¿Cómo evolucionaron las manos? Considera tu retaguardia

Hace unos 360 millones de años nuestros antepasados, los peces, pasaron del agua a la tierra. Por el camino, sus aletas se convirtieron en pies con dedos. Y cientos de millones de años después, el par delantero evolucionó hasta convertirse en manos.

Para comprender esta profunda transformación evolutiva, los científicos han pasado décadas estudiando los fósiles de peces extintos que mostraban aletas parecidas a extremidades. También han comparado los embriones de peces y vertebrados terrestres actuales para comprender cómo se desarrollan sus aletas y extremidades.

Ahora, la precisa tecnología de edición del ADN conocida como CRISPR está permitiendo que los científicos reconstruyan este antiguo cambio evolutivo con todo detalle molecular. Resulta que las manos y los pies no fueron el producto de nuevos genes que hacían cosas nuevas. Más bien, por medio de selección natural, piezas de antiguas recetas genéticas para antiguas partes del cuerpo se unieron en nuevas combinaciones.

"Es mucho más fácil que si tuvieras que hacer todo desde cero", dijo Aurélie Hintermann, investigadora postdoctoral del Instituto Stowers de Investigación Médica, en Kansas City, Misuri.

El 17 de septiembre, Hintermann y sus colegas mostraron lo antiguas que eran algunas de esas piezas: la receta para construir las manos se tomó prestada en parte de la de nuestras regiones inferiores.

Hintermann y sus colegas hicieron su estudio rastreando la actividad de los genes de embriones en desarrollo. Un embrión comienza como un óvulo fecundado con un único conjunto de genes; luego se divide en nuevas células, cada una de las cuales hereda esos mismos genes. Pero a lo largo del camino, las células activan y desactivan estos genes en diferentes configuraciones, lo que les permite convertirse en tejidos y órganos concretos. Las células también envían moléculas que provocan que sus vecinas cambien su propia melodía genética.

Esas moléculas señalizadoras activan los genes sujetándose al ADN en un lugar preciso, como una llave que gira en una cerradura. Muchos genes necesitan varias llaves para abrir las cerraduras antes de activarse.

Los científicos han identificado algunas de las cerraduras que permiten que a los embriones humanos y de otras especies les crezcan extremidades. En 2011, Denis Duboule, biólogo de la Universidad de Ginebra, y sus colegas descubrieron media decena de cerraduras moleculares situadas una al lado de la otra en un tramo de ADN llamado 5DOM. Cuando se eliminó el 5DOM del ADN de un embrión de ratón, al embrión le crecieron patas pero no le crecieron pies.

Duboule y sus colegas se preguntaron cómo evolucionó este conjunto crucial de cerraduras. ¿Surgió cuando nuestros antepasados desembarcaron por primera vez y desarrollaron las extremidades? ¿O existía antes, en nuestros antepasados con aletas?

Para abordar esta cuestión, Christopher Bolt, entonces estudiante de postgrado en el laboratorio de Duboule, buscó en el genoma del pez cebra. Descubrió que este también tenía 5DOM.

El pez cebra y los mamíferos compartimos un antiguo antepasado común que vivió hace más de 400 millones de años. El descubrimiento del equipo de Ginebra hacía pensar que este antepasado primordial ya tenía 5DOM. Y, si seguía intacta en el pez cebra, debía estar haciendo algo en sus embriones. "No podía estar ahí por casualidad", dijo Hintermann.

Hintermann, que se encargó del proyecto mientras trabajaba en el laboratorio de Ginebra, crió embriones de pez cebra a los que había eliminado las cerraduras de 5DOM utilizando CRISPR. Si las cerraduras eran importantes en el desarrollo de las aletas de los peces, su eliminación podría revelar qué tanto.

Para su sorpresa, la eliminación de 5DOM tuvo poco efecto en las aletas en desarrollo. Pero alteró una región de la parte inferior de la cola del pez cebra, donde hay dos aberturas: el ano y un orificio para la vejiga y para los órganos sexuales.

Esta sorpresa llevó a los investigadores a examinar más detenidamente la misma región en los embriones de ratón. Aquí se llevaron una segunda sorpresa: 5DOM desbloquea los genes que construyen esa región también en los mamíferos.

Estos y otros experimentos condujeron a los científicos a una nueva hipótesis sobre la evolución de los dedos de manos y pies. La historia comienza hace 500 millones de años, con los peces más ancestrales y simples. Sus cuerpos eran poco más que cabezas conectadas a cuerpos largos como cintas; tragaban alimentos, los cuales recorrían un largo tracto digestivo hasta que los restos escapaban por el ano. Una abertura cercana servía para el sexo y la liberación de la orina.

Los embriones de este protopez desbloqueaban diferentes genes para crear las distintas partes de su cuerpo. En el extremo, 5DOM desbloqueaba los genes para el ano, así como la abertura para su uretra y órganos sexuales.

Esa receta genética no ha cambiado en 500 millones de años. Por eso 5DOM sigue controlando el desarrollo de esa región tanto en el pez cebra como en el ratón y en nosotros.

Pero hace unos 360 millones de años, proponen los científicos, 5DOM sufrió un cambio evolutivo. Ahora podía construir no solo nuestras regiones inferiores, sino también nuestros dedos de manos y de pies.

Brent Hawkins, biólogo evolutivo de Harvard y uno de los autores del estudio, comparó el reciclaje de 5DOM con las canciones que los músicos reciclan. "Es como si Jay-Z se inspirara en viejas melodías y sampleara 'It's the Hard Knock Life'",dijo.

Puede parecer que las manos y las partes inferiores tienen poco en común, pero hay algunas similitudes clave. Para empezar, ambas son extremidades: en los peces ancestrales, 5DOM desbloqueaba genes que determinaban la anatomía de la punta del cuerpo. En una extremidad en desarrollo, los dedos de manos y pies también se desarrollan en la punta.

Pero Neil Shubin, biólogo evolutivo de la Universidad de Chicago y otro de los autores del estudio, dijo que los cambios evolutivos precisos que habían dado a 5DOM su nuevo trabajo siguen siendo un misterio.

"Nos ha tomado desprevenidos", dijo. "Tenemos que hacer un poco de tarea para averiguar cómo ocurrió".

Carl Zimmer cubre noticias sobre ciencia para el Times y escribe la columna Orígenes.