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Todos los vertebrados tienen el mismo plan corporal básico: Cabeza, columna vertebral y cuatro apéndices. Esos apéndices varían mucho en tamaño, forma y función, por supuesto -desde aletas hasta alas, brazos y piernas-, pero un nuevo análisis genético muestra que los genes que controlan el desarrollo de los extremos de los apéndices comparten una profunda historia evolutiva.
En un estudio publicado esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences, investigadores de la Universidad de Chicago y del Centro Andaluz de Biología del Desarrollo, en España, utilizaron herramientas de edición genética para demostrar cómo un gen que controla el crecimiento de los huesos en el extremo terminal de las aletas de los peces desempeña el mismo papel en la formación de los dedos de las manos y de los pies en las criaturas de cuatro patas.
El mismo gen también controla este proceso tanto en las aletas pareadas, que son las progenitoras de las extremidades, como en la aleta dorsal única y no pareada, común a todos los peces que evolucionaron antes de las aletas pareadas. Esto sugiere que el último ancestro común entre los peces de aletas rayadas y lobuladas, hace casi 500 millones de años, ya tenía el conjunto de herramientas genéticas para dar forma a sus apéndices, que comparten hasta hoy los peces y los vertebrados de cuatro patas.
"Existe una profunda homología o similitud entre las aletas y las extremidades, algo antiguo en estructuras que realmente no se parecen", afirma el doctor Neil Shubin, profesor de Anatomía Robert R. Bensley de la UChicago y coautor del nuevo estudio.
"Estamos mostrando una función génica profundamente conservada y antigua que ha existido durante cientos de millones de años en estructuras muy diferentes. Por tanto, el conjunto de herramientas moleculares es antiguo y hace lo mismo en diferentes tipos de animales".
En 2018, publicaron un estudio que rastreaba la expresión del gen Sonic hedgehog (Shh), muy utilizado en diversas funciones biológicas básicas, pero especialmente importante en la formación de las extremidades. En ese estudio, identificaron una combinación de potenciadores genéticos que controlaban el desarrollo de las extremidades en los ratones, sin embargo que afectaban a las aletas dorsales y pares en los peces por separado.
En la nueva investigación, Shubin, Gómez-Skarmeta y Joaquín Letelier, también del Centro Andaluz, se centraron en otro gen que trabaja con Shh llamado gli3. Se sabe que este gen ya diseña los dígitos de una extremidad, ayudando a determinar la identidad de cada uno, desde el pulgar hasta el meñique. A los humanos que tienen una mutación en gli3 a menudo les crecen dígitos adicionales, lo que se llama polidactilia, y a los ratones a los que se les elimina gli3 en el laboratorio también les crecen dígitos adicionales. Los investigadores querían ver si gli3 funcionaba de la misma manera en los peces, por lo que utilizaron herramientas de edición genética CRISPR para eliminarlo en el medaka, un pequeño y popular pez de acuario también conocido como pez de arroz japonés.
Los peces que eliminaron gli3 también desarrollaron la versión para peces de la polidactilia, con múltiples huesos radiales en la base de la aleta y más rayos en la aleta. Curiosamente, esto ocurrió en las aletas pectorales y pélvicas emparejadas (el análogo de los peces a las extremidades) y también en la aleta dorsal única no emparejada, evolutivamente más antigua.
Las investigaciones realizadas en embriones de ratón y pollo demuestran que gli3 está implicado en el proceso de proliferación celular, lo que tiene sentido por su papel en la polidactilia; si la eliminación del gen hace que crezcan más células en el apéndice, también dará lugar a más dígitos. Otros análisis genéticos en los peces mostraron que gli3 también participaba en la proliferación celular de las aletas, lo que sugiere fuertes similitudes evolutivas entre especies. A medida que los animales terrestres posteriores desarrollaron extremidades más avanzadas, gli3 asumió un papel más especializado para controlar su forma y patrón.
"La especulación es que hay una función primitiva de gli3 presente en todos los apéndices de los vertebrados desde hace unos 500 millones de años, y que era promover la proliferación, o el número de células y, por tanto, el número de huesos en el extremo terminal", dijo Shubin. "Cuando surgieron las aletas emparejadas ya estaba ahí, así que gli3 fue cooptada y adquirió un nuevo papel, que es el del patrón anterior/posterior".
"Todos compartimos un determinado conjunto de herramientas genéticas, aunque la anatomía pueda parecer muy diferente en las etapas adultas. Estamos encontrando estas similitudes mecánicas ocultas, pero muy importantes", manifestó.
Fuentes, créditos y referencias:
Jose Luis Gómez-Skarmeta et al, The Shh/Gli3 gene regulatory network precedes the origin of paired fins and reveals the deep homology between distal fins and digits, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2100575118.
Imagen: La imagen de la izquierda muestra las espinas de las aletas de un pez medaka de tipo salvaje. La imagen de la derecha es un medaka con el gen gli3 eliminado. El pez eliminado tiene huesos radiales proximales adicionales (etiquetados como pr en cerceta) y rayos de aleta adicionales, signos de la versión de peces de la polidactilia. Crédito: Letelier et al., PNAS, 2021