Fa 700 milions d'anys, per primera vegada va sorgir una criatura notable. Tot i que potser no era "gran cosa" per veure en els estàndards actuals, l'animal tenia una part davantera i una part posterior, una part superior i una part inferior. Aquesta va ser una adaptació trencadora en aquell moment, i que va establir el pla corporal bàsic que la majoria dels animals complexos, inclosos els humans, finalment heretarien.
L'inconspicu animal residia en els antics mars de la Terra, probablement arrossegant-se pel fons marí. Aquest va ser l'últim avantpassat comú dels bilaterals, un vast supergrup d'animals que inclou vertebrats (peixos, amfibis, rèptils, ocells i mamífers), i invertebrats (insectes, artròpodes, mol·luscs, cucs, equinoderms i molts més).

Fins al dia d'avui, més de 7.000 grups de gens es poden remuntar a l'últim avantpassat comú dels bilaterals, segons un estudi de 20 espècies bilaterals diferents, incloent-hi humans, taurons, micres, centpeus i pops. Les troballes publicades avui a la revista Nature Ecology and Evolution han estat realitzades per un equip de recerca liderat pel Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona amb la participació de Xavier Franch-Marro i David Martin, investigadors principals de l'Institut de Biologia Evolutiva (IBE), centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat Pompeu Fabra (UPF).

Cal destacar que al voltant de la meitat d'aquests gens ancestrals han estat reutilitzats pels animals per al seu ús en determinades parts del cos, especialment en el cervell i els teixits reproductors. Les troballes són sorprenents perquè els gens antics i conservats solen tenir treballs fonamentals i importants que es necessiten en moltes parts del cos.

"Quan estàs buscant l'evolució animal, has de reunir el nombre més gran possible d'espècies, comparar els seus gens i els canvis entre ells. Això et permetrà detectar les subtils diferències que els van fer anar per camins separats o tenir trets diferencials", diu Xavier Franch-Marro, investigador principal de l'IBE que va participar en l'estudi. "Al nostre laboratori de l'Institut de Biologia Evolutiva (IBE) tenim una àmplia experiència analitzant diversos teixits d'una miríada d'insectes, i per això vam poder contribuir amb moltes espècies diferents de l'estudi", apunta David Martin, investigador principal de l'IBE que va participar en l'estudi.

Quan els investigadors van donar una ullada més de prop, van trobar una sèrie d'errors atzarosos de "còpia i enganxa" durant l'evolució dels bilaterals. Per exemple, va haver-hi un moment significatiu en la història dels vertebrats. Un grup de gens específics de teixits van aparèixer per primera vegada coincidint amb dos esdeveniments complets de duplicació del genoma. Els animals podien mantenir una còpia per a funcions fonamentals, mentre que la segona còpia podria ser utilitzada com a matèria primera per a la innovació evolutiva. Esdeveniments com aquests, a diferents graus d'escala, es van produir constantment al llarg de l'arbre evolutiu dels animals bilaterals.

“Our genes are like a vast library of recipes that can be cooked up differently to create or change tissues and organs. Imagine you end up with two copies of a recipe for paella by accident. You can keep and enjoy the original recipe while evolution tweaks the extra copy so that it makes risotto instead. Now imagine the entire recipe book is copied – twice - and the possibilities it opens for evolution. The legacy of these events, which took place hundreds of millions of years ago, lives on in most complex animals today,” explains Federica Mantica, author of the paper and researcher at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

Els autors de l'estudi van trobar molts exemples de noves funcions específiques del teixit que l'especialització d'aquests gens ancestrals va fer possible. Per exemple, els gens TESMIN i tomb, que es van originar a partir del mateix ancestre, van acabar exercint de manera independent un paper especialitzat en els testis tant en vertebrats com en insectes. La seva importància es destaca pel fet que els problemes amb aquests gens poden interrompre la producció d'espermatozoides, afectant la fertilitat tant en ratolins com en mosques de la fruita.

L'especialització de gens ancestrals també va establir algunes bases per al desenvolupament de sistemes nerviosos complexos. Per exemple, en els vertebrats, els investigadors van trobar gens crítics per a la formació de beines de mielina al voltant de les cèl·lules nervioses, que són essencials per a la transmissió ràpida del senyal nerviós. En humans també van identificar FGF17, que es creu que té un paper important en el manteniment de les funcions cognitives fins a la vellesa.

En els insectes, els gens específics es van especialitzar en els músculs i en l'epidermis per a la formació de cutícules, contribuint a la seva capacitat de volar. A la pell dels pops, altres gens es van especialitzar per percebre l'estimuli de llum, contribuint a la seva capacitat de canviar de color, camuflatge i comunicació amb altres pops.

Mitjançant l'estudi de l'evolució de les espècies a escala de teixit, l'estudi demostra que els canvis en la forma en què s'utilitzen els gens en diferents parts del cos han jugat un paper important en la creació de característiques noves i úniques en els animals. En altres paraules, quan els gens comencen a actuar en teixits específics, pot conduir al desenvolupament de nous trets o habilitats físiques, que en última instància contribueixen a l'evolució animal.

"El nostre treball ens fa repensar els rols i funcions que juguen els gens. Ens mostra que els gens crucials per a la supervivència i que s'han conservat al llarg de milions d'anys també poden adquirir molt fàcilment noves funcions en l'evolució. Reflecteix l'acte d'equilibri de l'evolució entre preservar rols vitals i explorar nous camins", conclou el professor de recerca ICREA Manuel Irimia, coautor de l'article i investigador del Centre de Regulació Genòmica.

Article de referència

Mantica et al. (2024) Evolution of tissue-specific expression of ancestral genes across vertebrates and insects, Nature Ecology and Evolution.  DOI: 10.1038/s41559-024-02398-5. URL after publication: https://www.nature.com/articles/s41559-024-02398-5

Finançament

Aquesta recerca ha estat finançada pel Consell Europeu de Recerca (ERC) en el marc del programa de recerca i innovació Horizon 2020 de la Unió Europea (ERC-StG-LS2-637591 i ERCCoG-LS2-101002275 a MI), pel Ministeri d'Economia i Competitivitat espanyol ( BFU-2017-89201-P i PID2020- 115040GB-I00 a MI) i pel Centre d'Excel·lència Severo Ochoa 2013-2017 (SEV-2012-0208). FM té una beca FPI associada a la beca BFU-2017-89201-P. El suport addicional per a aquesta investigació va ser proporcionat pel MINECO espanyol (PGC2018-098427-B-I00 a DM i XF-M), la Fundació Txeca per a la Ciència (22-21244S a MN), els Instituts Nacionals de Salut-NIAID (subvenció R21AI167849 a FGN) i el Consell Australià de Recerca (donació DP200103219 a PDC i FT).