EVOLUCIóN Y DESARROLLO Muchas de las imágenes e información tomadas de http://learn.genetics.utah.edu/content/basics/hoxgenes/ Paolo Ramoni Perazzi B-2016

Paolo Ramoni Perazzi B-2016 El pingüino emperador juvenil tiene toda la estructura genética para desarrollar las "aletas" y plumas especializadas de los adultos. Aunque la anatomía de un pingüino es inusual, los genes que la construyen no lo son. Paolo Ramoni Perazzi B-2016

Esta foto muestra las complejas estructuras que el proceso evolutivo agregó a sus ancestros más simples: ojos compuestos, patas con cerdas, dos tipos de alas. Los científicos están encontrando que todas estas estructuras tienen raíces profundas: los mismos genes que las crearon en las mantis están apareciendo – casi siempre cumpliendo otras funciones - en criaturas menos elaboradas

Las alas de los murciélagos son manos reestructuradas, con una delgada membrana de piel entre los huesos alargados de los dedos: el resultado de un “pellizco” a un sólo gen constructor de extremidades, en sus antepasados parecidos a topos, puso a un mamífero en el cielo

Huesos viejos cumplieron nuevas funciones, en la medida que los animales se adaptaron a nuevos ambientes. Hace unos 400 millones de años los genes Hox se activaron en momentos y lugares distintos del desarrollo de los embriones, transformando aletas delicadas en las primeras patas. Un antiguo y distante pariente de las especies de peces actuales, dio origen a una criatura que pudo caminar sobre la tierra. La transformación de la morfología continuó en animales terrestres posteriores.

Los frágiles organismos que hicieron la transición hacia la pluricelularidad no dejaron fósiles. Los estudios se centran en los coanoflagelados: quizás los parientes unicelulares más cercanos a los animales. Aunque constituidos por una única célula, tienen genes que codifican para proteínas esenciales para la vida pluricelular. Sugiere que los ancestros unicelulares de todos los animales estaban genéticamente equipados para la “animalidad” aunque esos genes eran para otras funciones.

El Reino Animalia surgió cuando estos seres unicelulares, simples sacos propulsores de agua mediante filamentos ondulantes, dieron origen a animales de muchas células como las esponjas y otros invertebrados marinos

En muchos animales, como este mono, los genes Hox se activan temprano en el desarrollo embrionario. Como las gradillas de los geógrafos, los genes dividen al embrión en compartimientos donde estructuras especializadas – costillas, vertebras, patas, ojos, cabeza- toman forma luego. El mono tiene un plan corporal vertebrado típico, con la adición de una cola larga.

Animales tan diferentes como el mono o la tortuga laúd, comienzan su existencia siendo más semejantes de lo que pudiésemos pensar. La tortuga evidencia novedades en sus adaptaciones: patas modificadas para el nado y caparazón. Sin embargo, los animales comparten la misma arquitectura básica, están construidos siguiendo un mismo plan, son variaciones de un tema.

Los milípedos tienen una larga cadena de segmentos del tronco, todos ellos dotados de patas caminadoras casi idénticas. Los artrópodos (ca. el 80% de todos los animales vivos) han sido dotados de patas durante cientos de millones de años.

El mismo antiguo grupo de genes Hox determina el desarrollo de los segmentos corporales en todos los artrópodos. Sin embargo, el conjunto de patas de un límulo son como una navaja suiza, útiles para caminar, nadar, sujetar, despedazar y defenderse. Qué tipo de patas adquiere cada segmento depende de cuál gen Hox lo gobierna y de cómo la evolución ha reformado las patas simples originales para ajustarse a las nuevas necesidades.

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Vemos pues, que cada organismo tiene un patrón corporal único cuyas estructuras especializadas, tales como patas, están construidas con los mismos materiales pero variando su estructura y aspecto. Durante el desarrollo embrionario, las patas pueden desarrollarse de manera diferente debido a la acción de los genes homeóticos, los cuales especifican cómo se desarrollarán las estructuras en los diferentes segmentos del cuerpo

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Se ha propuesto que los embriones animales pasan por tres fases de desarrollo: Temprana, con variaciones de un grupo a otro Intermedia, similar entre grupos o “estadío filotípico“ Tardía, en la cual las formas específicas al grupo se establecen Ver algunas consideraciones en el siguiente enlace: http://pandasthumb.org/archives/2010/12/its-just-a-stag.html

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Individuo con mutación homeótica que produce Individuo normal antenapedia Los genes homeóticos fueron descubiertos al estudiar transformaciones extrañas u “transformaciones homeóticas“, en Drosophila Causadas por defectos en genes individuales, denominados Hox Individuo normal Individuo con mutación homeótica que produce dos tórax

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Las larvas de Drosophila tienen un cuerpo segmentado Temprano en su desarrollo, se activan los genes Hox en diferentes segmentos, dándole su correspondiente identidad Indicando su ubicación en el cuerpo y cuáles estructuras deben desarrollar: piezas bucales y antenas los genes que son activos en la cabeza, y patas y alas los del tórax.

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Individuo con mutación homeótica que produce Individuo normal antenapedia Cambios en la expresión de un gen Hox cambian la identidad del segmento Por ejemplo, el primer segmento del tórax desarrolla patas, el segundo patas y alas, y el tercero patas y halterios Cuando la actividad del tercer segmento es igual a la del segundo, ambos desarrollan patas y alas Individuo normal Individuo con mutación homeótica que produce dos tórax

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Al estudiar las secuencias de ADN de los genes homeóticos de Drosophila, los investigadores encontraron que estos tienen segmentos de longitud similar (180 pares de bases) a los que llamaron homeobox Simples porciones de cada gen Si las siguientes palabras fuesen genes homeóticos, las letras mayúsculas serían los homeobox: BRAsero – culeBRA – aBRAzar - oBRAdor

EVOLUCIóN Y DESARROLLO La similaridad de secuencia de ADN permite encontrar genes homeobox en otras especies, incluyendo otros insectos, lombrices y hasta mamíferos El conjunto de estos genes conforman una familia de genes Hox (Hox es la abreviatura de homeobox) Genes en organismos diferentes que comparten una secuencia y función similares se consideran homólogos

EVOLUCIóN Y DESARROLLO De manera interesante, los genes Hox están dispuestos de manera agrupada Típicamente, su orden en el cromosoma es el mismo orden en el cual se expresan a lo largo del cuerpo En otras palabras, los genes de la izquierda controlan la estructura de la cabeza y los de la derecha la cola.

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Prácticamente todos los animales estudiados tienen secuencias homeobox en su ADN  sugiere aparición temprana en la historia evolutiva de los animales Secuencias genéticas mantenidas a lo largo del tiempo evolutivo son importantes para (1) el desarrollo básico, (2) estudiar relaciones evolutivas entre organismos lejanamente emparentados

EVOLUCIóN Y DESARROLLO La presencia de secuencias homeóticas en animales tan distintos como medusas, insectos y mamíferos sugiere que estos genes tienen una función crucial en muchos, si no todos, los animales

EVOLUCIóN Y DESARROLLO La presencia de secuencias homeóticas en animales tan distintos como medusas, insectos y mamíferos sugiere que estos genes tienen una función crucial en muchos, si no todos, los animales Los genes Hox han revelado muchas pistas acerca de las relaciones evolutivas de los animales

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Las similitudes entre genes Hox, especialmente en la secuencia homeobox compartida, sugiere que todos ellos surgieron de un único gen ancestral el cual fue duplicado diversas veces Después de cada duplicación los genes cambiaron gradualmente, cumpliendo funciones ligeramente diferentes: "duplicación y divergencia"

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Las primeras duplicaciones ocurrieron hace mucho: un animal que vivió cerca de mil millones de años, el ancestro de todos los animales, tenia al menos cuatro genes Hox Hace 600 millones de años, en el ancestro de todos los animales bilaterales, el número aumentó al menos a siete. Todos sus descendientes tienen homólogos de estos genes

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Duplicaciones adicionales ocurrieron en algunas ramas. En vertebrados, todo el conjunto de genes Hox fue duplicado: tres veces en los mamíferos y hasta ocho veces en algunos peces Los genes duplicados pudieron ejercer nuevas funciones, usualmente produciendo estructuras corporales más complejas.

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Los genes Hox no sólo comparten genes, sino que también comparten funciones Genes Hox de ratón pueden sustituir a sus homólogos en moscas Cuando son activados en otros segmentos los genes de ratón pueden causar transformaciones homeóticas en moscas

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Los genes Hox codifican para proteínas que se pegan a interruptores moleculares del ADN, encendiendo y apagando otros genes Estas proteínas son similares pero no iguales entre diferentes Hox y se unen a porciones diferentes del genoma Proteínas Hox diferentes regulan conjuntos de genes diferentes Su acción conjunta puede regular aun más genes

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Como reguladores de otros genes, las proteínas Hox son muy potentes Una única proteína Hox puede regular la actividad de muchos genes Conjuntos de genes interactúan para llevar a cabo "programas" durante el desarrollo embrionario Actúan parecido a los programas de computadora

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Una gran porción de la diversidad animal se construye sobre dos ideas sencillas: Cuerpos integrados por unidades repetidas (segmentos) Programas genéticos para el desarrollo de estructuras

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Sólo entre los artrópodos variaciones de estos temas han generado la enorme diversidad de formas corporales Cada color corre un programa genético diferente Una vez que el programa existe, puede ser usado en otra parte ¿Cómo se podría crear un organismo con más patas?

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Y los mismos programas genéticos pueden ser modificados (mediante cambios en los genes de “patas” o de “antenas”) para crear estructuras un poco diferentes Por lo tanto, el “programa” “ala” no surgió de la nada: es simplemente un “programa” “pata” modificado

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Un cambio genético que se traduzca en un cambio de la forma corporal, puede significar mayor adaptación Será favorecido y heredado a las generaciones siguientes de descendientes influenciando la evolución

EVOLUCIóN Y DESARROLLO En vertebrados, el conjunto de genes Hox ha sido duplicado múltiples veces Los ratones y otros mamíferos tienen cuatro conjuntos, similares pero diferentes Genes similares en conjuntos diferentes se llaman parálogos

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Muchos parálogos tienen funciones que se solapan Así que investigar cómo funcionan los genes Hox en vertebrados es difícil, pues lo efectos de cambiar un único gen son ocultados por los genes funcionales en el mismo grupo de parálogos Pero cambiar todos los genes puede tener un efecto dramático

EVOLUCIóN Y DESARROLLO La imagen muestra patas anteriores de ratones Desactivar uno de los parálogos tiene efectos sutiles Desactivar ambos, tiene efectos dramáticos Este comportamiento es similar al observado en moscas de la fruta

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Aunque los vertebrados no suelen tener el cuerpo tan obviamente segmentado como los artrópodos, hay regiones que sí lo están Las vértebras, por ejemplo, que crecen de somitos Genes Hox (usualmente en combinación) ayudan a definir la identidad de los somitos, dirigiendo su desarrollo según su ubicación en el cuerpo

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Como en los genes Hox de los artrópodos, los cuales dirigen a los segmentos a desarrollar patas, alas o antenas En vertebrados los genes Hox dirigen segmentos a desarrollar (o no) costillas, o a que los huesos se fusionen para formar el sacro

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Experimentos en ratones demuestran como los genes Hox afectan la identidad de la vertebra: Hox10 apaga el “programa” “costilla” en los embriones Normalmente activo en la región lumbar e inactivo en la torácica

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Cuando los parálogos Hox10 son desactivados experimentalmente, las vertebras lumbares desarrollan costillas Algo semejante pudo haber ocurrido en la naturaleza En las serpientes, los genes Hox10 perdieron su capacidad de bloquear el crecimiento de costillas, lo cual puede ser la razón por la cual tienen costillas desde la cabeza a la cola

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Los genes Hox desempeñan muchas otras funciones en el desarrollo vertebral Ayudan a especificar la diferencia entre brazo y pierna, o entre el índice y el pulgar Dirigen el desarrollo de las diferentes regions del cerebro

EVOLUCIóN Y DESARROLLO Los genes Hox son un ejemplo facinante de cómo un único gen que hacía algo bien, fue copiado y redireccionado mediante la evolución a hacer aún más