¿Qué son los genes Hox?

Los genes Hox son grosso modo un grupo de genes que controlan el desarrollo embrionario de los animales, más concretamente su eje anteroposterior. La historia de estos genes se remonta a 1894. Por aquel entonces uno de los primeros genetistas de la historia, el inglés William Bateson, descubrió en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) ciertas anormalidades morfológicas. En sus estudios teratológicos, Bateson observó que ciertas partes del cuerpo de la mosca aparecían en otras regiones. A estas variaciones las llamó homeosis (que significa literalmente semejanza). Décadas más tarde los biólogos Calvin Bridges y Morgan observaron en esta misma especie de mosca que ciertas identidades de una parte del cuerpo se convertían en otras distintas o se duplicaban. Encontraron por ejemplo que un segmento del tórax estaba duplicado y que la mosca poseía dos pares de alas en lugar de uno solo. A estos cambios los denominaron mutaciones homeóticas. No fue hasta 1983 cuando estas mutaciones se describieron con rigor y fundamento genético. Los grupos de genes implicados en estas variaciones homeóticas fueron descritos de forma independiente por Walter Gehring en la Universidad de Basilea, Suiza, y por Matthew Scott y Amy Weiner en la Universidad de Indiana. Ambos grupos descubrieron que los genes implicados en las mutaciones homeóticas estaban divididos en dos grupos. Estos dos grupos génicos se encontraban en el cromosoma 3 de Drosophila melanogaster y los llamaron Antennapedia y Bithorax: el primero se encargaba de regular el desarrollo de la cabeza y los segmentos torácicos anteriores, y el segundo del abdomen y segmentos torácicos posteriores.

Con el tiempo se descubrió que la secuencia de estos genes Hox tenía mucha homología (o semejanza) con ciertos genes que se encontraban en otros grupos animales. En un inicio se comprobó que estos genes es encontraban en todos los animales con simetría bilateral (aquellos cuyo cuerpo puede dividirse en dos mitades especulares), pero con el tiempo se descubrió que estaban presentes incluso en los animales que no mostraban un eje anteroposterior diferenciado, es decir, que no poseían una cabeza ni una cola como tal. Aunque no agrupados, existen homólogos de los genes Hox en las esponjas, medusas o ctenóforos. Incluso se han descrito genes similares en hongos y plantas, los genes Mads.

¿Y son los genes Hox los mismos genes que encontraron Walter Gehring, Matthew Scott y Amy Weiner? Sí y no. Estos biólogos describieron lo que se conoce como genes homeóticos, y dentro de los genes homeóticos se encuentran los genes Hox. Los genes homeóticos se definen como genes implicados en el desarrollo embrionario de los animales y que determinan la identidad de sus segmentos o partes corporales. Una característica fundamental de estos genes es que todos poseen una secuencia de 180 nucleótidos que codifica para una región de la proteína que dan lugar. Esta región se denomina homeodominio. Por cierto, el nucleótido es cada uno de los peldaños del ADN o ARN y el aminoácido el peldaño de las proteínas. Pues bien, dentro de los genes homeóticos encontramos tres grupos: genes NK, genes ParaHox y genes Hox. Aunque todos están implicados en el desarrollo embrionario del animal de una forma u otra, los genes Hox se encargan fundamentalmente de definir el eje anteroposterior usando un sistema muy particular. Los Hox se encuentran agrupados dentro de un cromosoma siguiendo un determinado orden y este mismo orden es el que siguen al expresarse en el organismo. Es decir, que el orden que muestran en el cromosoma se corresponde con el orden de expresión en el eje anteroposterior del animal. Simplificando: los genes del extremo derecho se expresan antes y en la parte anterior del animal, y los del extremo izquierdo después y en la parte posterior. Esta propiedad se conoce como principio de colinearidad temporal y espacial, y se cumple en todos los grupos de genes Hox aun cuando éstos estén dispersos en el genoma.

Ya hemos dicho que la principal función de los Hox es establecer el eje anteroposterior del animal. Sin embargo se ha visto que algunos Hox están involucrados en otras funciones del desarrollo como la formación del órgano luminiscente de las luciérnagas, el alargamiento de segmentos de las patas posteriores de algunos insectos o la formación del cráneo de los vertebrados. Una vez los genes Hox delimitan la identidad de los segmentos del cuerpo, estos codifican para proteínas (siempre con el homeodominio) que se encargan de activar otros genes. Estos genes activados desencadenan en última instancia la formación de los órganos o extremidades de dicho segmento.

¿Pero qué pasa con aquellos animales con planes corporales donde no hay un patrón regionalizado o que no tienen extremidades? Pongamos por ejemplo las serpientes. Las serpientes, u ofidios, pertenecen al grupo de los reptiles y no tienen extremidades. Los reptiles se engloban, junto con los mamíferos, anfibios y aves, en el grupo de los tetrápodos (del griego «cuatro patas»). Aunque no las presenten en su estado juvenil o adulto, las patas sí pueden observarse durante su desarrollo embrionario. La característica distintiva del esqueleto de las serpientes es que está desregionalizado, es decir, que no presenta regiones especializadas o morfológicamente diferentes al resto; todo el esqueleto es similar a excepción del cráneo. Sin embargo, las serpientes presentan los mismos grupos de genes Hox que el resto de vertebrados. ¿Cómo lo hacen entonces para suprimir el desarrollo de sus extremidades en su estado juvenil y adulto?

Un estudio de Woltering y sus colaboradores de 2009 dilucidó el porqué de esta peculiaridad. Dentro de los grupos de genes Hox, el grupo 10, llamado Hox10, controla la formación de las vértebras lumbares y posteriores. Los genes del grupo Hox10 provocan la inhibición del desarrollo de las costillas, por lo que la inactivación de estos genes produce un incremento en el número de vértebras con costillas. Esto es precisamente lo que sucedió en el linaje de las serpientes hace varios millones de años. En su estudio, Woltering y sus colaboradores concluyeron que en el grupo de las serpientes los genes Hox10 perdieron la habilidad de suprimir el desarrollo de vértebras con costillas en la parte torácica y posterior. Este evento mutacional de supresión dio lugar a un esqueleto alargado y sin extremidades.

Este es solo un ejemplo de los muchos en los que variaciones en los genes Hox dan lugar a nuevas especies o grupos de animales. La evolución de los grupos de genes homeóticos se ha estudiado exhaustivamente en varios grupos animales y ha permitido comprender con mayor facilidad cómo se han diversificado los planes corporales existentes. Pero este tema queda reservado para una próxima entrega.

Este artículo es el primero de una serie de dos. Lee la segunda parte aquí.

Referencias:
1. J.M. Woltering, Freek J. Vonk, Hendrik Muller, Nabila Bardine, Ioana Laura Tuduce, Merijin A.G. de Bakker, Walter Knoechel, Ioan Ovidiu Sirbu, Antony J. Durston y Michael K. Richardson (2009). Axial patterning in snakes and caecilians: evidence for an alternative interpretation of the Hox code. Developmental Biology, 332 (1): 82-89.
2. Sanjay V. Ganeshkar, Ambesh Kumar Rai y Joe E. Rozario (2015). The master of craniofacial orchestra: homeobox genes and neural crest cells. International Archives of Integrated Medicine (IAIM), 2 (7): 162-170.
3. Steven Hrycaj y Deneen Wellik (2016). Hox genes and evolution. F1000Research, 5: 859.

Recursos: La fotografía de portada se ha extraído del Museo Nacional de Ciencias Naturales de Madrid, MNCN. La fotografía del esqueleto de serpiente es obra de Vera Kratochvil y se ha extraído de Pixabay.com.