Evolución del Esqueleto Apendicular de Vertebrados: Desarrollo y

Evolución del Esqueleto Apendicular de Vertebrados: Desarrollo y

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Brazo
(forelimb)
Pierna
(hindlimb)
Stylopodo
Condylo: extremo (articular) del hueso
Trochanter: inserciones
musculares del fémur
Zeugopodo: Lado anterior (“interno”) Radio-Tibia
Lado posterior (“externo”) Ulna- Fíbula
Aves
El mesopodo: número variable de elementos (muñecatobillo) incluyendo 3 elementos proximales (que
articulan con el zeugopodo) Brazo: Radiale, Ulnare e
Intermedio , Pierna: Tibiale, Fibulare (tambien
conocidos como astrágalo y calcáneo) e intermedio.
Hay un numero de elementos centrales (4 en el
ancestro de los tetrápodos “modernos” ), y elementos
distales típicamente asociados a los dedos del
Metapodio.
El metapodio (mano: palma, pie: empeine) en
tetrápodos modernos consiste en 5 elementos o menos
(mano: metacarpos, pie: metatarsos) que constituyen
parte de los “rayos digitales”. Se numeran I a V desde
anterior (pulgar) a posterior (meñique)
Los dígitos se encuentran distales al metapodio y estan
compuestos por falanges.
“tetrapodos modernos” (neotetrapoda): Todos los descendientes del
ancestro común mås reciente compartido por los dos principales
grupos de tetrápodos vivientes (lisanfibios y amniotos)
El “pulgar del panda” es un hueso
neomórfico (“nuevo) y sesamoide
Hueso sesamoide: osificación
intratendinosa.
El hueso pisiforme también se
origina al interior de un tendón,
sin embargo hay quienes
afirman que corresponde al
elemento mesopodial C4
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AER permite el
crecimiento hacia
fuera
!JS)
El mesodermo
transplantado
mantiene la identidad
de la extremidad
(brazo o pierna)
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Identidad brazo o
pierna de primordios
Correlación de la
identidad con la
expresión anterior de
Tbx5 y posterior de
Tbx4
Posible caso de thomesis epidérmica: Microraptor gui
ZPA: Zone of Polarizing Activity
Las identidad de las
condensaciones digitales
permanece indeterminada
hasta estadios tardios,
permitiendo la alteracion
experimental de la identidad
de una condensación de
acuerdo al mesénquima
interdigital posterior a cada
condensación (Dahn and
Fallon 2000).
Secuencia altamente conservada de formación de cartílago; El “eje primario” de
formaciíon de cartílago
En una mano pentadáctila tipica de tetrápodos modernos: El primer digito que inicia la
formacion de cartilago es el dedo 4, que está espacialmente en línea con el calcáneo/
ulnare y la ulna/fíbula, definiendo un ‘eje primario”
Eje primario
Chelydra (tortuga) mano
Gallus (ave) pie
Burke and Feduccia 1997
Los genes HoxA y HoxD más posteriores se expresan de manera
dinámica en la extremidad, con patrones de expresion tempranos y
tardíos distintos (que afectan distintos segmentos proximo-distales)
En la fase tardía (III), los genes HoxD10, D11, D12, D13 y A13 se expresan en los dedos 2-5, en cambio sólo
HoxD-13 y A-13 se expresan en el dedo 1
Origen de las extremidades pareadas
Hipótesis: Las extremidades son homólogas a aletas
longitudinales como la aleta media
Los primeros vertebrados sólo poseían la aleta media, que
incluye la región caudal (de la cola). No poseían aletas de las
extremidades (aletas pectorales y pelvicas). Las aletas
pareadas de las extremidades sólo aparece en gnathostomos
troncales (stem gnathostomes)
Existen varias semejanzas embriológicas
y de expresión genética entre el primordio
de la cola y el de las extremidades,
incluyendo la presencia de un VER
(“ventral ectodermal ridge”) semejante al
AER
La expresión de genes Hox
posteriores podría deberse a que la
aleta original (la caudal) se encuentra
hacia la región posterior del cuerpo.
Las aletas pareadas pectorales (“brazos”) surgen antes de las pélvicas (“piernas”)
Aletas pectorales
Aletas pélvicas
En todas las aletas se puede observar un eje central del cual se proyectan “rayos” (radiales) y que se
argumenta corresponde al eje principal de formación de cartílago de las extremidades de tetrápodos
En sarcopterigios rhipidistianos (en la imagen, sauripteris en adelante) hay un patrón de
“bifurcación del eje metapterygio” que se corresponde con el arreglo observado en tetrápodos
En tetrápodos troncales hacen su aparición los dedos definitivos
Teoría original sobre el origen de los dedos (basado en comparación
de tetrápodos con zebrafish):
Los dedos se habrían originado junto con fase tardía de expresión de
genes Hox
(Error en la imagen: La expresión de D-11 es la de D-13 y viceversa)
Correción tras observar tiburones y actynoperygios basales: La fase 3 de expresión es mucho más
antigua y perdida secundariamente en el linaje conducente a los teleósteos. Los radiales parecen
corresponderse con el autopodo
Symphysis
Acetábulo
Hay polydactylia ancestral en tetrápodos troncales, luego pérdida de dedos y pentadactilia en
el pie y la mano de los primeros tetrápodos modernos. En estos, el dedo más anterior (dedo
1) es bifalangeal. Se denomina “pollex” en la mano y “hallux” en el pie
En “Lepospóndilos” (Primeros
Batrachomorpha, ancestros de los anfibios
actuales) en la mano ha ocurrido una
reducción a 4 dígitos. Estos pueden ser los
digitos 1,2, 3 y 4 pero en ranas, el eje
primario de formación de cartílago sugiere
que son 2,3,4, y 5
Nótese la presencia de aparentes dedos
vestigiales “prepollex”, “postminimus”
Oster et al 1988
Presencia de prepollex y prehallux anterior al dedo 1 en manos (A) y pies
(B) de Xenopus.
Ojo: una sola costilla
sacral en anfibios
Los urodelos poseen extremidades de desarrollo anormal dentro de los
tetrapoda. La secuencia de formacion de cartilago es diferente (ocurre primero
hacia anterior, en el dedo 1). No hay AER morfologico y hay expresion
autopodial de HoxA-11
A partir de una diferencia en la
secuencia en que se forma el cartílago
en las extremidades de las salamandras
respecto a los demás tetrápodos,
Holmgren propuso una teoría difilética,
en que dos grupos de peces distintos
habrían “conquistado la tierra”,
evolucionando las extremidades de
manera independiente.
En realidad, hay un sólo origen de las
extremidades de los tetrápodos: es el
desarrollo el que ha cambiado en
salamandra.
P
A
Manus
Pes
En cambio, los tetrápodos mas cercanos a los amniotos que a los anfibios
modernos (“anthracosaurios” o reptiliomorphos) como Seymouria retuvieron la
pentadactilia ancestral en la mano y presentan un numero especifico de falanges
en cada dígito: 2-3-4-5-3 en la mano, y 2-3-4-5-4 en el pie
P
A
Manus
Pes
Captorhinus: amniote temprano más cercano a el linaje reptiliano que al
linaje de los mamíferos. También presenta la fórmula 2-3-4-5-3 en la mano
y 2-3-4-5-4 en el pie
P
A
Manus
Pes
Ophiacodon es un amnioto temprano más cercano a los mamíferos que a los
reptiles. Tambien presenta 2-3-4-5-3 en la mano y 2-3-4-5-4 en el pie. Por lo
tanbto toda la evidencia indica que esta formula estaba presente en el ancestro
comun mas reciente de los amniotos
P
A
Manus
Pes
La misma formula falangeal ha sido retenida por varias especies de lagaratijas
desd ele ACMR de los amniotos
Homeosis en la Evolución del Ala de las Aves
Nueva Evidencia Comparativa y Experimental
Dr Alexander Vargas
Departamento de Biología
Facultad de Ciencias Universidad de Chile
Origen del “problema”: Embriología comparada vs. Morfología comparada
El ala tridáctila de las aves evolucionó a partir de una mano reptiliana ancestral pentadáctila; los dedos
del ala se desarrollan a partir de condensaciones cartilaginosas que en tetrápodos pentadáctilos dan
origen a los dedos 2,3 y 4 (índice, medio y anular)
2345
Ulnare
1
Ulna
Ulna
Alligator mississippiensis
Gallus gallus (chicken)
Burke and Feduccia 1998 Science 278: 666
El eje primario de formación de cartílago en pentadáctilos
siempre da origen al dedo 4 y está en línea con la ulna y el
ulnare
Además, es posible observar en el ala
la presencia de pequeñas
condensaciones embrionarias que
aparentan ser un pulgar (dedo 1) y
meñique (dedo 5) vestigializados
Embrión de avestruz (Struthio)
Nowicki & Feduccia 2002
Naturwissenschaften 89: 391
Sin embargo, la morfología comparada (de taxa fósiles y vivientes)
identifica a los dedos del ala de las aves como 1, 2 y 3
Wagner y
Gauthier 1999
PNAS 96:5111
Solución
propuesta:
1,2,3 = 2,3,4.
Inferencia de un
evento de
Desplazamiento
Homeótico en
Serie (“DHS”)
(Homeotic Frameshift ) en la
evolución del ala
A algunos puede tomarles un tiempo entusiasmarse con el DHS…
Feduccia 1999 PNAS
(A) Alligator (B) The early ornithischian dinosaur Heterodontosaurus (C) The early theropod Herrerasaurus (D) The Neotheropod
Coelophysis (E) The tetanuran Allosaurus (F)The early maniraptoran Ornitholestes (G) the early bird Archaeopteryx (H) the
enanthiornithe Sinornis (I) nestling of the modern Opisthocomus (J) 12.5 day embryo of the duck Anas (K) the adult chicken Gallus
gallus (L) Adult Opisthocomus.
Cambios de identidad especificados por mesénquima interdigital posterior a cada dedo A)
Esquema de B) retirada de interdígito (ID) posterior a dedo 2 C) retirada de interdígito posterior a dedo
3 D) Control: injerto de condensación 2 en ID 2 y E) condensación 3 en ID 3. F) Condensación 3 en ID
2 G) Condensación 2 en ID 3
Dahn y Fallon 2000 Science 289: 438
En extremidades en que no hay controversia sobre la identidad de los dedos
(ratón, pie del pollo) la expresión de genes Hox se utiliza para identificar el
desarrollo del dedo 1. HoxD-10, HoxD-11 y HoxD-12 están ausentes sólo en el
dedo 1, pero se expresan en todos los demás dedos. HoxD-13 y HoxA-13, en
cambio, se expresan en todos los dedos, incluído el dedo 1
HoxD-12
HoxD-13
1
1
2
2
3
Brazo
3
4
5
5
Pierna
11.5
12.5
11.5
Chiang et al 2001 Dev Biol 236: 421
12.5
4
EXPERIMENTOS FUNCIONALES
Expresión forzada de HoxD-12 en el dedo 1 de
ratón: transformación a un dedo 2
Expresión forzada de
HoxD-11 en dedo 1 del
pie del pollo:
transformación a un dedo
2
Expresión forzada de HoxD-12
en pie de pollo (colaboración
con Fallon lab) sugiere
conservación funcional de
HoxD-12 en ratón y pollo
(pese a 300 millones de años
de divergencia evolutiva)
Pie pollo
HoxD-13
Mano ratón
HoxD-12
HoxD-13
HoxD-12
Mano de pollo (dias 7 y 8)
Vargas and Fallon 2005 JEZ B (MDE) 304:86
En el ala, HoxD-10, HoxD-11 y HoxD-12 están ausentes sólo en el dedo
bifalangeal anterior del ala.
La expresión genética sugiere que este es un dedo 1, pese a
desarrollarse a partir de la posición embriológica del dedo 2.
Vargas & Fallon 2005 JEZB (MOL DEV EVOL) 304:86
¿Qué tal si la ausencia de expresión de HoxD-12 es sólo cosa de ser el
dedo más anterior?
Los mutantes de pollo talpid2 y Silkie presentan un pie con un eje anteroposterior alterado. talpid2 muestra un pie “posteriorizado” y polidáctilo, sin
dedo 1. En Silkie, el dedo más anterior no es el dedo 1 sino un dedo 2
ectópico
Vargas & Fallon 2005 JEZB 304:86
Talpid2
Silkie
En ratón, HoxA-13 se expresa en todos los dedos, pero sólo el dedo 1 requiere
HoxA-13 para su formación. Es el único dedo que desaparece en ausencia de
función de HoxA-13
Image from Fromental-Ramain et al. 1996
Para observar la “función” de HoxA-13 en el ala, un alelo dominante negativo
(putativo) para HoxA-13 fue contruido que comprende una fusion of dominio
represor de la transcripción del gen engrailed de drosphila y una región de
HoxA-13 (EnHoxA-13) en un vector retroviral que fue electroporado en el
primordio del ala en estadio 17
Datos preliminares: Como resultado, el dedo anterior del ala dejó de
formarse sugiriendo que sólo este dedo requiere HoxA-13, tal como el
dedo 1 del ratón.
Ratón
Desplazamiento
Homeótico
en Serie:
Identidad y
expresión de
HoxD10-12
hacia posterior
Pollo
Pero, el ratón es sólo un
pariente lejano de las
aves. Los crocodylia son
los parientes vivos más
cercanos a las aves.
Aproximación
comparativa:
Si el dedo más anterior
del ala es un dedo 2, es
posible que en los
crocodilia el dedo 2 no
exprese HoxD-10, HoxD-11
y HoxD-12
Si, de acuerdo al DHS, la
ausencia de HoxD-10,
HoxD-11 y HoxD-12 en el
en el ala de las aves
indica, como en el ratón,
el desarrollo del dedo 1, la
ausencia de expresión
debiera observarse sólo
en el dedo 1 de parientes
más cercanos de las aves
Clonamos un fragmento del exon 1 de HoxD-11 de Alligator
mississippiensis para observar su expresión en dedos embrionarios.
Vargas et al 2008 PLoS ONE 3(10): e3325
Como en el ratón, en Alligator, HoxD-11 está ausente sólo en el dedo 1
bifalangeal; el dedo anterior del ala se parece exclusivamente al dedo 1 de
Alligator
Esto es consistente con el DHS, que mantiene que los dedos del ala son 1,2 y 3
pese a desarrollarse a partir de las condensaciones 2,3,y 4
Vargas et al 2008 PLoS ONE 3(10): e3325
La evidencia experimental: ¿Es posible un DHS
en el lab?
La transformación homeótica de dedos se ha
documentado, pero sólo para dedos
individuales
Dahn y Fallon 2000 Science 289:438
Sin embargo, nunca se ha demostrado el desplazamiento en serie,
simultáneo de más de un dígito. ¿Podemos inducir un DHS de manera
experimental?
La aplicación de cyclopamina en estadios 18-20 produce alas bidáctilas
con dedos 1 y 2.
Scherz et al. 2007 Dev Biol 308:343
¿Dónde está el eje primario
de formación de cartílago en
estas alas experimentales?
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,)*;32+',)/,*@2&'2*2)/,3'#3*
Cyclopamine
En 9/54 casos, las alas bidáctilas presentaron un cartílago anterior al
dedo 1 que no se desarrolla en un dígito. Esta puede corresponder a
células con potencial condrogénico que normalmente producen un
dígito pero que quedan “vacantes” (sin identidad especificada) tras el
DHS hacia posterior
Wildtype
Cyclopamine-Treated
La expresión de
HoxD-12 también
está desplazada, una
posición digital más
cerca del eje
primario de
formacion de
cartílago
La pérdida del dedo
posterior, el
desplazamiento
de la morfología y de
la expresión de
HoxD-12, y la
aparición de un
cartílago anterior
“vestigial”, fueron
todas previamente
implicadas para el
DHS evolutivo. Esto
sugirie que el
mecanismo del DHS
se sobrepone con el
de la vía de
señalización de Shh
Conclusiones
Como previamente no se habían
descrito desplazamientos
homeóticos en serie experimentales,
la aplicación de cyclopamina
confirma una posibilidad mecanística
que previamente había sido inferida
mediante comparaciones evolutivas.
(La naturaleza no hace distinción
entre ciencias experimentales y
comparativas; los mismos
mecanismos se ven reflejados en
ambas)
La ausencia de HoxD-12, HoxD-11 y HoxD-10 en dedo 1 es ancestral para
amniotos y conservada en ratón y pollo
El caso del ala de las aves ejemplifica cómo el origen embriológico
puede no ser infalible como indicador de homología (pese a que
generalmente funciona)