Mapeo genético, expresión y papel de HOXD11B en el desarrollo de la espina dorsal del espinoso. un , Gasterosteo cruz de mapeo b , Resultados de escaneo QTL para el número de espinas y la longitud de las espinas. x eje:Gasterosteo cromosomas; y eje:puntaje LOD para rasgo de tres versus cuatro espinas (arriba), longitud de DS2 (abajo). El pico QTL en el cromosoma 6 incluye el HOXDB clúster (diagrama de genes en la parte inferior, barra de escala, 1 kb). El pico en el cromosoma 4 incluye el EDA-MSX2A-STC2A grupo descrito en otra parte. Líneas discontinuas:umbrales de significación de todo el genoma de las pruebas de permutación. c , Integración del reportero GFP usando CRISPR-Cas9 aguas arriba del HOXD11B endógeno locus de la columna baja Gasterosteus . Plásmido:gris; eGFP:verde; promotor hsp70 basal:azul; locus cromosómico:negro. Barra de escala, 100 pb. TSS, sitio de inicio de la transcripción. d , expresión de eGFP en la mitad posterior de los peces en la etapa en la que se están formando las espinas dorsales (etapa 31 de Swarup). Barra de escala, 1 mm. e , Nótese la expresión en el pliegue de la aleta entre DS2 y DSL, DSL y aleta dorsal (DF). Barra de escala, 1 mm. f , Radiografía de Gasterosteus no inyectado (arriba) y Gasterosteus inyectado en la etapa unicelular con Cas9 y sgRNA dirigido a la región codificante de HOXD11B (abajo). Flechas:dos pterigióforos en blanco a menudo se ubican entre DS2 y DSL, pero solo en peces no inyectados (recuadros:dos pterigióforos en blanco en n = 5 de 18 controles y n = 0 de 23 mutantes F0 inyectados, prueba exacta de Fisher de dos colas P = 0.01). Barra de escala, 5 mm. g , Comparaciones de longitud de las espinas dorsal y anal. Diagrama de caja y bigotes:línea central, mediana; límites de caja, rango intercuartílico (RIC); bigotes, 1,5× IQR; mediciones individuales mostradas como puntos únicos (círculos:WT; triángulos:mutante). y eje:residuos después de tener en cuenta la longitud estándar del pez. DSL y AS fueron significativamente más largos en los peces inyectados que en los no inyectados (t de dos colas). -prueba de Bonferroni corregida en α = 0.05, n = 18 control y n = 23 inyectados, DSL P adj = 3 × 10 −5 , COMO P adj = 0,02). Las longitudes de DS1 y DS2 no fueron significativamente diferentes. Crédito:Naturaleza, ecología y evolución (2022). DOI:10.1038/s41559-022-01855-3
Una serie de experimentos dirigidos por investigadores de Stanford Medicine que incluyeron conexiones de peces, CRISPR y saltos de lago ha confirmado una suposición de larga data, aún no probada, sobre la evolución natural. También desacredita un tema de conversación favorecido por los defensores del diseño inteligente, quienes han argumentado que las mutaciones que ocurren naturalmente solo dañarán o destruirán a un animal y no pueden conducir a nuevos rasgos y estructuras corporales útiles.
Los investigadores identificaron cambios repetidos en la regulación de un gen clave del desarrollo que aumenta el número y gobierna la longitud de las principales espinas defensivas de un pez llamado espinoso. Los nuevos rasgos de la columna vertebral mejoran la supervivencia de los peces frente a diferentes depredadores, contrarrestando una afirmación clave de los antievolucionistas de que los cambios importantes siempre dejarán a los animales incapaces de sobrevivir en la naturaleza.
"Los científicos ya saben que los cambios en la regulación de este gen, llamado HOX, controlan el desarrollo de las principales estructuras corporales durante el desarrollo", dijo David Kingsley, Ph.D., profesor de biología del desarrollo. "Lo nuevo es que demostramos de manera concluyente que las mutaciones en este gen producen cambios importantes en los animales salvajes:nuevas características que ayudan a los peces a prosperar en ambientes naturales. Nuestros hallazgos refutan el argumento común de que este tipo de genes son tan importantes, tan fundamentales, que los animales con mutaciones en estas regiones no sobreviviría en la naturaleza, que si juegas con reguladores maestros, solo vas a hacer un monstruo sin esperanza".
Kingsley, investigador del HHMI y profesor Rudy J. and Daphne Donohue Munzer, es el autor principal de la investigación, que se publicó en línea el 1 de septiembre en Nature Ecology and Evolution. . La estudiante de posgrado Julia Wucherpfennig es la autora principal del estudio.
Aunque el concepto de evolución es ampliamente aceptado, puede ocurrir de diferentes maneras. La evolución regresiva es la pérdida de rasgos existentes, previamente útiles pero ahora desventajosos o inútiles, que dan como resultado un animal que se adapta mejor a su entorno natural. Estos cambios casi siempre son neutrales (piense en los peces de las cavernas que han perdido sus ojos después de generaciones en la oscuridad) o útiles, como cuando los primeros humanos se despojaron del traje peludo de nuestros parientes simios, permitiéndonos perseguir presas por largas distancias sin sobrecalentarnos. .
Un juego de azar
En contraste, la evolución progresiva ocurre cuando los organismos adquieren nuevos rasgos que les permiten superar a sus pares. Pero tales cambios son esencialmente un acto de fe equivalente a tirar los dados genéticos y esperar que todos salgan seises. Los cambios más pequeños y graduales son menos riesgosos. Los grandes cambios estructurales, a veces llamados mutaciones de gran efecto, pueden ser particularmente arriesgados:imagina que un día sales pavoneándote de tu apartamento luciendo una tercera pierna o dos cabezas. ¿Tendrías una ventaja sobre tus vecinos cuando corres hacia el autobús, o es más probable que tropieces y caigas de cabeza en el tráfico?
Aunque ha habido algunos casos en los que los animales han adquirido rasgos beneficiosos en la naturaleza a partir de cambios en los genes HOX (las moscas de la fruta desarrollaron patrones específicos de cerdas sensoriales en sus patas y algunas abejas adquirieron una coloración distintiva en el abdomen), la mayoría de las ganancias estructurales importantes fueron causadas por mutaciones en estas regiones han sido perjudiciales.
Julia Wucherpfennig descubrió que las variaciones genéticas en los peces espinosos estaban asociadas con cambios anatómicos importantes, especialmente en el número de espinas. Crédito:David Kingsley
"Las moscas de la fruta de cuatro alas criadas en laboratorio son un ejemplo famoso de cómo alteraciones genéticas relativamente simples en las regiones reguladoras de los genes HOX pueden cambiar drásticamente la forma del cuerpo de un animal", dijo Kingsley. "Pero debido a que estas moscas no pueden sobrevivir en la naturaleza, los defensores de la antievolución se han apoderado de ellas, no como buenos ejemplos de cómo los genes impulsan la evolución, sino como prueba de que los cambios genéticos solo pueden hacer que los animales sean menos funcionales".
Los peces espinosos de dos a cuatro pulgadas de largo, que lucen un número variable de espinas puntiagudas a lo largo de sus espaldas, son excelentes sujetos de investigación porque evolucionan rápida y dramáticamente en respuesta a las condiciones ambientales cambiantes. Un lago plagado de insectos que se alimentan de peces a menudo alberga espinosos con menos espinas y más cortas para agarrar. Pero un estanque con peces más grandes o pájaros que tragan sus palitos de pescado enteros probablemente contará con una población de espinosos con espinas más largas y más numerosas que se rascan la garganta. Los bosques de algas acuosas son ideales para peces flexibles y resbaladizos que pueden esconderse en la vegetación, mientras que en mar abierto, las placas blindadas y las espinas formidables son el camino a seguir.
El laboratorio de Kingsley comenzó el estudio con un poco de emparejamiento acuoso. Los estudiantes graduados anteriores cruzaron un espinoso hembra de dos espinas de un lago de agua dulce en la Columbia Británica con un espinoso macho de tres espinas de las aguas saladas de Bodega Bay, California. Luego cruzaron la progenie de ese partido entre sí y analizaron el número y la forma de sus espinas. La mayoría de los 590 grandes peces tenían tres espinas, pero seis tenían dos espinas y 21 tenían cuatro espinas, más que cualquiera de sus antepasados. Extensos estudios genéticos de los peces con espinas variables identificaron diferencias en la región alrededor de un gen llamado HOXDB, que es miembro de la familia de genes HOX.
Un vínculo entre los genes y la anatomía
Wucherpfennig continuó recolectando y cruzando espinosos de innumerables lagos y arroyos de América del Norte, estudiando su composición genética y utilizando métodos CRISPR para confirmar los efectos del gen HOXDB en las espinas dorsales. Encontró un panel de cambios en regiones cercanas al gen HOXDB y mostró que estaban asociados con cambios anatómicos importantes que están evolucionando en la armadura defensiva de los peces salvajes.
"En Nueva Escocia, algunas de las poblaciones de espinosos han evolucionado hasta tener cinco o incluso seis espinas", dijo Kingsley. "La naturaleza dejó intacta la región de codificación de este gen, pero alteró cómo y cuándo se expresa durante el desarrollo normal para agregar estructuras en lugar de eliminarlas. Y los peces con estas nuevas estructuras prosperan en un entorno completamente salvaje sujeto a una amplia gama de condiciones ambientales". presiones."
Wucherpfennig y sus colegas demostraron que los cambios repetidos en las regiones reguladoras del gen HOXDB son responsables de la evolución reciente de nuevos patrones de columna vertebral en dos especies diferentes de espinosos que estudió en América del Norte. Ahora están interesados en saber si cambios similares son responsables de las diferencias en los peces que tienen una relación aún más lejana.
"¿Existen reglas predecibles que rigen el cambio evolutivo?" Dijo Kingsley. "¿Las especies naturales usan el mismo truco una y otra vez, o tienen que inventar un nuevo truco cada vez? Hasta ahora, ha sido el mismo gen incluso en estos espinosos muy divergentes de diferentes ambientes. Aquí mostramos que la naturaleza rutinariamente agrega mayor estructuras para generar animales más adaptados al medio ambiente, y que lo hace repetidamente usando el mismo gen regulador maestro. Es un argumento decisivo para la evolución progresiva, que ha sido debatido en círculos académicos y no académicos durante décadas". Hallazgo en agua dulce:la ventaja genética permite que algunos peces marinos colonicen hábitats de agua dulce
