En neutral genetisk mutation - en slump i evolutionsprocessen som inte hade något uppenbart biologiskt syfte - som dök upp för över 700 miljoner år sedan i biologisk evolution kan hjälpa till att förklara ursprunget till komplexa organ och strukturer hos människor och andra ryggradsdjur, enligt en artikel publicerad i Naturkommunikation av ett team ledd av CRG-gruppledaren Manuel Irimia, universitetsprofessor Jordi García-Fernandez, av Biologiska fakulteten och Institutet för biomedicin vid universitetet i Barcelona (IBUB), och Maria Ina Arnone (Anton Dohrn Zoological Station, Italien).

Specifikt, denna mutation, som troligen inträffade mycket tidigt i evolutionen efter separationen av vår grupp från den av havsanemoner, påverkade en gen från familjen Fgfr (fibroblasttillväxtfaktorreceptorer). Nyfiket, denna genetiska förändring utlöste, miljoner år senare, kopplingen mellan två genreglerande nätverk (de som kontrolleras av ESRP och av Fgfr), som blev nyckeln till ursprunget till många ryggradsdjurs organ och strukturer (lungor, framben och innerörat).

Gruppen, leds av Demian Burguera (CRG och UB-IBUB), tog sitt tillvägagångssätt från fältet evolutionär utvecklingsbiologi (evo-devo). Detta är ett relativt nytt paradigm i studiet av evolution, som fokuserar på att jämföra embryonal utveckling av flera levande varelser för att förstå hur deras vuxna former har förändrats och gett upphov till nya arter.

Från slumpmässig mutation till bildning av organ hos ryggradsdjur

En gen kan koda för olika proteiner - med olika funktionalitet - genom den genetiska mekanismen för alternativ splitsning (klippning och återförening av gener). I vissa mänskliga celltyper, denna process kontrolleras av en familj av regulatoriska proteiner som kallas ESRP. De fungerar som en molekylär switch:när dessa regulatoriska proteiner är närvarande, en grupp gener involverade i morfogenes och cell-cell-interaktioner genererar specifika proteinvarianter; när de är frånvarande, olika proteinvarianter produceras. Och denna molekylära switch styr hur celler beter sig och interagerar med sina grannar under embryonal utveckling. Dock, den evolutionära betydelsen av denna mekanism var okänd.

"Vi har studerat funktionerna hos ESRP-gener under embryogenesen av olika djur. Våra resultat tyder på att dessa gener var en del av ett gammalt genetiskt maskineri, delas av så olika djur som fiskar, sjöborrar och vi själva, som kontrollerar integrationen av vissa celler i slemhinnorna hos utvecklande organ. Detta är ett grundläggande steg i bildandet av vissa organ, och det är motsatsen till en process som är central för cancermetastaser, genom vilka celler lämnar tumören för att kolonisera andra delar av kroppen" förklarar Manuel Irimia, gruppledare vid Centrum för genomisk reglering (CRG).

Artikeln publicerad i Naturkommunikation visar hur samma reglerande gener har använts för att generera olika organ och biologiska strukturer i levande varelser under evolutionsprocessen. I samma ven, artikeln beskriver hur ett slumpmässigt "misstag" - en till synes meningslös mutation som ägde rum för över 700 miljoner år sedan - blev den molekylära drivkraften för komplex morfologisk utveckling hos ett antal ryggradsdjur (inklusive den mänskliga arten).

"Klart, det mest exceptionella resultatet av arbetet är beviset på hur viktig serendipitet är för evolutionen. Det är förvånande att finna att en enda gen (ESRP), har genom sin förfäders biologiska roll (cellvidhäftning och rörlighet) använts i hela djurskalan för mycket olika syften:från immunsystemet hos en tagghuding till läpparna, lungor eller inre öron hos människor, " säger professor Jordi Garcia-Fernandez, vid universitetet i Barcelonas institution för genetik, Mikrobiologi och statistik och IBUB.

"Den nya upptäckten bekräftar hur mångsidig biologisk evolution är - samma grund och genverktyg kan användas för att bygga en trästuga eller en skyskrapa, avslutar professor Garcia-Fernandez.