Los genes Hox actúan como ‘GPS’ para partes del cuerpo en crecimiento

Ethan Bier es profesor de Biología Celular y del Desarrollo en la Universidad de California en San Diego. Esta historia apareció originalmente en La conversación.

¿Por qué los humanos se parecen a los humanos en lugar de a los chimpancés? Aunque nosotros compartir el 99 por ciento de nuestro ADN con los chimpancés, nuestros rostros y cuerpos se ven muy diferentes entre sí.

Si bien la forma y la apariencia del cuerpo humano han cambiado claramente durante el curso de la evolución, algunos de los genes que controlan las características definitorias de diferentes especies sorprendentemente no lo han hecho. Como un biólogo estudiando la evolución y el desarrollo

He dedicado muchos años a reflexionar sobre cómo los genes hacen que las personas y otros animales tengan el aspecto que tienen.

Nueva investigación de mi laboratorio sobre cómo funcionan estos genes ha arrojado algo de luz sobre cómo los genes que se han mantenido sin cambios durante cientos de miles de años aún pueden alterar la apariencia de diferentes especies a medida que evolucionan.

Cara o cruz

En biología, un plan corporal describe cómo se organiza el cuerpo de un animal de la cabeza a los pies o la cola. Todos los animales con simetría bilateral, lo que significa que sus lados izquierdo y derecho son imágenes en espejo, comparten planes corporales similares. Por ejemplo, la cabeza se forma en el extremo anterior, las extremidades se forman en la mitad del cuerpo y la cola se forma en el extremo posterior.

Tres simetrías en el plano corporal de los animales (asimétricas, radiales y bilaterales), que incluyen una esponja de mar, gelatina y una cabra.
Los animales de la misma especie suelen compartir la misma simetría. Los seres humanos y las cabras tienen simetría bilateral, lo que significa que se pueden dividir en mitades que son imágenes especulares entre sí. Diagrama: CNX OpenStax / Wikimedia Commons, CC BY

Genes hox Juega un papel importante en la elaboración de este plan corporal. Este grupo de genes es un subconjunto de genes involucrados en el desarrollo anatómico llamado genes homeobox. Actúan como un sistema GPS genético, determinando en qué se convertirá cada segmento del cuerpo durante el desarrollo. Se aseguran de que sus extremidades crezcan desde su torso en lugar de desde su cabeza al controlar otros genes que instruyen la formación de partes específicas del cuerpo.

Todos los animales tienen genes Hox y los expresan en regiones corporales similares. Además, estos genes no han cambiado a lo largo de la historia evolutiva. ¿Cómo pueden estos genes permanecer tan estables durante tan vastos períodos de tiempo evolutivo y, sin embargo, desempeñar un papel tan fundamental en el desarrollo animal?

Explosión del pasado

En 1990, el biólogo molecular William McGinnis y su equipo de investigación se preguntó si los genes Hox de una especie podrían funcionar de manera similar en otra especie. Después de todo, estos genes están activos en regiones corporales similares en animales, desde moscas de la fruta hasta humanos y ratones.

Esta fue una idea audaz. Como analogía, considere los automóviles: la mayoría de las piezas de automóviles generalmente no son intercambiables entre diferentes marcas. los primer automóvil

solo se inventó hace unos 100 años. Compare eso con las moscas y los mamíferos, cuyas último ancestro común vivió hace más de 500 millones de años. Era prácticamente impensable que pudiera funcionar el intercambio de genes de diferentes especies que divergieron entre sí durante un período de tiempo tan amplio.

No obstante, McGinnis y su equipo siguieron adelante con su experimento e insertaron genes Hox humanos o de ratón en moscas de la fruta. Luego, activaron los genes en las áreas correspondientes incorrectas del cuerpo, por ejemplo, colocando el gen Hox que le dice a una pierna humana dónde desarrollarse en la parte delantera de la cabeza de la mosca de la fruta. Una parte del cuerpo fuera de lugar indicaría que los genes Hox del ratón o del ser humano estaban funcionando como lo harían los propios genes de la mosca de la fruta.

Sorprendentemente, ambos ratón y humano Los genes Hox transformaron las antenas de la mosca de la fruta en patas. Esto significó que la información posicional proporcionada por los genes humanos y del ratón todavía se reconocía en la mosca, millones de años después.

¿Cómo funcionan realmente los genes Hox?

La siguiente gran pregunta, entonces, fue ¿cómo estos genes Hox determinan exactamente las identidades de las diferentes regiones del cuerpo?

Ha habido dos escuelas de pensamiento sobre cómo funcionan los genes Hox. El primero, llamado hipótesis instructiva, propone que estos genes que controlan la forma funcionan como genes reguladores “maestros” que suministran instrucciones al cuerpo sobre cómo desarrollar diferentes partes del cuerpo.

El segundo, propuesto por McGinnis, plantea la hipótesis de que los genes Hox, en cambio, proporcionan una código posicional que marca ubicaciones particulares en el cuerpo. Los genes pueden usar estos códigos para producir estructuras corporales específicas en esos lugares. A lo largo de la evolución, partes específicas del cuerpo quedan bajo el control de un gen Hox específico de una manera que maximizaría mejor la supervivencia del organismo. Esta es la razón por la que las moscas desarrollan antenas en lugar de patas en la cabeza, y los humanos tienen clavículas por debajo en lugar de por encima del cuello.

En un estudio reciente publicado en la revista Avances de la ciencia, un aprendiz de McGinnis y yo, Ankush Auradkar, pone estas hipótesis a prueba en moscas de la fruta.

Genes Drosophola o fruir tfly Hox y sus partes corporales correspondientes en regiones coloreadas
Cada gen Hox está vinculado a una parte específica del cuerpo. El gen de la proboscipedia, o pb, por ejemplo, dirige la formación de las piezas bucales de la mosca de la fruta. Diagrama: Antonio Quesada Díaz/Wikimedia Commons

Auradkar se centró en un gen Hox de la mosca de la fruta llamado proboscipedia (pb), que dirige la formación de las piezas bucales de la mosca. El usó Edición del genoma basada en CRISPR para reemplazar el pb gen de la variedad común de laboratorio de mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, o D. mel para abreviar, con su prima hawaiana, Drosophila mimica o D. mim. Si la hipótesis instructiva fuera correcta, D. mel formaría D. mimpiezas bucales en forma de parrilla. Por el contrario, si la hipótesis de McGinnis fuera correcta, D. melLas piezas bucales deben permanecer iguales.

Como predijo McGinnis, las moscas con el D. mim los genes no se desarrollaron D. mimcaracterísticas similares a una parrilla. Había una característica de D. mimSin embargo, eso sí se coló: Órganos sensoriales llamados palpos maxilares que generalmente sobresalen de la cara por D. mel en cambio, estaban alineados paralelos a la boca. Esto demostró que el pb El gen proporcionó tanto un marcador de dónde debería formarse la boca como instrucciones sobre cómo hacerlo. Aunque el resultado principal favoreció la teoría de McGinnis, ambas hipótesis eran en gran parte correctas.

Comparación lado a lado de las piezas bucales del _D.  mel_ y _D.  mim_ especies de moscas de la fruta.
D. mel y D. mim tienen partes bucales, de color bronceado aquí, que se ven muy diferentes entre sí. Fotos: Ankush Auradkar, CC BY-NC-ND

Auradkar también se preguntó cómo pb gen determinó la orientación de los palpos maxilares. Podría haberlo hecho cambiando la proteína que codifica, que sigue las instrucciones dadas por el gen. O podría haber cambiado la forma en que controla otros genes, actuando como un interruptor de luz que determina cuándo y dónde se activan los genes. A través de más pruebas, descubrió que este D. mim característica resultó de cambiar la fuerza con la pb El gen se activa en las regiones que forman los palpos, a diferencia de los cambios en la propia proteína. Este hallazgo destaca una vez más la notable conservación de la función de la proteína Hox durante la evolución: el hardware genético funcionó tan bien en una especie como en la otra.

Auradkar también descubrió que los genes Hox se involucran en un tira y afloja evolutivo entre sí. Un gen Hox puede volverse más dominante que otro y determinar qué características se formarán finalmente en una especie.

Estos experimentos demostraron que incluso los cambios sutiles en la forma en que los genes Hox interactúan entre sí pueden tener consecuencias significativas para la forma del cuerpo de un organismo.

Genes hox y salud humana

¿Qué significan estos estudios de moscas para las personas?

Primero, proporcionan una ventana a cómo cambian los planes corporales de diferentes especies a lo largo de la evolución. Comprender cómo los genes Hox pueden manipular el desarrollo animal para promover su supervivencia podría dilucidar por qué los animales tienen el aspecto que tienen. Mecanismos similares podrían explicar por qué los humanos ya no se parecen a los chimpancés.

En segundo lugar, estos conocimientos pueden conducir a una mejor comprensión de cómo defectos de nacimiento congénitos surgen en las personas. Los cambios o mutaciones que interrumpen el funcionamiento normal de los genes Hox podrían resultar en afecciones como labio leporino o cardiopatía congénita. Las nuevas terapias en el horizonte que utilizan la edición del genoma basada en CRISPR podrían usarse para tratar estas afecciones a menudo debilitantes, que incluyen distrofia muscular.

La conversación

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