Las lampreas marinas ayudan a comprender los orígenes de dos importantes células madre
Las lampreas marinas, uno de los dos únicos vertebrados sin mandíbula, que están causando estragos en las pesquerías del Medio Oeste, están ayudando simultáneamente a los científicos a comprender los orígenes de dos importantes células madre que impulsaron la evolución de los vertebrados.
Los biólogos de la Universidad Northwestern han identificado cuándo pudo haber evolucionado la red genética que regula estas células madre y han obtenido conocimientos sobre lo que podría ser responsable de la falta de mandíbulas en las lampreas.
Los dos tipos de células (las células de la blástula pluripotentes (o células madre embrionarias) y las células de la cresta neural) son ambos "pluripotentes", lo que significa que pueden convertirse en todas las demás tipos de células del cuerpo.
En un nuevo artículo, los investigadores compararon los genes de la lamprea con los de Xenopus, una rana acuática con mandíbula. Utilizando la transcriptómica comparativa, el estudio reveló una red de genes de pluripotencia sorprendentemente similar entre vertebrados con y sin mandíbula, incluso en el nivel de abundancia de transcripción para factores reguladores clave.
Pero los investigadores también descubrieron una diferencia clave: si bien las células de la blástula de ambas especies expresan el gen pou5, un regulador clave de las células madre, el gen no se expresa en las células madre de la cresta neural de las lampreas. La pérdida de este factor puede haber limitado la capacidad de las células de la cresta neural para formar los tipos de células que se encuentran en los vertebrados con mandíbula (animales con espinas) que forman el esqueleto de la cabeza y la mandíbula.
Al comparar la biología de los vertebrados con y sin mandíbula, los investigadores pueden comprender mejor los orígenes evolutivos de las características que definen a los animales vertebrados, incluidos los humanos, cómo las diferencias en la expresión genética contribuyen a diferencias clave en el plan corporal y cómo era el ancestro común de todos los vertebrados.
"Las lampreas pueden ser la clave para entender de dónde venimos", dijo Carole LaBonne de Northwestern, quien dirigió el estudio.
"En biología evolutiva, si quieres entender de dónde proviene una característica, no puedes esperar a vertebrados más complejos que han estado evolucionando independientemente durante 500 millones de años. "Es necesario mirar hacia atrás, a la versión más primitiva del tipo de animal que estamos estudiando, lo que nos lleva de nuevo a los mixinos y a las lampreas, los últimos ejemplos vivos de vertebrados sin mandíbula".
LaBonne, experta en biología del desarrollo, es profesora de biociencias moleculares en el Weinberg College of Arts and Sciences. Ocupa la Cátedra Erastus Otis Haven y forma parte del liderazgo del nuevo Instituto Nacional Simons de Teoría y Matemáticas en Biología de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).
LaBonne y sus colegas demostraron previamente que el origen del desarrollo de las células de la cresta neural estaba vinculado a la conservación de la red reguladora de genes que controla la pluripotencia en las células madre de la blástula. En el nuevo estudio, exploraron el origen evolutivo de los vínculos entre estas dos poblaciones de células madre.
Imagen derecha: pou5 está ausente en la cresta neural de los vertebrados sin mandíbula, pero puede mejorar la formación de la cresta neural en un vertebrado con mandíbula.
"Las células madre de la cresta neural son como un juego de Lego evolutivo", afirmó LaBonne. "Se convierten en tipos de células muy diferentes, incluidas neuronas y músculos, y lo que todos esos tipos de células tienen en común es un origen de desarrollo compartido dentro de la cresta neural".
Mientras que las células madre embrionarias en la etapa de blástula pierden su pluripotencia y quedan confinadas a tipos de células distintos con bastante rapidez a medida que el embrión se desarrolla, las células de la cresta neural conservan el conjunto de herramientas moleculares que controlan la pluripotencia más adelante en el desarrollo.
El equipo de LaBonne encontró una red de pluripotencia completamente intacta dentro de las células de la blástula de la lamprea, células madre cuyo papel dentro de los vertebrados sin mandíbula había sido una pregunta abierta. Esto implica que las poblaciones de células madre de la blástula y de la cresta neural de vertebrados con mandíbula y sin mandíbula coevolucionaron en la base de los vertebrados.
Joshua York, investigador postdoctoral de Northwestern y primer autor, observó "más similitudes que diferencias" entre la lamprea y el Xenopus.
"Si bien la mayoría de los genes que controlan la pluripotencia se expresan en la cresta neural de la lamprea, la expresión de uno de estos genes clave, pou5, se perdió en estas células", dijo York.
"Sorprendentemente, aunque pou5 no se expresa en la cresta neural de una lamprea, podría promover la formación de la cresta neural cuando lo expresamos en ranas, lo que sugiere que este gen es parte de una antigua red de pluripotencia que estaba presente en nuestros primeros ancestros vertebrados".
El experimento también les ayudó a plantear la hipótesis de que el gen se perdió específicamente en ciertas criaturas, no algo que los vertebrados con mandíbulas desarrollaron más tarde.
"Otro hallazgo destacable del estudio es que, aunque estos animales están separados por 500 millones de años de evolución, existen restricciones estrictas sobre los niveles de expresión de los genes necesarios para promover la pluripotencia", dijo LaBonne. "La gran pregunta sin respuesta es: ¿Por qué?"
El estudio fue publicado el 26 de julio en la revista Nature Ecology & Evolution: Shared features of blastula and neural crest stem cells evolved at the base of vertebrates
