Biología del desarrollo evolutiva Dr. Alexander O. Vargas Departamento Biología Fac de Ciencias U de Chile Parte I. Homología y desarrollo La homología es un concepto pre-darwiniano (creado por Richard Owen a inicios del siglo XIX) , que describe el caso de una estructura que en distintas especies es “siempre la misma”: Presenta “la misma estructura”, pese a diferencias en función El brazo siempre es “el mismo”, compuesto de los mismos huesos (húmero:radio y ulna:carpales:metacarpales:falanges). Como la explicación no parecía funcional, se hablaba de la preservación de un “arquetipo” Después de Darwin, la Homología se entiende como semejanza producto de la descendencia: En vez de arquetipos se habla de un ancestro común Por ejemplo, la presencia de dos falanges en el dedo 1 de la mano del ratón (Mus) y de la lagartija (Lepidosauria) es un rasgo que estaba presente en su ancestro en común (nodo “A” en la figura) y se ha conservado desde entonces en ambas especies Hay casos en que observamos semejanzas entre especies que claramente no estaban presentes en su ancestro común; en estos casos hablamos de convergencia, un rasgo similar que ha aparecido de manera independiente y que puede relacionarse con una semejanza funcional No siempre es fácil saber si un rasgo estuvo presente en el ancestro común más reciente, y por lo tanto, saber si una semejanza es por homología o bien ha aparecido de manera independiente (por ejemplo, el árbol filogenético puede estar sujeto a polémica) Geoffroy Saint-Hilaire: Teoría de la inversión dorsoventral. Un deuterostomo (ej. vertebrado) y un protostomo (ej. crustáceo) son un mismo ancestro invertido Por mucho tiempo se asumió que esto no era cierto. Una pregunta interesante es: ¿Qué tan distintos o semejantes son los mecanismos de desarrollo detrás de una semejanza en el adulto? Por ejemplo, los “picorocos” (Cirripedia) presentan algunas semejanzas en el adulto con algunas formas como corales y moluscos (por ejemplo, un estilo de vida sésil). Sus afinidades eran inciertas hasta que Darwin demostró que las larvas de los cirripedios son idénticas a las de los crustáceos copépodos. La vida sésil es una convergencia con moluscos, no una homología. El descubrimiento de un sistema de desarrollo del eje dorso-ventral por medio de una gradiente de señalización de BMP antagonizada por cordina ha dado nuevo sustento a la vieja idea de la inversión dorsoventral La biología molecular del desarrollo confirma la homología de las partes de la flor con las hojas previamente sugerida por Goethe: Se pueden transformar pétalos en hojas mediante eliminar la actividad de genes ABC También las semejanzas en el origen embriológico pueden identificar la homología de estructuras que pueden ser difíciles de distinguir en el adulto. Las mandíbulas, el estribo (hueso hyoides del oído medio), y las agallas de los peces se desarrollan a partir de los arcos faríngeos del embrión, sugiriendo que evolucionaron a partir de un mismo tipo de estructura Cobelodus! En efecto, peces basales (de divergencia muy antigua) como las lampreas (Petromyzontidae) y anguilas babosas (Myxinoidea) sólo tienen arcos branquiales: no tienen mandíbula ni hyoides. Formas fósiles como el tiburón del carbonífero Cobelodus confirman que las tres estructuras eran originalmente muy similares Sin embargo, el origen embriológico de una estructura puede ser polémico como indicador de homología. Un ejemplo es el problema del ala de las aves El ala tridáctila de las aves los dedos del ala se desarrollan a partir de condensaciones cartilaginosas que en otros tetrápodos dan origen a los dedos 2,3 y 4 (índice, medio y anular) 2 3 4 5! Ulnare! 1! Ulna! Ulna Alligator mississippiensis Gallus gallus (chicken) Burke and Feduccia 1998 Science 278: 666 El eje primario de formación de cartílago en pentadáctilos siempre da origen al dedo 4 y está en línea con la ulna y el ulnare Es posible observar en el ala la presencia de pequeñas condensaciones embrionarias que aparentan ser un pulgar (dedo 1) y meñique (dedo 5) vestigializados Foto altamente contrastada de tinción de cartílago en el ala del embrión de avestruz (Struthio) En el pollo, la condensacion existe pero como condensación mesenquimática, que a diferencia del avestruz no produce cartílago Nowicki & Feduccia 2002 Naturwissenschaften 89: 391 Sin embargo, la evolución de la morfología adulta identifica a los dedos del ala de las aves como 1, 2 y 3 La desaparición de los dígitos 4 y 5 está especialmente bien documentada en la transición de dinosaurio terópodos a aves ! Los Taxa A-H comparten, sucesivamente, un ancestro en común más reciente con las aves modernas (I-J)! (A) Alligator (B) El dinosaurio ornitisquio temprano Heterodontosaurus (C) El terópodo Herrerasaurus (D) El Neoterópodo Coelophysis (E) El tetanurae Allosaurus (F)El maniraptora Ornitholestes (G) El avialae temprano Archaeopteryx (H) el enantiornite Sinornis (I) Polluelo del ave cuculiforme Opisthocomus (J) Embrión del pato de 12.5 días Anas (K) El adulto del pollo Gallus (L) El adulto de Opisthocomus. ! Debido a esto algunos han sugerido que las aves no descienden de los dinosaurios! Wagner y Gauthier 1999 PNAS 96:5111! Solución propuesta: 1,2,3 = 2,3,4. Inferencia de un evento de Desplazamiento Homeótico en Serie (“DHS”) (Homeotic Frameshift) en la evolución del ala Homeosis: Desarrollo de una estructura a partir de una posición embriológica diferente Homeosis en evolución Celacanto (Latimeria): Aletas mediales por aletas lobuladas (“pares”) Tabin & Laufer 1993 Nature 361: 693 Crustáceos: Las piernas en los segmentos T1-T3 se transforman en “pies-mandíbulas” alimenticios (maxilípedos) en relación con el “retroceso” hacia segmentos más posteriores del dominio de expresión del gen Ubx (ultrabithorax) Averof & Patel 1997 Nature 388: 682 Cambios de identidad especificados por mesénquima interdigital posterior a cada dedo A) Esquema de B) retirada de interdígito (ID) posterior a dedo 2 C) retirada de interdígito posterior a dedo 3 D) Control: injerto de condensación 2 en ID 2 y E) condensación 3 en ID 3. F) Condensación 3 en ID 2 G) Condensación 2 en ID 3 Dahn y Fallon 2000 Science 289: 438 En extremidades en que no hay controversia sobre la identidad de los dedos (mano y pie del ratón, pie del pollo) la expresión de genes Hox se relaciona con el desarrollo del dedo 1. HoxD-10, HoxD-11 y HoxD-12 están ausentes sólo en el dedo 1, pero se expresan en todos los demás dedos. HoxD-13 y HoxA-13, en cambio, se expresan en todos los dedos, incluído el dedo 1 HoxD-12 HoxD-13 1! 1! 2! 2! 3! 3! 4! 5! Brazo! 5! Pierna 11.5 12.5 11.5 Chiang et al 2001 Dev Biol 236: 421! 12.5 4! EXPERIMENTOS FUNCIONALES: si se altera el dominio de expresión de HoxD-11 ó HoxD-12 es posible alterar el desarrollo del dedo 1 bifalangeal Expresión forzada de HoxD-11 en dedo 1 del pie del pollo: transformación a un dedo 2 trifalangeal Expresión forzada de HoxD-12 en el dedo 1 de ratón: transformación a un dedo 2 trifalangeal Pie pollo HoxD-13 Mano ratón HoxD-12 HoxD-13 HoxD-12 Mano de pollo (dias 7 y 8) Vargas and Fallon 2005 JEZ B (MDE) 304:86 ! En el ala, HoxD-10, HoxD-11 y HoxD-12 están ausentes sólo en el dedo bifalangeal anterior del ala. La expresión genética sugiere que este es un dedo 1, pese a desarrollarse a partir de la posición embriológica del dedo 2. Vargas & Fallon 2005 JEZB (MOL DEV EVOL) 304:86. La ausencia de expresión de HoxD-12 no es sólo cosa de ser el dedo más anterior Los mutantes de pollo talpid2 y Silkie presentan un pie con un eje antero-posterior alterado. talpid2 muestra un pie “posteriorizado” y polidáctilo, sin dedo 1. En Silkie, el dedo más anterior no es el dedo 1 sino un dedo 2 ectópico Vargas & Fallon 2005 JEZB 304:86 Talpid2 Silkie Pero, el ratón es sólo un pariente lejano de las aves. Los crocodylia son los parientes vivos más cercanos a las aves. Aproximación comparativa: Si el dedo más anterior del ala es un dedo 2, es posible que en los crocodilia el dedo 2 no exprese HoxD-10, HoxD-11 y HoxD-12 Si se trata de un dedo 1, la ausencia de expresión debiera observarse sólo en el dedo 1 de parientes más cercanos de las aves Como en el ratón, en Alligator, HoxD-11 está ausente sólo en el dedo 1 bifalangeal; el dedo anterior del ala se parece exclusivamente al dedo 1 de Alligator Esto es consistente con el DHS, que mantiene que los dedos del ala son 1,2 y 3 pese a desarrollarse a partir de las condensaciones 2,3,y 4 Vargas et al 2008 PLoS ONE 3(10): e3325 La evidencia experimental: ¿Es posible un DHS en el lab? La transformación homeótica de dedos se ha documentado, pero sólo para dedos individuales Dahn y Fallon 2000 Science 289:438 La aplicación de cyclopamina inhibe la señalización del gradiente del morfógeno posteriorizador Shh (véase cyclopamina en Gilbert), produciendo un desplazamiento homeótico en serie (Vargas & Wagner en prensa) En 9/54 casos, las alas bidáctilas presentaron un cartílago anterior al dedo 1 que no se desarrolla en un dígito. Este puede corresponder a células con potencial condrogénico que normalmente producen un dígito pero que quedan “vacantes” (sin identidad especificada) tras el DHS hacia posterior Wildtype! Cyclopamine-Treated! Es necesario precisar que no siempre se conserva en evolución la relación entre la expresión de un gen y el desarrollo de una estructura .! Por ejemplo, en dípteros la expresión de Ubx en el segmento T3 impide el desarrollo de un ala membranosa, lo cual no es cierto en el caso de otros insectos como los coleópteros .! La condición del ancestro compartido por ambos es tener alas membranosas en ambos segmentos T2 y T3. ! Otro caso: BMP y Cordina no participan en la especificación el eje dorsoventral en amniotos (ej. aves, mamíferos)! Cuando uno compara rasgos estructuralmente similares en relación al origen embriológico o la expresión de un gen, se han comprobado cuatro posibles historias evolutivas diferentes. ! Parallelism En el caso del paralelismo, pese a originarse la similitud de manera independiente, lo hace a partir de ancestros similares que están cercanamente emparentados En este caso, la aparición independiente de larvas con menos tricomas implicó una menor expresión del gen Shavenbaby en diferentes especies cercanas, todas dentro del género Drosophila (Sucena et al. 2003 Nature) Parte 2 Ontogenia, filogenia y heterocronía Ernst Haeckel:! Recapitulacionismo: Ley biogenética fundamental “La ontogenia recapitula la filogenia”! Los estados embrionarios son representativos de formas adultas pasadas.! La evolución procede esencialmente por! adición terminal! Ante la excesiva duración del desarollo, ocurre condensación por aceleración y deleción! Haeckel inventó el término heterocronía para designar a la modulación de los tiempos de procesos de desarrollo! La ley biognética fundamental propone observar el desarrollo para identificar los ancestros y reconstruir las relaciones de parentesco (árbol filogenético) entre los seres vivos.! Nótese que el proceso de adición terminal hace que el “árbol” de Haeckel parezca más una flecha, muy lineal y progresista, y no tan ramificado! .! Walter Garstang (comienzos siglo XX): El desarrollo puede evolucionar. Los cambios no tienen porqué ser adiciones terminales. Ej.equinodermos con desarrollo larval o directo: ! No es que hayan erizos que provengan de un ancestro que parecía una larva y otros erizos que no. Todos comparten un ancestro común (que tenía una larva). ! Lo que sucede es que la etapa larval se pierde y re-adquiere con facilidad en la evolución de los erizos! Más cercano a la realidad: “Ley de Von Baer” Mientras mas similares sean dos especies, sus embriones serán similares hasta estadios mas tardíos del desarrollo. Especies más disímiles exhiben diferencias más tempranas en el desarrollo. Ej. de la diferencia con la ley biogenética fundamnetal: El embrión del lagarto es comparable al embrión del pez, más que al adulto del pez Haeckel tiende a ser “lineal”, Von Baer, a “ramificarse” Si bien es algo más cercana a la realidad (los embriones no son equivalentes a adultos), también choca con el hecho de que etapas tempranas pueden cambiar bastante pese a tener un resultado similar en el adulto (nuevamente, por ejemplo, tener o no tener larva en equinodermos) Ejemplos de “deleción terminal” contradicen el principio de adición terminal de ! la ley biogenética fundamental.! Paedomorphosis: El adulto del descendiente se parece al juvenil del ancestro.! Puede ocurrir por Progénesis (maduración sexual temprana) o por Neotenia (retardo del desarollo somático)! Pese a que se ha desechado la ley biogenética fundamental, se sigue utilizando el término heterocronía para referirse a estos casos de modulación de los tiempos de desarrollo ! Peramorfosis: El juvenil del descendiente se asemeja al adulto del ancestro! El ser humano es paedomórfico respecto a sus ancestros ! Juvenil y adulto de chimpancé:! Feto de 7 meses del chimpancé presentando ! distribución “humana” del pelo: Sólo en la cabeza, cejas, ! pestañas, barbilla, labios ! (de “The life of primates”, Adolph Schultz 1969) ! Parte 3: Saltacionismo vs Gradualismo! Aunque algunos crean diferente, el saltacionismo no supone mecanismos extraordinarios o diferentes para el establecimiento de grupos taxonómicos mayores, que los que operan en el origen a los grupos taxonómicos menores! Es un debate serio sobre cuáles son los mecanismos comunes y corrientes de la evolución! Los mecanismos que dan origen a los grandes categorías taxonómicas son los mismos que dan origen a las pequeñas (figura tomada de Maturana y Mpodozis 1992)! Importancia de el desarrollo en el camino tomado por la evolución. La selección natural hace una analogía entre la acción de condiciones naturales(“presiones selectivas”) y la acción de un seleccionador humano en el caso de la selección artificial Gould (Ontogeny & Phylogeny 1977): Hay límites a lo que se puede hacer por selección. Esos límites se relacionan con lo que el desarrollo es capaz de ofrecer. Por ejemplo, Gould propone que las razas de perro son más variadas que las de gato porque el lobo se “transforma” más radicalmente durante el desarrollo que el gato salvaje Teorías de la herencia de Fisher (padre del neodarwinismo) Abundantes partículas transmitidas en la línea germinal que tienen pequeños y diversos efectos en el fenotipo. La herencia particulada de Darwin es de “grano fino” y abundante. Pequeñas diferencias fenotípicas confieren pequeñas ventajas, van produciendo mayor supervivencia de la progenie de los que los llevan y se van acumulando en una población, acentuando un rasgo fenotípico: la ventaja tiene un rol causal en el origen del rasgo. En cambio, si una diferencia drástica ocurre por una sola mutación de gran efecto, la ventaja es consecuencia, pero no es causal en el origen del rasgo Esta teórica acumulación de varios genes hacia un resultado final drásticamente distinto sólo ocurriría si hay selección natural: de otra forma la variación es azarosa y no se acumula en ninguna dirección particular. ! Los “mendelistas” tempranos estudiaban genes con grandes efectos. Encontraron que las variaciones “saltatorias” eran comunes en la naturaleza y el laboratorio. Bateson: Inventó la palabra “homeosis” Goldschmidt: propone la noción de “monstruos esperanzados” Cambios como el Daschund o la torsión de los ojos en el lenguado: Son “monstruos” en un contexto, pero adaptados en otro. ¿Achondroplasia?! Ciertos cambios evolutivos no son fácilmente concebibles como resultado de una acumulación de genes con pequeños efectos sobre el rasgo! Ejemplos (hay muchos)! 1)! La posición de la escápula por debajo de las costillas en quelonios (tortugas). ! 2) Aumento en el número de vértebras! 3) La proyección de las costillas fuera del cuerpo en lagartos voladores! Se han acumulado ejemplos del origen de adaptaciones producidas por uno o unos pocos genes con gran efecto. La acumulación (demostrada a nivel molecular) de muchos genes de pequeños efectos (“micromutaciones”) parece no ser muy frecuente ! La reducción de la pelvis en poblaciones dulceacuícolas de Gasterosteus se localiza a una sóla mutación aledaña a Pitx-1 que produce un fenotipo similar a la pérdida de función de este gen en el ratón! Shapiro et al Nature. 2004 428:717! Un gen (EDA, ectodysplasina) es el principal! responsable de la gran diferencia en la extensión de la armadura entre formas de agua salada y de agua dulce de Gasterousteus! Colosimo et al 2004 PLoS Biol. 2(5):E109. ! Ejemplo drástico de saltacionismo. CTVT: un linaje de células cancerosas anueploides de útero de perro que se han transformado en enfermedad venérea! EPIGENÉTICA: MÁS ALLÁ DE LA SECUENCIA PRIMARIA DEL ADN Observación básica de la epigenética: La “Paradoja de Lillie”: Todos los tipos celulares en el cuerpo son muy distintos, pero poseen la misma secuencia del ADN Las diferencias no pueden reducirse a la secuencia del ADN, sino que hay que considerar a los distintos medios celulares y cómo estos “apagan” la expresión de distintas regiones del ADN en cada tipo celular (a partir del cigoto totipotencial) Es por esto en parte que la biología del desarrollo es biología del desarrollo y no genética nomás, pues muchachines!! Epigénesis (Harvey, siglo XVIII): La noción surge en oposición a la idea de que el embrión ya se encuentra preformado y determinado en el espermio, óvulo, ovocito fecundado o estadios tempranos del desarrollo Observaciones que sustentan la epigénesis: Desarrollo regulado y regeneración (si estuviera preformado, destruir partes del embrión temprano o cortarlo por la mitad debería resultar en adultos incompletos). ¿Qué es “genética nomendeliana”? Reúne una serie de fenómenos epigenéticos, especialmente “genomic imprinting”: El “silenciamiento” de un alelo dependiendo si es expuesto al ambiente celular de la línea germinal materna, o paterna; esto da origen a lo que se denomina “parent-of-origin effects”, en los que el rasgo que domina en la progenie depende de si está presente en la madre (o el padre) Se conoce recién desde los 70’s. Holliday & Pugh (1975) describen metilación de dinucleótidos CpG como silenciador de genes Hay otros mecanismos de silenciar un gen: Remodelación de cromatina, modificación postranslacional de histonas. -- Silenciamiento del alelo ! materno: domina el fenotipo ! paterno! Silenciamiento del alelo ! paterno: domina el fenotipo ! materno! Los genes epigenéticamente silenciados actúan como alelos recesivos (aquí, el caso de un alelo silenciado en la línea germinal paterna) ! Síndrome de Prader-Willi UPD: Disomía Uni-Parental. El individuo posee ambas copias del cromosoma 15 derivadas de la madre (PraderWilli) o del padre (Angelman) en vez de uno de cada uno M: Cromosoma 15 aportado por la madre P: Cromosoma 15 aportado por el padre Síndrome de Angelman! A) Conjunto normal de cromosomas. Paterno expresa genes de unaregión del cromosoma representada por una caja (expresada: en blanco) pero tiene metilados (no expresa, en negro) los de la región del círculo. El cromosoma materno es al revés: la “caja” es metilada, el “círculo” se expresa B) Síndrome de prader willi: falta de expresión de genes de la “caja” por deleción en el cromosoma paterno; por UPD con dos cromosomas maternos; por metilación aberrante que impide expresión de la “caja” C) Síndrome de Angelman: no hay expresión de los genes del “círculo” por deleción en el cromosoma materno, UPD con dos cromosomas paternos, metilación aberrante que impide expresión del “círculo”, o una mutación del gen UBE3A (dentro del “círculo”) Los diferentes efectos de la línea germinal materna o paterna sobre el silenciamiento de determinados genes pueden explicar porqué en cruzas híbridas el resultado es totalmente diferente si el padre es de una especie a que si lo es de la otra: se expresan distintos genes de cada especie dependiendo del sexo de los padres La expresión de distintos genes de cada especie dependiendo del sexo de los padres altera el equilibrio afectado el tamaño corporal en cruzas híbridas de Tigre y León (Tigón: enano, Ligre: gigante) Ligre! (papá león)! Tigon (papá tigre)! Epigenética y la conección lamarckista: Efecto del medio sobre la herencia ! El silenciamiento de genes por metilación de secuencias CpG es parte constitutiva de la diferenciación de muchos linajes celulares (todas tienen la misma secuencia al comenzar)s, y es afectada por el microambiente al interior del embrión al que se expone cada tipo celular: además, puede ser afectada por el medio extra-organísmico! Por ejemplo, el promotor de un receptor de glucocorticoides en neuronas del hipocampo del ratón recién nacido se metila sólo si es lamido por la madre en la primera semana de vida. Si esta interacción normal se interrumpe no ocurre la metilación y el ratón es más “saltón” o temeroso (mayor respuesta a stress) Weaver et al Nat Neurosc 2004 7:847! Una demostracion experimental “clásica” de herencia de características adquiridas (estilo 1920’s):! -Un cambio fenotípico es gatillado por una condición ambiental! -El cambio aparece en la generación siguiente sin una nueva exposición ambiental! Qué pasa si el medio es capaz de metilar el ADN de todas las células (por ejemplo, de un embrión temprano), incluyendo las células de la línea germinal? ! Se hereda la metilación a la generación siguiente? ! El cigoto es totipotencial; se sabe que poco después de la fecundación se borra la ,mayoría de las metilaciones. Este “formateado” permite la posterior diferenciación de los distintos tipos celulares. Los “imprinted genes” son la excepción: de esta forma, la metilación adquirida en la línea germinal masculina o femenina sobrevive la etapa de “formateo” de la embriogénesis temprana: por eso afecta el fenotipo de la progenie (no se borra, o vienen “marcados” tal que se repita la metilación). Las marcas sobre los imprinted genes sí se borran hacia el inicio del desarrollo de cada línea germinal (determinación del sexo gonadal) pero después se vuelven a metilar de acuerdo al ambiente de célula germinal masculina o femenina Jirtle y Skinner 2007 Nat Rev Gen 8:253! Hay casos documentados en que se observa que la exposición de una madre preñada a vinclozolina (disruptor endocrino) altera el fenotipo de la progenie, y de los nietos que no han sido expuestos, sin nueva exposición. Se observa que suben los niveles de metilación en la línea germinal paterna. En este caso, la línea germinal paterna es capaz de heredar el fenotipo por varias generaciones (no así, la materna). Sin embargo no se han identificado genes específicos ! Anway et al 2006 ! Endocrinology 147: 5515! El caso del alelo Agouti viable yellow en ratón:! Si el Avy de la F1 es heredado del padre y la madre (F0) es alimentada con una dieta rica en donantes de metilos, hay un sesgo a un mayor número de progenie con pelaje oscuro, que tienen alelos Avy con más sitios CpG metilados. Algunos de estos individuos con Avy metilados ocurren siempre pero aumentan por efecto de la dieta; más aún ese efecto de incremento persiste en la generación F2, que nunca fue expuesta, sugiriendo que alelos ambientalmente metilados “sobreviven” al “formateo” de la embriogénesis temprana de los F2.! Cropley et al 2006 PNAS 103: 17308! Modulación ambiental del desarrollo: ! Peces de superficie, de cueva (“ciegos”, e híbridos criados en condiciones de luz u oscuridad revelan una mezcla de factores hereditarios y un efecto ambiental directo de la luz sobre el tamaño del ojo ! Ojo de la salamandra troglomórfica Proteus recuperado por exposición a luz roja! Romero et al 2003! J Fish Biol. 67:3! Ojo “recuperado”! Modulación del desarrollo por movimiento embrionario:! La cresta fibular de la Tibia es una novedad evolutiva de los dinosaurios terópodos (carnívoros bípedos), presente en sus representantes modernos, las aves (este rasgo apareció 220 millones de años atrás) ! Cresta ! fibular! Terópodo actual (ave)! Esta cresta require del movimiento embrionario para desarrollarse; la parálisis muscular por decametonio o curare resulta en la agénesis de la cresta fibular! Müller 2003. Evol & Dev 5: 56 ! Terópodo extinguido! (Tyrannosaurio)! Dinosaurio no-terópodo! FIN! ¡muchas gracias!! Rayo Lab!