Una nota al pie a la evolución de dígitos

Hace mil quinientos millones de años, el primer animal terrestre de cuatro patas se arrastró fuera del mar a tierra firme. ¿Cómo reaccionaron los miembros esa criatura se arrastró sobre evolucionan a partir de las aletas de sus antepasados ​​a pescado? Esta pregunta ha intrigado a los biólogos de largo.
Figura 1. Expresión de genes Hox en los huesos de las extremidades de tetrápodos. Los huesos de una extremidad tetrápodo, que se muestra aquí en un brazo humano (izquierda), se producen después de dos oleadas de la activación de genes Hox durante el desarrollo temprano de la extremidad (rojo y azul, medio a la izquierda). En una etapa de desarrollo comparable, aletas de peces muestran sólo un dominio de la expresión de genes Hox (centro derecha), que posteriormente genera patrones óseas complejas. Es este dominio peces homóloga a la proximal o a la expresión de dominio distal en los tetrápodos? ¿Pueden los mecanismos reguladores subyacentes ayudar a establecer este tipo de relaciones evolutivas? Un estudio realizado recientemente en PLoS Biology se ocupa de estas cuestiones.
doi: 10.1371/journal.pbio.1001774.g001
Los registros fósiles indican que las piernas de tetrápodos evolucionaron paso a paso desde las aletas, y los estudios de expresión génica comparativos han proporcionado algunas ideas sobre cómo la mutación y la selección natural derivado huesos de las extremidades largas a partir de precursores de aleta. Pero el camino evolutivo que se extiende entre los elementos estructurales (radiales) de aletas de peces y los dedos de los pies y los dedos de los dígitos de tetrápodos se ha mantenido oculta. Son cifras tetrápodos homóloga a radiales pescado?¿Existía la capacidad genética para la diferenciación de dígitos en los antepasados ​​de pescado, o es exclusiva de los tetrápodos? En su reciente artículo de PLoS Biology, Denis Duboule, Joost M. Woltering, y sus colegas arrojan nueva luz sobre estas preguntas de un análisis comparativo de los mecanismos reguladores que controlan cuando y donde algunos miembros de la familia de genes Hox se activan y desactivan en el pez cebra aletas y extremidades del ratón.
Dos grupos de genes Hox, HoxA y HoxD, se sabe que la función de modelar la extremidad de vertebrados en desarrollo. En los animales de tierra, pero no en el pescado, HoxD tiene lo que se conoce como un "patrón de expresión bimodal," lo que significa que un subconjunto de los genes Hoxd dirige el desarrollo de los huesos largos en el lado proximal (cuerpo) de la muñeca o el tobillo, mientras otro subconjunto dirige el desarrollo de los huesos largos en el lado distal (es decir, los dígitos). Este patrón de expresión bimodal es debido a la interacción preferencial de los 3 'y 5' de genes en estos grupos Hox con regiones de ADN que flanquea sobre su propio lado de la agrupación. Estas regiones de acompañamiento contienen ADN no génica en la que se encuentran los llamados loci potenciadores de ADN que controlan la transcripción de genes. En el lado 3 'de los grupos HOXA y Hox D se sientan los potenciadores proximales, que regulan la expresión de genes proximales en el clúster en la parte proximal de la extremidad, y en el lado 5' son los potenciadores distales, que regulan la expresión de genes distales del clúster, lo que el patrón de segregación de 3 'y 5' de genes. Duboule y sus colegas decidieron averiguar si las acciones HOXA grupo esta característica de reglamentación conHoxD, razonando que si lo hace, que la bimodalidad se levantó antes de que los grupos Hox duplicado, indicando también que la capacidad de regulación para formar dígitos existía antes de los animales de tierra ' emergencia evolutiva del mar. Tal hallazgo daría fuerza al argumento de la homología entre los dígitos y radiales de aleta.
Al observar los patrones de expresión de los genes Hoxa en embriones de ratón y comparándolos con los patrones de expresión de los genes Hoxd, los investigadores determinaron que el grupo de genes HoxA en efecto, exponer biomodality, con un módulo de regulación dirigiendo el desarrollo de los dígitos y otro orquestar el desarrollo del segmento proximal de la extremidad. Aunque se observaron algunas diferencias en los detalles de la expresión de genes bimodal HOXA y HoxD, los investigadores llegaron a la conclusión de que este patrón es común a ambos estos grupos Hox y por lo tanto es anterior a la evolución de los tetrápodos de sus antepasados ​​de pescado.
Si ambos grupos HOXA y HoxD comparten la bimodalidad que se asocia con la regulación diferencial de los extremos proximal y distal del desarrollo de las extremidades de tetrápodos, es lo mismo ocurre con los grupos Hox que el desarrollo de la aleta directa en el pescado? Al observar los perfiles de interacción de los genes Hox en embriones de pez cebra, los investigadores descubrieron un patrón de distribución similar a la observada en el ratón, en el que los genes Hox situados en el borde de los grupos tienden a interactuar más con sus regiones de ADN que flanquean más cercanos, mientras que los en el centro de la agrupación interactuado con las regiones flanqueantes en ambos lados, lo que confirma la existencia de este patrón bimodal. Sus hallazgos apoyan la idea de que la estructura de la cromatina que subyace a este mecanismo de regulación existía antes de la evolución de las extremidades de tetrápodos y que los dígitos, por lo tanto, pueden ser homólogas a las estructuras de aleta distal en el pescado.
El equipo entonces insertado (en experimentos separados) pez cebra racimos HOXA y HoxD,junto con su flanqueo 5 regiones, en ratones. Sorprendentemente, en los embriones de ratón transgénicas resultantes, pez cebra expresión de genes Hox era específico a los extremos proximal y distal no tejidos de las extremidades en desarrollo (dígitos-asociado). Sobre la base de estos resultados, los autores concluyen que el panorama de la regulación bimodal que controla HoxA y expresión HoxD era de hecho en su lugar antes de que los peces y los tetrápodos se separaron, y que la evolución posterior de nuevos potenciadores le permitió ser reutilizados para lograr el desarrollo de dígitos tetrápodos.
Volviendo a la pregunta original: ¿hace esto que los radiales de aleta y dígitos homóloga? Eso, los autores decidieron, depende de las definiciones. Sus resultados demuestran claramente que los peces tienen tanto los genes como la arquitectura regulatoria necesaria para formar dígitos. Sin embargo, también muestran que el desarrollo de dígitos depende de alteraciones genéticas adicionales que se producen en el contexto de que preexistente panorama de la regulación. Duboule y sus colegas sugieren que a pesar de los radiales de pescado no son homólogos a los dígitos en el sentido clásico, los biólogos deben considerar pensar en términos de circuitería de regulación en lugar de los patrones de expresión al considerar si los rasgos han surgido a partir de una característica ancestral común.

Woltering JM, Noordermeer D, Leleu M, Duboule D (2014) Conservación y Divergencia de Estrategias Regulatorias en Hox Loci y el Origen de Tetrapod Dígitos doi: 10.1371/journal.pbio.1001773