Dos trabajos sobre la genética y la energía de los caballos

Saltarse una señal de stop genética acelera el metabolismo del oxígeno y la producción de energía en los caballos

Publicado en Ciencia 28 de marzo de 2025 Vol 387, Número 6741. DOI: 10.1126/ciencia.adr8589

Resumen del editor

Desde hace 5000 años y hasta hace unos 150 años, los caballos fueron parte integral de las sociedades humanas. Su capacidad de esfuerzo intenso los llevó a ser utilizados como todo, desde bestias de carga hasta corredores de élite. Este atletismo se debe en gran medida al aumento de las tasas de consumo de oxígeno debido a los músculos llenos de mitocondrias. Castiglione y cols. descubrió que los caballos evolucionaron para hacer frente al aumento de la carga oxidativa provocado por la actividad mitocondrial a través de la evolución de una mutación puntual que aumenta la fosforilación oxidativa y, al mismo tiempo, mitiga el estrés oxidativo consecuente. —Sacha Vignieri

Resumen estructurado

INTRODUCCIÓN

Los caballos son ejemplos famosos de novedad evolutiva, con el registro fósil que narra su ascenso desde antepasados del tamaño de un perro hasta potencias fisiológicas, mucho antes de la domesticación. En los caballos de carreras pura sangre modernos, el consumo de oxígeno ajustado a la masa es más del doble que el de los atletas humanos de élite, lo que alimenta las voraces demandas de producción de energía del músculo esquelético equino. Los genomas de équidos modernos y antiguos han revelado mutaciones en los receptores olfativos, las queratinas y los genes relacionados con la miosina que están ausentes en los humanos y las vacas, pero ninguno de ellos está directamente involucrado en el metabolismo aeróbico y la producción de energía. Por lo tanto, se desconoce cómo los antepasados de Equus satisfacían las demandas de energía asociadas con sus notables innovaciones morfológicas.

FUNDAMENTO

Para estudiar los fundamentos moleculares del metabolismo aeróbico equino, nos centramos en una vía clínicamente importante que puede mejorar la bioenergética mitocondrial y, al mismo tiempo, mitigar el estrés oxidativo dañino para los tejidos causado por el ejercicio o la enfermedad. La vía NRF2/KEAP1 es un área importante de enfoque en la ciencia del ejercicio y los esfuerzos clínicos traslacionales, incluidas las enfermedades crónicas como el enfisema. La disminución de la actividad inhibitoria de KEAP1 conduce a un aumento de la actividad de NRF2, mejorando así la producción de antioxidantes y la respiración mitocondrial. Las mutaciones de KEAP1 han ocurrido al menos dos veces en la evolución: inicialmente para facilitar la transición de los vertebrados de la vida acuática a la terrestre al protegerlos contra el estrés oxidativo inducido por la luz ultravioleta, y más recientemente durante la evolución de las aves para contrarrestar el estrés oxidativo impuesto por el vuelo de aleteo energéticamente exigente.

RESULTADOS

Revelamos que los caballos, burros y cebras (Equus) poseen una reliquia de la antigua radiación Equidae, un codón de parada prematuro en KEAP1 (R15X) que evolucionó en un ancestro común de Equus. Utilizando espectrometría de masas, demostramos que este codón de parada ópalo de novo (UGA) no trunca la proteína y, en cambio, se recodifica en una cisteína en el caballo KEAP1 (C15). Utilizando la bioquímica y la biología estructural, demostramos que la recodificación del ópalo se ve facilitada por un conjunto de mutaciones específicas de Equus en los niveles de ARNm y proteínas que coevolucionaron con R15X, lo que en última instancia mejora la recodificación del ópalo en relación con los ortólogos humanos. A través de ensayos celulares, demostramos que la evolución de R15C KEAP1 aumenta la sensibilidad a los electrófilos y las especies reactivas de oxígeno, lo que conduce a una mayor actividad de NRF2 y un menor estrés oxidativo. Utilizando metabolómica comparativa de miotubos derivados de cuádriceps de pura sangre y modelos celulares generados por CRISPR-Cas9, proporcionamos evidencia de que esta recodificación genética también acelera las tasas de consumo de oxígeno mitocondrial acopladas a la producción de adenosina 5′-trifosfato (ATP). Estos procesos proporcionan una solución elegante al doble problema de mejorar la producción de energía aeróbica al tiempo que se mitiga el estrés oxidativo, lo que probablemente explique por qué el R15X/C evolucionó en un ancestro común de Equus bajo selección para mejorar la bioenergética locomotora.

CONCLUSIÓN

Descubrimos adaptaciones bioquímicas coordinadas del pasado lejano no capturadas por el registro fósil, lo que ilustra cómo la recodificación de un codón de parada de novo puede facilitar la adaptación en vertebrados, una estrategia que anteriormente se pensaba restringida a los virus. Estas antiguas innovaciones evolutivas pueden iluminar los esfuerzos clínicos contemporáneos que buscan aumentar la función de NRF2 y también promover la lectura de los codones de parada prematura asociados a la enfermedad.

La recodificación del ópalo en caballos altera los fenotipos de proteínas, mejorando el rendimiento del ejercicio.

Un ancestro extinto de Equus evolucionó un codón de terminación ópalo en KEAP1 (UGA; R15X) que se recodifica en cisteína a través de mecanismos de ARNm y proteínas previamente desconocidos. La proteína R15C KEAP1 resultante es más sensible a los electrófilos y a las especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que permite una mayor actividad de NRF2. Esto acelera la respiración mitocondrial al tiempo que disminuye el estrés oxidativo que daña los tejidos.

Abstracto

Los caballos se encuentran entre los mejores atletas de la naturaleza, sin embargo, las adaptaciones moleculares ancestrales que alimentan sus demandas de energía son poco conocidas. Dentro de una vía clínicamente importante que regula la homeostasis redox y metabólica (NRF2/KEAP1), descubrimos una mutación antigua, conservada en todos los équidos existentes, que aumenta la respiración mitocondrial al tiempo que disminuye el estrés oxidativo que daña los tejidos. Esta mutación es un codón de parada de ópalo prematuro de novo en KEAP1 que se recodifica traduccionalmente en una cisteína a través de mecanismos previamente desconocidos, produciendo una mutación R15C en KEAP1 que es más sensible a los electrófilos y a las especies reactivas de oxígeno. Esta recodificación permite aumentar la actividad de NRF2, lo que mejora la producción de adenosina 5′-trifosfato mitocondrial y la resistencia celular al daño oxidativo. Nuestro estudio ilustra cómo la recodificación de un codón de parada de novo, una estrategia que se pensaba restringida a los virus, puede facilitar la adaptación en vertebrados.

La sorpresa genética da a los caballos una resistencia excepcional

Una mutación que debería haber acortado una proteína, en cambio, la hace más sensible al estrés del ejercicio

Por Christie Wilcox, publicado en Science, el 27-03-2025

Los caballos se encuentran entre los atletas de élite más importantes del mundo: cuando galopacan, pueden consumir el doble de oxígeno por kilogramo que los humanos más en forma. Todo ese oxígeno sobrecarga los compartimentos productores de energía de las células de los caballos a medida que producen ATP, el químico necesario para alimentar sus impresionantes músculos. Pero producir tanto combustible celular tan rápidamente viene con una trampa: la fabricación de moléculas subproducto perniciosas llamadas especies reactivas de oxígeno (ROS), que pueden causar estragos en las células.

La forma en que los caballos lidiaron con esta compensación biológica y se convirtieron en atletas de resistencia de primer nivel ha intrigado durante mucho tiempo a los biólogos. Los investigadores informan hoy en Science que han descubierto una gran parte de ella, identificando una mutación clave que permite a los caballos producir de manera segura tanto ATP. El rasgo ayudó a allanar el camino para que los caballos pasaran de ser criaturas del tamaño de un perro hace millones de años a los atletas de alta resistencia que conocemos hoy.

El detallado trabajo molecular del estudio lo hace «excepcional», dice José Calbet, experto en las respuestas celulares al ejercicio de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria que no participó en el estudio.

La mutación en cuestión ocurre en el gen que codifica una proteína llamada KEAP1, que actúa como un rebote bioquímico, uniéndose a una proteína diferente llamada NRF2 para evitar que ingrese al núcleo de la célula, donde de otro modo activaría genes de respuesta al estrés que ayudan a mitigar el daño celular.

Pero las ROS pueden ayudar a NRF2 a colarse al hacer que KEAP1 libere su unión a la proteína, lo que le permite ingresar al núcleo y activar los genes de respuesta al estrés de la célula.

La oftalmóloga y científica clínica de la Universidad Johns Hopkins, Elia Duh, autora principal del nuevo estudio, no se propuso estudiar a los caballos. Inicialmente, Duh estaba interesado en el sistema KEAP1-NRF2 porque su papel en la activación de los genes de respuesta al estrés lo convierte en un objetivo tentador para tratar la inflamación y las afecciones relacionadas con el envejecimiento, como las enfermedades cegadoras de la retina, el síndrome del intestino irritable y la neurodegeneración.

Duh se preguntó si se podría extraer alguna idea del estudio de la evolución de estas proteínas en diferentes animales. Así que se asoció con Gianni Castiglione, biólogo evolutivo y bioquímico de la Universidad de Vanderbilt. Juntos, escanearon cientos de genomas de vertebrados en busca de mutaciones notables en el gen de KEAP1.

El trabajo genómico del equipo reveló que las aves habían perdido casi por completo el gen, presumiblemente una adaptación a las demandas extremas del vuelo. Cuando observaron en caballos, los investigadores notaron lo que inicialmente parecía ser una secuencia de ADN que codificaba una versión inusualmente corta y, por lo tanto, presumiblemente no funcional, de la proteína KEAP1. Pero cuando el equipo de Duh y Castiglione cultivó células de caballo, descubrió que la proteína estaba muy presente y funcionaba. «Naturalmente, me preocupaba estar haciendo algo mal», dice Castiglione. «Entonces, un día, se encendió una bombilla».

Resulta que el algoritmo informático que los científicos habían utilizado para escanear el genoma del caballo había cometido un error. El algoritmo había detectado un tipo específico de mutación en la parte del gen KEAP1 que cambiaba el ARN mensajero de CGA, que codifica el aminoácido arginina, a UGA, que es lo que se conoce como «codón de parada».

Normalmente, la maquinaria celular interpreta el UGA como una señal para dejar de traducir el ARN en una proteína. Pero en cambio, la maquinaria genética de los caballos recodifica el codón de parada en un aminoácido diferente, la cisteína, lo que hace que ignoren ese orden. Este fenómeno, conocido como lectura del codón de parada, es común entre los virus, pero raro en los organismos multicelulares.

«La identificación de este evento de recodificación de UGA evolutivamente significativo representa un hallazgo potencialmente seminal, que ofrece un modelo para descubrir otros casos aún no identificados de lectura de codones de parada», dice Hozumi Motohashi, biólogo de la Universidad de Tohoku que ha estudiado KEAP1 y NRF2.

El hecho de que el reemplazo sea una cisteína es particularmente notable, dice Castiglione. KEAP1 detecta el estrés celular a través de sus cisteínas, que contienen átomos de azufre cuyas reacciones con las ROS inducen los cambios químicos que hacen que KEAP1 libere a NRF2. La mutación que los investigadores habían identificado agrega otro lugar en KEAP1 para que las ROS interactúen, lo que hace que la proteína sea más sensible al estrés y permite que las células de los caballos respondan mucho más rápido al estrés celular del ejercicio intenso. «Tiene mucho sentido [que] al introducir otra cisteína, otro azufre, se haya aumentado la sensibilidad», dice Castiglione.

Lo que es más, este ajuste de KEAP1 es un componente genético «clave para el rompecabezas de la evolución de los caballos», dice Duh. «Una vez que descubrieron cómo correr, pudieron ocupar todo tipo de nichos ecológicos», agrega Castiglione.

El hallazgo también podría señalar el camino hacia nuevos tipos de medicamentos para tratar enfermedades al dirigirse a las partes específicas de la proteína KEAP1 que ayudan a los caballos a untarla. «Al observar lo que la evolución ha descubierto, sabemos que esta es una estrategia viable», dice Castiglione.

Dos trabajos sobre la genética y la energía de los caballos

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