La genómica permite transformar escamas de reptil en plumas

Científicos han demostrado la capacidad de convertir las escamas en plumas , activando y desactivando circuitos moleculares clave en etapas críticas de crecimiento y desarrollo de la escama.

A primera vista, la mayoría de las personas no pensarían que los caimanes o los pájaros son primos evolutivos. Pero, de hecho, los reptiles son los parientes vivos más cercanos de las aves, y todos descienden de los arcosaurios, los "reptiles gobernantes" que alguna vez dominaron la Tierra hace 250 millones de años. Los arcosaurios dieron lugar a la edad de los dinosaurios y, eventualmente, a los pájaros y reptiles como sus únicos descendientes vivos .

Recientemente, se han descubierto muchos fósiles de dinosaurios de transición con plumajes completos o parciales. Los científicos especulan que estas "proto-plumas" primitivas de dinosaurios emplumados pueden haber evolucionado para ayudar a la endotermia, atraer parejas, darles la capacidad de correr más rápido que los depredadores y, finalmente, planear y volar.

Pero exactamente cómo la piel exterior y los tejidos subyacentes especifican plumas versus escamas y en última instancia la evolución del vuelo, sigue siendo un misterio. Sin embargo, este rico patrimonio evolutivo debería estar todavía incrustado en todo el ADN de ave s y reptiles vivos.

Para científicos como el médico de medicina regenerativa Cheng-Ming Choung, profesor de patología en la Escuela de Medicina Keck de la Universidad de San Francisco California (USC), en Estados Unidos, el campo está listo para analizar esta cuestión con los avances en la genómica moderna que pueden afinar las pistas moleculares responsables de la evolución de las plumas y el vuelo.

Así, en un nuevo estudio publicado en la edición avanzada digital de Molecular Biology and Evolution , Chuong ha liderado un equipo internacional para identificar una gran cantidad de genes nuevos involucrados en el desarrollo de escamas y plumas. "Ahora tenemos una potencial explicación molecular para estos enlaces hipotéticos que faltan", explica Chuong.

También han demostrado la capacidad de convertir las escamas en plumas, activando y desactivando circuitos moleculares clave en etapas críticas de crecimiento y desarrollo de la escama. "Estos resultados muestran que diferentes perturbaciones causan distintos niveles de conversión de escama a pluma, lo que implica que las escamas tienen la capacidad de formar plumas con las señales moleculares adecuadas", apunta Chuong.

Para el estudio de investigación, el equipo realizó un análisis completo de transcriptoma de ARN y genómica de ADN de polluelos y caimanes en desarrollo para identificar sus diferencias de expresión genética y los genes clave en la formación de escamas o plumas.

Luego, colocaron estos genes únicos de plumas de pollo dentro de los huevos de cocodrilo, activándolos cuidadosamente dentro o debajo de su piel en crecimiento para volver a despertar una programación antigua que puede convertir las escamas en plumas.

CINCO MÓDULOS MORFO-REGULADORES

"Nuestros análisis llevaron a la identificación de cinco módulos morfo-reguladores que son esenciales para la formación moderna de plumas, apunta Chuong. Proponemos que estos módulos puedan evolucionar originalmente como diferentes estrategias para una mejor adaptación. Eventualmente, la combinación integradora de cinco módulos morfo-reguladores logra la arquitectura de plumas exitosa en la actualidad, permitiendo que la clase Ave reclame la mayor parte del cielo abierto como su nicho ecológico ".

Estos circuitos clave conducen a la gemación y el alargamiento de los apéndices, el folículo con células madre y la papila dérmica para permitir la regeneración cíclica, la formación de aristas de púas con diferentes formas de ramificación y la diferenciación específica de queratina de las plumas. Algunas moléculas solo pueden inducir uno de los cinco criterios, por ejemplo, el gen Sox2 puede activar la gemación de las plumas e inhibir totalmente la formación de escamas, mientras que Grem1 puede inducir la ramificación de tipo púas.

"Otras moléculas, como el ácido retinoico o Sox18, tienen una mayor capacidad para inducir escamas como escudos para formar apéndices de piel similares a plumas --relata Chuong--. Estos apéndices similares a plumas muestran los cinco criterios que definen las plumas, lo que sugiere que actúan en un nivel jerárquico superior en esta vía evolutiva".

Estos reguladores maestros pueden haber sido los primeros genes en adaptarse durante la evolución de los arcosaurios antiguos y adquirir una nueva habilidad para la fabricación de plumas complejas de hoy en día. "Curiosamente, algunos de estos fenotipos son similares a los apéndices filamentosos inusuales que se encuentran en los fósiles de dinosaurios emplumados", agrega.

Inspirado por el "dragón volador", Ping Wu quiere desafiar las escamas de cocodrilo para formar plumas. Mediante la expresión forzada de 'sprouty' y beta-catenina, los genes que encontraron que ayudan a convertir las escamas de pollo en plumas son capaces de provocar la formación de escamas alargadas en la piel de embrión de cocodrilo.

El estudio se suma significativamente a la creciente lista de genes y moléculas conocidas por inducir estructuras semejantes a plumas en las aves y ha establecido un poderoso nuevo sistema en caimanes para probar y explorar aún más la evolución del vuelo.

jpe