Hace unos 360 millones de años, nuestros antepasados peces se trasladaron del agua a la tierra. En el camino, sus aletas se convirtieron en pies, con dedos de los pies. Y cientos de millones de años después, el par delantero evolucionó en manos.
Para comprender esta profunda transformación evolutiva, los científicos han pasado décadas estudiando los fósiles de peces extintos que lucían aletas en forma de extremidades. También han comparado los embriones de peces y vertebrados terrestres modernos para comprender cómo se desarrollan sus aletas y extremidades.
Ahora, la tecnología precisa de edición de ADN conocida como CRISPR está permitiendo a los científicos reconstruir este antiguo cambio evolutivo en detalle molecular. Resulta que las manos y los pies no eran productos de nuevos genes que hacían cosas nuevas. Más bien, a través de la selección natural, piezas de viejas recetas genéticas para partes antiguas del cuerpo se improvisaron en nuevas combinaciones.
«Es mucho más fácil que si tuvieras que construir desde cero», dijo Aurélie Hintermann, investigadora postdoctoral del Instituto Stowers de Investigación Médica, en Kansas City, Missouri.
El miércoles, la Dra. Hintermann y sus colegas mostraron cuán antiguas eran algunas de esas piezas: la receta para construir manos se tomó prestada en parte de la de nuestras regiones inferiores.
Hintermann y sus colegas llevaron a cabo su estudio rastreando la actividad de los genes en los embriones en desarrollo. Un embrión comienza como un óvulo fertilizado con un solo conjunto de genes; Luego se divide en nuevas células, cada una de las cuales hereda esos mismos genes. Pero en el camino, las células activan y desactivan estos genes en diferentes patrones, lo que les permite convertirse en tejidos y órganos particulares. Las células también envían moléculas que hacen que los vecinos cambien su propia melodía genética.
Esas moléculas de señalización activan genes al agarrar ADN en una ubicación precisa, como una llave girando en una cerradura. Muchos genes necesitan varias llaves para abrir cerraduras antes de que puedan activarse.
Los científicos han identificado algunas de las cerraduras que permiten que los embriones de humanos y otras especies desarrollen extremidades. En 2011, Denis Duboule, biólogo de la Universidad de Ginebra, y sus colegas descubrieron media docena de cerraduras moleculares sentadas una al lado de la otra a lo largo de un tramo de ADN llamado 5DOM. Cuando 5DOM fue cortado del ADN de un embrión de ratón, al embrión le crecieron piernas pero no le crecieron pies.
El Dr. Duboule y sus colegas se preguntaron cómo evolucionó este conjunto crucial de cerraduras. ¿Surgió cuando nuestros antepasados llegaron por primera vez a tierra y desarrollaron extremidades? ¿O existía antes, en nuestros antepasados con aletas?
Para abordar esa pregunta, Christopher Bolt, entonces estudiante graduado en el laboratorio del Dr. Duboule, buscó en el genoma del pez cebra. Descubrió que también tenía 5DOM.
El pez cebra y los mamíferos comparten un antiguo ancestro común que vivió hace más de 400 millones de años. El descubrimiento del equipo de Ginebra sugirió que este ancestro primordial ya tenía 5DOM. Y si todavía estaba intacto en el pez cebra, debe estar haciendo algo en sus embriones. «No podría estar allí por casualidad», dijo el Dr. Hintermann.
La Dra. Hintermann, quien se hizo cargo del proyecto mientras trabajaba en el laboratorio de Ginebra, cultivó embriones de pez cebra de los que había eliminado los bloqueos 5DOM, usando CRISPR. Si las esclusas fueron importantes en el desarrollo de las aletas de los peces, eliminarlas podría revelar cómo.
Para su sorpresa, eliminar 5DOM tuvo poco efecto en las aletas en desarrollo. Pero interrumpió una región en la parte inferior de la cola del pez cebra, donde hay dos aberturas: el ano y un orificio para la vejiga y los órganos sexuales.
Esta sorpresa llevó a los investigadores a observar más de cerca la misma región en embriones de ratón. Aquí obtuvieron una segunda sorpresa: 5DOM también desbloquea los genes que construyeron esa región en los mamíferos.
Estos y otros experimentos llevaron a los científicos a una nueva hipótesis para la evolución de los dedos de las manos y los pies. La historia comienza hace 500 millones de años, con el pez más antiguo y simple. Sus cuerpos eran poco más que cabezas conectadas a cuerpos largos en forma de cinta; tragaron comida, que se abrió camino por un largo tracto digestivo hasta que los restos escaparon por el ano. Se usaba una abertura cercana para el sexo y la liberación de orina.
Los embriones de este protopez desbloquearon diferentes genes para crear las diferentes partes de su cuerpo. En el otro extremo, 5DOM desbloqueó los genes del ano, así como la abertura de su uretra y órganos sexuales.
Esa receta genética no ha cambiado en quinientos millones de años. Es por eso que 5DOM todavía controla el desarrollo de esa región tanto en el pez cebra como en los ratones, y en nosotros.
Pero hace unos 360 millones de años, proponen los científicos, 5DOM experimentó un cambio evolutivo. Ahora podría construir no solo nuestras regiones inferiores, sino también nuestros dedos de las manos y los pies.
M. Brent Hawkins, biólogo evolutivo de Harvard y autor del estudio, comparó el reciclaje de 5DOM con las canciones recicladas por los músicos. «Es como si Jay-Z se inspirara en viejas melodías de programas y sampleara 'It's the Hard Knock Life'», dijo.
Las manos y las partes inferiores pueden parecer tener poco en común, pero hay algunas similitudes clave. Por un lado, ambos son extremidades: en los primeros peces, 5DOM desbloqueó genes que determinaban la anatomía en el otro extremo del cuerpo. En una extremidad en desarrollo, los dedos de las manos y los pies también se desarrollan en el otro extremo.
Pero Neil Shubin, biólogo evolutivo de la Universidad de Chicago y otro autor del estudio, dijo que los cambios evolutivos precisos que le habían dado a 5DOM su nuevo trabajo siguen siendo un misterio.
«Nos tomó por sorpresa», dijo. «Tenemos algunos deberes que hacer para averiguar cómo sucedió».