Hace 700 millones de años surgió por primera vez una criatura extraordinaria. Aunque puede que no haya sido "gran cosa" según los estándares actuales, el animal tenía un frental y una espalda, una parte superior y una inferior. Esta fue una adaptación innovadora en ese momento y que estableció el plan corporal básico que los animales más complejos, incluidos los humanos, eventualmente heredarían.

Este discreto animal residía en los antiguos mares de la Tierra, probablemente arrastrándose por el fondo marino. Este fue el último ancestro común de los bilaterales, un vasto supergrupo de animales que incluía vertebrados (peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos) e invertebrados (insectos, artrópodos, moluscos, gusanos, equinodermos y muchos más).

Hasta el día de hoy, se pueden rastrear más de 7.000 grupos de genes hasta el último ancestro común de los bilaterales, según un estudio de 20 especies bilaterales diferentes, incluidos humanos, tiburones, efímeras, ciempiés y pulpos. Los hallazgos, publicados hoy en la revista Nature Ecology and Evolution, han sido realizados por un equipo de investigación liderado por el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona con la participación de Xavier Franch y David Martin, investigadores del Instituto de Biología Evolutiva (IBE), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Pompeu Fabra (UPF). 

Sorprendentemente, el estudio encontró que aproximadamente la mitad de estos genes ancestrales han sido reutilizados por animales para su uso en partes específicas del cuerpo, particularmente en el cerebro y los tejidos reproductivos. Los hallazgos son sorprendentes porque los genes antiguos y conservados suelen tener funciones fundamentales e importantes que son necesarias en muchas partes del cuerpo.

“Cuando se analiza la evolución animal, es necesario reunir tantas especies como sea posible para comparar sus genes y los cambios entre ellas. Esto permitirá detectar las sutiles diferencias que les hicieron tomar caminos separados o tener rasgos diferenciales”, afirma Xavier Franch, investigador principal del IBE que participó en el estudio. “En nuestro laboratorio del Instituto de Biología Evolutiva (IBE) tenemos una amplia experiencia analizando varios tejidos de una infinidad de insectos y por eso pudimos contribuir con muchas especies diferentes al estudio”, señala David Martín, investigador principal del IBE que participó en el estudio.

Cuando los investigadores observaron más de cerca, encontraron que la culpa era de una serie de errores fortuitos de "copiar y pegar" durante la evolución bilateral. Por ejemplo, hubo un momento significativo en los inicios de la historia de los vertebrados. Un grupo de genes específicos de tejido apareció por primera vez coincidiendo con dos eventos de duplicación del genoma completo. Los animales podrían conservar una copia para funciones fundamentales, mientras que la segunda copia podría utilizarse como materia prima para la innovación evolutiva. Acontecimientos como estos, en diversos grados de escala, ocurrieron constantemente a lo largo del árbol evolutivo bilateral.

“Nuestros genes son como una vasta biblioteca de recetas que se pueden preparar de manera diferente para crear o cambiar tejidos y órganos. Imagínate que por accidente acabas obteniendo dos copias de una receta de paella. Puedes conservar y disfrutar la receta original mientras la evolución modifica la copia adicional para que en su lugar haga risotto. Ahora imaginemos que se copia todo el recetario –dos veces– y las posibilidades que abre para la evolución. El legado de estos acontecimientos, que tuvieron lugar hace cientos de millones de años, perdura hoy en la mayoría de los animales complejos”, explica Federica Mantica, autora del artículo e investigadora del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona.

Los autores del estudio encontraron muchos ejemplos de nuevas funciones específicas de tejido posibles gracias a la especialización de estos genes ancestrales. Por ejemplo, los genes TESMIN y tomb, que se originaron a partir del mismo ancestro, acabaron desempeñando de forma independiente un papel especializado en los testículos tanto de vertebrados como de insectos. Su importancia se destaca por el hecho de que los problemas con estos genes pueden alterar la producción de esperma, afectando la fertilidad tanto en ratones como en moscas de la fruta.

La especialización de genes ancestrales también sentó algunas bases para el desarrollo de sistemas nerviosos complejos. Por ejemplo, en los vertebrados, los investigadores encontraron genes críticos para la formación de vainas de mielina alrededor de las células nerviosas, que son esenciales para la transmisión rápida de señales nerviosas. En humanos también identificaron FGF17, que se cree que desempeña un papel importante en el mantenimiento de las funciones cognitivas en la vejez.

En los insectos, genes específicos se especializaron en los músculos y en la epidermis para la formación de cutículas, lo que contribuyó a su capacidad de volar. En la piel de los pulpos, otros genes se especializaron en percibir estímulos luminosos, lo que contribuyó a su capacidad para cambiar de color, camuflarse y comunicarse con otros pulpos.

Al estudiar la evolución de las especies a nivel de tejido, el estudio demuestra que los cambios en la forma en que se utilizan los genes en diferentes partes del cuerpo han jugado un papel importante en la creación de características nuevas y únicas en los animales. En otras palabras, cuando los genes comienzan a actuar en tejidos específicos, pueden conducir al desarrollo de nuevos rasgos o habilidades físicas, lo que en última instancia contribuye a la evolución animal.

“Nuestro trabajo nos hace repensar los roles y funciones que desempeñan los genes. Nos muestra que genes que son cruciales para la supervivencia y que se han conservado durante millones de años también pueden adquirir muy fácilmente nuevas funciones en la evolución. Refleja el acto de equilibrio de la evolución entre la preservación de funciones vitales y la exploración de nuevos caminos”, concluye el profesor de investigación ICREA Manuel Irimia, coautor del artículo e investigador del Centro de Regulación Genómica.

Artículo de referencia

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

Fondos

Esta investigación ha sido financiada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) dentro del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (ERC-StG-LS2-637591 y ERCCoG-LS2-101002275 to MI), por el Ministerio de Economía y Competitividad de España (BFU-2017-89201-P y PID2020-115040GB-I00 a MI) y por el 'Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013-2017' (SEV-2012-0208). FM posee una beca FPI asociada a la subvención BFU-2017-89201-P. El MINECO español (PGC2018-098427-B-I00 a DM y XF-M), la Fundación Científica Checa (22-21244S a MN), los Institutos Nacionales de Salud-NIAID (subvención R21AI167849 a FGN) y el Consejo Australiano de Investigación (subvención DP200103219 a PDC y FT).