Los científicos de la Universidad de Nueva York y la Universidad de Chicago han creado moscas de la fruta que transportan genes antiguos reconstruidos para revelar cómo las mutaciones antiguas generaron cambios evolutivos importantes en el desarrollo embrionario, cuyo impacto vemos hoy.
El trabajo, publicado en la revista eLife descubrió que dos mutaciones que surgieron hace 140 millones de años cambiaron la función de un gen de desarrollo crítico, que ahora regula el desarrollo de la cabeza y otras estructuras en prácticamente todas las especies de moscas actuales.
"Al introducir mutaciones individuales que ocurrieron en el pasado profundo en los genes antiguos, pudimos mostrar con precisión cómo cada uno afectó el desarrollo hace muchos millones de años", explica Stephen Small, biólogo de la Universidad de Nueva York y uno de los autores principales del artículo.
"Descubrimos que solo dos mutaciones fortuitas fueron las principales causas de un cambio profundo en los procesos de desarrollo del animal, un cambio que se hizo indispensable en todos sus descendientes actuales", dice Joseph Thornton, el otro autor principal del artículo yProfesor de Ecología y Evolución y Genética Humana en la Universidad de Chicago.
Los científicos han intentado durante mucho tiempo comprender cómo las mutaciones genéticas cambiaron el desarrollo embrionario para producir las diversas formas animales que vemos hoy en día. Pero identificar las mutaciones importantes es muy difícil porque ocurrieron en el pasado profundo, en animales extintos hace mucho tiempo, y generalmente hanmezclado con decenas de mutaciones posteriores
Los laboratorios de Small de NYU y Thornton de la Universidad de Chicago abordaron este problema de una manera innovadora: deduciendo computacionalmente secuencias de genes antiguas basadas en sus descendientes modernos, recreando químicamente los genes y luego poniéndolos en embriones de moscas, creando así embriones transgénicos.- es decir, aquellos insertados con un gen extraño - para seguir sus efectos en el desarrollo en el laboratorio.
El estudio es el primero en utilizar la reconstrucción ancestral en el campo de la evolución del desarrollo, o evo-devo.
Los investigadores se centraron en la evolución de un gen llamado bicoide. Bicoid desencadena la formación de estructuras en el extremo de la cabeza anterior de los embriones en la mosca de la fruta, un organismo modelo importante porque muchos aspectos de su genética y desarrollo se comparten con los humanos.y otros animales. Bicoid sirve como el "regulador maestro" del desarrollo anterior al activar la expresión de un conjunto de genes que llevan a cabo el desarrollo de la cabeza y suprimen el desarrollo de la cola, y lo hacen solo en el extremo anterior.
Bicoid ha presentado durante mucho tiempo un rompecabezas evolutivo. Los embriones de mosca que carecen de proteína Bcd activa mueren muy temprano porque en lugar de formar una cabeza forman estructuras de cola en ambos extremos. Pero el gen bicoide ni siquiera existe en otros insectos o animales más distantes,que usan otros genes para controlar el desarrollo anterior. Bicoid muestra que incluso los aspectos más fundamentales del desarrollo pueden cambiar drásticamente durante la evolución, pero se desconoce cómo ocurre ese proceso.
Los laboratorios Small y Thornton intentaron comprender cómo los bicoides desarrollaron su nueva función de desarrollo a través de varios medios: recrear el gen precursor a partir del cual evolucionó, caracterizar sus funciones bioquímicas, introducirlo en las moscas de la fruta modernas cuyo propio gen bicoide había sido eliminado, estudiando sus efectos sobre la formación de estructuras de la cabeza y la expresión de los genes específicos que impulsan el desarrollo de la cabeza, e introduciendo mutaciones históricas en el gen ancestral para determinar sus efectos.
Sus resultados iniciales mostraron que las moscas que portan el gen precursor no logran desarrollar una cabeza, con colas en ambos extremos y ninguno de los genes clave involucrados en el desarrollo de la cabeza se expresa adecuadamente. El grupo luego introdujo en el gen precursor cada mutación que sucedió durante elintervalo antiguo durante el cual bicoid desarrolló su nuevo papel.
La mayoría de los cambios tuvieron poco o ningún efecto en las funciones de bicoid, pero dos de ellos juntos permitieron que bicoid activara un conjunto completamente nuevo de genes objetivo. Cuando se introdujo en embriones de mosca, esta versión evolutiva mutante de bicoid activó la mayoría de los genes involucradosen el desarrollo de la cabeza en sus lugares apropiados, y los embriones formaron estructuras de cabeza reconocibles, aunque incompletas, en lugar de estructuras de cola en el extremo anterior.
El grupo concluyó que estas dos mutaciones, cuando se combinaban, eran las causas predominantes de la evolución funcional de los bicoides, con mutaciones adicionales durante el mismo período antiguo ajustando la nueva función del gen.
"Al combinar las técnicas más avanzadas de la biología del desarrollo y la genética evolutiva, pudimos analizar cómo los cambios moleculares en un gen antiguo cambiaron fundamentalmente uno de los procesos más importantes, y de otro modo conservados, en el desarrollo animal"..
Los primeros autores del estudio son Qinwen Liu, becario postdoctoral en la Universidad de Chicago, y Pinar Onal y Rhea Datta, ambos becarios posdoctorales en la Universidad de Nueva York en el momento del estudio Datta ahora es profesora asistente en el Hamilton College.Otros autores incluyen a Julia Rogers y Martha Bulyk de la Universidad de Harvard y Urs Schmidt-Ott de la Universidad de Chicago.
El estudio fue apoyado por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud R01GM051946, R01GM10439, R01GM121931, R01-HG005287, F32GM112351 y de la National Science Foundation IOS0744966, IOS1355057.
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Materiales proporcionado por Universidad de Nueva York . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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