La evolución de los genes Hox

Los genes Hox son un grupo de genes que controlan el desarrollo embrionario de los animales a nivel de su eje anteroposterior (te recomiendo encarecidamente que antes de continuar este artículo leas la primera parte donde se explican qué son los genes Hox). Aunque esta sea la función principal de los genes Hox, las recientes investigaciones científicas han puesto de manifiesto que son capaces de llevar a cabo otras funciones importantes: intervienen en la formación del cráneo en vertebrados o en la formación del órgano bioluminiscente de las luciérnagas. Como ya se mencionó en el artículo anterior, los genes Hox se encuentran agrupados dentro de un cromosoma siguiendo un determinado orden (a esto se le llama clúster o grupo génico) y este mismo orden es el que siguen al expresarse en el organismo. Los clústeres Hox son grupos de varios genes Hox que se ubican en una zona del ADN del organismo y que codifican para proteínas similares con funciones generalizadas, en nuestro proteínas que se encargan del establecimiento del eje anteroposterior.

Aunque los genes Hox definen el eje anteroposterior de los animales bilaterales, se sabe que hay genes con secuencia similar en grupos animales que tienen cuerpos radiales, como las medusas, o asimétricos, como las esponjas. Por lo tanto, los genes Hox debieron estar presentes en la evolución antes del surgimiento de los animales bilaterales. Aquí es donde nos surge la gran pregunta: ¿cómo fue su evolución? Realmente, los genes Hox presentes en estos filos animales (poríferos o esponjas; cnidarios o medusas y pólipos; y ctenóforos, u organismos similares a las “medusas”) no son exclusivamente genes Hox sino que conforman varias subclases dentro del gran grupo de los genes homeóticos. Los cnidarios y ctenóforos poseen genes Hox y ParaHox, y las esponjas genes NK (todos ellos son subclases dentro de los genes homeóticos). Todos estos genes están implicados en el desarrollo embrionario del animal. Pero entremos en la cuestión puramente evolutiva de cómo surgieron y se diversificaron estos genes. Según numerosas investigaciones científicas, los actuales genes Hox evolucionaron a partir de uno ancestral gracias a las duplicaciones génicas. Estas duplicaciones acabaron formando los diferentes clústeres Hox (la duplicación génica es un tipo de mutación donde un fragmento de ADN, en este caso un gen Hox, se copia o duplica en otra posición del genoma). Según transcurría el tiempo geológico, estos clústeres Hox se fueron duplicando o suprimiendo hasta formar los clústeres que observamos hoy día en las especies. Para que esto sea más sencillo de imaginar y visualizar, vamos a explicarlo con diferentes grupos animales, algunas especies actuales y sus respectivos clústeres Hox.

Comencemos por el inicio. Si nos centramos en los genes Hox de los animales bilaterales (todos menos esponjas, cnidarios y ctenóforos) podemos construir, gracias a las secuencias de ADN, un árbol filogenético que tenga un ancestro común como punto de partida. A este ancestro común lo llamaremos ACB (Ancestro Común de los Bilaterales). Este ACB era vermiforme (es decir, con forma de gusano) y marino, y vivió hace unos 550 millones de años. Este hipotético organismo ancestral ya era bilateral y mostraba las características propias de éste: un extremo anterior con boca, uno posterior con ano, y tejidos y órganos bastante más desarrollados que los grupos animales no bilaterales. Estas características las podéis observar en la siguiente imagen.

El ACB ya tenía tejido muscular (en naranja), un sistema nervioso central con un “protocerebro” (en amarillo), un órgano largo bombeador análogo al corazón (en azul) y órganos sensoriales y apéndices en la boca (en rojo y negro, respectivamente). A partir de este ACB surgirían todos los animales bilaterales que conocemos hoy día: por un lado los protóstomos (ecdisozoos y lofotrocozoos) y por otro los deuteróstomos (para saber más sobre la distinción entre estos dos grupos animales lee este artículo). Y esta enorme diversificación y expansión se debe a la evolución diversificadora de su clúster Hox. Hablamos de clúster en singular porque se supone, gracias a la evidencia de varios estudios, que este ancestro común solo poseía un clúster Hox con al menos 8 genes.

Bien, de momento tenemos una «especie» (el ACB) con ocho genes Hox agrupados en un solo clúster génico. A partir de esta «especie» surgirán los protóstomos (artrópodos, nematodos, platelmintos, etc) y los deuteróstomos (vertebrados, equinodermos) con el tiempo. Por cierto, un pequeño inciso: el término “especie” aquí no se refiere a un individuo que evolucione hacia otra especie (esto no es evolución biológica) sino a conjuntos de organismos de la misma especie que son genéticamente variables y capaces de reproducirse. Centrémonos primero en los protóstomos. Existen artrópodos donde el clúster Hox del ACB permanece intacto pero duplicado, es decir, el clúster entero (los ocho genes) se ha copiado en otra parte del genoma. Por otro lado, existen insectos como por ejemplo Drosophila melanogaster donde el clúster aparece fragmentado y varios genes duplicados o triplicados. En estos insectos hay ciertos genes Hox que se han ido duplicando con el tiempo en varios sitios del genoma, por lo que el clúster original no existe: está dividido o fragmentado. También dentro de los protóstomos encontramos a los nematodos; aquí la evolución ha hecho que se eliminen genes y se dispersen los clústeres. Es el caso de Caenorhabditis elegans. Sin embargo la función original de los genes, la de dar identidad al eje anteroposterior, se mantiene. Como último ejemplo de protóstomos pondremos a los platelmintos o gusanos planos. En este grupo encontramos a numerosos parásitos obligados que requieren de varios huéspedes (las famosas tenias o duelas). En este grupo la reducción de los genes Hox ha sido extraordinaria. ¡Hay especies, como Schistoma mansoni, que sólo poseen cuatro genes Hox dispersos! Esta reducción tan drástica de genes se debe a su modo de vida y morfología (recordemos que son gusanos planos y además carecen de ciertos órganos).

Vamos ahora a centrar la vista en la otra gran rama del árbol, los deuteróstomos. En la zona basal de este grupo podemos encontrar el erizo de mar (por ejemplo, Strongylocentrotus purpuratus), que posee casi todos los genes Hox del ACB pero de forma dispersa o reordenada, es decir, hay ciertos genes que se han “movido” de posición dentro del clúster. Dentro de los cordados podemos observar la colinearidad de los clústeres Hox que ya hablamos en la anterior entrada y mencionamos al inicio. Pero hay una excepción, el subfilum Urochordata (los urocordados). Aquí no hay clústeres y solo hay genes Hox para formar la región anterior y posterior del cuerpo. Esto se refleja en su modo de vida bentónico y plan corporal; los urocordados pasan por una fase larvaria móvil y posteriormente se metamorfosean en un adulto sésil parecido a una esponja. En el filum Cephalochordata (cefalocordados, género Branchiostoma) sin embargo, se presenta el mejor ejemplo de colinearidad de genes Hox. Si nos fijamos en el filum Chordata (los cordados o vertebrados) observamos que los clústeres aparecen duplicados gran cantidad de veces. ¡Los peces con esqueleto óseo poseen siete clústeres Hox y los mamíferos cuatro!

Todos los clústeres y genes Hox que hemos mencionado en los dos párrafos anteriores los tenéis recogidos gráficamente en la siguiente imagen:

En conclusión, el número y organización de los genes Hox de un organismo están relacionados con su plan corporal que, en cierta medida, determina su modo de vida. La evolución ha provocado numerosos cambios en el número de genes Hox, y esto ha contribuido a la evolución morfológica de los distintos grupos de animales. Algunos ejemplos son el complejo plan corporal de los vertebrados reflejo de su extraordinaria regulación, los 7 clústeres Hox de los peces (reflejo de su gran variedad morfológica), la escasez de genes Hox en nematodos y platelmintos (correlacionada con su arquitectura corporal tan simple), y un largo etcétera.

Este es el segundo artículo de una serie de dos. Lee la primera parte aquí.

Referencias:
1. Steven Hrycaj y Deneen Wellik (2016). Hox genes and evolution. F1000Research, 5, Faculty Review: 859.
2. Derek Lemons y William McGinnis (2006). Genomic evolution of Hox gene clusters. Science, 313 (5795): 1918-1922.
3. Moisés Mallo y Claudio R. Alonso (2013). The regulation of Hox gene expression during animal development. Development, 140 (19): 3951-3963.

Recursos: La imagen del cnidario de la portada es obra de Chiara Sinigaglia. Las dos imágenes del texto pertenecen al artículo de Derek Lemons y William McGinnis (2006).