Las lampreas poseen un origen evolutivo asombroso
Estos peces sin mandíbula y chupadores de sangre "pueden ser la clave para entender de dónde venimos", aseguran los autores de un nuevo estudio.
Por la Universidad Northwestern
Las lampreas, uno de los dos únicos vertebrados sin mandíbula, que están causando estragos en las pesqueras del Medio Oeste estadounidense, están ayudando a los científicos a comprender los orígenes de dos importantes células madre. Crédito: T. Lawrence / Great Lakes Fishery Commission
Las lampreas, uno de los dos únicos vertebrados sin mandíbula o agnatos que existen en la actualidad —el otro vertebrado son los llamados mixinos o peces bruja—, están, por una parte, causando estragos en las pesqueras del Medio Oeste y, por otra, ayudando a que los científicos desvelen el origen de dos importantes tipos de células madre que impulsaron la evolución de los vertebrados.
Las lampreas son criaturas fascinantes que, según los biólogos, ofrecen una visión única de la evolución de los vertebrados. Su estudio puede proporcionar información valiosa sobre los primeros vertebrados y la transición de la vida en el agua a la vida en tierra.
Las lampreas tienen un cuerpo alargado similar al de una anguila, sin aletas pares, aunque su característica más distintiva es su boca circular con una ventosa rodeada de dientes córneos, que utilizan para adherirse a otros peces y succionar su sangre y tejidos. Ahora bien, no todas las especies de lamprea —se conocen unas cuarenta— son parásitas; algunas se alimentan de detritos y pequeños organismos en el agua.
Su esqueleto está compuesto principalmente de cartílago en lugar de hueso, y, como ya se ha mencionado, carecen de mandíbulas verdaderas, un rasgo que comparten solo con otro vertebrado: los citados mixinos o peces bruja, de los cuales se conocen sesenta especies.
Un par de lampreas Petromyzon marinus, unidas a un salmónido de la especie Salvelinus namaycush. Foto: Great Lakes Fishery Commission
En cuanto a su hábitat y distribución, estos peces pueden vivir tanto en agua dulce como en agua salada. De hecho, algunas especies son anádromas, lo que significa que migran entre el océano y los ríos para reproducirse. Tienen una distribución global, ya que se encuentran en muchas partes del mundo, incluidos América del Norte, Europa y Asia.
Los agnatos fósiles más antiguos aparecieron en el Cámbrico. Muchos de ellos presentan fuertes escudos óseos en la cabeza que les protegerían de los depredadores y estaban cubiertos de escamas de diversos tipos. En cambio, las especies de agnatos actuales tienen apariencia de anguila, carecen de escamas y tienen una piel mucosa y resbaladiza.
Ahora, biólogos de la Universidad Northwestern, en Estados Unidos, han hallado nuevas pistas sobre la ausencia de mandíbulas de las lampreas, y podría guardar relación con una red de genes asociados a ciertos tipos de célula madre. También conocidas como troncales, se trata de células que se encuentran en todos los organismos pluricelulares y que tienen la virtud de dividirse —a través de la mitosis— y diferenciarse en diversos tipos de células especializadas, además de autorrenovarse para producir más células madre.
Genes de la lamprea vs. genes de la rana Xenopus
Los dos tipos celulares a los que se refieren los investigadores son las llamadas células pluripotentes de la blástula —o células madre embrionarias— y las células de la cresta neural, una estructura embriológica discreta que existe transitoriamente en etapas tempranas del desarrollo del embrión de los vertebrados. Unas y otras comparten propiedades pluripotentes, lo que significa que pueden convertirse en todos los demás tipos celulares del organismo.
En un nuevo trabajo, los biólogos de la Universidad Northwestern compararon los genes de la lamprea con los del Xenopus, una género de ranas acuáticas y carnívoras y que poseen mandíbulas. Mediante transcriptómica comparativa —una rama de la genómica funcional que se enfoca en comparar los perfiles de expresión génica entre diferentes condiciones, organismos, tejidos o especies para entender cómo varían los patrones de transcripción—, el estudio reveló una red de genes de pluripotencialidad sorprendentemente similar en los vertebrados con y sin mandíbula, incluso a nivel de abundancia de transcripción de factores reguladores clave.
Rana de la especie Xenopus laevis. Cortesía: Brian Gratwicke
Recordemos que los genes de pluripotencialidad son fundamentales en la biología del desarrollo y la medicina regenerativa, ya que regulan la capacidad de las células para diferenciarse en múltiples tipos de células que forman un organismo. Las células que poseen pluripotencialidad son conocidas principalmente como células madre embrionarias (CME), aunque ciertas células madre adultas también exhiben características de pluripotencialidad, aunque en menor grado.
Estos genes de pluripotencialidad son clave para mantener el estado pluripotente de las células madre, así como para reprogramar células somáticas diferenciadas a un estado de tipo célula madre.
Pero los investigadores también descubrieron una diferencia clave a nivel genético entre las lampreas y los Xenopus. Aunque las células de la blástula —estado temprano del desarrollo embrionario en los animales, posterior a la mórula y anterior a la gástrula— de ambas especies expresan el gen pou5, un regulador clave de las células madre, en las lampreas este gen no se expresa en las células madre de la cresta neural.
La pérdida de este factor de transcripción, esto es, el pou5, puede haber limitado la capacidad de las células de la cresta neural del embrión para formar los tipos celulares de los vertebrados mandibulados (animales con espinas dorsales) que forman el esqueleto de la cabeza y la mandíbula.
Cómo era el antepasado común de todos los vertebrados
El estudio ha sido publicado en la revista Nature Ecology & Evolution.
Al comparar la biología de los vertebrados con y sin mandíbulas, los investigadores pueden comprender mejor los orígenes evolutivos de los rasgos que definen a los animales vertebrados, incluidos los seres humanos, cómo las diferencias en la expresión génica contribuyen a diferencias clave en el plan corporal y cómo era el antepasado común de todos los vertebrados.
“Las lampreas pueden ser la clave para entender de dónde venimos —afirma la directora del estudio Carole LaBonne, experta en biología del desarrollo de la Universidad de Northwester. Y añade—: En biología evolutiva, si se quiere comprender de dónde procede una característica, no se puede mirar hacia adelante, hacia vertebrados más complejos que han evolucionado de forma independiente durante 500 millones de años. Hay que mirar hacia atrás, a cualquiera que sea la versión más primitiva del tipo de animal que se estudia, lo que nos lleva de nuevo a los mixinos y las lampreas, los últimos ejemplos vivos de vertebrados sin mandíbula”.
Un origen de desarrollo compartido dentro de la cresta neural
“Las células madre de la cresta neural son como un juego de Lego evolutivo —explica LaBonne. Y añade—: Se convierten en tipos de células muy diferentes, como neuronas y músculos, y lo que tienen en común todos esos tipos celulares es un origen de desarrollo compartido dentro de la cresta neural”.
Mientras que las células madre embrionarias en la fase de blástula pierden su virtud pluripotencial y se limitan a tipos celulares distintos con bastante rapidez a medida que se desarrolla el embrión, las células de la cresta neural conservan el conjunto de herramientas moleculares que controla la pluripotencia más adelante en el desarrollo.
El equipo de LaBonne descubrió una red de pluripotencia completamente intacta en las células blástulares de la lamprea, células madre cuyo papel en los vertebrados sin mandíbula era una incógnita. Esto implica que las poblaciones de células madre de la blástula y la cresta neural de vertebrados con y sin mandíbula coevolucionaron en la base de los vertebrados.
Joshua York, becario postdoctoral de la Universidad de Northwestern y primer autor, de este trabajo observó “más similitudes que diferencias»” entre la lamprea y el Xenopus.
Animales separados por 500 millones de años de evolución
“Aunque 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 —el pou5— se perdió en estas células— dice York. Y continúa—: Sorprendentemente, aunque pou5 no se expresa en la cresta neural de la lamprea, pudo promover la formación de la cresta neural cuando lo expresamos en ranas, lo que sugiere que este gen forma 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, y no algo que los vertebrados con mandíbula 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 en los niveles de expresión de los genes necesarios para promover la pluripotencia —explica LaBonne. Y concluye—: La gran pregunta sin respuesta es: ¿por qué?”. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Northwestern -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: York, J.R., Rao, A., Huber, P.B. et al. Shared features of blastula and neural crest stem cells evolved at the base of vertebrates. Nature Ecology & Evolution (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41559-024-02476-8
