Los complejos Hox como modelos de evolución genómica en cordados: Caracterización y regulación de la expresión del clúster Hox en el anfioxo europeo

Abstract

[spa] Todos los animales, vivos y fósiles, están comprendidos dentro de 35 fila. Éstos abarcan la enorme diversidad de morfologías que se han generado durante la evolución animal, desde una medusa, hasta una mosca o nosotros mismos, el hombre. Cada una de las diferentes morfologías son en último término el resultado de un proceso de desarrollo embrionario muy finamente regulado en el que participan cientos de genes, y que forman parte de decenas de redes génicas que interactúan unas con otras. A lo largo del tiempo, estas morfologías han ido evolucionando de forma que se han ido generando nuevas especies a partir de otras preexistentes o ancestros, compartidos por las especies que derivan de él. Dado este marco, cobra fuerza una disciplina relativamente reciente, la Evo-Devo o Evolución del Desarrollo, que pretende explicar la evolución de la morfología animal buscando los cambios en los genes del desarrollo embrionario, ya que la primera es fruto del segundo. Sin embargo, la mayoría de los genes del desarrollo son los mismos en todos los animales, algo que se conoce como el toolkit genético, y esto lleva a lo que se conoce como la paradoja de la Evo-Devo: ¿cómo se explica entonces la gran diversidad morfológica, si los diferentes animales están construidos con los mismos genes? Hay que buscar por tanto las diferencias que existan en los procesos del desarrollo de los diferentes animales. Una de estas diferencias puede recaer en cómo los genes del desarrollo se regulan. En esta tesis, se han utilizado los genes Hox como modelos de evolución genómica, y se han analizado el patrón de expresión de estos genes en la especie europea de cefalocordado, Branchiostoma lanceolatum. Se ha identificado el patrón de expresión de casi todos los genes del clúster Hox de este animal, constituido por 15 genes Hox. De ellos, los genes Hox1, 2, 3, 4 y 6 ya estaban descritos en la especie americana B. floridae, aunque se ha encontrado un patrón diferente para el gen Hox6. Además, para los genes Hox6 y Hox14, se ha encontrado un patrón de regulación modular, donde parte del patrón de expresión está regulado por ácido retinóico. En otra fase de la tesis, se han identificado putativos elementos reguladores en las regiones intergénicas de estos genes mediante una estrategia de "phylogenetic footprinting". Esto ha sido realizado mediante la comparación de regiones ortólogas de los genes Hox de las dos especies de anfioxo y humando. Algunas de estas, como las que rodean el gen Hox4, están conservadas también con pez cebra, y son capaces de dirigir la expresión de un gen reporter en tejidos donde se expresan los genes endógenos. Además, siguiendo la misma estrategia, hemos identificado una región de regulación global que está presente en vertebrados, situándose su origen al menos en el ancestro de los cordados.

[eng] "Hox complex as models for genomic evolution: characterization and regulation of Hox genes expression of European Hox cluster". Hox genes are key developmental genes involved in patterning the antero-posterior axis of most metazoans studied so far. They generally are linked in genomic cluster and expressed with spatial and temporal colinearity in amphioxus and vertebrates. The closer to the 3' extreme of the cluster the gene is, the earlier and more anteriorly it is expressed. Nonetheless, this is fully true for all genes only in vertebrate clusters, since the expression of almost all central and all posterior Hox genes of amphioxus, which represents the closest relative to the chordate ancestor, is not known, and the expression in hemichordates and tunicates is not always colinear. In this thesis, we present a complete expression profile of amphioxus Hox genes and interestingly report the breaking of both spatial and temporal colinearity of some central and posterior Hox genes. Posterior Hox genes are expressed in structures like the notochord and posterior parts of the gut. Hox14 had the most divergent expression pattern, being also present in the anterior cerebral vesicle and pharyngeal endoderm. This is the first report of Hox expression in the most anterior part of a central nervous system. We also show that Hox14 expression is partially regulated by retinoic acid (RA) (in notochord and hindgut), like it happens for more anterior Hox genes are. On the other hand, Hox14 expression in the cerebral vesicle and pharynx are not influenced by RA. The lack of constriction in the posterior part of vertebrate and cephalochordate Hox cluster may be the cause of their independent expansion and their co-option for patterning different structures, allowing the breaking of colinearity in deuterostomes.