Una nueva investigación dirigida por la Universidad de Colorado en Boulder encuentra que los rasgos que diferencian a los vertebrados de los invertebrados fueron posibles gracias a la aparición de un nuevo conjunto de genes hace 500 millones de años, que documenta un episodio importante en la evolución en el que nuevos genes desempeñaron un papel importanteen la evolución de rasgos novedosos en vertebrados.
Los hallazgos, publicados hoy en Naturaleza , demuestre que una familia de genes que solo se encuentra en los vertebrados es fundamental para formar el esqueleto de la cabeza y otros rasgos exclusivos de ellos durante el desarrollo embrionario.
"Todos los animales tienen esencialmente el mismo conjunto básico de piezas de Lego para hacerlos. Lo que muestra este artículo es que los vertebrados tienen algunas piezas especiales además de eso, e identificamos esas piezas especiales", dijo Daniel Medeiros, autor principaldel artículo y profesor asociado de ecología y biología evolutiva.
Estas piezas especiales en los vertebrados se conocen como la vía de señalización de la endotelina, un conjunto de genes que influyen en la forma en que las células se comunican entre sí. Los investigadores encontraron que esta familia de genes es responsable de permitir que las células de la cresta neural, es decir, células que se desarrollan en rasgos únicos de vertebradoscomo partes del esqueleto, células pigmentarias y nuestro sistema nervioso periférico, para proliferar y especializarse en diferentes roles en todo el cuerpo.
Las teorías evolutivas han dado peso al papel de la duplicación del genoma en la evolución de nuevos rasgos, y por una buena razón. Cuando un genoma se duplica, nuevas copias de genes existentes pueden asumir nuevos roles en un organismo. Pero dado que las ideas anteriores se basabanprincipalmente por observación, Medeiros quería probar si la duplicación de genes podría haber permitido que los vertebrados se volvieran tan especiales, o si la aparición de genes nuevos podría haber jugado un papel.
Medeiros y sus colegas probaron la hipótesis de que nuevas familias de genes también podrían dar lugar a nuevos rasgos modificando genéticamente las larvas de lamprea de mar, un tipo de pez sin mandíbula, mediante la identificación y eliminación de esta familia de genes específica. Si su predicción fuera correcta,eliminarlo revertiría una lamprea marina durante su desarrollo larvario en un gusano más parecido a un invertebrado, un ancestro evolutivo cercano.
"Y descubrimos que al eliminar esta nueva familia de genes, casi se pueden borrar la mayoría de los rasgos clave de los vertebrados que los hacen especiales", dijo Medeiros.
Si bien la duplicación de genes sigue siendo una parte importante del proceso evolutivo, dado que esta nueva familia de genes también se duplica en los vertebrados, encontraron que la duplicación no era tan crítica para dar lugar a los tipos especiales de células de la cresta neural que los vertebrados evolucionaron comofue el surgimiento de esta nueva familia de genes.
Este hallazgo es significativo en parte porque es raro encontrar roles claros para genes que son exclusivos de los vertebrados, dijo el autor principal Tyler Square, quien recientemente completó su doctorado en el laboratorio de Medeiros y ahora se encuentra en la Universidad de California Berkeley.
"Pensamos que la duplicación de genes era lo más importante. Pero aquí, encontramos que ambas cosas [genes nuevos y duplicaciones] sucedían a la vez", dijo Square.
Ingeniería inversa del primer pez
Los peces fueron los primeros vertebrados, a partir de los cuales evolucionaron todos los demás, incluidos los humanos. Pero hay una brecha en el registro fósil justo cuando los primeros peces evolucionaron, porque tenían esqueletos pequeños y blandos que no se conservaron en el registro fósil..
Entonces, ¿cómo pueden los científicos averiguar de dónde vino el primer pez y, por lo tanto, cómo se formaron todos los vertebrados?
"En lugar de mirar fósiles, usamos herramientas como la biología molecular y la genética para tratar de comprender cómo ha ocurrido la evolución, algo así como la paleontología genética", dijo Medeiros. "En los términos genéticos moleculares más profundos, estamos tratando de revertirdiseñar cómo evoluciona una criatura. Es lo más cerca que puedes estar de Jurassic Park ".
Sin embargo, la criatura que eligieron para aplicar ingeniería inversa puede parecer un poco monstruosa.
"Si bien la mayoría de la gente piensa en un gran y feo huracán de dientes que se pegan a los peces y los mastican, las lampreas de mar son sorprendentemente lindas cuando son larvas pequeñas", dijo Square.
La lamprea de mar, un pez sin mandíbulas, se separó en evolución de otros peces hace 500 millones de años. Debido a que se aferran a varias características de vertebrados más antiguos, esto les brinda a los investigadores la mejor instantánea de la etapa inicial de la evolución de los vertebrados con un organismo vivo en la actualidad.
"Una lamprea y un humano son extremadamente diferentes. Pero al hacer este tipo de estudios, podemos saber qué los hace iguales", dijo Square. "Esto es algo que es realmente fundamental, no solo para los mamíferos y los humanos, sino paracada vertebrado que existe ".
Square y sus colegas usaron la herramienta de edición de genes CRISPR durante sus primeros días para descubrir cuán importante es esta nueva familia de genes para hacer vertebrados, bueno, vertebrados.
"Era el salvaje oeste de los días de CRISPR", dijo Square. "Pero no podríamos haber hecho esto si no fuera por CRISPR".
Esta tecnología no solo permitió a los investigadores probar hipótesis funcionalmente, eliminando genes, sino que también fueron el primer equipo en usar CRISPR en lampreas marinas. Anteriormente, esta tecnología solo se había utilizado en algunos vertebrados como ratones, ranas ypez cebra.
"Y esa es una visión muy estrecha de la vida en el planeta", dijo Medeiros. "Lo que CRISPR ha hecho es democratizar los estudios genéticos en diversos organismos. Es superpoderoso para responder preguntas evolutivas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder . Original escrito por Kelsey Simpkins. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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