Phylogenomics and comparative transcriptomics of West African cone snails

Abstract

[ES] La familia Conidae (Gastropoda: Caenogastropoda) es una de las familias de animales marinos más diversas del mundo. Los conos son interesantes para naturalistas y biólogos, quienes han tratado de definir una clasificación del grupo. Sin embargo, la increíble diversidad de especies y su amplio rango de distribución han complicado los estudios filogenéticos, y no ha sido hasta hace poco (y no antes de comenzar este proyecto) que se definió un marco evolutivo robusto para la familia. Los conos son depredadores activos que usan un sofisticado sistema venenoso para cazar a sus presas. Este veneno es altamente complejo, incluyendo cientos de péptidos llamados conotoxinas. Estos péptidos secretados afectan a diferentes canales iónicos y receptores de neurotransmisores en el cuerpo de la presa, con un grado de especificidad que las hace una fuente potencial de nuevos medicamentos. El desarrollo de las técnicas de secuenciación masiva (NGS) ha llevado el estudio de la composición del veneno a un nuevo nivel, permitiendo la identificación de incluso los péptidos menos expresados. No obstante, la variabilidad del veneno ha sido estudiada principalmente desde una perspectiva proteómica, y la transcriptómica se ha limitado principalmente a estudios descriptivos. Además, el estudio de los conos se ha centrado en aquellas especies que habitan la región Indo-Pacífica, y otras regiones que representan puntos calientes de biodiversidad de conos (como el Caribe o África occidental) han sido ignoradas.

A este respecto, el presente proyecto está enfocado exclusivamente en el estudio de los conos de África occidental. Para ello, hemos definido cuatro objetivos, trabajados en detalle en los siguientes capítulos: 1) Establecer un marco evolutivo robusto para la familia Conidae, estudiando así el origen de las dietas más especializadas. 2) Estudiar las relaciones filogenéticas y la evolución, así como explorar la diversidad real de los conos endémicos de Senegal, Islas Canarias y el archipiélago de Cabo Verde. 3) Estudiar la evolución de la dieta piscívora en la familia, analizando mediante transcriptómica la composición del veneno de la especie atlántica Chelyconus ermineus. 4) Caracterizar la composición del veneno de múltiples especies de conos de dos géneros endémicos de África occidental, y aplicar un estudio comparado entre ellas para estudiar la evolución de sus venenos.

Los genomas mitocondriales de cuatro géneros fueron secuenciados, y los transcriptomas de otras 27 especies fueron analizados, anotando sus genes mitocondriales y 21 genes nucleares. Todos esos marcadores y los ya publicados en GenBank fueron utilizados para inferir las relaciones filogenéticas de la familia Conidae. Los árboles filogenéticos reconstruidos recuperaron la mayoría de los nodos con alto apoyo estadístico, aunque algunos de los nodos más antiguos permanecen sin resolver. Estos resultados confirmaron hipótesis previas relacionadas con la evolución de la dieta, como la monofilia de los géneros moluscívoros y de aquellos que depredan anfinómidos, pero el doble origen de la piscivoría en los géneros de las regiones del Indo-Pacífico y del Atlántico/ Pacífico este (Chelyconus).

Las relaciones filogenéticas entre los géneros de conos endémicos (Africonus, Lautoconus, Kalloconus y Trovaoconus) fueron inferidas utilizando más de 100 genomas mitocondriales, representantes de la mayoría de las especies descritas en esta región. Todos los árboles se recuperaron con máximo apoyo estadístico. El clado formado por los géneros Kalloconus y Trovaoconus fue el primero en divergir. El grupo hermano de Africonus es Lautoconus ventricosus del mar Mediterráneo, y el clado que contiene las especies de Lautoconus de Senegal y las Islas Canarias es hermano de los dos. Debido a la parafilia de Lautoconus por la inclusión de Africonus, se ha propuesto la designación de un nuevo nombre genérico para las especies de Senegal y las Islas Canarias una vez realizada la correspondiente revisión taxonómica . Además, el género Trovaoconus (endémico de Cabo Verde) debería sinonimizarse con el continental Kalloconus. El tiempo de los eventos cladogenéticos sugiere que la alopatría podría estar jugando un importante papel en la generación de la diversidad de estos géneros, dado que las fluctuaciones eustáticas del nivel del mar y el desarrollo directo de las larvas podrían favorecer el aislamiento. En todos los géneros encontramos ejemplos de especies descritas incorrectamente, ya fuese porque esas especies representasen variabilidad poblacional o porque tenían fenotipos convergentes.

El género Chelyconus representa la segunda adaptación a la piscivoría, como se ha mencionado más arriba. En Cabo Verde podemos encontrar esta especie, cuyo veneno fue estudiado utilizando transcriptomas. La comparación de la composición del veneno de tres individuos ha confirmado la variabilidad intraespecífica, dado que sólo el 20% de las conotoxinas identificadas estaban presentes en los tres especímenes. Esta especie presenta las superfamilias M, O1, O2 y T como las más abundantes, tal y como se ha reportado anteriormente para otra especies de conos. Los niveles de expresión han confirmado la importancia de la superfamilia A para depredar en peces, como se había observado en el clado Indo-Pacífico. Curiosamente, esta superfamilia presentaba un patrón de cisteinas sólo descrito en este género: un patrón de espaciado entre las cisteínas α4/4, en contraste con el α3/5 observado en el otro clado. Estos resultados refuerzan la idea de que la piscivoría ha evolucionado independientemente en ambos clados, y que las similitudes en la estrategia de caza son debidas a convergencia.

Finalmente, se describió la composición del veneno de 12 especies endémicas de África occidental (nueve Africonus y cuatro Lautoconus). Todas comparten las mismas seis superfamilias expandidas (con cinco o más precursores de conotoxinas), lo que podría explicarse por su presencia en el ancestro común de estos géneros. Las especies de Africonus presentaron superfamilias expandidas adicionales. Esto podría estar relacionado con los altos niveles de diversificación de este género y las amplias oportunidades de adaptación después de colonizar el archipiélago de Cabo Verde. La composición del veneno de estos géneros muestra cierto nivel de señal filogenética, de manera que, en general, las especies más cercanas evolutivamente tienen más secuencias en común, así como las mismas superfamilias en la misma proporción y con los mismo niveles de expresión.

En resumen, este trabajo avanza en el estudio de los conos de África occidental, aportando un marco evolutivo robusto e información sobre la composición del veneno para la mitad de los géneros habitando esta región.