¿Cómo consiguió la jirafa su cuello largo?

«Los cambios evolutivos necesarios para construir la imponente estructura de la jirafa y dotarla de las modificaciones necesarias para sus carreras de velocidad y sus potentes funciones cardiovasculares han sido una fuente de misterio científico desde el siglo XIX, cuando Charles Darwin se preguntó por primera vez sobre los orígenes evolutivos de la jirafa», dijo Cavener, profesor de biología y Decano Verne M. Willaman de la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State. El corazón de la jirafa, por ejemplo, debe bombear sangre dos metros en línea recta para proporcionar un amplio suministro de sangre a su cerebro. Esta hazaña es posible porque el corazón de la jirafa ha evolucionado para tener un ventrículo izquierdo inusualmente grande, y la especie también tiene una presión sanguínea que es dos veces más alta que la de otros mamíferos.
Para identificar los cambios genéticos que probablemente sean responsables de las características únicas de la jirafa, incluyendo carreras que pueden alcanzar 37 millas por hora (60 km/h), Cavener y Agaba compararon las secuencias de codificación de genes de la jirafa y el okapi con más de 40 otros mamíferos, incluyendo la vaca, la oveja, la cabra, el camello y el ser humano. «Las secuencias genéticas del okapi son muy similares a las de la jirafa porque el okapi y la jirafa divergieron de un ancestro común hace sólo 11 o 12 millones de años, es decir, hace relativamente poco tiempo en la escala de tiempo de la evolución», dijo Cavener. «A pesar de este estrecho parentesco evolutivo, el okapi se parece más a una cebra y carece de la imponente altura y la impresionante capacidad cardiovascular de la jirafa. Por estas dos razones, la secuencia del genoma del okapi proporciona una poderosa pantalla que hemos utilizado para identificar algunos de los cambios genéticos únicos de la jirafa».
Usando una batería de pruebas comparativas para estudiar las secuencias del genoma de la jirafa y del okapi, los científicos descubrieron 70 genes que mostraban múltiples signos de adaptaciones. «Estas adaptaciones incluyen sustituciones únicas de secuencias de aminoácidos que se prevé que alteren la función de las proteínas, la divergencia de secuencias de proteínas y la selección natural positiva», dijo Cavener. Más de la mitad de los 70 genes codifican proteínas que se sabe que regulan el desarrollo y la fisiología del sistema esquelético, cardiovascular y nervioso, justo el tipo de genes que se predice que son necesarios para impulsar el desarrollo de las características únicas de la jirafa.
Entre los descubrimientos del equipo de investigación se encuentra que varios genes conocidos por regular el desarrollo del sistema cardiovascular o por controlar la presión sanguínea se encuentran entre los genes que muestran múltiples signos de adaptación en la jirafa. Algunos de estos genes controlan tanto el desarrollo cardiovascular como el desarrollo del esqueleto, lo que sugiere la intrigante posibilidad de que la estatura de la jirafa y su sistema cardiovascular turboalimentado hayan evolucionado de forma conjunta a través de cambios en un pequeño número de genes.
Los científicos también descubrieron pistas genéticas sobre la evolución del largo cuello y las patas de la jirafa, que tienen el mismo número de huesos que el cuello y las piernas de los humanos y otros mamíferos. «Para conseguir su extraordinaria longitud, las vértebras cervicales y los huesos de las patas de las jirafas han evolucionado hasta alargarse enormemente», dijo Cavener. «Se necesitan al menos dos genes: uno para especificar la región del esqueleto que debe crecer más y otro gen para estimular el aumento del crecimiento». Entre los 70 genes que la investigación del equipo reveló que son notablemente diferentes en la jirafa, los científicos identificaron genes que se sabe que regulan ambas funciones.
«El más intrigante de estos genes es el FGFRL1, que tiene un grupo de sustituciones de aminoácidos único en la jirafa que se encuentra en la parte de la proteína que se une a los factores de crecimiento de fibroblastos, una familia de reguladores que participan en la regulación de muchos procesos, incluyendo el desarrollo del embrión», dijo Cavener. Esta vía de los factores de crecimiento de los fibroblastos desempeña un papel crucial en el control del desarrollo, que comienza en el desarrollo temprano del embrión y se extiende a través de la fase de crecimiento óseo tras el nacimiento de la jirafa». En los seres humanos y también en los ratones, los defectos esqueléticos y cardiovasculares graves están asociados a mutaciones debilitantes en este gen.
Los científicos también identificaron cuatro genes homeobox -del tipo que interviene en el desarrollo de las estructuras corporales- que se sabe que especifican las regiones de la columna vertebral y las piernas. Cavener especula: «La combinación de cambios en estos genes homeobox y en el gen FGFRL1 podría proporcionar dos de los ingredientes necesarios para la evolución del cuello y las patas largas de la jirafa».
Agaba observó por primera vez un grupo de genes que regulan el metabolismo y el crecimiento que eran divergentes en la jirafa en comparación con el okapi. Uno de estos genes codifica el receptor del ácido fólico, que es una vitamina B esencial necesaria para el crecimiento y el desarrollo normales. Otros genes metabólicos que los científicos encontraron significativamente cambiados en la jirafa son los que participan en el metabolismo de los ácidos grasos volátiles que se generan por la fermentación de las plantas ingeridas, la principal fuente de energía para la jirafa y otros rumiantes como el ganado vacuno y las cabras. La jirafa tiene una dieta inusual de hojas y vainas de acacia, que son muy nutritivas pero también son tóxicas para otros animales. Los científicos especulan que los genes responsables de metabolizar las hojas de acacia pueden haber evolucionado en la jirafa para evitar esta toxicidad.
Cavener y Agaba, ambos genetistas experimentales, dicen que están ansiosos por probar la función de algunos de los genes identificados que creen que pueden ser responsables de las características únicas de la jirafa. Su equipo de investigación está probando actualmente el efecto potencial de las diferencias únicas del gen FGFRL1 de la jirafa introduciendo estos cambios en ratones mediante los nuevos métodos de edición genética CRISPR. No se espera que la sustitución del gen FGFRL1 de la jirafa en el ratón produzca un ratón de cuello largo. Sin embargo, los científicos esperan ver cómo el gen FGFRL1 de la jirafa puede afectar al crecimiento diferencial de la columna vertebral y las patas de los ratones que es predictivo de las características únicas de la jirafa.
«Esperamos que la publicación del genoma de la jirafa y las pistas sobre su biología única atraigan la atención sobre esta especie a la luz de la reciente y precipitada disminución de las poblaciones de jirafas», dijo Cavener. «Mientras que la difícil situación del elefante -el compañero más corto de la jirafa en la sabana africana- ha recibido la parte de atención de los leones, las poblaciones de jirafas han disminuido un 40% en los últimos 15 años debido a la caza furtiva y la pérdida de hábitat (http://www.giraffeconservation.org). A este ritmo de descenso, el número de jirafas en estado salvaje caerá por debajo de las 10.000 a finales de este siglo. Algunas subespecies de jirafas ya están al borde de la extinción».
Además de Agaba y Cavener, otros miembros del equipo de investigación son Edson Ishengoma, del Instituto Africano de Ciencia y Tecnología Nelson Mandela; Webb C. Miller, Barbara C. McGrath, Chelsea Hudson, Oscar C. Bedoya Reina, Aakrosh Ratan, Rico Burhans, Rayan Chikhi, Paul Medvedev, Craig A. Praul, Lan Wu-Cavener y Brendan Wood, de Penn State; Heather Robertson, del zoológico de Nashville; y Linda Penfold, de White Oak Conservancy.
Esta investigación recibió apoyo financiero de Penn State, los Institutos Huck de Ciencias de la Vida de Penn State y el Instituto Africano Nelson Mandela para la Ciencia y la Tecnología.