Un embrión de patín en una etapa temprana de desarrollo.
David Gold, Lynn Kee y Meghan Morrissey, Curso de Embriología, Laboratorio de Biología Marina
Los patines obtuvieron sus aletas en forma de alas usando una mezcla genética que plegó diferentes secciones de sus genomas en contacto físico entre sí. Esto creó un nuevo patrón de actividad genética en las aletas de los embriones de mantarraya, lo que destaca cómo los cambios en la arquitectura genómica tridimensional pueden impulsar la evolución de nuevas estructuras corporales.
Los biólogos evolutivos están fascinados con las aletas de los peces porque representan una de las grandes innovaciones en los vertebrados: apéndices pares. Estos muestran una asombrosa variedad de formas, incluyendo nuestros brazos. En patines, el equivalente son sus aletas delanteras o pectorales, que se han extendido hacia adelante y se han fusionado con la cabeza.
«De una forma u otra, la aleta pectoral y la cabeza están completamente combinadas e integradas en términos de función y estructura», explica Tetsuya Nakamura, biólogo del desarrollo de la Universidad de Rutgers en Nueva Jersey. «Es un animal bastante notable».
Para estudiar la evolución de las aletas, el equipo de Nakamura, junto con otros cinco grupos, observaron la estructura 3D del genoma de la raya (Leucoraja erinacea).
Querían estudiar las rayas porque sus genomas, como los de los tiburones y las rayas, evolucionaron más lentamente y se parecen más a los de los vertebrados ancestrales que a los de otros animales comúnmente utilizados en la investigación, como el pez cebra. Esto facilita la detección de cambios importantes y brinda una perspectiva sobre la evolución del genoma que abarca una escala de tiempo más larga.
Los investigadores buscaban estructuras llamadas dominios de asociación topológica (TAD). Son grandes bucles autónomos de ADN y proteínas que ponen los genes en contacto con regiones no codificantes de ADN llamadas activadores que controlan dónde y cuándo se activan los genes.
Se sabe que los TAD desempeñan un papel en el desarrollo y la interrupción de su estructura. puede causar enfermedades congénitas en humanos. También se ha descubierto que los TAD modificados impulsan innovaciones evolutivas en otros mamíferos, como el gónadas de topo femenino. Una gran pregunta es si jugaron un papel más importante en la evolución de los vertebrados.
Los equipos dedujeron la estructura 3D de los patines de los TAD y luego los compararon con los de sus parientes más cercanos, los tiburones. Encontraron secciones de ADN que se habían roto y trasladado a TAD de patín que involucran genes de polaridad de células planas, que ayudan a que todas las células apunten en la misma dirección en el plano de un tejido. Estos genes explican por qué todos los pelos de la piel de los mamíferos apuntan en una determinada dirección.
El equipo mostró que uno de estos genes ahora estaba activo en el desarrollo de las aletas pectorales de las rayas, pero no en los tiburones. Nakamura cree que esto podría significar que todas las células de las aletas radiales pueden alargarse en la misma dirección, lo que influye en la forma del tejido.
Sin embargo, esta no será toda la historia de la evolución de las aletas de skate. Otros genes y activadores estarán involucrados, dice. “La evolución es realmente complicada. Más de lo que esperábamos.
El equipo descubrió que los TAD influían en qué secciones de ADN podían moverse o perderse y cuáles debían mantenerse intactas durante la evolución. «Creo que es una forma completamente diferente de ver cómo evolucionan los genomas», dice un miembro del equipo. DarIoLupiAez en el Centro Max Delbrück en Berlín, Alemania.
El trabajo muestra el poder de analizar y comparar estructuras genómicas 3D para revelar nuevos mecanismos detrás de las innovaciones evolutivas, dice matthew harris en la Escuela de Medicina de Harvard. El uso de este enfoque, en lugar de observar cómo se regulan los genes conocidos, puede generar grandes sorpresas, como esta. “Nadie habría comenzado el día pensando que la polaridad de las células planas estaba involucrada en la evolución de las aletas”, dice.
Los sujetos:
