Investigadores finalmente han revelado el gen exacto responsable de la mutación
En 1999 un pez payaso (Amphiprion ocellaris) nació en el acuario de un aficionado a los peces tropicales en el Reino Unido. Estos peces payaso son muy apreciados por los acuaristas por su singular patrón de tres franjas blancas rectas bordeadas por una fina línea negra.
Pero este pez británico era especial: en lugar de las habituales rayas rectas, presentaba patrones ondulados y corrugados simétricos a ambos lados. Estos patrones se heredaban de generación en generación, dando lugar a un linaje denominado "Copo de Nieve", pero el mecanismo que originaba esta irregularidad seguía siendo un misterio.
Dos décadas después, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), la Academia Sinica de Taiwán, la Universidad de Kioto y la Universidad de Virginia del cambio y, en el proceso, han descubierto pistas para desentrañar el gran misterio de cómo la naturaleza crea patrones regulares.
"Conceptualmente, debería ser sencillo", afirma el profesor Vincent Laudet, de la Unidad Eco-Evo-Devo Marina del OIST.
"Pero en la práctica, es un misterio. ¿Cómo sabe una célula si debe ser negra, blanca o naranja, de manera que cree patrones claramente organizados de forma consistente a macroescala? El caso del Copo de Nieve no solo nos ha señalado un mecanismo genético, sino también un marco universal para estudiar la formación de patrones en diferentes especies".
Imagen: Comparación entre un pez payaso de tipo salvaje (izquierda) y un fenotipo Copo de Nieve (derecha, mostrando ambos lados). El patrón ondulado del pez es simétrico, lo que sugiere un mecanismo genético. Crédito: Fiona Li
De un simple cambio de aminoácido a modelos universales
Los peces Copo de Nieve son como otros peces payaso en todos los aspectos, excepto por su inusual patrón, lo que los convierte en organismos modelo perfectos para investigar la genética de la pigmentación. Para comprender por qué tienen ese aspecto, los investigadores recurrieron a otro pez. Los peces cebra son bien estudiados por sus líneas horizontales, que mantienen una proporción de tamaño y espaciado a medida que el pez crece.
Gracias a otro mutante, el pez cebra "leopardo", que desarrolla manchas en lugar de rayas, los investigadores han identificado previamente uno de los genes implicados en la formación de patrones. Codifica una proteína específica de unión intercelular que, en esencia, actúa como un cable telefónico entre las células, permitiéndoles intercambiar información en forma de corriente eléctrica y pequeñas moléculas.
Cuando el equipo comparó los genomas del Copo de Nieve con los de peces payaso de tipo salvaje, descubrieron una sorprendente similitud. Laudet afirma: "Lo vimos enseguida: ¡Copo de Nieve tenía una mutación exactamente en el mismo gen de unión comunicante que el leopardo!".
Imagen: Pez payaso mutante Copo de Nieve. crédito: Andrew Scott / OIST (Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University)
Sin embargo, este descubrimiento generó más preguntas que respuestas. En el pez cebra, se creía que la proteína de las uniones comunicantes era la responsable de dirigir el crecimiento con el llamado patrón de Turing.
Este modelo, que recibe su nombre del famoso matemático británico Alan Turing, describe cómo la proteína media la formación de rayas al inhibir el contacto de corto alcance y, al mismo tiempo, promover las interacciones de largo alcance entre las células pigmentarias, lo que conduce al desarrollo de patrones uniformes en el pez cebra.
Pero el modelo de Turing no podía explicar el patrón de las rayas de los peces payaso, ya que su secuencia y posición son fijas a lo largo de su vida, lo que significa que la información se intercambia para especificar dónde y cuándo debe formarse una raya.
"Descubrimos que la proteína de las uniones comunicantes no es específica del patrón de Turing en el pez cebra, y demostramos que garantiza una comunicación intercelular clara en general. Además, es evidente que es mucho más antigua de lo que pensábamos: el pez cebra de agua dulce y el pez payaso de agua salada divergieron hace más de 200 millones de años", continúa la primera autora del estudio, la Dra. Marleen Klann de la Unidad Eco-Evo-Devo Marina.
Imagen: Izquierda: Fenotipo leopardo con puntos en lugar de barras rectas. Derecha: Pez cebra de tipo salvaje con sus características rayas horizontales. Crédito: Yipeng Liang
Esta evidencia clave apunta a los investigadores hacia un mecanismo biológico universal para la organización de las células limítrofes. El equipo recurrió a otro campo para comprender mejor los principios que rigen la organización de las células pigmentarias en el pez payaso: la física de las membranas.
En este estudio, descubrieron que el llamado modelo de Edwards-Wilkinson es el modelo más simple posible que explica con precisión la formación y la alteración del límite nítido entre las células de pigmentación en el pez payaso y otros organismos.
"El modelo describe dos fuerzas", explica la profesora Simone Pigolotti, coautora del estudio y perteneciente a la Unidad de Biocomplejidad del OIST.
"Una es la tensión superficial, que favorece una membrana lisa. La otra es el ruido, que tiene el efecto contrario. El equilibrio entre estas dos fuerzas determina el grado de ondulación de la membrana y del patrón de pigmentación".
"El modelo es una herramienta general que nos permite comprender nuestras observaciones y, además, nos da pistas sobre dónde buscar a continuación, incluso entre diferentes especies, lo que a su vez puede ayudar a dilucidar principios generales. Es una espiral positiva entre la teoría y la experimentación", afirma Pigolotti.
Laudet concluye: "Gracias al Copo de Nieve y a nuestro pez payaso transgénico, que hemos desarrollado con éxito junto con el profesor Masato Kinoshita de la Universidad de Kioto, ahora estamos un paso más cerca de comprender los mecanismos increíblemente complejos que se esconden tras la tarea, conceptualmente mundana, de la organización celular".
Los hallazgos fueron publicados en Nature Communications: Cell-cell communication as underlying principle governing color pattern formation in teleost fishes
