La transición de la aleta a la extremidad es un ícono de las transformaciones evolutivas clave. Muchos estudios se centran en comprender la evolución de la aleta simple en un esqueleto complicado de la extremidad mediante el examen del registro fósil. En un artículo publicado el 4 de febrero en celda , investigadores de Harvard y Boston Children's Hospital examinaron lo que está ocurriendo a nivel genético para impulsar diferentes patrones en el esqueleto de la aleta frente al esqueleto de la extremidad.
Los investigadores, dirigidos por M. Brent Hawkins, un reciente doctorado en el Departamento de Biología Organísmica y Evolutiva, realizaron exploraciones genéticas avanzadas en peces cebra en busca de mutaciones que afecten el esqueleto de la aleta. A diferencia de las extremidades de los tetrápodos, que tienen esqueletos complejos con muchos huesosque se articulan en muchas articulaciones, las aletas pectorales del pez cebra tienen un endoesqueleto simple que carece de articulaciones. Para su sorpresa, Hawkins y sus colegas encontraron mutantes que modificaron sus aletas en un patrón más parecido a las extremidades al agregar nuevos huesos, con músculos y articulaciones. Estos resultadosrevelan que la capacidad de formar estructuras similares a extremidades estaba presente en el ancestro común de los tetrápodos y los peces teleósteos y se ha mantenido en un estado latente que puede ser activado por cambios genéticos.
"Observamos algunas de las aberraciones del desarrollo y preguntamos si pueden informarnos de los procesos que estaban sucediendo detrás de algunos de estos grandes cambios en la evolución", dijo el autor principal Matthew P. Harris, profesor asociado de genética en la Facultad de Medicina de Harvard.e Investigación ortopédica en el Boston Children's Hospital. "Y cuando ves algo que no debería estar allí, nunca, me refiero a 400 millones de años como nunca, es un hallazgo importante".
El pez cebra pertenece al linaje de teleósteos de peces con aletas radiadas. Los teleósteos son un linaje diverso de unas 30.000 especies que incluyen peces de colores, salmón, anguilas, platija, pez payaso, pez globo, bagre y pez cebra. Hay más especies de teleósteos que todas las aves,mamíferos, reptiles y especies de anfibios combinados. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de especies y la amplia gama de formas, tamaños y hábitats, la aleta pectoral de los teleósteos es sorprendentemente simple y sin cambios.
La transición de aleta a extremidad en el linaje de tetrápodos modificó y elaboró la aleta ancestral para incluir muchos huesos que se articulan de un extremo a otro. Desde el mismo estado inicial ancestral, las aletas de los teleósteos se redujeron y simplificaron, de modo que no hay un final.articulación en el extremo, solo la disposición lado a lado de los radiales proximales. Esta estructura permitió a los investigadores determinar qué aspectos del desarrollo son únicamente de extremidades y qué características son comunes en las aletas y extremidades de teleósteos y tetrápodos.
La coautora del estudio, Katrin Henke, del Boston Children's Hospital, realizó pruebas genéticas avanzadas para mutar el ADN al azar e identificar genes que controlan la formación del esqueleto de la aleta. Cuando una mutación provocó cambios interesantes en el esqueleto del pez cebra, los investigadores trabajaron al revés paramapear genéticamente la mutación y determinar qué genes se vieron afectados. En este caso, descubrieron que las mutaciones en los genes waslb y vav2 causan el fenotipo de la aleta. Este fue un hallazgo sorprendente, ya que anteriormente no se sabía que estos genes desempeñaran un papel en la configuración del cuerpo..
"Era una gran pregunta sobre cómo waslb y vav2 estaban cambiando el patrón de las aletas", dijo Hawkins. "No se sabía que estos genes interactuaran con ninguna de las vías muy bien caracterizadas que guían el desarrollo de las extremidades. Sin embargo, encontramos que estosLas mutaciones provocan un aumento en la expresión del gen hoxa11b. Este gen es muy emocionante porque los genes Hox son en parte responsables de modelar la columna vertebral y las regiones de la extremidad. Y los genes Hox11 en particular son necesarios para hacerantebrazo."
Los investigadores utilizaron un enfoque avanzado de CRISPR knock-in e insertaron un marcador en el genoma que muestra dónde está activo un gen en particular. Reemplazaron el gen hoxa11b con una proteína roja fluorescente, y las células que expresan hoxa11b brillan en rojo. Esta herramienta permitióellos para determinar que los mutantes aumentan la expresión de hoxa11b para formar los nuevos huesos.
El análisis histológico reveló que los nuevos huesos tenían una unión muscular, lo que ocurre ampliamente en los huesos de las extremidades, pero no en la aleta. En los peces teleósteos no hay músculos adheridos a los huesos. En cambio, los huesos proporcionan un soporte intermedio en la aleta ylos músculos se extienden directamente desde el hombro hasta los rayos de la aleta ósea, sin pasar por los huesos por completo. Los huesos nuevos están completamente integrados en la aleta, con articulaciones para la articulación y unión a los músculos de la aleta.
Se ha realizado mucho trabajo en el campo del desarrollo de las extremidades y proporciona una buena comprensión de los genes presentes y necesarios para que la extremidad se forme. Sin embargo, en este estudio, los investigadores cambiaron los enfoques tradicionales al centrarse en la pequeña aleta simple de pez cebra ypreguntando qué cambios genéticos podrían elaborar el apéndice y aumentar su complejidad. "Antes de esto, no hay ejemplos en los que tengamos genes o mutaciones que realmente elaboren la estructura y la hagan aún más complicada", dijo Hawkins. "Incluso en el casode las extremidades, solo sabemos cómo hacer una extremidad más pequeña o menos compleja, pero no teníamos información sobre cómo agregar elementos a una aleta o una extremidad ".
"Eso también fue muy sorprendente", confirmó Harris. "No teníamos ejemplos experimentales duros en los que se toma un gen, se activa, se hace funcionar más y se obtiene una estructura madura más compleja al final. En nuestros hallazgos,de hecho, encontré algunos de los diales que pueden activar las vías genéticas y obtener una estructura más complicada al final ".
Anteriormente, otros investigadores eliminaron los genes Hox11 en ratones y encontraron que esto impedía que el radio y el cúbito se formaran por completo ". Dado que tanto los huesos nuevos en nuestro mutante como el antebrazo de la extremidad están ubicados en la parte media del apéndice,nuestro resultado sugiere que tanto las aletas como las extremidades usan señales Hox11 para especificar esta región ", afirmó Hawkins.
Este hallazgo también encaja bien con otro descubrimiento reciente de que los genes Hox13 son necesarios para formar las regiones distales de las aletas y las extremidades. En conjunto, estos descubrimientos revelan que el código Hox del apéndice probablemente estaba presente en el ancestro común de los tetrápodos y peces teleósteos y esno es específico del linaje de tetrápodos.
Este estudio muestra que tanto las aletas como las extremidades utilizan los mismos mecanismos genéticos para especificar la parte media del apéndice. En el futuro, Hawkins espera explorar la pregunta, ¿las aletas y las extremidades crean otras regiones de apéndices de la misma manera?
"Todavía está el húmero en la extremidad y no sabemos cuál es la parte correspondiente en la aleta para eso, en términos de los requisitos genéticos", dijo Hawkins. "Sabemos que hay señales proximales que determinan dónde está el húmerodebería ir, pero no sabemos si los peces usan estas señales o no. Queremos saber en un sentido de desarrollo cómo esas señales surgieron en las extremidades y si esas señales ya están presentes de alguna forma en la aleta del pez. Y con suertepuede completar la correspondencia entre aletas y extremidades ".
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Materiales proporcionados por Universidad de Harvard, Departamento de Biología Organísmica y Evolutiva . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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