Simulan la interacción entre genotipo y desarrollo embrionario en la evolución del fenotipo de un diente

Dibujo20130501 Conceptual interpretation of the decomposition of the genotype-fitness map

Las simulaciones por ordenador de la evolución se suelen centrar en el genotipo y en el fenotipo, obviando el papel del desarrollo embrionario. Dos españoles publican en Nature una simulación de la evolución del diente de los mamíferos que lo tiene en cuenta. Isaac Salazar-Ciudad, ahora en la Universidad de Helsinki, Finandia, que fue Contratado Ramón y Cajal en la Universidad Autónoma de Barcelona, España (no quiero entrar en una discusión de la “fuga de cerebros,” pero estamos en un caso claro), y su estudiante de doctorado Miquel Marín-Riera (UAB), han estudiado la  evolución de la morfología de la forma tridimensional del diente con énfasis en los mecanismos de regulación genética durante el desarrollo embrionario. Este tipo de simulación permite determinar qué aspectos de la morfología 3D evolucionan de forma más fácil. Más información en español en UAB, “Simulan en 3D la evolución por selección natural de la forma de órganos complejos,” SINC, 1 mayo 2013. Para información divulgativa más técnica recomiendo P. David Polly, “Evolution: Stuck between the teeth,” Nature AOP 01 May 2013; el artículo técnico es Isaac Salazar-Ciudad, Miquel Marín-Riera, “Adaptive dynamics under development-based genotype–phenotype maps,” Nature AOP 01 May 2013.

Dibujo20130501 schematic algorithm for evolutionary model

La selección natural selecciona los individuos más aptos (con mayor fitness) en función de la adaptación de su fenotipo al contexto ecológico. Las mutaciones actúan sobre el ADN y los genes, pero la regulación de la expresión génica juega también un gran papel, ya que el fenotipo no es una estructura estática a partir de los genes, sino una estructura dinámica que se desarrolla de forma secuencial desde la fecundación hasta la edad adulta. El nuevo artículo de Salazar-Ciudad y Marín-Riera nos muestra que el efecto del desarrollo del fenotipo es muy importante. El genotipo que a priori da lugar al mejor fenotipo adulto, puede que no dé lugar al mejor fenotipo durante la fase de desarrollo que lleva al adulto. Por ello, la selección natural puede elegir otros genotipos cuyos fenotipos en fase adulta están peor adaptados (fenotipos subóptimos), pero que están mucho mejor adaptados durante la fase de desarrollo (en especial en mamíferos, donde el desarrollo desde el embrión hasta la madurez es bastante lento).

Dibujo20130501 Mammalian tooth development

Los dientes de los mamíferos se desarrollan a partir de dos tipos de tejidos, el mesénquima y el epitelio. El crecimiento de estos tejidos da forma al germen del diente (las células que formarán el diente). La biología molecular del desarrollo del diente es bien conocida. La tasa de proliferación celular, diferenciación celular y apoptosis de los tejidos está contrado por un conjunto de moléculas de inhibición y activación de la expresión génica. Los cambios tridimensionales en las concentraciones de estas sustancias en el tejido en desarrollo determinan la formación de centros de señalización (llamados nudos del esmalte) que determinan la forma de los pliegues germinales de los dientes y con ellos la topografía de la corona del diente maduro (así como sus propiedades funcionales).

Dibujo20130501 teeth - molecule concentration

La técnica de simulación de Salazar-Ciudad y Marín-Riera es muy similar a la utilizada en el diseño en ingeniería mediante algoritmos genéticos (que ha sido aplicado a cuestiones tan diversas como el diseño de la forma de un teléfono o el trazado de una carretera). Los autores del artículo han creado poblaciones artificiales de dientes en desarrollo sometidas a mutación y selección. Cada población se inicia con un fenotipo elegido al azar. Las mutaciones se aplican a la alteración de los parámetros moleculares de la señalización. Los individuos más aptos son seleccionados como los padres de la siguiente generación y la simulación se repite. Lo que informática se llama un algoritmo genético para el diseño de una forma tridimensional.

Dibujo20130501 Examples of simulation dynamics - population average and maximum fitness

En mi opinión, lo más interesante del trabajo de Salazar-Ciudad y Marín-Riera es que demuestra que la mutación de parámetros genéticos no es capaz de producir cualquier fenotipo, y entre ellos el fenotipo óptimo, ya que las interacciones moleculares durante el desarrollo limitan el espacio alcanzable de trayectorias de búsqueda, resultando en un fenotipo subóptimo. La evolución en la práctica se revela más complicada de lo esperado. Aún hay muchas cosas sobre la interacción entre la genética, el desarrollo y la macroevolución que nos pueden ofrecer sorpresas.

2 pensamientos en “Simulan la interacción entre genotipo y desarrollo embrionario en la evolución del fenotipo de un diente

  1. Francis, cuando te refieres a fenotipo subóptimo, ¿respecto a qué?. Creo que el concepto de fenotipo óptimo no está nada claro. Cada especie está adaptada al medio en el que vive, puesto que existe. Si no estuviera adaptada no existiría. ¿Podría estar mejor adaptada? ¿Para qué, si ya existe, que es la mejor prueba de adaptación?

    • Daniel, el término no es mío, yo le hubiera llamado óptimo local. En el artículo técnico se estudian simulaciones por ordenador, luego el concepto de óptimo estå bien definido y si el algoritmo que simula la evolución alcanza un óptimo local, pues no alcanza el óptimo. No soy experto en estos asuntos, pero lo que nos viene a decir este artículo es que nos engañamos cuando pensamos que la evolución conduce al óptimo siempre pues los mecanismos bioquímicos que la rigen tienes limitaciones.

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