Molecular evolution and role of aquaporins in the water-to-land transitions of amphibious fishes

Resumen

Las acuaporinas (AQPs) o proteínas intrínsecas principales (MIPs) forman una antigua familia de transportadores de agua y pequeños solutos a través de las membranas biológicas. Constituyen una superfamilia de proteínas muy diversa, y su historia evolutiva y funciones han sido relativamente bien estudiadas en vertebrados y plantas. En los vertebrados terrestres (Tetrapoda), un clado exclusivo de MIPs/AQPs parece haber sido importante para su proceso de colonización de ambientes terrestres. Las MIPs están ampliamente presentes en todo el árbol de la vida eucariótico. En esta tesis, estudiamos la diversidad de proteínas MIP en todo el linaje eucariota estableciendo un contexto filogenético general para comprender su evolución. Además, considerando la importancia de las acuaporinas en la transición agua-tierra de los vertebrados sarcopterigios, estudiamos la evolución molecular de estas proteínas en varios peces anfibios de la rama de los actinopterigios con el fin de investigar posibles nuevos eventos de duplicación o modificaciones adaptativas a nivel de secuencia. Finalmente, proporcionamos un protocolo bioinformático robusto para el aislamiento de genes a partir de datos genómicos a gran escala y análisis filogenético para la consecución de los objetivos. En concordancia con estudios previos, proporcionamos un repertorio muy diverso de MIPs en eucariotas unicelulares que sugiere un catálogo complejo en el último ancestro común eucariota (LECA). En este sentido, encontramos tres clados de MIPs que probablemente tengan orígenes evolutivos muy antiguos. Sin embargo, aún seguimos investigando si el origen de estos clados ocurrió durante la transición del primer ancestro común eucariota (FECA) al LECA o anteriormente. Con respecto a la evolución de las AQPs/MIPs en peces anfibios, obtuvimos un catálogo final de 356 secuencias de acuaporinas de 22 genomas de peces anfibios (además de cuatro secuencias de peces pulmonados). A diferencia de los sarcopterigios, no encontramos evidencia de la aparición de nuevas clases de AQPs que puedan estar relacionadas con la transición de agua a tierra en las especies estudiadas de peces anfibios actinopterigios. En cambio, sí detectamos señales de selección adaptativa en 19 ramas de AQPs (incluidas las clases AQP1, AQP3, AQP8, AQP10, AQP11 y AQP12) en 13 linajes de peces anfibios diferentes, y detectamos cambios de secuencia específicos en 12 de dichas ramas. Algunos de estos cambios están ubicados en, o cerca de, motivos importantes de la secuencia de AQP involucrados en la formación del poro o en la selectividad del sustrato (tal como el motivo NPA o el filtro de selectividad ar/R), lo que sugiere un cambio en la estructura, función o regulación de la proteína. De todos nuestros resultados, los relacionados con los ortólogos de la AQP11 sugieren que estos podrían constituir los candidatos más prometedores para futuras investigaciones. Hasta 15 posiciones de secuencia seleccionadas positivamente corresponden a seis ramas de AQP11 diferentes. Además, es notable el caso de la selección adaptativa detectada en la rama ancestral de la AQP11b del clado Gobiidae, que, en nuestro conjunto de datos, está representada por los saltarines del fango (de modo de vida anfibio) y dos especies emparentadas totalmente acuáticas. En dicho clado, identificamos un cambio en el motivo NPA donde la N (asparagina) canónica es sustituida por una S (serina). La modificación de la secuencia de esta AQP11b ocurrió antes de la evolución del linaje de los saltarines del fango y podría representar un posible caso de exaptación en Gobiidae. Concluimos que, debido a la importancia de las acuaporinas en la osmorregulación de los peces, las posiciones de secuencia encontradas bajo selección adaptativa podrían haber dado lugar a modificaciones en la estructura o función de estas proteínas que podrían haber jugado un papel en las transiciones agua-tierra de los peces anfibios estudiados.