La evolución de las extremidades y los genes responsables del desarrollo de los brazos

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Durante la vida embrionaria, la aparición de las extremidades del cuerpo está orquestada por una familia de genes arquitecto, que a su vez están regulados por dos estructuras de ADN. Mientras que el primero preside la construcción del brazo, el otro se hace cargo del desarrollo de la mano. Genetistas de la Universidad de Ginebra (UNIGE) y el Instituto Federal de Tecnología Suizo en Lausana (EPFL), Suiza, han mostrado que esas mismas proteínas arquitecto, llamadas HOX13 y que actúan juntas, completan primero la formación del brazo y luego inician la de la mano, permitiendo así conectar los dos procesos. En cuanto a la región situada entre el brazo y la mano, ésta escapa a la atención de las dos estructuras de ADN reguladoras, proporcionando así una oportunidad para que se desarrollen los huesos de la muñeca. El estudio ha sido publicado en la revista Genes & Development.

Manera en que se expresan los genes Hox durante el desarrollo embrionario en animales. La imagen muestra la expresión de los genes en ratones y humanos, que sucede en los mismos segmentos del cuerpo para ambos. Imagen: OpenStax

El plan de construcción de los mamíferos tarda sólo unos pocos días en organizarse en el embrión. La aparición de las extremidades está coordinada por una familia de genes arquitecto llamada Hox, alineados en cromosomas de acuerdo con el orden de aparición de cada estructura: primero, los componentes del hombro, luego los del brazo y, por último, la mano. Denis Duboule, genetista de la UNIGE y EPFL, se ha demostrado que estos genes Hox están a su vez controlados por dos grandes regiones de ADN adyacentes: “la génesis del brazo es supervisada por una primera ‘torre de control’ situada en un extremo de la agrupación de genes Hox. La segunda torre de control, situada en el otro extremo, a continuación, dirige la formación de la mano”.

Lograr dos cosas a la vez

Pero, ¿cómo se forma la articulación entre las dos partes? Los investigadores, en colaboración con biólogos de la Universidad de Nagoya, Japón, descubrieron el papel específico que juegan un tipo de genes arquitecto llamados Hox13: “estos genes, implicados en el desarrollo de la mano, producen proteínas que inhiben el funcionamiento de la torre de control del brazo. Esto permite completar la primera fase de la construcción y comenzar la de la mano”, explica Nayuta Yakushiji-Kaminatsui, investigadora de la EPFL y coautora principal del artículo.

Al suprimir la actividad de los genes Hox13 en embriones es de ratón, los científicos demostraron que el brazo continuaba extendiéndose, sin que se formara la mano. Por lo tanto, las mismas proteínas arquitecto Hox13, actuando juntas, completan la formación del brazo e inician la de la mano. Este interruptor genético, que permite el establecimiento de un límite claro entre las dos grandes áreas de construcción de las extremidades, constituye un mecanismo para evitar que ambas líneas de producción se mezclen.

Durante el crecimiento de los brotes de las extremidades, la transición entre el brazo y la mano se lleva a cabo en una región intermedia que escapa a los dos controles reglamentarios. Esta zona generará pequeños huesos que formarán la muñeca.

¿Cuál es el origen de las extremidades?

Hace más de un siglo, los científicos descartaron una teoría propuesta que trataba sobre cómo las extremidades humanas evolucionaron a partir de branquias, dada la falta de pruebas en el registro fósil. Esa teoría, no obstante, se está revisando a la luz de nuevos resultados genéticos publicados recientemente en la revista Development.

Esqueletos de branquias. Imagen: J. Andrew Gillis, Universidad de Chicago

Los seres humanos heredaron muchas características de criaturas que vivieron hace cientos de millones de años, y seguimos llevando en nosotros esas huellas genéticas. Nuestras manos, por ejemplo, evolucionaron a partir de aletas de los peces prehistóricos, y los científicos son capaces de rastrear el origen de nuestra piel y nuestros dientes a los reptiles prehistóricos. Ahora los científicos de la Universidad de Cambridge han realizado experimentos en embriones de peces raya que apuntan a una posible relación evolutiva entre las branquias de los peces y nuestras extremidades.

Las rayas son “peces cartilaginosos”, junto con tiburones y mantarrayas, lo que implica que sus branquias están protegidas por extensiones de piel llamadas hendiduras branquiales. Estas aletas a su vez están sostenidas por arcos hechos de cartílago. Y una característica clave de los arcos son unos apéndices llamados rayos branquiales que se abren en abanico, similar a como lo hacen los dedos.

Allá por 1878, un anatomista alemán llamado Karl Gegenbaur especuló que las aletas pares (y, en última instancia, las extremidades) evolucionaron a través de una transformación gradual del arco branquial, de una manera similar a como lo hicieron las vértebras de la columna vertebral humana, cada una de las cuales es un poco diferente a la otra, pero sin embargo, parten de un mismo proyecto de construcción. La teoría tenía sentido, pero no encontraron nada en el registro fósil que apoyara su hipótesis, por lo que cayó en descrédito.

Un enfoque diferente de la teoría

Los investigadores de Cambridge trataron de responder a la pregunta desde un ángulo diferente. Mientras que Gegenbaur basó sus conclusiones sobre análisis anatómicos, ellos se centraron en cuáles podrían ser los mecanismos moleculares subyacentes para lograr tal evolución. “Gegenbaur especuló que los arcos branquiales por un lado, y las aletas y extremidades por el otro, estaban relacionados evolutivamente ya que parecían estar construidos de acuerdo a un plan de ejecución común”, dijo Andrew Gillis, autor principal del artículo. En cambio, “hemos identificado una característica molecular que podría ser una pieza clave de esa plantilla.”

Dicha pieza clave parece ser un gen graciosamente denominado “el erizo Sonic”, y se sabe que juega un papel importante tanto en la determinación de la forma y el número de dígitos como asegurándose de que todo sea creado en el lugar correcto. Al principio de la etapa de desarrollo de los embriones mamíferos, es el gen del erizo Sonic el que ayuda a determinar dónde aparecerán en la mano el dedo pulgar y el meñique, por ejemplo. A medida que el embrión crece, el erizo Sonic se asegura de que todo sigue creciendo hasta alcanzar el tamaño adecuado.

Detalle de la boca de una manta raya. Imagen: Adam Summers

Así es como funciona en el caso de los mamíferos, en cualquier caso. Pero, ¿cómo funciona el gen en embriones de raya? Para averiguarlo, Gillis y su equipo ajustaron el gen para inhibir su expresión en diversas etapas del desarrollo.

El resultado: Si se interrumpe la expresión de genes desde el principio, se formarán los mencionados rayos branquiales en forma de dedos en el lado equivocado del arco branquial del embrión de raya. Si se inhiben más adelante en el desarrollo, se formarán en el lugar correcto, pero en menor número.

En otras palabras, el mecanismo subyacente parece ser el mismo.

“Esos rayos [branquiales] realmente se comportan en su desarrollo como dígitos”, comentó el biólogo evolutivo Neil Shubin, de la Universidad de Chicago. “Básicamente, lo que [Gillis] está viendo es que algunos de los procesos genéticos que desarrollan la construcción y las características de las rayas son fundamentales para la formación de extremidades con dedos. Es una visión muy interesante”.

¿Quiere decir esto que Gegenbaur estaba en lo cierto? No es tan blanco o negro, según Gillis. Tal vez las aletas y los rayos branquiales evolucionaron de forma independiente, pero utilizan el mismo mecanismo subyacente. O quizás, las aletas y las branquias pueden no tener ninguna relación, y simplemente utilizan un par de genes comunes. Gillis tiene la esperanza de que su investigación ayude a distinguir entre estos dos escenarios, a medida que aprendemos más sobre los genes implicados en el desarrollo de las branquias del tiburón y la raya.

En cualquier caso, el descubrimiento de pruebas en el registro fósil es la única manera de saber con seguridad. Y como observó Shubin, “Un fósil con morfologías de transición entre las branquias y las extremidades sería bastante sorprendente de ver.”

A modo de bonus, te mostramos el desarrollo embrionario de una pequeña raya, desde el blastodermo (un grupo de células organizadas como un disco en la capa superior de la yema) hasta la eclosión.

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2017-06-23T12:33:52+00:00