¿Cómo se originaron las extremidades en el linaje evolutivo de los vertebrados?
Una reordenación cromosómica en el genoma podría ser la base genética del origen de las extremidades en los vertebrados, según una nueva investigación publicada en línea en el Nature Scientific Reports y que han dirigido los expertos Jordi Garcia-Fernández y Manuel Irimia, del Departamento de Genética y del Instituto de Biomedicina de la Universidad de Barcelona (IBUB), adscrito t al campus de excelencia internacional Barcelona Knowledge Campus (BKC).
Una reordenación cromosómica en el genoma podría ser la base genética del origen de las extremidades en los vertebrados, según una nueva investigación publicada en línea en el Nature Scientific Reports y que han dirigido los expertos Jordi Garcia-Fernández y Manuel Irimia, del Departamento de Genética y del Instituto de Biomedicina de la Universidad de Barcelona (IBUB), adscrito t al campus de excelencia internacional Barcelona Knowledge Campus (BKC).
El trabajo se centra en el estudio del gen Sonic Hedgehog (Shh), un morfógeno ubicado en el brazo corto del cromosoma 7. Como explica el catedrático Jordi Garcia-Fernández, responsable del Reg-Volution Lab de la UB, «el gen Shh es un factor clave en la embriogénesis y en el desarrollo de varias estructuras (sistema nervioso, extremidades, aparato gastrointestinal). En los vertebrados, los principales lugares de expresión de este gen son el cerebro y las extremidades. Si lo eliminas, no se desarrollan las extremidades. Las alteraciones de este gen también se asocian a varias patologías del sistema nervioso».
Reconstruir el linaje evolutivo entre invertebrados y vertebrados
El trabajo científico estudia los loci de los genes Hedgehog en tres especies de anfioxo: el Branchiostoma floridae (Estados Unidos), el Branchiostoma lanceolatum (Europa) y el Branchiostoma belcheri (Asia), que son un modelo animal de referencia en genómica y los representantes más antiguos del fílum de los cordados. Con técnicas bioinformáticas de análisis de secuencias genómicas y de transgénesis con peces cebra, el estudio compara la arquitectura genética ancestral del gen Hedgehog con la de los tres representantes de la familia Hedgehog en vertebrados: el gen Sonic Hedgehog (Shh), el Desert Hedgehog (Dhh), y el Indian Hedgehog (Ihh).
Uno de los resultados más sorprendentes es que la región reguladora (el estimulador o enhancer) que dirige la expresión del gen Shh a las extremidades de los vertebrados se encuentra dentro de otro gen —el Lmbr1—, a una distancia de mil kilobases. En el caso del desarrollo del sistema nervioso, la distancia entre el gen y la región reguladora es sensiblemente inferior (decenas de kilobases).
De la expresión en el cerebro al origen de las extremidades
¿Por qué el gen Shh también es funcional en el desarrollo de las extremidades? ¿Por qué motivo se encuentra tan lejos de la región reguladora? Para dar respuesta a estas incógnitas, los expertos han estudiado la ordenación de los genes (sintenia) en las especies comparadas. «Las regiones reguladoras que determinan la expresión del Shh en el cerebro están muy caracterizadas y se encuentran muy cerca de este gen», explica Garcia-Fernández. «Según nuestro estudio, hace unos 400 millones de años, una translocación cromosómica, que es un intercambio de fragmentos entre cromosomas, situó al gen Lmrb cerca del Shh, el cual adquirió una nueva funcionalidad en la filogenia de los vertebrados: originar las extremidades». El trabajo destaca, pues, que lo que se podría considerar un error genético —en este caso, una translocación— hizo que el Shh se expresara en un nuevo lugar y originara las extremidades en los vertebrados.
Cuando el genoma se duplicó completamente
El estudio aporta nuevos datos al debate científico sobre la hipótesis 2R, que explica el origen del genoma de los vertebrados a partir de dos duplicaciones genómicas ancestrales. Según esta hipótesis, la doble duplicación consecutiva de un genoma ancestral es el origen de las grandes familias génicas de vertebrados, un proceso por el cual los genes también podían adquirir nuevas funciones. Los autores del trabajo mantienen que los genes Shh y Dhh se originaron en la segunda duplicación, mientras que el Ihh, que no está influido por la región reguladora del gen Lmbr1, sería una copia todavía más ancestral en la escalera filogenética.
Las reordenaciones cromosómicas son cambios en la arquitectura del genoma que alteran la ubicación y la funcionalidad de los genes. Por eso, son procesos clave en la evolución dinámica de los genomas y, al fin y al cabo, en el proceso adaptativo de las especies a su entorno. «Las reordenaciones cromosómicas —apunta Garcia-Fernández— son fenómenos frecuentes en la evolución biológica. Sabemos, por ejemplo, que los genomas del ratón y del hombre son bastante parecidos y se diferencian por muchas reordenaciones cromosómicas. Estos errores genéticos son el motor de muchos cambios en el genoma, como se ha visto con la doble duplicación del genoma en el origen de los vertebrados, y ahora también en el caso de la expresión del gen Shh para originar las extremidades en los vertebrados».
El nuevo trabajo, que amplía la visión sobre los controles de los patrones de desarrollo corporal en los vertebrados, lo firman también los expertos Ignacio Maeso y Demian Burguera, del Departamento de Genética de la UB, y José Luis Gómez-Skarmeta y José L. Royo, del Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CSIC).