Caminar erguido, una cuestión de genes

Investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford y el Instituto Hudson Alpha de Biotecnología en Huntsville, Alabama, ambos en Estados Unidos, han identificado un cambio en la expresión de genes entre los humanos y los primates que puede haber ayudado al ser humano a caminar erguido.

Estos expertos lo identificaron mediante el estudio de un pequeño pez llamado espinoso (’Gasterosteus aculeatus’) que ha evolucionado radicalmente diferentes estructuras esqueléticas para que coincida con los entornos de todo el mundo.

«Es un poco raro tener un proyecto de investigación que abarca desde los peces hasta los seres humanos, pero está claro que ajustar los niveles de expresión de moléculas llamadas proteínas morfogenéticas óseas puede resultar en cambios significativos no sólo en la armadura esquelética del pez espinoso sino también en el desarrollo posterior de las extremidades de los seres humanos y los primates», dice David Kingsley, profesor de Biología del Desarrollo en Stanford.

«Este cambio es probablemente parte de la razón por la que hemos evolucionado de tener una pata trasera como una agarra como la de un chimpancé a una estructura de soporte de peso que nos permite caminar sobre dos piernas», detalla Kingsley, quien también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes y autor principal del artículo que describe este trabajo que se publica en la edición digital de este jueves de ‘Cell’.

Este pez espinoso de tres espinas es destacable porque ha evolucionado para tener muchas diferentes estructuras del cuerpo para equiparse para la vida en diferentes partes del mundo. Muestra un exterior de placas óseas y espinas que actúan como una armadura para protegerlo de los depredadores.

En ambientes marinos, las placas son grandes y gruesas; en agua dulce, los peces han evolucionado para tener placas más ligeras y más pequeñas, tal vez para mejorar la flotabilidad, aumentar la flexibilidad del cuerpo y mejorar el deslizamiento de las garras de los grandes insectos hambrientos.

Kingsley y sus colegas querían identificar las regiones del genoma del pez responsables de las diferencias esqueléticas que se han desarrollado en las poblaciones naturales. Estos expertos identificaron la zona del genoma responsable de controlar el tamaño de la placa de la armadura y luego buscaron diferencias que hay en once pares de peces marinos y de agua dulce con diferentes tamaños de las placas de armadura. Se centraron en una región que incluye el gen para un familiar de la proteína morfogenética ósea llamada GDF6.

Debido a cambios en la secuencia reguladora de ADN cerca de este gen, los espinosos de agua dulce expresan niveles más altos de GDF6, mientras que sus primos de agua salada expresan menos. Sorprendentemente, los peces marinos diseñados mediante ingeniería genética para contener la secuencia reguladora de peces de agua dulce expresaron niveles más altos de GDF6 y desarrollaron placas de armadura más pequeñas, como vieron los investigadores.

Kingsley y sus colegas se preguntaron si los cambios en los niveles de expresión de GDF6 también podrían haber contribuido a modificaciones esqueléticas críticas durante la evolución humana. La posibilidad no era tan descabellada como podría parecer, ya que otros estudios realizados por biólogos evolutivos, incluyendo Kingsley, han demostrado que cambios pequeños en las regiones reguladoras de genes clave del desarrollo pueden tener profundos efectos en muchos vertebrados.

Empezaron trabajando con colegas en el laboratorio de Gill Bejerano, profesor asociado de Biología del Desarrollo, Informática y Pediatría en Stanford, para comparar las diferencias en los genomas de los chimpancés y los seres humanos. En análisis anteriores, se encontraron más de 500 lugares en los que los seres humanos han perdido regiones reguladoras que se conservan de los chimpancés y muchos otros mamíferos y dos de ellos se producen cerca del gen GDF6.

Estos investigadores se centraron en uno en particular. «Esta información reguladora se comparte a través de unos 100 millones de años de evolución --resalta Kingsley--. Y, sin embargo, sorprendentemente, esta región no se encuentra en los seres humanos».

Los científicos utilizaron el ADN regulatorio del chimpancé para controlar la producción de una proteína que es fácil de visualizar en ratones. Los ratones de laboratorio con el ADN regulatorio del chimpancé acoplado a la proteína indicadora expresan fuertemente y específicamente la proteína en sus extremidades traseras, pero no en sus extremidades anteriores, y en sus dedos de los pies laterales, pero no en los dedos gordos de los miembros posteriores.

Los ratones genéticamente modificados para carecer de la capacidad de producir GDF6 en cualquier parte de su cuerpo presentaban los huesos del cráneo más pequeños de lo normal y sus dedos de los pies eran más cortos que los de sus compañeros. En conjunto, estos hallazgos dieron a los investigadores una pista de que GDF6 podría desempeñar un papel fundamental en el desarrollo de las extremidades y la evolución.

El hecho de que los seres humanos estén perdiendo la región reguladora de las extremidades posteriores probablemente significa que expresan menos del gen en las piernas y los pies durante el desarrollo, pero cantidades comparables en sus brazos en crecimiento, las manos y los cráneos.

La pérdida de esta secuencia reguladora en particular también acortaría los dedos laterales, pero no el primer dedo del pie, lo que puede ayudar a explicar por qué el dedo gordo del pie se alinea con otros dedos cortos y laterales en los seres humanos. Dicha modificación crearía un pie más robusto con el que caminar erguidos.

«Estas proteínas óseas morfogenéticas son fuertes señales de crecimiento de hueso y cartílago en todos los tipos de animales», afirma Kingsley. «Se pueden desarrollar nuevas estructuras esqueléticas cambiando dónde y cuándo se expresan las señales y es muy satisfactorio ver principios reguladores similares en acción si se cambia la armadura de un pez espinoso o cambios en las estructuras específicas traseras de las extremidades durante la evolución humana», concluye.