Humanos e outros tetrápodes evoluíram de peixes aquáticos. Ao dar esse salto, os tetrápodes evoluíram os pulmões para respirar o ar e perder brânquias respiratórias. É tentador intuir que os pulmões evoluíram das guelras. No entanto, pulmões e brânquias se formam em partes separadas do corpo, portanto é improvável que elas estejam evolutivamente relacionadas. De fato, alguns peixes vivos têm brânquias e pulmões (1). Então, o que aconteceu com brânquias de peixe? No trabalho abrangendo os últimos 6 anos e publicado na Naturemostramos que as brânquias podem de fato contribuir para a origem de uma estrutura funcionalmente não relacionada em humanos – nossos ouvidos externos.
A orelha externa, compreendendo o canal da orelha e o pinna do tipo retalho, é uma característica única dos mamíferos, sem precedentes evolutivos conhecidos em répteis ou anfíbios. A princípio, nossa pesquisa se concentrou na cartilagem elástica que a apóia, descrita anteriormente apenas em mamíferos (2-5). A cartilagem elástica possui propriedades celulares e mecânicas distintas da cartilagem hialina mais difundida no nariz adulto, articulações e esqueleto embrionário. Mas não sabíamos quase nada sobre os fatores moleculares dessas diferenças. Em trabalhos anteriores no Laboratório de Crump, ajudei a descrever uma cartilagem em brilho de peixe -zebra com expressão gênica distinta da cartilagem hialina. As discussões seguintes com Max Plikus na UC Irvine e uma maravilhosa colaboração com Andrew Gillis na MBL (na qual ele sozinho seccionou e manchou brânquias de várias espécies de peixes!), Ajudou a estabelecer essa cartilagem nas brânquias de peixes ósseos, incluindo zebrafish, é elástico na natureza.
Em seguida, perguntei se a cartilagem elástica em brânquias de peixe e a orelha externa de mamíferos podem representar um tipo de célula homólogo. Com a ajuda do laboratório Evseenko na USC e remessas de cross-country de colaboradores no laboratório Chen em Mount Sinai (uma vez durante um furacão!), Adquiri expressão de genes de célula única e perfis de cromatina aberta da cartilagem elástica do nariz de fetal humano e epiglote, bem como a cartilagem humana. Essas análises confirmaram semelhanças significativas na expressão gênica entre peixes e cartilagem elástica humana.
Nesse ponto, duas grandes idéias conceituais expandiram significativamente o foco deste trabalho.
Primeiro, a atividade de elementos genômicos não codificantes chamados intensificadores tende a ser mais específicos de tecido do que a expressão de genes associados, servindo assim como melhores proxies para a conservação regulatória entre os tipos de células. O problema é que, diferentemente dos genes, apenas uma pequena proporção de intensificadores humanos possui contrapartes conservadas em sequência no genoma do peixe-zebra. No entanto, trabalhos anteriores mostraram que as informações regulatórias codificadas em intensificadores podem ser reconhecidas por conjuntos semelhantes de fatores entre as espécies (6, 7). Isso me deu a idéia de evitar a questão da conservação da sequência de DNA: se a cartilagem elástica for especificada por um programa regulatório conservado, os aprimoradores de cartilagem elástica humana que codificam esse programa ainda podem ser reconhecidos especificamente em brânquias de peixes.
Identifiquei as regiões genômicas humanas representando intensificadores elásticos específicos da cartilagem elástica e, apesar da ausência de sequências de peixes semelhantes, testaram sua atividade em peixe-zebra. Foi o momento mais incrível do meu doutorado quando olhei através do microscópio para ver seis dos dez intensificadores de cartilagem elástica externa do ouvido humano, impulsionando atividades fluorescentes especificamente nas guelras, refletindo a biologia compartilhada ao longo de 400 milhões de anos de evolução. Igualmente incrível, um intensificador de cartilagem elástico em brilho peixe -zebra gerou atividade altamente específica na cartilagem elástica da orelha externa do mouse.
Segundo, fui influenciado pelo trabalho em outros sistemas modelo, mostrando que estruturas aparentemente novas podem representar o ressurgimento de uma estrutura ancestral que aparentemente desapareceu durante a evolução, mas foi de fato retida em uma forma enigmática em espécies intervenientes (8). Poderia um circuito mais amplo de desenvolvimento em branquiar ter sido retido em tetrápodes e reaproveitado em mamíferos para impulsionar a evolução externa da orelha?
Percebi que poderíamos usar uma abordagem baseada em intensificadores semelhante, mas com foco nos pontos de tempo de desenvolvimento quando as Gills crescem. Isso levou à descoberta de que um dos poucos intensificadores bem conservados entre peixe-zebra e humanos é ativo nas populações de desenvolvimento em brilho, mas criticamente não na cartilagem elástica de formação posterior. Assim, representa uma parte das instruções antigas para fazer brânquias de peixe retidas em nosso próprio DNA. Em camundongos transgênicos, a versão de peixe -zebra desse intensificador period fracamente, mas consistentemente ativa no ouvido externo em desenvolvimento. Esses achados demonstraram que não é simplesmente a cartilagem elástica, mas também o programa inicial de crescimento de desenvolvimento que é evolutivamente conservado entre os filamentos de brilho de peixe e o ouvido externo de mamíferos.
Então, o que esse programa estava fazendo em anfíbios e répteis? No caso de nossos ossos do ouvido médio, os dados fósseis revelaram sua evolução progressiva dos mandíbulas de peixes através de intermediários anfíbios e répteis (9). Por outro lado, a cartilagem não preserva bem; portanto, o registro fóssil atual fornece poucas informações sobre como as brânquias podem ter se transformado em orelhas externas.
Para respostas, voltamos novamente aos intensificadores. Formamos uma nova colaboração de décima primeira hora com Helen Willsey na UCSF para testar nossos intensificadores em um anfíbio-o sapo. Helen e seu pós -Doc Micaela me deram um curso intensivo sobre encenação, imagem e manchas Xenopus girinos nas últimas semanas do meu doutorado, repetindo pacientemente injeções para substituir as amostras que perdi. Os resultados valeram a pena: os intensificadores de crescimento em guelra/ouvido foram ativos no desenvolvimento de branquias de girinos, sugerindo continuidade no programa de desenvolvimento de peixes a tetrápodes. Além disso, brânquias de girino maduro continham uma cartilagem pouco caracterizada que ativou os intensificadores de cartilagem elástica humana e de peixe-zebra! Embora os testes transgênicos não fossem viáveis em répteis, colaborei com Tom Lozito na USC para examinar a histologia da orelha em lagartos de anole verde e descobri que a extracolumela evolutivamente misteriosa é feita de uma cartilagem elástica permanente. Essas evidências ajudaram a montar um modelo através do qual os programas de desenvolvimento e tipo de célula de peixes poderiam ter sido repetidamente reimplantados através da evolução dos tetrápodes.
Finalmente, relatos mais antigos sugeriram que o caranguejo-ferradura, um antigo invertebrado, faz um tipo celular de tecido semelhante a cartilagem em suas brânquias (10-13). Uma oportunidade emocionante surgiu quando participei do maravilhoso curso de embriologia realizado no Marine Organic Laboratory (MBL), que acontece no território do caranguejo de ferradura no Atlântico. A partir de bate-papos, tive lá com o aficionado por invertebrado evo-devo Heather Bruce (agora na Universidade da Colúmbia Britânica), entrei em contato com o Marine Useful resource Heart, adquiri uma amostra de caranguejo de ferradura e realizei uma análise multiomica de nuclei único em suas “livros”. Surpreendentemente, um intensificador de tanos de caranguejo em ferradura levou a atividade transgênica nas guelras do peixe -zebra! Embora possamos fazer apenas um trabalho experimental limitado em caranguejos em ferradura, nossos dados sugerem que brânquias e seu suporte de cartilagem elástica podem ter uma origem antiga no início da bilateria.
Tradicionalmente, pensava -se que as brânquias de peixes tenham desempenhado pouco papel na evolução dos tetrapods. Agora, nosso trabalho revela um legado sem precedentes para essa complexa estrutura ancestral. Nossa pesquisa apóia a idéia de homologia “profunda” ou “enigmática”: o desaparecimento morfológico de uma estrutura não implica o desaparecimento do campo de desenvolvimento do qual emergiu ou do programa regulatório que instruiu sua formação. Esses campos de desenvolvimento e programas regulatórios podem ser reutilizados para criar algo novo, contribuindo para a inovação generalizada que observamos na natureza.
1. Condello, C., et al., Crescimento alométrico no pulmão existente durante o desenvolvimento ontogenético. Nature Communications, 2015. 6(1): p. 8222.
2. Sanzone, cf e EJ Reith, O desenvolvimento da cartilagem elástica do mouse pinna. American Journal of Anatomy, 1976. 146(1): p. 31-71.
3. Bradamante, Z., B. Levak-Svajger e A. Svajger, Diferenciação da cartilagem elástica secundária na orelha externa do rato. The Worldwide Journal of Developmental Biology, 1991. 35(3): p. 311-320.
4. Cox, R. e M. Peacock, A estrutura fina do desenvolvimento da cartilagem elástica. Jornal de Anatomia, 1977. 123(Pt 2): p. 283.
5. Kostović-Knežević, L., Ž. Bradamante e A. Švajger, Ultraestrutura da cartilagem elástica no ouvido externo de rato. Pesquisa de células e tecidos, 1981. 218: p. 149-160.
6. Wong, Es, et al., Conservação profunda do Código Regulatório do Entendedor em Animais. Science, 2020. 370(6517): p. eaax8137.
7. Minnoye, L., et al., Análise de espécies cruzadas da lógica do intensificador usando aprendizado profundo. Pesquisa do genoma, 2020. 30(12): p. 1815-1834.
8. Bruce, HS e NH Patel, A carapaça da Daphnia e outras novas estruturas evoluíram através da persistência enigmática de homólogos em série. Biologia atual, 2022. 32(17): p. 3792-3799. E3.
9. Gould, SJ, Um garoto de mandíbula. História Pure, 1990. 99(3): p. 12-18.
10. Pessoa, P. e De Philpott, A biologia da cartilagem. I. Cartilagens de invertebrados: Cartilagem de Gill Limulus. Journal of Morfology, 1969. 128(1): p. 67-93.
11. Pessoa, P. e De Philpott, Cartilagens de invertebrados. Anais da Academia de Ciências de Nova York, 1963. 109(1): p. 113-126.
12. Cole, AG e BK Corridor, A natureza e o significado das cartilagens de invertebrados revisitadas: distribuição e histologia dos tecidos do tipo cartilagem e cartilagem dentro do metazoa. Zoologia, 2004. 107(4): p. 261-273.
13. Tarazona, OA, et al., O Programa Genético para o Desenvolvimento da Cartilagem tem profundo homologia na Bilateria. Nature, 2016. 533(7601): p. 86-89.
O put up Peixe, sapos, amigos, me dêem seus ouvidos. apareceu primeiro o nó.
