Biología evolutiva del desarrollo

La biología evolutiva del desarrollo (informalmente, evo-devo) es un campo de investigación biológica que compara los procesos de desarrollo de diferentes organismos para inferir cómo evolucionaron los procesos de desarrollo.

El campo creció desde los inicios del siglo XIX, donde la embriología enfrentó un misterio: los zoólogos no sabían cómo se controlaba el desarrollo embrionario a nivel molecular. Charles Darwin señaló que tener embriones similares implicaba una ascendencia común, pero se avanzó poco hasta la década de 1970. Luego, la tecnología del ADN recombinante finalmente unió la embriología con la genética molecular. Uno de los primeros descubrimientos clave fue el de los genes homeóticos que regulan el desarrollo en una amplia gama de eucariotas.

El campo se compone de múltiples conceptos evolutivos centrales. Una es la homología profunda, el hallazgo de que órganos diferentes como los ojos de insectos, vertebrados y moluscos cefalópodos, que durante mucho tiempo se pensó que evolucionaron por separado, están controlados por genes similares como pax-6., del kit de herramientas de genes evo-devo. Estos genes son antiguos y están muy conservados entre los filos; generan los patrones en el tiempo y el espacio que dan forma al embrión y, en última instancia, forman el plan corporal del organismo. Otra es que las especies no difieren mucho en sus genes estructurales, como los que codifican enzimas; lo que sí difiere es la forma en que la expresión génica está regulada por los genes del conjunto de herramientas. Estos genes se reutilizan, sin cambios, muchas veces en diferentes partes del embrión y en diferentes etapas de desarrollo, formando una compleja cascada de control, activando y desactivando otros genes reguladores y estructurales en un patrón preciso. Esta reutilización pleiotrópica múltiple explica por qué estos genes están altamente conservados, ya que cualquier cambio tendría muchas consecuencias adversas a las que se opondría la selección natural.

Las variaciones en el juego de herramientas producen nuevas características morfológicas y, en última instancia, nuevas especies, ya sea cuando los genes se expresan en un nuevo patrón o cuando los genes del juego de herramientas adquieren funciones adicionales. Otra posibilidad es la teoría neolamarckiana de que los cambios epigenéticos se consolidan posteriormente a nivel genético, algo que puede haber sido importante al principio de la historia de la vida multicelular.

Historia

Recapitulación

Étienne Serres propuso una teoría de recapitulación del desarrollo evolutivo en 1824-1826, haciéndose eco de las ideas de 1808 de Johann Friedrich Meckel. Argumentaron que los embriones de los animales "superiores" atravesaron o recapitularon una serie de etapas, cada una de las cuales se asemejaba a un animal inferior en la gran cadena del ser. Por ejemplo, el cerebro de un embrión humano se parecía primero al de un pez, luego, a su vez, al de un reptil, ave y mamífero antes de volverse claramente humano. A esto se opuso el embriólogo Karl Ernst von Baer, ​​argumentando en 1828 que no había una secuencia lineal como en la gran cadena del ser, basada en un único plan corporal, sino un proceso de epigénesis en el que se diferencian las estructuras. En cambio, Von Baer reconoció cuatro planes corporales animales distintos: irradiar, como una estrella de mar; moluscos, como almejas; articulados, como langostas; y vertebrado, como peces. Entonces, los zoólogos abandonaron en gran medida la recapitulación, aunque Ernst Haeckel la revivió en 1866.

Morfología evolutiva

Desde principios del siglo XIX hasta la mayor parte del siglo XX, la embriología enfrentó un misterio. Se vio que los animales se convertían en adultos con un plan corporal muy diferente, a menudo a través de etapas similares, desde el huevo, pero los zoólogos no sabían casi nada sobre cómo se controlaba el desarrollo embrionario a nivel molecular y, por lo tanto, igualmente poco sobre cómo habían evolucionado los procesos de desarrollo. Charles Darwin argumentó que una estructura embrionaria compartida implicaba un ancestro común. Como ejemplo de esto, Darwin citó en su libro de 1859 Sobre el origen de las especies la larva del percebe, parecida a un camarón, cuyos adultos sésiles no se parecían en nada a otros artrópodos; Linnaeus y Cuvier los habían clasificado como moluscos.Darwin también notó el hallazgo de Alexander Kowalevsky de que el tunicado tampoco era un molusco, pero en su etapa larvaria tenía una notocorda y hendiduras faríngeas que se desarrollaron a partir de las mismas capas germinales que las estructuras equivalentes en los vertebrados y, por lo tanto, deben agruparse con ellos como cordados.

La zoología del siglo XIX convirtió así a la embriología en una ciencia evolutiva, conectando la filogenia con las homologías entre las capas germinales de los embriones. Los zoólogos, incluido Fritz Müller, propusieron el uso de la embriología para descubrir relaciones filogenéticas entre taxones. Müller demostró que los crustáceos compartían la larva de Nauplius, identificando varias especies parasitarias que no habían sido reconocidas como crustáceos. Müller también reconoció que la selección natural debe actuar sobre las larvas, tal como lo hace sobre los adultos, desmintiendo la recapitulación, que requeriría que las formas larvarias estén protegidas de la selección natural.A dos de las otras ideas de Haeckel sobre la evolución del desarrollo les ha ido mejor que la recapitulación: argumentó en la década de 1870 que los cambios en el tiempo (heterocronía) y los cambios en el posicionamiento dentro del cuerpo (heterotopía) de aspectos del desarrollo embrionario impulsarían la evolución cambiando la forma del cuerpo de un descendiente en comparación con el de un antepasado. Pasó un siglo antes de que se demostrara que estas ideas eran correctas. En 1917, D'Arcy Thompson escribió un libro sobre las formas de los animales, mostrando con matemáticas simples cómo pequeños cambios en los parámetros, como los ángulos de la concha espiral de un gasterópodo, pueden alterar radicalmente la forma de un animal, aunque él prefirió una forma mecánica a una evolutiva. explicación. Pero durante el próximo siglo, sin evidencia molecular, el progreso se estancó.

La síntesis moderna de principios del siglo XX.

En la llamada síntesis moderna de principios del siglo XX, Ronald Fisher reunió la teoría de la evolución de Darwin, con su insistencia en la selección natural, la herencia y la variación, y las leyes de la genética de Gregor Mendel en una estructura coherente para la biología evolutiva. Los biólogos asumieron que un organismo era un reflejo directo de los genes que lo componen: los genes codificados para las proteínas, que construyeron el cuerpo del organismo. Las vías bioquímicas (y, supusieron, nuevas especies) evolucionaron a través de mutaciones en estos genes. Era un cuadro simple, claro y casi completo: pero no explicaba la embriología.

El embriólogo evolutivo Gavin de Beer anticipó la biología del desarrollo evolutivo en su libro Embryos and Ancestors de 1930, al mostrar que la evolución podría ocurrir por heterocronía, como en la retención de características juveniles en el adulto. Esto, argumentó de Beer, podría causar cambios aparentemente repentinos en el registro fósil, ya que los embriones se fosilizan mal. Como las lagunas en el registro fósil se habían utilizado como argumento contra la evolución gradualista de Darwin, la explicación de De Beer apoyó la posición darwiniana. Sin embargo, a pesar de De Beer, la síntesis moderna ignoró en gran medida el desarrollo embrionario para explicar la forma de los organismos, ya que la genética de poblaciones parecía ser una explicación adecuada de cómo evolucionaban las formas.

El operón lac

En 1961, Jacques Monod, Jean-Pierre Changeux y François Jacob descubrieron el operón lac en la bacteria Escherichia coli. Era un grupo de genes, dispuestos en un bucle de control de retroalimentación, de modo que sus productos solo se fabricarían cuando los "activara" un estímulo ambiental. Uno de estos productos era una enzima que desdobla un azúcar, la lactosa; y la lactosa misma fue el estímulo que encendió los genes. Esto fue una revelación, ya que mostró por primera vez que los genes, incluso en organismos tan pequeños como una bacteria, están sujetos a un control preciso. La implicación era que muchos otros genes también estaban elaborados y regulados.

El nacimiento de evo-devo y una segunda síntesis

En 1977 comenzó una revolución en el pensamiento sobre la evolución y la biología del desarrollo, con la llegada de la tecnología del ADN recombinante a la genética y los trabajos Ontogeny and Phylogeny de Stephen J. Gould y Evolution by Tinkering de François Jacob. Gould puso fin a la interpretación de Haeckel de la embriología evolutiva, mientras que Jacob expuso una teoría alternativa. Esto condujo a una segunda síntesis, que finalmente incluyó la embriología, así como la genética molecular, la filogenia y la biología evolutiva para formar evo-devo. En 1978, Edward B. Lewis descubrió genes homeóticos que regulan el desarrollo embrionario en las moscas de la fruta Drosophila, que, como todos los insectos, son artrópodos, uno de los principales filos de animales invertebrados. Bill McGinnis descubrió rápidamente secuencias de genes homeóticos, homeoboxes, en animales de otros filos, en vertebrados como ranas, aves y mamíferos; más tarde también se encontraron en hongos como levaduras y en plantas. Evidentemente, había fuertes similitudes en los genes que controlaban el desarrollo en todos los eucariotas. En 1980, Christiane Nüsslein-Volhard y Eric Wieschaus describieron genes gap que ayudan a crear el patrón de segmentación en embriones de mosca de la fruta; ellos y Lewis ganaron un Premio Nobel por su trabajo en 1995.

Más tarde, se descubrieron similitudes más específicas: por ejemplo, en 1989 se descubrió que el gen Distal-less estaba involucrado en el desarrollo de apéndices o extremidades en moscas de la fruta, las aletas de los peces, las alas de los pollos, los parapodios de los gusanos anélidos marinos., las ampollas y sifones de los tunicados, y los pies tubulares de los erizos de mar. Era evidente que el gen debía ser antiguo, remontándose al último ancestro común de animales bilaterales (antes del Período Ediacárico, que comenzó hace unos 635 millones de años). Evo-devo había comenzado a descubrir las formas en que todos los cuerpos de los animales se construyeron durante el desarrollo.

El control de la estructura corporal.

Homología profunda

Los huevos aproximadamente esféricos de diferentes animales dan lugar a morfologías únicas, desde medusas hasta langostas, mariposas y elefantes. Muchos de estos organismos comparten los mismos genes estructurales para las proteínas constructoras del cuerpo, como el colágeno y las enzimas, pero los biólogos esperaban que cada grupo de animales tuviera sus propias reglas de desarrollo. La sorpresa de evo-devo es que la formación de cuerpos está controlada por un porcentaje bastante pequeño de genes, y que estos genes reguladores son antiguos, compartidos por todos los animales. La jirafa no tiene un gen para un cuello largo, como tampoco el elefante tiene un gen para un cuerpo grande. Sus cuerpos están modelados por un sistema de cambio que hace que el desarrollo de diferentes características comience más temprano o más tarde, ocurra en esta o aquella parte del embrión y continúe durante más o menos tiempo.

El enigma de cómo se controlaba el desarrollo embrionario comenzó a resolverse utilizando la mosca de la fruta Drosophila melanogaster como organismo modelo. El control paso a paso de su embriogénesis se visualizó mediante la unión de tintes fluorescentes de diferentes colores a tipos específicos de proteína elaborados por genes expresados ​​en el embrión. Un colorante como la proteína verde fluorescente, originaria de una medusa, se unía normalmente a un anticuerpo específico de una proteína de la mosca de la fruta, formando un indicador preciso de dónde y cuándo apareció esa proteína en el embrión vivo.

Usando tal técnica, en 1994 Walter Gehring descubrió que el gen pax-6, vital para formar los ojos de las moscas de la fruta, coincide exactamente con un gen que forma los ojos en ratones y humanos. El mismo gen se encontró rápidamente en muchos otros grupos de animales, como el calamar, un molusco cefalópodo. Los biólogos, incluido Ernst Mayr, creían que los ojos habían surgido en el reino animal al menos 40 veces, ya que la anatomía de los diferentes tipos de ojos varía ampliamente.Por ejemplo, el ojo compuesto de la mosca de la fruta está formado por cientos de pequeñas estructuras con lentes (ommatidia); el ojo humano tiene un punto ciego donde el nervio óptico ingresa al ojo, y las fibras nerviosas recorren la superficie de la retina, por lo que la luz tiene que pasar a través de una capa de fibras nerviosas antes de llegar a las células detectoras en la retina, por lo que la estructura está efectivamente "al revés"; en contraste, el ojo de cefalópodo tiene la retina, luego una capa de fibras nerviosas, luego la pared del ojo "al revés". La evidencia de pax-6, sin embargo, fue que los mismos genes controlaron el desarrollo de los ojos de todos estos animales, lo que sugiere que todos evolucionaron a partir de un ancestro común.Los genes antiguos se habían conservado a lo largo de millones de años de evolución para crear estructuras diferentes para funciones similares, lo que demuestra una profunda homología entre estructuras que alguna vez se pensó que eran puramente análogas. Esta noción se extendió posteriormente a la evolución de la embriogénesis y ha provocado una revisión radical del significado de homología en biología evolutiva.

Kit de herramientas de genes

Una pequeña fracción de los genes en el genoma de un organismo controla el desarrollo del organismo. Estos genes se denominan conjunto de herramientas genéticas del desarrollo. Están altamente conservados entre los filos, lo que significa que son antiguos y muy similares en grupos de animales muy separados. Las diferencias en el despliegue de los genes del conjunto de herramientas afectan el diseño del cuerpo y el número, la identidad y el patrón de las partes del cuerpo. La mayoría de los genes del kit de herramientas son parte de las vías de señalización: codifican factores de transcripción, proteínas de adhesión celular, proteínas receptoras de la superficie celular y ligandos de señalización que se unen a ellos, y morfógenos secretados que se difunden a través del embrión. Todos estos ayudan a definir el destino de las células indiferenciadas en el embrión. Juntos, generan los patrones en el tiempo y el espacio que dan forma al embrión y, en última instancia, forman el plan corporal del organismo.genes Hox. Estos factores de transcripción contienen el motivo de ADN de unión a proteínas homeobox, que también se encuentra en otros genes del conjunto de herramientas, y crean el patrón básico del cuerpo a lo largo de su eje de adelante hacia atrás. Los genes Hox determinan dónde crecerán las partes repetitivas, como las muchas vértebras de las serpientes, en un embrión o larva en desarrollo. Pax-6, ya mencionado, es un gen clásico del juego de herramientas. Aunque otros genes del conjunto de herramientas están involucrados en el establecimiento del plan corporal de la planta, los genes homeobox también se encuentran en las plantas, lo que implica que son comunes a todos los eucariotas.

Las redes reguladoras del embrión

Los productos proteicos del conjunto de herramientas reguladoras se reutilizan no por duplicación y modificación, sino por un mosaico complejo de pleiotropía, y se aplican sin cambios en muchos procesos de desarrollo independientes, dando forma a muchas estructuras corporales diferentes. Los loci de estos genes del conjunto de herramientas pleiotrópicas tienen elementos reguladores cis grandes, complicados y modulares. Por ejemplo, mientras que un gen de rodopsina no pleiotrópico en la mosca de la fruta tiene un elemento regulador cis de unos pocos cientos de pares de bases de largo, la región reguladora cis sin ojos pleiotrópica contiene 6 elementos reguladores cis en más de 7000 pares de bases.Las redes reguladoras involucradas son a menudo muy grandes. Cada proteína reguladora controla "de decenas a cientos" de elementos reguladores en cis. Por ejemplo, 67 factores de transcripción de la mosca de la fruta controlaron en promedio 124 genes diana cada uno. Toda esta complejidad permite que los genes implicados en el desarrollo del embrión se activen y desactiven exactamente en el momento adecuado y en el lugar exacto. Algunos de estos genes son estructurales, formando directamente enzimas, tejidos y órganos del embrión. Pero muchos otros son en sí mismos genes reguladores, por lo que lo que se activa es a menudo una cascada de cambios en el momento preciso, que implica activar un proceso de desarrollo tras otro en el embrión en desarrollo.

Esta red reguladora en cascada se ha estudiado en detalle en el desarrollo del embrión de la mosca de la fruta. El embrión joven tiene forma ovalada, como una pelota de rugby. Un pequeño número de genes produce ARN mensajeros que establecen gradientes de concentración a lo largo del eje longitudinal del embrión. En el embrión temprano, los genes bicoide y jorobado están en alta concentración cerca del extremo anterior y dan forma a la futura cabeza y tórax; los genes caudal y nanos están en alta concentración cerca del extremo posterior y dan patrón a los segmentos abdominales posteriores. Los efectos de estos genes interactúan; por ejemplo, la proteína Bicoid bloquea la traducción de caudal's ARN mensajero, por lo que la concentración de proteína Caudal se vuelve baja en el extremo anterior. Caudal luego activa los genes que crean los segmentos posteriores de la mosca, pero solo en el extremo posterior donde está más concentrado.

Las proteínas Bicoid, Hunchback y Caudal, a su vez, regulan la transcripción de genes gap como el gigante, knirps, Krüppel y tailless en un patrón rayado, creando el primer nivel de estructuras que se convertirán en segmentos. Las proteínas de estos, a su vez, controlan los genes de la regla de pares, que en la siguiente etapa establecen 7 bandas a lo largo del eje longitudinal del embrión. Finalmente, los genes de polaridad del segmento, como engrailed, dividieron cada una de las 7 bandas en dos, creando 14 segmentos futuros.

Este proceso explica la conservación precisa de las secuencias de genes del conjunto de herramientas, lo que ha resultado en una profunda homología y equivalencia funcional de las proteínas del conjunto de herramientas en animales diferentes (visto, por ejemplo, cuando una proteína de ratón controla el desarrollo de la mosca de la fruta). Las interacciones de los factores de transcripción y los elementos reguladores en cis, o de las proteínas de señalización y los receptores, se bloquean a través de múltiples usos, lo que hace que casi cualquier mutación sea perjudicial y, por lo tanto, sea eliminada por la selección natural.

Los orígenes de la novedad.

Entre los resultados más sorprendentes y, tal vez, contrarios a la intuición (desde un punto de vista neodarwiniano) de investigaciones recientes en biología del desarrollo evolutivo se encuentra que la diversidad de planes corporales y morfología en organismos a través de muchos filos no se refleja necesariamente en la diversidad al nivel de la secuencias de genes, incluidos los del conjunto de herramientas genéticas del desarrollo y otros genes involucrados en el desarrollo. De hecho, como han señalado John Gerhart y Marc Kirschner, existe una aparente paradoja: "donde más esperamos encontrar variación, encontramos conservación, falta de cambio". Entonces, si la novedad morfológica observada entre diferentes clados no proviene de cambios en las secuencias de genes (como por mutación), ¿de dónde proviene? La novedad puede surgir por cambios en la regulación génica impulsados ​​por mutaciones.

Variaciones en el juego de herramientas

Las variaciones en el conjunto de herramientas pueden haber producido una gran parte de la evolución morfológica de los animales. El conjunto de herramientas puede impulsar la evolución de dos maneras. Un gen del kit de herramientas se puede expresar en un patrón diferente, como cuando el gen BMP agrandó el pico del pinzón terrestre grande de Darwin, o cuando las serpientes perdieron sus patas cuando el extremo distal se subexpresó o no se expresó en absoluto en los lugares. donde otros reptiles continuaron formando sus extremidades. O bien, un gen del conjunto de herramientas puede adquirir una nueva función, como se ve en las muchas funciones de ese mismo gen, distal-less, que controla estructuras tan diversas como la mandíbula en los vertebrados, las patas y las antenas en la mosca de la fruta y el patrón de manchas oculares en la mariposa. alas.Dado que pequeños cambios en los genes de la caja de herramientas pueden causar cambios significativos en las estructuras corporales, a menudo han permitido la misma función de forma convergente o en paralelo. distal-less genera patrones de alas en las mariposas Heliconius erato y Heliconius melpomene, que son imitaciones müllerianas. En la llamada variación facilitada, sus patrones de alas surgieron en diferentes eventos evolutivos, pero están controlados por los mismos genes. Los cambios en el desarrollo pueden contribuir directamente a la especiación.

Consolidación de cambios epigenéticos

En ocasiones, la innovación evolutiva puede comenzar al estilo lamarckiano con alteraciones epigenéticas de la regulación génica o la generación de fenotipos, consolidadas posteriormente por cambios a nivel genético. Los cambios epigenéticos incluyen la modificación del ADN por metilación reversible, así como la remodelación no programada del organismo por efectos físicos y ambientales debido a la plasticidad inherente de los mecanismos de desarrollo. Los biólogos Stuart A. Newman y Gerd B. Müller han sugerido que los organismos tempranos en la historia de la vida multicelular eran más susceptibles a esta segunda categoría de determinación epigenética que los organismos modernos, proporcionando una base para cambios macroevolutivos tempranos.

Sesgo de desarrollo

El desarrollo en linajes específicos puede estar sesgado ya sea positivamente, hacia una trayectoria o fenotipo dado, o negativamente, lejos de producir ciertos tipos de cambios; o bien puede ser absoluto (el cambio se produce siempre o nunca) o relativo. Sin embargo, es difícil obtener evidencia de tal dirección en la evolución y también puede ser el resultado de restricciones de desarrollo que limitan la diversificación.Por ejemplo, en los gasterópodos, la concha tipo caracol siempre se construye como un tubo que crece tanto en longitud como en diámetro; La selección ha creado una amplia variedad de formas de conchas, como espirales planas, caracoles y espirales de torre alta dentro de estas limitaciones. Entre los ciempiés, los Lithobiomorpha siempre tienen 15 segmentos de tronco cuando son adultos, probablemente como resultado de un sesgo de desarrollo hacia un número impar de segmentos de tronco. Otro orden de ciempiés, los Geophilomorpha, el número de segmentos varía en diferentes especies entre 27 y 191, pero el número siempre es impar, lo que hace que esto sea una restricción absoluta; casi todos los números impares de ese rango están ocupados por una u otra especie.

Biología del desarrollo evolutiva ecológica

La biología del desarrollo evolutivo ecológico integra la investigación de la biología del desarrollo y la ecología para examinar su relación con la teoría evolutiva. Los investigadores estudian conceptos y mecanismos como la plasticidad del desarrollo, la herencia epigenética, la asimilación genética, la construcción de nichos y la simbiosis.