Evolución y desarrollo embrionario La nueva síntesis

Evolución y desarrollo embrionario
La nueva síntesis
• La ¿Teoría? de la Evolución
• La evolución no es “teoría” en
sentido de “hipótesis”, es un
fenómeno real que se estudia desde
muchos puntos de vista (genética,
biología molecular, zoología,
botánica, ecología...)
¿Biología del desarrollo?
• Las cuatro teorías de la evolución
(Løvtrup, 1987)
1. La realidad de la evolución
2. La historia de la evolución
El mecanismo de la evolución
3. El origen de la novedad
4. La supervivencia de la novedad
LUCA
La historia de la vida en la Tierra es una
continua generación de novedades.
La diversidad presente constituye el
catálogo de las novedades que han
sobrevivido
«Vuela —gritó Chamcha a Gibreel—. Echa a volar,
ya.» Y, sin saber la razón, agregó la orden: «Y canta.»
¿Cómo llega al mundo lo nuevo? ¿Cómo nace? ¿De
qué fusiones, transubstanciaciones y conjunciones se
forma? ¿Cómo sobrevive, siendo como es tan extremo
y peligroso? ¿Qué compromisos, qué pactos, qué
traiciones a su íntima naturaleza tiene que hacer para
contener a la panda de demoledores, al
ángel exterminador, a la guillotina?
Salman Rushdie, Los versos satánicos
• Jean Baptiste de
Lamarck (1744-1829)
La novedad se adquiere a lo
largo de la vida y se transmite a
la descendencia
• Geoffroy Saint
Hilaire (1772-1844)
La novedad se origina en el
desarrollo embrionario por
influencia directa del medio
ambiente
=
¿Existe un único plan de
organización en los animales?
Charles Darwin (1809-1882)
Alfred R. Wallace (1823-1913)
La novedad se genera al azar en la
descendencia, en forma de pequeñas
variaciones individuales.
La selección natural acumula estas diferencias
en una determinada dirección, causando un
cambio gradual con el paso del tiempo.
El caso de la
mariposa del
abedul
El libro de Darwin provoca una
fuerte polémica que conduce a la
aceptación generalizada de la
realidad de la evolución, aunque
no de su mecanismo (la selección
natural).
Un argumento de los críticos es
que la selección natural no explica
el “origen” de las novedades. La
selección sólo puede actuar sobre
lo que ya existe
Richard Owen (1804-1892)
fundador y director del Museo
de Historia Natural de
Londres, criticó la idea de
selección natural, aunque
aceptó la posibilidad de
evolución
Thomas Huxley (18251895) fue el gran defensor
del darwinismo (el
bulldog del Darwin)
En su libro: Evidencia
sobre el lugar del hombre
en la naturaleza (1864)
representa por primera
vez la serie evolutiva
(gradual y progresiva) de
la especie humana
En 1900 se redescubren las leyes de la
herencia de Mendel (1865)
La evidencia de que existen factores
determinantes de los caracteres (los
genes) proporciona una nueva
dimensión para la evolución.
Aparece un nuevo concepto, la
“mutación” (De Vries, 1903), anterior
incluso al concepto de “gen”
(Johanssen, 1909).
Las mutaciones son rápidamente
reconocidas como la auténtica fuente
de la novedad evolutiva y factor
determinante de la evolución
Gregor Mendel (1822-1884)
Entre 1920 y 1940 se va a iniciar la
síntesis entre mutacionismo, genética
mendeliana y selección natural
R.A. Fisher (1890-1962)
Matemático
Desarrolla la genética de poblaciones
Sewall Wright
(1889-1988)
El “paisaje
adaptativo” y la
importancia de la
deriva genética
J.B.S Haldane (18921964)
Desarrolla los aspectos
matemáticos de la
selección natural pero
admite alternativas
• Bateson escribe que el método embriológico había fracasado en
su intento de determinar los mecanismos de la evolución: “Una
vez que la morfología ha explorado hasta el rincón más
diminuto, miramos en otra dirección... El genético es el sucesor
del morfólogo” (Fe evolutiva y dudas modernas, 1922)
• Thomas H. Morgan (Nobel 1933) afirma en Bases científicas
para la evolución (1932) que la Genética es la única
aproximación científicamente válida para el estudio de la
evolución
Drosophila
William Bateson (1861-1926)
Thomas H. Morgan (1866-1945)
La Síntesis (Neodarwinismo) es
completada en los años 40, pero tiende a
“endurecerse” en los 50.
El origen de la novedad sería el resultado
de cambios en la composición genética de
las poblaciones sometidas a selección
natural
Theodosius
Dobzhansky
(1900-1975)
Ernst Mayr
(1904-2005)
Georges G. Simpson
(1902-1984)
Julian Huxley
(1887-1975)
Asunciones de la Teoría sintética de la evolución
(versión “dura”):
• La evolución es un proceso lento y gradual (Gradualismo)
• La Macroevolución (grandes cambios) es el resultado de la
Microevolución a largo plazo
• La divergencia genética debe ser proporcional a la morfológica
• Origen y supervivencia de la novedad son procesos inseparables
A lo largo de los 60 y 70 se suceden una serie de desafíos a la
ortodoxia Neodarwinista:
• El Neutralismo (la mayor parte de las mutaciones serían
neutras desde el punto de vista selectivo)
• Casos de falta de correlación entre
diversidad genética y morfológica
• El modelo de equilibrios interrumpidos
París, Mayo del 68
Un precursor de los críticos:
Richard Goldschmidt propone en
los años 30 dos modelos evolutivos
alternativos:
• Mutaciones sistémicas
(reordenaciones cromosómicas)
• Mutaciones relevantes para el
desarrollo (“monstruos
prometedores”)
El neutralismo y la deriva genética
Pauling y Zuckerkandl llaman la atención en 1965 sobre las
proteínas que cambiando fuertemente en estructura mantienen la
misma función.
Kimura y Ohta (1968-69) y King & Jukes (1969) formulan la
hipótesis del neutralismo genético de forma independiente. La
deriva genética sería más importante que la selección natural en
la fijación de variaciones genéticas.
Linus Pauling
Emile Zuckerkandl Tomoko Ohta
Motoo Kimura
Cambios genéticos y “paseos al azar”
No hay correspondencia entre
divergencia genética y
morfológica
Puesta de relieve por Allan C. Wilson y
Mary Claire King en 1975 al comparar
genes humanos y de chimpancés
60% de
identidad
genética
98.77% de
identidad genética
• Stephen Jay Gould y Niles Eldredge
Lo que asume la Teoria Sintética
• En 1977 Stephen Jay Gould
•
•
publica Ontogeny and Phylogeny
Gould y Eldredge proponen el
modelo de los equilibrios
interrumpidos.
La “forma” de la evolución no
coincide con el gradualismo
t
Lo que vemos en el registro fósil
Nuevo concepto en los 80: La generación de novedades
consiste sobre todo en cambios en la forma en que se
construye un organismo
Células huevo
Desarrollo embrionario
¡Los procesos de desarrollo de animales muy diferentes
están regulados por los mismos genes!
Ojos ectópicos inducidos por expresión del gen Pax-6
Mutante
eyeless en
Drosophila
La mutación de Pax-6 en
humanos produce Aniridia
Genes Hox
El eje anteroposterior de vertebrados y Drosophila está
organizado por los mismos genes
Artrópodos, anélidos
DPP
Corazón
Cordón
nervioso
boca
Sog
Vertebrados
Chordin
Sistema
nervioso
central
boca
Corazón
nervio
TD
Sist. circulatorio
BMP
El eje dorsoventral de vertebrados y Drosophila está organizado
por los mismos genes (¡pero invertido! ¡Saint Hilaire tenía razón!)
Los mismos genes actúan en el desarrollo del miembro de
vertebrados (yema del ala de pollo, arriba), y de Drosophila (disco
imaginal del ala, abajo)
Los mismos genes organizan el eje próximo-distal de
las patas en artrópodos y vertebrados
Dlx5/6
Expresión de Dlx5/6 (en azul) en el
desarrollo de la pata de ratón
Expresión de distalless (en rojo) en el
desarrollo de la pata de Drosophila
Síndrome de pie y mano hendida
… y el eje anteroposterior del ala
Distalless se expresa en
todos los outgrowths de
los animales
El concepto fundamental: La caja de
herramientas genética (toolkit) para construir un
organismo a lo largo del desarrollo
Nueva disciplina: La biología
evolutiva del desarrollo (EvoDevo)
• El número de genes implicados en procesos de
•
•
desarrollo es relativamente pequeño
El desarrollo es un proceso canalizado (concepto de
Waddington)
Variaciones en genes reguladores del desarrollo
crean novedades
Paisaje epigenético
t
Modelo de
equilibrios
interrumpidos
Conrad Waddington
(1905-1975)
Nuevo concepto: ¡Un animal es más sencillo que una célula!
• La pluricelularidad es la excepción, no la regla, y probablemente
no es “adaptativa” (¡tres o cuatro casos en 3500 millones de años!)
• La inmensa mayoría de los seres vivos (especies o individuos) son
unicelulares
• La inmensa mayoría de los genes regulan procesos intracelulares
• La interacción entre células y, sobre todo, la construcción de un
embrión, está gobernada por una pequeña fracción del genoma.
Formación de un
“organismo”
transitorio por la
ameba
Dyctiostelium
Dyctiostelium es un organismo unicelular
que en determinadas circunstancias
adquiere comportamiento pluricelular
En general, los animales tienen una complejidad genética similar
(la mayor parte de los genes trabajan a nivel celular). La
complejidad morfológica no implica complejidad genética.
• Los humanos tenemos alrededor de 25000 genes, mientras que el gusano
Caenorhabditis elegans tiene unos 19000
• Sin embargo, el genoma de vertebrados sufrió en su origen dos rondas
completas de duplicación
Caenorhabditis elegans
¡19000 genes y sólo 939 células!
Doble duplicación del complejo Hox
A lo largo de la evolución de los artrópodos se pierden genes Hox
Carroll, Cell, 134: 25 (2008)
Lo mismo pasa en la evolución de los vertebrados
La gran paradoja: Si los genes de la caja de
herramientas son tan similares entre sí, ¿de dónde
procede la diversidad?
Mutaciones en elementos cis-reguladores (CREs)
Controlan el patrón espacial y temporal de la expresión
de los genes del toolkit
Diferencia entre un gen
estructural y un gen
pleiotrópico del toolkit
implicados en desarrollo
del ojo.
Mutación en reguladores de Ubx
La ausencia de un par de alas en moscas y mosquitos se debe
a la expresión de un solo gen (Ubx) en el tercer segmento
torácico
Heterotopia: El origen del miembro tetrápodo
El paso de la aleta al
miembro quiridio
implica una nueva
zona de expresión de
Hoxd-11 y Hoxd-13,
probablemente
relacionada con la
formación de nuevos
ejes de condrificación
Polisindactilia
(mutación en
Hoxd-13)
En las serpientes la ausencia de patas anteriores
está asociada a una ampliación del dominio de
expresión de HoxC-8 y HoxC-6 (que inhiben la
formación de patas y definen el dominio
torácico ). La ausencia de patas posteriores se
debe a una desaparición del dominio posterior
de expresión de Shh
Cohn y Tickle, Nature 399:474 ( 1999)
Shh
¿Evolución
reversible?
En Pachyrachis
problematicus
reaparecen las patas
Los dominios de
expresión de
genes Hox de
los grupos
posteriores
(Ubx y Abda)
correlacionan
con las regiones
de la columna
vertebral
Coopción del programa de crecimiento de los
miembros para formar los cuernos de los escarabajos
La identidad de los elementos de las barras
branquiales se establece por Dlxs (dorsoventral)
y Hoxs (anteroposterior)
Mutaciones homeóticas (cambio de identidad) en mamíferos
El ratón mutante
Hoxa1/Hoxb1 tiene dos
mandíbulas embrionarias
pero carece de oído
¿Humano
o mono?
El origen de los humanos parece deberse a una aceleración del
desarrollo (neotenia), por lo que hemos retenido caracteres
juveniles y fetales de los chimpancés
¿Nuestro futuro?
Conclusión: Bases para una nueva síntesis evolutiva:
• La evolución no tiene por qué ser gradual.
• La selección natural ajusta y adapta lo existente, pero no
interviene o lo hace de forma marginal, en el origen de las
novedades evolutivas.
evolutivas
• Las mutaciones en elementos cis-reguladores de los genes del
toolkit podrían ser especialmente relevantes para el desarrollo y
la generación de novedades.
• No tiene por qué existir correlación entre similitud genética y
morfológica.
• La teoría sobre el origen de la novedad (Genética, Biología del
Desarrollo, Biología de Sistemas) debería ser independiente de
la teoría sobre la supervivencia y la adaptación de los
organismos (Ecología, Genética de Poblaciones).
El futuro:
• ¿Evo-Devo experimental?
• Si conocemos los mecanismos de generación de novedades, ¿Podremos
generarlas/desactivarlas en el laboratorio mediante manipulación genética?
¿Podremos
controlar la
evolución?
¿Dientes de gallina?
En 1980, Kollar y Fisher combinaron epitelio
mandibular de embrión de pollo y
mesénquima mandibular de embrión de
ratón. El epitelio de pollo indujo la
formación de dentina en el mesénquima y
éste indujo la producción de esmalte por
parte del epitelio del pollo.
epitelio
mesénquima
El tratamiento de
ajolotes con colchicina
(inhibiendo división
celular) mimetiza
morfologías reales de
las extremidades de
otros anfibios
Evo-Devo experimental… En España
EvoDevo
experimental
Aumento del tamaño
de los dedos en
murciélagos y
aumento en la
actividad de un CRE
en el gen Bmp2
(Sears et al. PNAS,
103:6581, 2006)
Evo-Devo
experimental
Introducción del
enhancer BatE en el
gen Prx1 de ratón
(Cretekos et al., Genes
Dev. 22:141 (2008)
Evo-Devo experimental
Reorganización de la
glía radial de tipo
mamiferoide en cerebro
de embrión de pollo
Nomura et al., PLoS
ONE 3(1): e1454, 2008)
¿Qué es lo que
nos queda de
Darwin?
Diversity
Evolution
Louis Agassiz
(1807-1873)
“El descubrimiento es ver lo que otros han visto y pensar lo que nadie ha pensado”
Albert Szent-Gyorgyi
Dado que la única posibilidad de
selección natural es sobre genes
estructurales (no sobre los genes
del toolkit), el papel de dicha
selección queda centrado en la
adaptación, más que en el origen
de las novedades evolutivas.
Los procesos relevantes en el
origen de novedades (mutación,
recombinación, deriva) son
estocásticos
No hay “diseño inteligente” ni “relojero”
Somos el resultado (afortunado) de una sucesión de
contingencias, más que de la selección natural:
• Seres vivos: Origen de la vida
• Eucariotas: Endosimbiosis
• Animales: Adquisición de pluricelularidad
• Cordados: Glaciación Varanger/explosión cámbrica
• Vertebrados: Doble duplicación del genoma
• Mamíferos: Catástrofe K-T (colisión asteroide)
• Humanos: Sequía en el Plioceno
• ¿...?
Todo es fruto del azar y la necesidad
(Demócrito, 460-370 AC)
La “montaña rusa” de los homenajes a Darwin
1859
1959
Selección natural
Selección natural
(actuando sobre variabilidad
morfológica)
(actuando sobre variabilidad
genética)
Determinismo
Cambio gradual
Predictibilidad
?
Azar
Cambio brusco
Impredictibilidad
1909
2009
Mutación
Predominio de lo estocástico
en la generación de novedades
(estocástica)
Pensamiento crítico y antidogmático
El “pluralismo evolutivo”