¿Cómo desarrollaron los peces sus afiladas espinas?

Astatotilapia burtoni

Desentrañan los mecanismos genéticos que controlan la formación de la espina de la aleta en los linajes de peces

En la película "Un pez llamado Wanda", el villano Otto devora sin esfuerzo a todos los ocupantes de la pecera de Ken. La realidad, sin embargo, es más abrumadora. Al menos un desafortunado fan que recreó esta escena fue hospitalizado con un pez alojado en la garganta. Esta también fue una dolorosa lección de ictiología (el estudio científico de los peces), a saber, que la defensa de algunos peces consiste en espinas de aletas afiladas como agujas.

De hecho, muchas especies de peces poseen dos tipos de elementos de aleta: radios blandos de aleta "ordinarios" (radios cartilaginosos de las aletas de los peces teleósteos, formados por pequeños segmentos y, en muchas especies, ramificados, que son romos y flexibles y sirven principalmente para la locomoción), y espinas de aleta, que son afiladas y muy osificadas.

Las espinas de las aletas sirven para hacer que el pez sea menos comestible, lo que ofrece una gran ventaja evolutiva. Con más de 18.000 miembros, los peces de radios espinosos son el linaje de peces más rico en especies. Estos peces incluso desarrollaron 'aletas espinosas' separadas que consisten solo en espinas. Por lo tanto, la evolución de las espinas de las aletas se considera un importante factor para determinar la diversidad y el éxito evolutivo entre los peces.

En un estudio publicado en PNAS, investigadores de la Universidad de Konstanz de un equipo dirigido por el Dr. Joost Woltering, quien junto con su Ph.D. la estudiante y primera autora del estudio Rebekka Höch, trabaja en el laboratorio del profesor Axel Meyer, muestra cómo surgen las espinas de las aletas durante el desarrollo embrionario.

También explican cómo las espinas pudieron evolucionar a partir de ancestrales radios blandos de forma independiente en diferentes linajes de peces. El estudio se centra en una especie modelo para el pez de radios espinosos, el cíclido Astatotilapia burtoni, que posee partes de aletas espinosas y de radios blandos bien desarrollados.

Diferentes genes de desarrollo para espinas y radios blandos

Como primer paso, el equipo determinó los perfiles genéticos de los radios blandos y las aletas espinosas durante el desarrollo embrionario. "Lo que quedó claro de estos primeros experimentos fue que un conjunto de genes que ya conocíamos del desarrollo de las aletas y las extremidades se activa de manera diferente en las espinas y los radios blandos", dice Höch.

Estos genes corresponden a los denominados genes reguladores maestros y se sabe que determinan la morfología en el esqueleto axial y de las extremidades. En las aletas de los peces, estos genes parecen proporcionar un código genético que determina si los elementos emergentes de las aletas se desarrollarán como una columna vertebral o como un radio blando.

Los radios blandos pueden convertirse en espinas y viceversa

A continuación, el equipo identificó vías genéticas que activan estos genes reguladores maestros y que determinan su actividad en diferentes posiciones a través de las aletas. "Es importante destacar que pudimos abordar las funciones de estas vías mediante el uso de herramientas químicas, los llamados inhibidores y activadores, así como el CRISPR/Cas9 de las 'tijeras genéticas' y, por lo tanto, probar cómo se establecen los dominios de aletas espinosas y de radios blandos durante desarrollo", dice Woltering, profesor asistente en el Departamento de Biología de la Universidad de Konstanz y autor principal del estudio.

En sus experimentos, los científicos pudieron alterar el número de espinas o radios blandos en las aletas. Este efecto fue más sorprendente cuando se moduló la señalización de la denominada BMP (proteína morfogenética ósea). "No solo vimos cambios en la activación de los genes reguladores maestros, sino que también observamos las llamadas transformaciones homeóticas, en las que los radios blandos se habían convertido en espinas, o al revés, las espinas se habían convertido en radios blandos", explica Woltering.

Una observación adicional fue que en estos peces no solo cambió la morfología de los elementos de las aletas, sino también la coloración de las aletas que los acompañaba. "Los cíclidos machos tienen en sus aletas manchas de color amarillo brillante, pero estas están restringidas a la parte de radios blandos. Lo que observamos fue que cuando un radio blando se transformó en una espina, la aleta también perdió las manchas amarillas en esta posición", dice Woltering.

Esta observación muestra que en los peces con radios espinosos o duros, las espinas y los radios blandos son partes integradas de un módulo de desarrollo más grande que determina una serie de características visibles de las aletas.

El mismo principio en diferentes linajes de peces

A medida que se armaba el rompecabezas, el equipo se dio cuenta de que un sistema de patrones profundamente conservado se había vuelto a implementar durante la evolución de la aleta espinosa. "De hecho, el código genético que determina el dominio de las aletas donde aparecerán las espinas también está activo en las aletas que no tienen espinas. Esto indica que se redistribuyó un patrón genético ancestral para hacer espinas", dice Höch.

Con esta nueva percepción en mente, los autores se propusieron investigar el patrón de las aletas en el bagre, un grupo de peces cuyos miembros han desarrollado espinas en las aletas de forma independiente. De hecho, el código genético identificado para las espinas en el cíclido coincidía con el de las espinas del bagre. Aunque existen algunas diferencias entre las diferentes especies de peces espinosos, sugiere la existencia de un patrón de aleta profundamente conservado en el que se confía para hacer espinas cuando esto se ve favorecido por la selección evolutiva.

Los siguientes pasos

Para su futura investigación, el equipo se centrará en los genes que actúan aguas abajo de los genes de control de la columna vertebral y los radios blandos identificados para descubrir cómo alteran exactamente la morfología de las aletas al controlar la osificación y las vías de crecimiento celular.

"Al final, queremos comprender mejor cómo surgen nuevas estructuras anatómicas que hacen que algunas especies sean más exitosas que otras, y cómo contribuyó esto a la increíble diversidad evolutiva de los linajes de peces", concluye Woltering.

La investigación se detalla en Proceedings of the National Academy of Sciences: Spiny and soft-rayed fin domains in acanthomorph fish are established through a BMP-gremlin-shh signaling network

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