Investigación

La aparición de extremidades en vertebrados se debió a un cambio en la organización 3D del genoma

El trabajo, liderado desde el CABD (CSIC-UPO-Junta de Andalucía), ha sido publicado en la revista ‘Nature Genetics’

Un estudio internacional liderado por el Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (centro mixto de investigación del CSIC, la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla y la Junta de Andalucía) ha demostrado que la región del genoma que contiene los genes Hox, esenciales para la formación de múltiples estructuras de los animales, ha sufrido un cambio en su estructura 3D en la transición de invertebrados a vertebrados que ha sido fundamental para el correcto desarrollo de las extremidades. El estudio ha sido publicado en la revista Nature Genetics.

ilustración: organización tridimensional de los genes hox (amarillos) en pez cebra (izquierda) y Amphioxus (derecha). En vertebrados hay dos compartimentos (zona roja y zona azul) mientras que en amphioxus el complejo se organiza en un solo compartimento
Organización tridimensional de los genes hox (amarillos) en pez cebra (izquierda) y Amphioxus (derecha). En vertebrados hay dos compartimentos (zona roja y zona azul) mientras que en amphioxus el complejo se organiza en un solo compartimento

Los genes Hox son fundamentales para la construcción de todos los animales. Así, por ejemplo, se requieren para establecer el eje desde la cabeza a la cola y también para formar las extremidades. En el genoma están formando un complejo en los cuales los distintos genes se disponen en tándem, unos detrás de otro. A ambos lados del complejo Hox existe una amplia región genómica repleta de elementos reguladores necesarios para controlar la activación de estos genes de forma muy precisa. Para la correcta formación de las extremidades, es esencial que los elementos reguladores que están un lado del genoma solo enciendan los genes Hox de ese lado, mientras que los interruptores al lado contrario del complejo Hox, solo deben controlar a sus genes más cercanos. Puesto que los genes Hox están todos muy juntos, unos pegados a otros, en los vertebrados, el complejo Hox esta partido en dos compartimentos (ovillos) diferentes, uno con los genes de un lado y todo los elementos reguladores localizados en ese lado del genoma, y otro similar en el otro lado del complejo.

José Luis Gómez-Skarmeta
José Luis Gómez-Skarmeta

El grupo del profesor José Luis Gómez Skarmeta, del CSIC y la Universidad Pablo de Olavide (UPO), junto con el grupo de Biología Computacional del Dr. Damien Devos, de la UPO, y el grupo del Dr. Héctor Escivá, de la Estación Marina de Banyuls en Francia, han demostrado que dicha  organización 3D del complejo Hox es una innovación evolutiva de vertebrados.

Mediante técnicas genómicas, ensayos de transgénesis en peces y modelos computacionales, este equipo ha demostrado que el complejo Hox del amphioxus, un cefalocordado marino parecido a un gusano, que sin embargo es el animal invertebrado vivo más parecido al ancestro de todos los vertebrados, carece de esa división tridimensional en dos compartimentos. De hecho, el complejo Hox de dicho organismo está organizado en un único compartimento que contiene todos los genes y una extensa región a un lado del genoma rica en elementos reguladoras. “Esto nos ha permitido postular una hipótesis según la cual, en la transición entre invertebrados y vertebrados, la aparición de numerosas regiones reguladoras al otro lado del complejo tuvo lugar en paralelo con la partición del complejo en dos compartimentos, para evitar que dichas regiones nuevas afectaran a los genes del otro lado del complejo”, explica Gómez Skarmeta.

El estudio evidencia la importancia de la co-evolución de información reguladora y organización tridimensional del genoma. Para el investigador del CABD, “es evidente que la alteración de esta subdivisión en compartimentos de la cromatina en dominios tridimensionales, en gran medida, puede ser fuente de graves patologías. De hecho, estudios recientes han demostrado como la fusión de dos compartimentos puede causar diferentes malformaciones al activarse determinados genes con interruptores de un compartimento vecino”.

 


Rafael D Acemel, Juan J Tena, Ibai Irastorza, Ferdinand Marlétaz, Carlos Gómez-Marín, Elisa de la Calle Mustienes, Stéphanie Bertrand, Sergio G Diaz, Daniel Aldea, Jean-Marc Aury, Sophie Mangenot, Peter W H Holland, Damien P Devos, Ignacio Maeso, Hector Escrivá & José Luis Gómez-Skarmeta. A single three-dimensional chromatin compartment in amphioxus indicates a stepwise evolution of vertebrate Hox bimodal regulation. Nature Genetics. DOI: 10.1038/ng.3497