Evo-Devo: the origin of novelty in evolution

Article published in November 2015

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2015.11.1

Ramón Muñoz-Chápuli

Animal Biology Dept., University of Málaga
chapuliemailuma.es

 

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A relatively small set of genes is responsible of the embryonic development of all animals. An emergent discipline, Evo-Devo, studies how the mutations affecting the spatiotemporal pattern of expression of these genes generate evolutionary novelty and morphological diversity. This approach allows to investigate the causes of the large evolutionary changes and also to study them from an experimental point of view.

La visión tópica y popular de la evolución parte del concepto de selección natural. La idea generalizada es que la selección natural va "escogiendo" las variedades de seres vivos más adaptados a su medio, aumentando gradualmente la biodiversidad. Cuando Charles Darwin lanzó esta idea, algunos advirtieron una debilidad en el argumento. La selección natural sólo puede actuar sobre lo que ya existe. Por tanto, debe existir algún mecanismo previo que genere novedades. Darwin había propuesto que las pequeñas variaciones individuales constituían la materia prima para el trabajo de la selección natural. A partir de 1900, cuando se redescubren las leyes de Mendel, entra en escena la idea de la mutación como generadora de variedad. Tres décadas después, selección natural y mutación se combinaron en lo que se llamó la Teoría Sintética de la Evolución. Pero en la imagen generalizada de la evolución, la selección natural sigue siendo un agente fundamental del proceso.
Es cierto que las mutaciones contribuyen a la diversidad genética de las poblaciones sometidas a la selección natural. Pero también es cierto que entre todos los genes sólo un grupo minoritario participa en la construcción de un organismo animal, y es responsable del despliegue de su morfología durante el desarrollo embrionario. La inmensa mayoría de los genes hace funcionar la maquinaria celular, pero sólo unos pocos regulan la interacción entre células a lo largo del desarrollo para generar formas. Y más notable aún, estos genes son los mismos para todos los animales. Los mismos genes participan en la construcción de una mosca, un gusano o un ratón. Sirvan de ejemplo los genes del complejo Hox, que regulan la organización anteroposterior del cuerpo en todos los animales bilaterales, y que ya han sido tratados en esta sección (1). Es el caso también de genes como Pax-6 o Nkx2.5 implicados en desarrollo ocular y cardiogénesis, respectivamente (2,3). Este conjunto de genes pertenece a lo que llamamos toolkit o caja de herramientas genéticas para la construcción del organismo. Es evidente que sus mutaciones deben tener consecuencias drásticas para el desarrollo, generando cambios en las formas. Obviamente, la mayoría de estas novedades será inviable, pero unas pocas podrán perpetuarse y dar lugar a nuevos grupos de
organismos. La disciplina emergente que estudia esta relación entre desarrollo y evolución se conoce como Evo-Devo (4).
Las mutaciones relevantes para la Evo-Devo no deben afectar directamente al producto del gen, que está extraordinariamente conservado a lo largo de la evolución. De hecho, las herramientas del toolkit llegan a ser incluso intercambiables entre organismos. El gen HoxD4 humano es capaz de reemplazar a su ortólogo Deformed en Drosophila (5). El gen humano Pax-6 no rescata la falta de función de su ortólogo en esta mosca, pero sí es capaz de dirigir el desarrollo de ojos ectópicos en discos imaginales (2).
Por tanto, si los genes reguladores del desarrollo están tan conservados, ¿por qué hay diversidad de formas? Es en los elementos reguladores, los enhancers y promotores que regulan temporal y espacialmente la expresión de los genes del toolkit, donde las mutaciones causarán cambios en el momento o lugar en el que estos genes actúan. Así, sabemos que las serpientes perdieron sus patas anteriores por una expansión anterior del dominio de expresión de genes del grupo HoxC, que definen la identidad torácica (6). El alargamiento de las falanges de las alas de los murciélagos se debe a la actuación más intensa y prolongada de enhancers de genes que regulan la condrificación, como BMP-2 (7) (Figura 1). La transición de la aleta a la pata de los tetrápodos probablemente implicó cambios espaciales en el dominio de expresión de genes distales del grupo HoxD, originando nuevos ejes de condrificación que resultaron en los dedos (8). La diversidad de organización de segmentos corporales en los artrópodos se explica también por cambios en la expresión de genes del complejo Hox, particularmente Ultrabithorax y Abd-A, equivalentes a los genes Hox posteriores que regulan regiones concretas de nuestra columna vertebral (9). Es más, muchas características diferenciales de los seres humanos respecto de los chimpancés se explican por procesos de heterocronía relacionados con ritmos y velocidades de procesos del desarrollo embrionario.
Esto nos lleva a una posibilidad excitante. Si conocemos los procesos de regulación génica que generan novedad evolutiva, podríamos intervenir experimentalmente en ellos. Es imaginable devolver las patas a las serpientes, o generar nuevas especies de artrópodos. Ya ha habido intentos de insertar elementos reguladores de genes de murciélagos en ratones, aunque estamos muy lejos del "ratón volador" (Figura 1). En España, Fernando Casares y José Luis Gómez-Skarmeta sobreexpresaron HoxD13 en el pez cebra, generando morfologías nuevas en las aletas pectorales, incluyendo tejido óseo distal, tal como ocurre en las patas de los tetrápodos (8). En el terreno de la ficción, Parque Jurásico desaprovechó una excelente opción. En lugar de generar dinosaurios a partir de ADN fósil, hubiera podido plantear la manipulación genética de aves, revirtiendo los cambios que dieron lugar a este grupo de animales y rescatando su fenotipo ancestral dinosauroide. Esta vía parece bastante más factible que la propuesta original, si se desarrollaran técnicas eficaces de transgénesis en aves.
Evo-Devo puede explicar el origen de grandes novedades en evolución (macroevolución), del mismo modo que la Teoría Sintética estudia a otro nivel la adaptación de las poblaciones (microevolución). En cualquier caso, la selección natural parece perder protagonismo como proceso "creador" o modelador de la diversidad orgánica. En su lugar, la generación contingente de novedades por mutación podría desempeñar un papel análogo al que Epicuro asignó al azar, al que consideraba principio rector de la Naturaleza.

 

 Figura Ramon Muñoz Chapuli

 

Figura. Evo-Devo experimental. A: Las alas de los murciélagos derivan de las patas ancestrales por un alargamiento de las falanges. Esto probablemente se debe a la actuación prolongada de elementos reguladores de la expresión de genes que inducen la condrificación, de hecho BMP-2 es expresado a altos niveles en las falanges de los murciélagos. B: En ratones transgénicos en los que el enhancer endógeno del gen Prx1 fue reemplazado por el enhancer BatE de murciélago, los dedos se alargan un promedio del 6%. Este experimento se describe en Cretekos CJ, et al. Genes Dev. 2008;22:141–51. Figura reproducida de Brief. Funct. Genomics Proteomics. (referencia 7), con licencia de Oxford University Press.

REFERENCES

1) Torres, M. 2010. http://www.sebbm.es/ES/divulgacion-ciencia-para-todos_10/miguel-torres---octubre-2010-desarrollo-embrionario_429)
2) Gehring WJ, Ikeo K. 1999. Trends Genet. 15: 371-377.
3) Xavier-Neto J, Castro RA, Sampaio AC, Azambuja AP, Castillo HA, Cravo RM, Simões-Costa MS. 2007. Cell. Mol. Life. Sci. 64: 719-734.
4) Carroll SB. 2005. PLoS Biol. 3(7): e245.
5) McGinnis N, Kuziora MA, McGinnis W. 1990. Cell 63: 969-976.
6) Cohn MJ, Tickle C. 1999. Nature. 1999 399: 474-479.
7) Jiménez-Delgado S, Pascual-Anaya J, Garcia-Fernàndez J. 2009. Brief. Funct. Genomics Proteomics. 8: 266-275.
8) Freitas R1, Gómez-Marín C, Wilson JM, Casares F, Gómez-Skarmeta JL. 2012. Dev. Cell. 23: 1219-1229.
9) Averof M, Akam M. 1995. Nature 376: 420-423.

 

 

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Interview

Ramón Muñoz-Chápuli
Animal Biology Dept. University of Málaga

chapuliemailuma.es

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Puede sonar tópico, pero creo que desde niño. Cuando tenía seis o siete años mis padres adquirieron una enciclopedia dirigida a los niños y adolescentes. El tomo dedicado a la Ciencia era mi favorito, y lo releí hasta casi memorizarlo. Más adelante reuní libros de divulgación sobre astronomía, física, química... Y finalmente me decidí cuando tenía quince años a estudiar Biología. En el fondo pertenezco a esa generación de biólogos a la que tanto influyó Félix Rodríguez de la Fuente. Pero la verdad es que mi vocación y mi fascinación por el fenómeno de la vida no ha hecho más que crecer con el tiempo. La capacidad de la Biología para sorprendernos continuamente parece inagotable, y es difícil decir esto de cualquier otra disciplina o tarea humana.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician sus carreras científicas?

R.- Probablemente un 50% de imaginación creativa y capacidad para relacionar y combinar conceptos, un 50% de constancia y tenacidad, y un 100% adicional de amor y entusiasmo hacia su trabajo. El trabajo del investigador es excepcional en el sentido de que cada día nos trae una aventura o un desafío nuevo. Saber por qué el experimento no sale, o qué significa un resultado inesperado, o cómo interpretar las observaciones. Esta es la parte positiva y excitante, el lado oscuro lo componen las dificultades para hacer ciencia en la actualidad, con presupuestos reducidos, burocracia excesiva, dedicación a cuestiones administrativas al margen de lo científico... A los jóvenes investigadores debemos advertirles de que van a encontrar unas dificultades enormes, mucho mayores que las que tuvimos nosotros que afrontar. Esa es la explicación de que en el cóctel que he mencionado antes, los ingredientes sumen un 200%.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Como he reflejado en el artículo de divulgación, me interesa mucho conocer cómo han surgido en la evolución las distintas innovaciones que han llevado a organizar, en los vertebrados, un sistema circulatorio absolutamente excepcional en el Reino Animal. Creo que se insiste poco en que si los vertebrados son activos y grandes (de hecho alcanzan los mayores tamaños entre los animales), es gracias a la existencia de un sistema cardiovascular altamente especializado, eficiente y potente que distribuye oxígeno y nutrientes por todo el cuerpo y retira los desechos. Pensemos, por ejemplo, que el endotelio vascular es un "invento" de los vertebrados. Y más allá de un simple revestimiento interno de los vasos, el endotelio implica cooperación con el sistema inmune, control del tono vascular y regulación de la angiogénesis, el proceso que permite el crecimiento de los vasos por todo el organismo. Nosotros hemos propuesto un escenario para explicar el origen de esta innovación evolutiva.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX?

R.- Todo lo que ha llevado a la comprensión del fenómeno de la vida en términos moleculares, fisicoquímicos, debería ser la respuesta obvia. Pero me gustaría destacar lo que ha supuesto para la ciencia y para la humanidad en general el fenómeno Internet. El trabajo científico ha sido radicalmente transformado por Internet, a la hora de recoger, almacenar y procesar información, a la hora de comunicarnos entre nosotros, colaborar, consultar dudas y difundir nuestros resultados. El avance del conocimiento en las últimas décadas debe mucho a Internet.

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Como en tantos otros ámbitos, yo echo de menos una auténtica política científica de estado. Echo en falta un consenso político y social sobre qué investigación científica queremos, de qué tamaño y con qué financiación. Sobre cuáles deben ser sus objetivos y cómo deben evaluarse sus resultados. No se puede entender la investigación como una parte del proceso productivo o del mercado, sino como una empresa humana colectiva para hacer retroceder la frontera del desconocimiento. Y aquí no hay disyuntiva entre ciencia básica o aplicada. Es necesario que todos entendamos que cuando utilizamos un aparato electrónico, vemos la televisión, ponemos el aire acondicionado o viajamos en avión, nos beneficiamos del resultado final del trabajo de miles de científicos conocidos o anónimos, que hicieron ciencia básica o aplicada, con mayor o menor apoyo y reconocimiento público. Si queremos resolver los desafíos que sigue teniendo la humanidad, por no mencionar a los nuevos y graves problemas que estamos generando, hay que sostener la investigación científica.

 

Biography

Ramón Muñoz-Chápuli
Animal Biology Dept., University of Málaga
chapuliemailuma.es

Ramón Muñoz-Chápuli (Granada, 1956). Licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad de Granada y Doctor por la Universidad de Málaga. Catedrático de Biología Animal en la UMA desde 1999. En una primera etapa de su carrera realizó investigaciones sobre Ictiología y Anatomía Comparada. A partir de 1995 cambió su línea de investigación hacia la Biología del Desarrollo, estudiando primero el desarrollo cardiaco en elasmobranquios, y más tarde el desarrollo del sistema cardiovascular de aves y mamíferos. Su interés se centra en el control genético de la diferenciación de los diferentes elementos que constituyen el sistema cardiovascular, utilizando para ello modelos transgénicos de ratón. Recientemente ha realizado también investigaciones sobre las relaciones entre desarrollo y evolución de corazón, vasos y células sanguíneas. Es autor de un centenar de publicaciones sobre estos temas. Ha sido vocal y presidente de la Ponencia de Ciencias de la Naturaleza de la CNEAI. En la actualidad dirige la Escuela de Doctorado de la Universidad de Málaga.

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