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Homología profunda

Las alteraciones de pax6 dan lugar a alteraciones fenotípicas similares de la morfología y la función ocular en una amplia gama de especies.

En biología del desarrollo evolutivo , el concepto de homología profunda se utiliza para describir casos en los que los procesos de crecimiento y diferenciación están regidos por mecanismos genéticos que son homólogos y están profundamente conservados en una amplia gama de especies .

Historia

En 1822, el zoólogo francés Étienne Geoffroy Saint-Hilaire diseccionó un cangrejo de río y descubrió que su cuerpo está organizado como el de un vertebrado, pero invertido desde el vientre hacia la espalda (dorsoventralmente) : [1]

Acabo de descubrir que todos los órganos blandos, es decir, los principales órganos de la vida, se encuentran en los crustáceos, y por tanto en los insectos, en el mismo orden, en las mismas relaciones y con la misma disposición que sus análogos en los animales vertebrados superiores... Cuál no fue mi sorpresa, y puedo añadir, mi admiración, al ver [tal] regla... [1]

Los genes homólogos hox en animales tan diferentes como los insectos y los vertebrados controlan el desarrollo embrionario y, por lo tanto, la forma del cuerpo adulto. Estos genes se han conservado en gran medida a lo largo de cientos de millones de años de evolución .

La teoría de homología de Geoffroy fue denunciada por el principal zoólogo francés de su época, Georges Cuvier , pero en 1994 se demostró que Geoffroy tenía razón. [1] En 1915, Santiago Ramón y Cajal trazó un mapa de las conexiones neuronales de los lóbulos ópticos de una mosca, y descubrió que se parecían a las de los vertebrados. [1] En 1978, Edward B. Lewis ayudó a fundar la biología evolutiva del desarrollo , al descubrir que los genes homeóticos regulaban el desarrollo embrionario en las moscas de la fruta. [1]

En 1997, el término homología profunda apareció por primera vez en un artículo de Neil Shubin , Cliff Tabin y Sean B. Carroll , que describía la aparente relación en los aparatos reguladores genéticos que indicaban similitudes evolutivas en características animales dispares. [2]

Diferencia con la homología ordinaria

Mientras que la homología ordinaria se observa en el patrón de estructuras como los huesos de las extremidades de los mamíferos que están evidentemente relacionados, la homología profunda puede aplicarse a grupos de animales que tienen una anatomía bastante diferente: los vertebrados (con endoesqueletos hechos de hueso y cartílago ) y los artrópodos (con exoesqueletos hechos de quitina ) tienen, sin embargo, extremidades que se construyen utilizando recetas o "algoritmos" similares. [2] [3] [4] [5]

En los metazoos , los genes homeóticos controlan la diferenciación a lo largo de los ejes corporales principales , y los genes pax (especialmente PAX6 ) ayudan a controlar el desarrollo del ojo y otros órganos sensoriales . La homología profunda se aplica a grupos muy separados, como en los ojos de los mamíferos y los ojos compuestos estructuralmente muy diferentes de los insectos . [3]

De manera similar, los genes hox ayudan a formar el patrón de segmentación de un animal. HoxA y HoxD, que regulan la formación de los dedos de las manos y de los pies en ratones, controlan el desarrollo de las aletas radiales en el pez cebra ; hasta entonces, estas estructuras se habían considerado no homólogas. [6]

Existe una posible homología profunda entre los animales que utilizan la comunicación acústica, como los pájaros cantores y los humanos, que pueden compartir versiones funcionales del gen FOXP2 . [7]

En células madre cancerosas

En la biología moderna , la profundidad de la comprensión de la homología profunda ha evolucionado hasta centrarse en los mecanismos y funciones moleculares y genéticos en lugar de la morfología simple . Las células madre cancerosas (CSC) son una población de células dentro de un tumor que tienen la capacidad de autorenovarse y diferenciarse en diferentes tipos de células, similares a las células madre normales . La teoría de células madre del cáncer sugiere que existe una subpoblación de células, denominadas células madre cancerosas, que tienen ciertas características que las hacen únicas entre otros tipos de células dentro de un cáncer. Los rasgos que se incluyen en las CSC son que se multiplican indefinidamente, son resistentes a la quimioterapia y se propone que son responsables de la recaída después de la terapia. [8]

Ciclo de vida del cáncer

El ciclo de vida unicelular del cáncer y el Entamoeba es singularmente similar, y por lo tanto contradice la teoría filoestratigráfica molecular sobre el origen del cáncer. Esta profunda relación entre los dos sistemas celulares está respaldada por el "modelo de la ameba", que proporciona una mayor comprensión de la biología del cáncer desde la perspectiva evolutiva. [9] El ciclo de vida G + S de Entamoeba es el ancestro común más cercano en comparación con cualquier otro ciclo de vida de organismos unicelulares. De manera similar, ambos sistemas celulares, ameba y cáncer , utilizan el módulo genético homólogo profundo G + S que fue desarrollado por un ancestro común. Algunos paralelismos que comparten son demasiado cercanos para ser una coincidencia, incluidos:

Las MGRS también se conocen en términos médicos como “células cancerosas gigantes polipoides preexistentes (PGCC)” y se observan con frecuencia en cánceres no tratados. [ cita requerida ] En el cáncer, el ciclo de la línea germinal reproductiva comienza con una célula precursora. Esta célula luego se poliploidizará dentro de una envoltura celular. Esta línea germinal del cáncer experimenta un proceso de desarrollo similar a la línea germinal de Entamoeba. Se puede encontrar un rastro significativo de homología profunda en las células madre de la línea germinal de mamíferos. Según una hipótesis previa, la línea germinal es el ancestro común en los linajes de células madre somáticas. Las GSC hijas son las únicas células madre que tienen la capacidad de transmitir información genética a lo largo de las generaciones. [9]

Algoritmo

En 2010, un equipo dirigido por Edward Marcotte desarrolló un algoritmo que identifica módulos genéticos profundamente homólogos en organismos unicelulares, plantas y animales basándose en fenotipos (como rasgos y defectos de desarrollo). La técnica alinea los fenotipos en los organismos basándose en la ortología (un tipo de homología) de los genes involucrados en los fenotipos. [10] [11]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcde Held, Lewis I. (febrero de 2017). ¿ Homología profunda?: similitudes asombrosas entre humanos y moscas descubiertas por Evo-Devo . Cambridge University Press. págs. 2–5. ISBN 978-1316601211.
  2. ^ ab Shubin, Neil; Tabin, Cliff; Carroll, Sean (1997). "Fósiles, genes y la evolución de las extremidades animales". Nature . 388 (6643). Springer Nature: 639–648. Bibcode :1997Natur.388..639S. doi : 10.1038/41710 . PMID  9262397. S2CID  2913898.
  3. ^ ab Carroll, Sean B. (2006). Formas infinitas, las más bellas . Weidenfeld & Nicolson. págs. 28, 66–69. ISBN 0-297-85094-6.
  4. ^ Gilbert, Scott F. (2000). "Vías homólogas del desarrollo". Biología del desarrollo (6.ª ed.). Sunderland, Mass.: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-243-7.
  5. ^ Held, Lewis I. (febrero de 2017). ¿ Homología profunda?: similitudes asombrosas entre humanos y moscas descubiertas por Evo-Devo . Cambridge University Press. págs. viii y siguientes. ISBN 978-1316601211.
  6. ^ Zimmer, Carl (17 de agosto de 2016). "De las aletas a las manos: los científicos descubren un vínculo evolutivo profundo". The New York Times . Consultado el 21 de octubre de 2016 .
  7. ^ Scharff, Petri; Constance, Jane (julio de 2011). "Evo-Devo, homología profunda y FoxP2: implicaciones para la evolución del habla y el lenguaje". Philos. Trans. R. Soc. B. 366 ( 1574): 2124–2140. doi :10.1098/rstb.2011.0001. PMC 3130369. PMID  21690130 . 
  8. ^ "Departamento de Biología del Cáncer - Células madre cancerosas". Mayo Clinic . Consultado el 10 de abril de 2023 .
  9. ^ abc Niculescu, Vladimir F. (4 de abril de 2022). "Genes del cáncer y células madre del cáncer en la tumorigénesis: homología profunda evolutiva y controversias". Genes & Diseases . 9 (5): 1234–1247. doi :10.1016/j.gendis.2022.03.010. PMC 9293697 . PMID  35873035. 
  10. ^ Zimmer, Carl (26 de abril de 2010). "La búsqueda de genes conduce a lugares inesperados". The New York Times .
  11. ^ McGary, KL; Park, TJ; Woods, JO; Cha, HJ; Wallingford, JB; Marcotte, EM (abril de 2010). "Descubrimiento sistemático de modelos de enfermedades humanas no obvias a través de fenotipos ortólogos" (PDF) . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 107 (14): 6544–9. Bibcode :2010PNAS..107.6544M. doi : 10.1073/pnas.0910200107 . PMC 2851946 . PMID  20308572.