El catedràtic Jordi Garcia-Fernández, del Departament de Genètica i de l'IBUB.
Esquema de la localització genòmica dels estimuladors específics del gen Shh en ratolí i peix zebra.
13/06/2012
Recerca
Una reordenació cromosòmica en el genoma podria ser la base genètica de l’origen de les extremitats en els vertebrats, segons una nova recerca publicada en línia en el Nature Scientific Reports i que han dirigit els experts Jordi Garcia-Fernández i Manuel Irimia, del Departament de Genètica i de l’Institut de Biomedicina de la Universitat de Barcelona (IBUB), adscrit al campus d'excel·lència internacional Barcelona Knowledge Campus (BKC).
El nou treball se centra en l’estudi del gen Sonic Hedgehog (Shh), un morfogen ubicat en el braç curt del cromosoma 7 en l'espècie humana. Tal com explica el catedràtic Jordi Garcia- Fernández, cap del Reg-Volution Lab de la UB, «el gen Shh és un factor clau en l’embriogènesi i en el desenvolupament de diverses estructures (sistema nerviós, extremitats, aparell gastrointestinal). En els vertebrats, els principals llocs d’expressió d’aquest gen són el cervell i les extremitats. Si l’elimines, no es desenvolupen les extremitats. Les alteracions d’aquest gen també s’associen a diverses patologies del sistema nerviós».
Reconstruir el llinatge evolutiu entre invertebrats i vertebrats
El treball científic estudia els loci dels gens Hedgehog en tres espècies d’amfiox: el Branchiostoma floridae (Estats Units), el Branchiostoma lanceolatum (Europa) i el Branchiostoma belcheri (Àsia), que són un model animal de referència en genòmica i els representants més antics del fílum dels cordats. Amb tècniques bioinformàtiques d’anàlisi de seqüències genòmiques i de transgènesi amb peix zebra, l’estudi compara l’arquitectura genètica ancestral del gen Hedgehog amb la dels tres representants de la família Hedgehog en vertebrats: el gen Sonic Hedgehog (Shh), el Desert Hedgehog (Dhh), i l’Indian Hedgehog (Ihh).
Un dels resultats més sorprenents és que la regió reguladora (l’estimulador o enhancer) que dirigeix l’expressió del gen Shh a les extremitats dels vertebrats es troba dins d’un altre gen —l’Lmbr1—, a una distància de mil kilobases. En el cas del desenvolupament del sistema nerviós, la distància entre el gen i la regió reguladora és sensiblement inferior (desenes de kilobases).
De l’expressió al cervell a l’origen de les extremitats
Per què el gen Shh també és funcional en el desenvolupament d’extremitats? Per quin motiu es troba tan lluny de la regió reguladora? Per donar resposta a aquestes incògnites, els experts han estudiat l’ordenació dels gens (sintènia) en les espècies comparades. «Les regions reguladores que determinen l’expressió de l’Shh al cervell estan ben caracteritzades i es troben molt a prop d’aquest gen», explica Garcia-Fernández. «Segons el nostre estudi, fa uns 400 milions d’anys, una translocació cromosòmica, que és un intercanvi de fragments entre cromosomes, va situar el gen Lmrb a prop de l’Shh, el qual va adquirir una nova funcionalitat en la filogènia dels vertebrats: originar les extremitats». El treball, doncs, apunta que el que es podria considerar un error genètic —en aquest cas, una translocació— va fer que l’Shh s’expressés en un nou lloc i originés les extremitats en els vertebrats.
Quan el genoma es va duplicar completament
L’estudi aporta noves dades al debat científic sobre la hipòtesi 2R, que explica l’origen del genoma dels vertebrats a partir de dues duplicacions genòmiques ancestrals. Segons aquesta hipòtesi, la doble duplicació consecutiva d’un genoma ancestral és l’origen de les grans famílies gèniques de vertebrats, un procés pel qual els gens també podien adquirir noves funcions. Els autors del treball mantenen que els gens Shh i Dhh es van originar en la segona duplicació, mentre que l’Ihh, que no està influït per la regió reguladora del gen Lmbr1, seria una còpia encara més ancestral en l’escala filogenètica.
Les reordenacions cromosòmiques són canvis en l’arquitectura del genoma que alteren la ubicació i la funcionalitat dels gens. Per això, són processos clau en l’evolució dinàmica dels genomes i, al capdavall, en el procés adaptatiu de les espècies al seu entorn. «Les reordenacions cromosòmiques —assenyala Garcia-Fernández— són fenòmens freqüents en l’evolució biològica. Sabem, per exemple, que els genomes del ratolí i de l’home són força semblants i es diferencien per moltes reordenacions cromosòmiques. Aquests errors genètics són el motor de molts canvis en el genoma, tal com s’ha vist amb la doble duplicació del genoma en l’origen dels vertebrats, i ara també en el cas de l’expressió del gen Shh per originar les extremitats en els vertebrats».
El nou treball, que amplia la visió sobre els controls dels patrons de desenvolupament corporal en els vertebrats, el signen també els experts Ignacio Maeso i Demian Burguera, del Departament de Genètica de la UB, i José Luis Gómez-Skarmeta i José L. Royo, del Centre Andalús de Biologia del Desenvolupament (CSIC).
