Información de alta relevancia para la comprensión de los procesos evolutivos, la biología del desarrollo y la morfogénesis de los peces entrega el estudio “Hox genes control homocercal caudal fin development and evolution”, publicado el pasado 19 de enero por la revista Science Advances. La investigación, cuyos resultados fueron obtenidos de manera experimental con el pez cebra y mediante el análisis paleontológico de peces fósiles, fue realizada por Nicolás Cumplido en el marco de su tesis doctoral en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile y en el Instituto Milenio Centro de Regulación del Genoma (CRG), trabajo que contó con la colaboración de investigadores de la Universidad de Oregon, bajo la dirección de Gloria Arratia, profesora de la Universidad de Kansas, y Miguel Allende, académico de la Universidad de Chile y director del CRG.
La investigación describe por primera vez dos genes Hox que controlan la forma y las características esqueléticas del extremo posterior del cuerpo de los peces, el grupo de vertebrados más numeroso y antiguo del planeta. Mediante mutaciones inducidas con la tecnología CRISPR-Cas9 en el modelo de pez cebra, la investigación reveló fenotipos muy llamativos en los segmentos terminales del cuerpo, incrementándose el número de vértebras de la cola y perdiéndose otros elementos óseos de esta. Uno de los fenómenos asombrosos que mostraron estas mutaciones ocurrió cuando se mutaron ambos genes Hox13: se perdió totalmente la aleta caudal y se expandió el número de las vértebras de la cola formándose una larga cola en espiral, similar a la que poseen los caballitos de mar.
Estos hallazgos llevaron al grupo de investigadores a examinar los cambios ocurridos en la evolución de los peces mediante el análisis del registro fósil, concluyendo que varios de los procesos que llevaron a la forma de la cola que poseen los peces modernos (llamada cola homocerca por su simetría dorso-ventral) pudieron haber sido mediados por la incorporación de los genes Hox13 a la red regulatoria que controla la forma de esta estructura.
De acuerdo al profesor Miguel Allende, académico del Departamento de Biología y director del Instituto Milenio Centro de Regulación del Genoma de la Facultad de Ciencias de la U. de Chile, este descubrimiento “viene a llenar un vacío que había en el conocimiento respecto a lo que pasó históricamente en la formación de los vertebrados tempranos. En particular, los peces son los vertebrados más antiguos y, por lo tanto, estudiarlos a ellos es como mirar nuestros antepasados, y cómo los genes importantes en la formación de los cuerpos, estructura, y en la organización animal son moldeados en el tiempo y adquieren funciones”. Destacó, en esta línea, que es una herramienta muy interesante que complementa lo que hace la paleontología y otras disciplinas.
“Los primeros vertebrados tenían un eje anteroposterior, cabeza y cola, pero cómo se fue segmentando, y particularmente la cola, cómo adquirió su identidad y después fue cambiando de forma en el tiempo hasta ser lo que es hoy en toda la diversidad que hay, de peces y de otros vertebrados, hoy podemos entonces entenderlo mucho mejor con estos descubrimientos”, agrega. Plantea además que, “a pesar de que uno pensaría que la cola del pez es lo menos importante en términos estructurales, es una problemática interesante porque hay que pensar que la parte posterior del cuerpo es la que le da la propulsión, la capacidad de navegar, de moverse en el entorno y -eventualmente- de incluso probablemente salir a tierra. Y, por lo tanto, es una estructura que terminó siendo fundamental en todas las transiciones evolutivas de los vertebrados”.
Nicolás Cumplido, Doctor en Ciencias de la Universidad de Chile, autor principal de la investigación y actualmente investigador de postdoctorado en la Facultad de Ciencias Biológicas de la Pontificia Universidad Católica, señala que este trabajo partió de una pregunta que existe desde mediados del siglo XIX y que se refiere a cómo los peces cambiaron su cola. Este fue uno de los fenómenos evolutivos más importantes del Mesozoico y permitió que se expandieran y colonizaran toda la Tierra. “Con esta pregunta evolutiva fuimos capaces de armar un trabajo en un contexto moderno actual, utilizando genética, utilizando genómica, y haciendo comparaciones morfológicas modernas”, explica.
Agrega, asimismo, que uno de los conceptos profundizados fue la utilización de los genes Hox, los que establecen el posicionamiento de una estructura en el lugar que corresponde. “Utilizamos herramientas de modificación genética para establecer una relación en cómo estos genes contribuyen a la formación de la aleta caudal”, indica Cumplido. En este sentido, destaca el carácter innovador de la investigación, pues corresponde a un fenómeno que no había sido demostrado.
El profesor Allende resalta también la tecnología CRISPR-Cas9 ocupada para la experimentación. “No tengo memoria de otro trabajo que haya establecido mutantes en vertebrados de CRISPR en Chile. Fue desafiante e innovador establecer modelos vertebrados hechos con manipulación genética para contestar una pregunta compleja como esta, que tiene aristas evolutivas”. En paralelo, agrega, “utilizamos métodos más de punta en estudios comparados paleontológicos y distintas herramientas que pueden contestar la pregunta del artículo. Fue un trabajo innovador en su tecnología y aproximación”. Destaca, además, que tuvo un componente bioinformático de análisis de datos y de secuencias y de comparación de secuencias con distintas especies. En este sentido, recordó que la tecnología CRISPR fue galardonada con el premio Nobel de Química en el año 2022, el cual fue entregado a las investigadoras Emmanuelle Charpentier, del Instituto Max Planck, Berlín, Alemania, y Jennifer Doudna, de la Universidad de California, Berkeley, Estados Unidos.
El doctor Cumplido resalta también el carácter nacional del descubrimiento. “Todo el trabajo experimental se hizo en la Facultad de Ciencias, así como el análisis de resultados la mayor parte se hizo en Chile”, destacando también la importante colaboración de los investigadores internacionales. Al respecto, el profesor Allende subraya que “lo que más vale es el talento y las buenas preguntas, y las capacidades que tenemos en los alumnos de nuestros programas de postgrado y de pregrado. Ahí está la riqueza principal de nuestra Facultad. Nicolás hizo su pregrado en Biología en la Universidad Católica, pero entró en nuestro programa y es porque vio que había oportunidades en la Facultad de Ciencias, donde podía desarrollar su investigación”.
En este sentido, el académico de la Universidad de Chile asegura que “este trabajo probablemente sea muy citado, porque combina varias áreas y resucita el tema de los genes Hox y los descubrimientos con ellos o a través de ellos, de la evolución de los vertebrados y de otros animales también. Las potentes técnicas de mutagénesis actuales permiten revisitar estos genes, hacer mutaciones múltiples”. Plantea, en este sentido, que “las herramientas genéticas han avanzado mucho, y eso ha permitido poder hacer nuevas preguntas con un tema que viene de los años ochenta, pero nosotros con esto hemos mostrado que hay todavía muy interesantes y fundamentales preguntas que responder estudiando los genes Hox, relacionando su función al pasado evolutivo”.
