Codul Hox străvechi dezvăluie rădăcinile evolutive ale înotătoarelor posterioare și ale membrelor la vertebrate
Apariția anexelor pereche — înotătoarele pectorale și pelviene la pești și membrele anterioare și posterioare la tetrapode — a fost o inovație majoră în evoluția vertebratelor, lărgind modul în care acestea se puteau deplasa și punând bazele dezvoltării membrelor. Cum s-a constituit însă sistemul genetic responsabil pentru formarea acestor anexe a rămas o întrebare deschisă.
Genele Hox sunt reglatori centrali ai organizării corpului la vertebrate. Grupurile paralogice HoxA și HoxD 9–13 controlează modelarea târzie atât a înotătoarelor peștilor, cât și a membrelor tetrapodelor. Acest rol profund conservat a sugerat o legătură între codul Hox care stabilește pozițiile de-a lungul axei principale a corpului și programul care modelează anexele pereche. Dovezile funcționale directe că genele Hox posterioare sunt necesare încă din primele etape ale formării anexelor posterioare au fost însă limitate.
Experimente pe pești zebră și tritoni
Un grup condus de conferențiarul Akinori Kawamura de la Saitama University, împreună cu cercetători de la Tottori University, National Institute of Genetics, National Institute for Basic Biology și Exploratory Research Center on Life and Living Systems, a verificat dacă genele Hox posterioare sunt necesare pentru stabilirea inițială a celulelor progenitoare ale anexelor posterioare și dacă această funcție este conservată la vertebrate îndepărtate evolutiv. Echipa a folosit pești zebră cu mutații combinate ale genelor Hox, linii reporter fluorescente pentru vizualizarea progenitorilor înotătoarei pelviene, imagistică scheletică și perturbarea genelor Hox prin CRISPR-Cas9 la tritonul iberic. Rezultatele, publicate în Proceedings of the National Academy of Sciences, arată o cerință conservată evolutiv pentru genele Hox9–10 în cele mai timpurii etape ale formării anexelor posterioare.
Progenitorii nu se mai formează
La peștii zebră, perturbarea simultană a cinci gene HoxA/D din grupurile paralogice 9–10 — hoxa9a, hoxa9b, hoxa10b, hoxd9a și hoxd10a — a dus la pierderea completă a înotătoarelor pelviene. Analizele cu linii reporter au arătat că populațiile bilaterale caracteristice de celule progenitoare nu mai puteau fi detectate la mutanți, ceea ce indică faptul că genele HoxA/D PG9–10 acționează înainte de formarea mugurilor de înotătoare vizibili morfologic. Un reporter hoxa10b marca celule în câmpul prezumtiv al înotătoarei pelviene chiar înainte de formarea mugurelui, susținând un rol timpuriu al acestor gene.
Cercetătorii au verificat apoi dacă funcția se extinde dincolo de peștii cu raze. La tritonul iberic, o linie de vertebrate cu lobi, au perturbat simultan toate cele șapte paralogice Hox9–10 cu ajutorul CRISPR-Cas9. Animalele cu pierderea membrelor posterioare prezentau și pierderea sau reducerea marcată a expresiei Prdm16 în regiunile viitoare de formare a membrelor posterioare. Împreună, experimentele indică faptul că necesitatea genelor Hox9–10 pentru stabilirea progenitorilor anexelor posterioare precede divergența evolutivă a acestor linii.
Un model evolutiv în etape
„Rezultatele noastre arată că genele Hox9–10 sunt implicate nu doar în modelarea târzie a anexelor pereche, ci și într-o etapă mult mai timpurie, când celulele progenitoare care vor forma înotătoarea pelviană sau membrul posterior se stabilesc pentru prima dată”, spune Hidemichi Nakazawa, doctorand și coautor al studiului. „Aceasta oferă o legătură de dezvoltare între codul Hox posterior al axei corpului și sistemul Hox folosit pentru construirea anexelor pereche și susține funcțional ideea că un program Hox posterior ancestral a contribuit la asamblarea evolutivă a acestui sistem.”
Constatările sunt compatibile cu un model evolutiv în etape: un program ancestral Hox9–10 implicat în dezvoltarea timpurie a anexelor posterioare a fost extins ulterior cu gene Hox posterioare suplimentare și apoi reutilizat în anexele pereche anterioare. Studiul nu reconstruiește direct această secvență, ci oferă dovezi de dezvoltare care leagă un program Hox posterior străvechi de originea sistemului mai larg de modelare a anexelor pereche.
„Este cercetare fundamentală despre cum s-a asamblat planul corporal al vertebratelor prin evoluție, nu cercetare orientată spre o aplicație clinică sau industrială imediată”, spune Kawamura. „În următorii cinci până la zece ani, înțelegerea modului în care genele Hox stabilesc celulele progenitoare ale anexelor ar trebui să ne ajute să descoperim principii mai generale ale dezvoltării vertebratelor. Combinată cu progresele în editarea genomului și biologia comparativă a dezvoltării, această cunoaștere ar putea oferi și o bază conceptuală importantă pentru viitoarele cercetări privind dezvoltarea membrelor, tulburările de dezvoltare și biologia regenerării.”
