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Evolución

Un molde y muchas formas

La expresión de un mismo gen en tejidos distintos o momentos diferentes contribuye para la diversidad biológica de las especies

JOHN ZOOK/UNIVERSIDADE DE OHIO | EDUARDO CESARLa mano de una persona y el ala de un murciélago ejercen funciones tan distintas que parecen ser proyectos diferentes. Pero basta con mirarlos de cerca para ver sus semejanzas. Están formadas por el mismo número de huesos, de acuerdo con instrucciones de los mismos genes. Durante el desarrollo, basta con que un gen central en la formación de la mano esté más activo en la pata delantera del embrión del murciélago para crear un ala. El uso del desarrollo embrionario para entender de qué manera ciertas alteraciones mínimas en el mismo proyecto crean buena parte de la diversidad biológica del planeta es la tarea de un área de la biología apodada evo-devo, resultado de la fusión de otras dos – evolución y desarrollo – y tema central del 54o Congreso Brasileño de Genética, realizado en septiembre en la ciudad de Salvador, estado de Bahía.

Investigaciones presentadas en el congreso muestran que muchas veces pequeñas diferencias en el momento o en el sitio en que un gen es activado determina el origen de novedades evolutivas. “Si usted tiene el rostro distinto de quien está al lado, eso se debe a las células de la cresta neural – es mejor saber algo sobre ellas”, dijo la norteamericana Marianne Bronner-Fraser, del Instituto de Tecnología de California (Caltech).

Las células de la cresta neural surgen al comienzo de la formación del sistema nervioso de los vertebrados, animales con una columna vertebral, como los peces, los anfibios, los réptiles, las aves y los mamíferos. Esas células migran hacia la periferia del embrión, donde originan el sistema nervioso periférico, el color del rostro de algunos animales, parte de los huesos faciales y el pico de las aves. Son pequeñas variaciones en el marco de ese proceso las que hacen que los rostros humanos sean distintos unos de los otros. Marianne estudia los genes que coordinan la formación y la migración de esas células para responder a una pregunta básica: de qué manera un tipo de célula que no existía surgió junto con los vertebrados.

El primer desafío consistió en describir los genes que regulan el desarrollo embrionario de la lamprea, un pez alargado de consistencia gelatinosa que se alimenta de la sangre de otros peces. Poco atrayente, la lamprea representa la rama más antigua de los vertebrados, razón por la cual su comparación con otros animales brinda pistas de cómo surgió el grupo. El equipo de Marianne examinó alrededor de 50 genes activos en el embrión de la lamprea y, en un artículo de 2007 publicado en Developmental Cell, demostró que algunos de los genes más importantes para formar una lamprea adulta son similares a los que controlan el desarrollo embrionario de otros vertebrados. En muchos casos, la diferencia principal es que algunos los genes que entran en acción al comienzo del desarrollo de esos animales solamente se activan más adelante en las lampreas. Así, la investigadora demostró que la parte inicial del circuito de genes que regula el desarrollo existe hace más de 500 millones de años.

Para entender el origen de este circuito, Marianne comparó el desarrollo de las lampreas con el de los anfioxos – representantes vivos de los ancestros de los vertebrados que parecen crías de peces, pero no tienen columna vertebral ni cresta neural. Marianne escrutó el genoma del anfioxo y halló genes similares a los que regulan la formación de la cresta neural en los vertebrados, según un artículo publicado este año en Genome Research. “En el anfioxo existe al menos una copia de todos los genes que existen en varias copias en los vertebrados”, comenta, sugiriendo que ya existían en ancestrales de los vertebrados genes que fueron cooptados para una nueva función en esos animales: fabricar la cresta neural.

El argentino Pablo Wappner, de la Universidad de Buenos Aires, también investiga genes que cumplen funciones distintas en organismos diferentes. Él estudia la formación del sistema respiratorio en las drosófilas. A diferencia de los vertebrados, los insectos no tienen sistema vascular y respiran por tráqueas, tubos ramificados que llevan oxígeno a las diversas partes del cuerpo y se forman siguiendo instrucciones de los mismos genes que construyen el sistema vascular en los mamíferos. Wappner ha venido demostrando por qué las tráqueas de las drosófilas y los vasos sanguíneos de los mamíferos se vuelven más ramificados en situaciones de bajo oxígeno, con lo cual se incrementa la eficiencia del transporte del gas hacia los tejidos. En el marco de un artículo de Methods in Enzymology de 2007, Wappner describió la cascada de genes activada en la falta oxígeno que lleva a la ramificación de las tráqueas. Él apuesta a que sea posible aplicar al sistema vascular humano lo que se aprende sobre las drosófilas.

Quien avanzó en la comprensión de cómo se forma el corazón humano es el médico José Xavier Neto, del Instituto del Corazón (InCor) de la Universidad de São Paulo. Lo que existe de especial en el corazón de vertebrados es la arquitectura en cámaras: una recibe la sangre y la otra se contrae y lanza la sangre adelante. En otros animales, excepto los moluscos, los vasos sanguíneos empujan la sangre mediante constricciones de las paredes – un método que tiene el defecto de crear movimiento en ambos sentidos, como cuando se aprieta un pomo de crema dental al medio. Xavier viene demostrando que la formación de las cámaras depende de los niveles  de ácido retinoico en el embrión. “Si tratamos al embrión con altas dosis de ácido retinoico, el corazón se convierte en un gran hall; si inhibimos la producción del ácido, solamente el ventrículo se desarrolla”. Xavier demostró que durante el desarrollo del embrión, el ácido retinoico se esparce como una ola: comienza a producirse en la cola y poco a poco avanza en dirección a la cabeza. Como el corazón está alineado con el eje del cuerpo, al comienzo las enzimas que producen el compuesto solamente son elaboradas en las células del hall. Cuando la onda llega a los ventrículos, su desarrollo ya está definido y no es alterado.

El investigador del InCor comprobó que la onda de ácido retinoico también existe en anfibios, aves, mamíferos y peces, incluso lampreas. El anfioxo produce enzimas similares a las que hacen el ácido retinoico, pero el compuesto no se disemina como una ola. En congresos, Xavier ha venido discutiendo la síntesis de su trabajo. Él reunió los datos que ha obtenido hasta ahora y sugiere que la ola de ácido retinoico ya existía antes del surgimiento de los vertebrados y del corazón dividido en cámaras. El grupo estudia ahora los genes que comandan la producción del ácido retinoico. La comprensión de la manera en que el corazón se desarrolla puede orientar el diagnóstico y el tratamiento de defectos cardíacos congénitos.

MATHIAS GERBERDING/INSTITUTO MAX PLANCKOtra fuente de diversidad es la expresión de genes que dan origen a segmentos del cuerpo de insectos – los mismos genes que determinan las diferentes secciones en la columna vertebral de un ratón. Como todas las moscas, las drosófilas tienen un par de alas y un par de pequeños apéndices llamados halteres. El biólogo Nipam Patel, de la Universidad de la California con sede en Berkeley, informó que, al inactivar el gen ultrabitorax (ubx), surgen alas en lugar de halteres. Con cuatro alas, la mosca se vuelve parecida a las mariposas y las abejas, otra indicación de que pequeños cambios generan diversidad de formas. Pero el desarrollo de las alas aún no está plenamente develado: en las mariposas, Patel encontró gran actividad de ubx en las alas traseras, pero no en las delanteras, que son más grandes. La evolución parece tener recursos de mecanismos alternativos en la construcción de las alas de los insectos.
Patel también investiga la función del ubx en crustáceos, que tienen una diversidad poco común en términos de desarrollo y de arquitectura. La parte anterior de estos animales está compuesta por diversos segmentos – cada uno de los cuales puede tener patas, pinzas o apéndices especializados en alimentación llamados maxilípedos. El investigador de Berkeley constató que en los camarones del género Periclimenes, el gen ubx solamente entra en acción a partir del cuarto segmento, donde comienzan las patas. Patel desarrolló un método de activar el gen en los primeros segmentos y disminuir su expresión en los posteriores. Así, hizo nacer patas donde deberían estar los maxilípedos y viceversa.

Él también investiga otra cuestión de simetría: las diferencias entre los lados derecho e izquierdo de los organismos. En los seres humanos, el corazón y el estómago quedan más para el lado izquierdo, en tanto que el hígado va a la derecha. Cuando esa asimetría falla, los órganos quedan mal encajados, una condición generalmente fatal. El principal gen responsable de la asimetría es el Nodal, expresado en el lado izquierdo de los vertebrados. Patel demostró que ese mismo gen determina a torsión de la valva de los caracoles, en algunas especies hacia la derecha y en otras hacia la izquierda. Si el Nodal es inhibido al comienzo del desarrollo, la concha se forma estirada. Pero, ¿por qué el gen solamente se expresa en un lado del cuerpo? Patel aún no lo sabe.

Él no es el único que se interesa por las alas de las drosófilas. La genetista Blanche Bitner-Mathé, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), estudia la diversidad de formas y tamaños de las alas de esas moscas. Al contrario de los otros especialistas en evo-devo que estudiaron la embriología antes de llegar a los genes, Blanche partió de un abordaje de genética  evolutiva y ahora busca en el desarrollo la explicación para sus descubrimientos. Ella crió drosófilas de la especie Drosophila melanogaster a temperaturas diferentes (16,5˚ C y 22˚ C) y de cada generación seleccionaba las diez con alas más alargadas y las diez con alas más redondeadas. Esas moscas darían origen a la generación siguiente, siempre a la misma temperatura. El grupo carioca verificó que la respuesta a la selección varía según el ambiente. A 22˚ C, al final de 50 generaciones, el equipo obtuvo moscas con alas alargadas y otras con alas casi redondas, formato no observado a temperatura más fría ni en la naturaleza. “El genoma tiene potencial para crear formas que no necesariamente existen”, resume la investigadora, quien investiga el gen rotund, que tiene ese nombre por generar alas más redondas cuando es alterado.

El trabajo de Blanche va más allá de la evolución y el desarrollo. “Nuestros resultados refuerzan la importancia de estudiar la interfaz entre ecología, evolución y desarrollo”, comenta, definiendo la eco-evo-debo. En colaboración con el Laboratorio de Biología Molecular de Insectos de la Fundación Oswaldo Cruz, el grupo observó que las alas alargadas producen un sonido distinto que las redondas – y que las hembras prefieren machos de alas largas. El éxito entre las hembras puede ayudar a explicar por qué en la naturaleza las drosófilas siempre tienen alas largas.

Klaus Hartfelder, del campus de Ribeirão Preto de la Universidad de São Paulo (USP), también se concentra en una sola especie: procura explicar de qué manera dos larvas de abejas genéticamente iguales se diferencian en reina u obrera. Él observó que genes ligados al metabolismo de la insulina son más activos durante el desarrollo de obreras que en el de las reinas, de acuerdo con un artículo publicado este año en el Journal of Insect Physiology. Es lo que el investigador denomina paradoja de las abejas, porque en otros insectos, la insulina promueve el crecimiento. En las abejas parece ser lo contrario: las reinas son mucho mayores, pero tienen esos genes inactivados durante el desarrollo.

Hartfelder verificó también que los tenores de hormona juvenil son más altos al comienzo del desarrollo de las larvas de las reinas. Esa hormona protege a los ovarios de la muerte celular, al hacer que las reinas adultas tengan alrededor de doscientas estructuras que producen óvulos, mientras que las obreras solamente tienen entre 2 y 12 en cada ovario. El grupo de Hartfelder analiza ahora cuáles son los genes más activos en los ovarios de las reinas y las obreras, para desmenuzar mejor de qué maneras se forman ambas castas.

¿Cuál es la solución del enigma de las abejas? El rostro de Hartfelder se ilumina: “¡No lo sé!” Misterios como éste, que avivan la curiosidad de los investigadores, hacen de la eco-evo-devo una de las áreas más agitadas de la biología en el momento.

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