Una de las grandes transformaciones requeridas para que los descendientes de los peces se convirtieran en criaturas que pudieran caminar por tierra fue la sustitución de las aletas, elegantes y largas, por los dedos de manos y pies. Para arrojar luz sobre este paso evolutivo, los científicos de la Universidad de Chicago mostraron en la revista Nature que las mismas células que conforman las aletas de los peces desempeñan un papel central en la formación de los dedos de manos y pies en criaturas de cuatro extremidades.
Después de tres años de laboriosos experimentos utilizando novedosas técnicas de edición genética y mapas de destino celular para etiquetar y rastrear células en desarrollo en los peces, los investigadores describieron cómo los pequeños huesos flexibles que se encuentran en los extremos de las aletas están relacionadas con los dedos de manos y pies, que son más adecuados para la vida en tierra. Como ya mostramos aquí, la evolución sigue el camino de menor resistencia, así que estos cambios anatómicos simplemente resultaron ser los que requerían una menor complejidad para ejercer la función deseada: caminar.
«Cuando vi por primera vez estos resultados podrías haberme abatido con una pluma», dijo el autor principal del estudio, Neil Shubin, PhD y Profesor Distinguido Robert R. Bensley en Servicio de Biología de Organismos y Anatomía de la Universidad de Chicago. Shubin es una autoridad en lo referido a la transición de aletas a extremidades.
«Durante años,» dijo, «los científicos han pensado que las aletas eran completamente ajenas a los dedos de manos y pies, completamente diferentes ya que un tipo de hueso se forma inicialmente a partir de cartílago y el otro se forma a partir de tejido conectivo sencillo. Nuestros resultados cambian esa idea por completo. Ahora tenemos un montón de cosas que repensar».
Para desentrañar cómo las aletas pudieron haberse transformado en muñecas y dedos, los investigadores trabajaron sobre todo con un tipo de pez estándar: el pez cebra.
Tetsuya Nakamura, PhD e investigador postdoctoral en el laboratorio de Shubin, utilizó una técnica de edición genética conocida como CRISPR/Cas en el pez cebra para eliminar importantes genes relacionados con el desarrollo de las extremidades, y criaron posteriormente los peces cebra de manera selectiva, con múltiples eliminaciones concretas. Pasó más de dos años criando y cruzando mutantes de peces, en un proyecto que comenzó en los Laboratorios de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts, Estados Unidos.
Al mismo tiempo, Andrew Gehrke, PhD y estudiante graduado en el laboratorio de Shubin, refinó las técnicas de etiquetado celular para realizar un seguimiento de cuándo y a dónde migran las células embrionarias específicas a lo largo del crecimiento y desarrollo de los animales.
«Fue uno de esos momentos de eureka», dijo Gehrke. «Hemos hallado que las células que marcan las muñecas y los dedos de los ratones y las personas se encontraban exclusivamente en las aletas de los peces». En ¡QFC! ya hemos explicado en otras ocasiones el origen común de ciertos rasgos distintivos en las especies. No hace mucho publicábamos nuestra historia en la que explicábamos que el pelo, las escamas, y las plumas tienen el mismo origen. Puedes leerlo aquí.
El equipo se centró en los genes Hox, que controlan el plano corporal de un embrión en desarrollo a lo largo del eje de cabeza a cola, o de hombro a la punta del dedo. Muchos de estos genes son cruciales para el desarrollo de las extremidades. Una muestra de ello es esta historia que publicamos no hace mucho, que mostraba cómo los genes Hox eran los encargados del desarrollo tanto de las branquias como de las, posteriormente, extremidades.
Los investigadores estudiaron el desarrollo de las células, comenzando, en algunos de los experimentos, poco después de la fertilización, y los siguieron a medida que pasaban a formar parte de una aleta adulta. Estudios previos han demostrado que cuando se suprimen los genes Hox, y específicamente los relacionados con las muñecas y los dedos de los ratones (HoxD y HOXA), éstos no desarrollan dichas estructuras. Cuando Nakamura eliminó esos mismos genes en el pez cebra, estas largas aletas se redujeron en gran medida.
«Lo que importa no es lo que ocurre cuando eliminas a un solo gen, sino cuando lo haces de manera combinada», explicó Nakamura. «Ahí es donde sucede la magia».
Los investigadores también utilizaron un escáner TC (tomografía computarizada) de alta energía para ver las diminutas estructuras dentro de la aleta de un pez cebra adulto. Estos pueden ser invisible, incluso a la mayoría de los microscopios tradicionales. Los escáneres revelaron que los peces que carecían de ciertos genes perdían las aletas, pero en cambio aumentaban en número los pequeños huesos hechos de cartílago de aleta.
Los autores sospechan que las mutaciones que realizó Nakamura causaron que se detuviera la migración de células desde la base de la aleta hasta su posición natural cerca de la punta. Esta incapacidad para migrar implicó un menor número de células para construir las aletas, dejando más células en la base de las aletas para producir elementos de cartilaginosos.
«Realmente requerimos de la combinación de etiquetado y de rondas de eliminación para convencernos de que esta relación celular entre las aletas y extremidades era real», dijo Gehrke.
Futuras investigaciones incluyen nuevas expediciones para encontrar más fósiles intermedios en la transición de aletas a extremidades, como el famoso Tiktaalik, un vínculo entre los peces primitivos y los primeros animales de cuatro patas, descubierto por Shubin y compañeros en 2006. También están planeando experimentos con genes Hox para comprender cómo una población común de células puede formar estructuras tan diferentes en los peces y las personas.
