Un pez cebra adulto vivo que muestra la actividad del gen Pou3f3 (verde) en la cubierta branquial, el esqueleto de soporte de la mandíbula y el ojo. Las células formadoras de hueso están marcadas en magenta
Un pez cebra adulto vivo que muestra la actividad del gen Pou3f3 (verde) en la cubierta branquial, el esqueleto de soporte de la mandíbula y el ojo. Las células formadoras de hueso están marcadas en magenta. Crédito: Peter Fabian, USC Stem Cell.

La aparición de mandíbulas en peces primitivos permitió que los vertebrados se convirtieran en los principales depredadores. Lo que se aprecia menos es otra innovación evolutiva que puede haber sido tan importante para el éxito de los primeros vertebrados: la formación de cubiertas (opérculos) para proteger y bombear agua sobre las branquias. En un nuevo estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), los científicos que estudian células madre de la USC y sus colaboradores identificaron una modificación clave del genoma que condujo a la evolución de las cubiertas branquiales hace más de 430 millones de años, y que incluso conservan hoy día los humanos.

Los científicos comenzaron creando un pez cebra con mutaciones en un gen llamado Pou3f3. Sorprendentemente, los peces que carecen de este gen, o del elemento del ADN que controla su actividad en las branquias, no lograron formar los opérculos. Por el contrario, el pez cebra que produce demasiado Pou3f3 desarrolló cubiertas branquiales rudimentarias adicionales.

Intrigados por estos hallazgos, los coautores del estudio Gage Crump y Lindsey Barske colaboraron con científicos de varias universidades para explorar si los cambios en Pou3f3 podrían explicar la amplia variación en los opérculos de los vertebrados. Crump es profesor de biología de células madre y medicina regenerativa en la Escuela de Medicina Keck de la USC. Barske inició el estudio en el laboratorio de Crump y ahora es profesor asistente en el Centro Médico del Hospital Infantil de Cincinnati.

Un pequeño embrión de raya (Leucoraja erinacea) que muestra la actividad del gen Pou3f3 en el sistema nervioso central, así como los cinco pares de cubiertas branquiales nacientes
Un pequeño embrión de raya (Leucoraja erinacea) que muestra la actividad del gen Pou3f3 en el sistema nervioso central, así como los cinco pares de opérculos nacientes. Crédito: Christine Hirschberger, Universidad de Cambridge.

En peces sin mandíbulas como las lampreas de mar, que carecen de cubiertas branquiales, los científicos descubrieron que falta el elemento de control para producir Pou3f3 en la región branquial.

Por el contrario, en peces cartilaginosos como tiburones y rayas, el elemento de control de Pou3f3 está activo en todas las branquias. En consecuencia, casi todos los peces cartilaginosos tienen una cubierta separada sobre cada branquia. En los peces óseos, incluido el pez cebra, el elemento de control produce Pou3f3 en una región en particular, lo que genera una sola cobertura para todas las branquias.

Sorprendentemente, hemos identificado no sólo un gen responsable de la formación de la cubierta branquial“, indica Crump, “sino también el antiguo elemento de control que permitió a Pou3f3 fabricar primero cubiertas branquiales y luego diversificarlas en peces cartilaginosos versus peces óseos“.

Barske y Crump incluso demostraron que los humanos retienen este elemento de control, lo que refleja la presencia de estructuras similares a cubiertas branquiales en los embriones humanos que heredamos de nuestros ancestros peces lejanos.

Fuente: PNAS.

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