenece a la NASA. Las reconstrucciones de la proteína Slc25a14 se han extraído del artículo de Liang Bai et al. (2018).
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