Procesos del desarrollo y evolución de los molares en <i>Mus musculus</i>

Abstract

El estudio de los patrones de variación morfológica dental (en tamaño y forma) y de los procesos evolutivos y del desarrollo que los originan a escalas intra e inter-específica ha contribuido de manera significativa a la comprensión de la historia evolutiva del linaje homínido. Las piezas dentales son particularmente relevantes para el abordaje de problemáticas evolutivas y del desarrollo debido a un conjunto de características que las distinguen de otras estructuras anatómicas. En el contexto de las investigaciones tradicionales, la variación morfológica dental observada a escala intra e inter-específica ha sido atribuida principalmente a la acción de procesos microevolutivos actuando sobre la variación genética, tales como la selección, el flujo y la deriva génica. Más recientemente, se han comenzado a dilucidar los mecanismos moleculares y celulares que a nivel local regulan la morfogénesis de las distintas clases dentales (e.g., incisivos, caninos, molares) en el maxilar y la mandíbula. Estos mecanismos moleculares y celulares que actúan durante el desarrollo median la acción de los factores genéticos y ambientales sobre el fenotipo y, por lo tanto, pueden limitar o favorecer la evolución morfológica (i.e., evolucionabilidad) en trayectorias de cambio específicas. En este sentido, los estudios experimentales realizados en roedores han contribuido a comprender la relación entre las moléculas que a nivel local regulan la activación e inhibición celular con los patrones morfológicos dentales resultantes. Particularmente, estos hallazgos han conducido a la descripción de los mecanismos que permitirían dar cuenta de la regulación del patrón de cúspides en dientes multicúspides y del tamaño relativo de los molares durante el desarrollo. Sin embargo, el estudio de grupos de organismos con divergencia evolutiva reciente, o inter-poblacional, es aún muy limitado. Considerar esta escala es fundamental dado que la variación surgida por modificaciones en los procesos del desarrollo -e.g., proliferación y diferenciación celular- se fija o pierde por procesos evolutivos que actúan dentro y entre poblaciones. Por ello, el objetivo general del presente trabajo es estudiar el rol de los procesos que regulan el desarrollo molar en el surgimiento de la variación morfológica a escala inter-específica e inter-poblacional, utilizando para esto una aproximación experimental que permita discutir las implicancias para la evolución morfológica dental en homínidos. Particularmente, en el presente trabajo se testeó el modelo de Cascada Inhibitoria propuesto por Kavanagh y colaboradores (2007), el cual plantea que el tamaño relativo de los molares es modulado por una cascada de inhibición de los dientes mesiales sobre los distales y la liberación de moléculas activadoras por los tejidos circundantes. De acuerdo al modelo, el incremento en la proporción activación/inhibición resulta en un aumento del tamaño de los molares posteriores, en tanto su reducción tiene el efecto contrario. A partir de la formulación matemática del modelo se derivaron expectativas que pueden ser contrastadas con los tamaños molares relativos a distintas escalas evolutivas. A fin de estudiar la variación intra e inter-específica en el linaje homínido se recopiló información morfométrica dental de especímenes de homininos fósiles y especímenes actuales de Gorilla y Pan, así como de poblaciones humanas. En todos los casos se incluyeron los primeros, segundos y terceros molares inferiores y superiores, abarcando más de 1200 piezas dentales. Para evaluar los mecanismos involucrados en la diferenciación morfológica molar a escalas intra e inter-específicas se emplearon distintas cepas de roedores del género Mus, distribuidos en dos grupos de análisis, modelos de variación intra e inter-específica, y modelos de alteración del crecimiento por factores con efecto sistémico –por hormonas, perturbación ambiental y selección artificial-. La descripción de la morfología molar de los especímenes de Mus se basó en la adquisición de microtomografías computadas sobre las que se digitalizaron coordenadas cartesianas en 3 dimensiones en las cúspides y el contorno molar. El enfoque metodológico empleado combina técnicas de morfometría tradicional y geométrica, y métodos comparativos filogenéticos. La reconstrucción de las relaciones filogenéticas entre las especies de homínidos actuales y fósiles se realizó a partir de datos obtenidos previamente por otros autores, en tanto las relaciones filogenéticas en el género Mus se reconstruyeron a partir de secuencias del ADN mitocondrial obtenidas aquí y disponibles en repositorios públicos. Los resultados obtenidos indican que el tamaño molar de las especies homínidas analizadas en este trabajo presentó una fuerte estructuración filogenética, especialmente en el maxilar superior. Particularmente en los homininos, se observó una tendencia a la reducción del área de la fila molar superior e inferior que estuvo acompañada de cambios alométricos en el tamaño de los molares. Se destaca la relación alométrica negativa entre el primer molar y el tamaño de la fila molar, altamente conservada en la filogenia de homínidos así como en roedores. En los homínidos el coeficiente alométrico fue mayor para el M3, lo que indica un mayor efecto de los cambios en el tamaño de la dentición posterior sobre este molar. A partir de estos resultados se infiere que parte de la variación en el tamaño relativo de los molares se asociaría a la variación en el tamaño dental tanto entre especies como entre poblaciones humanas. En cuanto a las predicciones del modelo de Cascada Inhibitoria, los resultados obtenidos apoyan parcialmente las hipótesis derivadas del mismo. En primer lugar, la relación entre las proporciones molares para ambos maxilares y su ajuste a la recta predicha por el modelo fue buena en poblaciones humanas modernas y en las cepas de roedores analizadas. Esto sustentaría que la variación en las proporciones molares se produce por alteraciones en el balance entre activadores/inhibidores. En segundo lugar, la predicción de la proporción del segundo molar respecto a la fila molar completa se cumplió para molares superiores e inferiores de humanos modernos y homínidos, así como para la dentición superior de roedores. En todos los casos, el segundo molar presentó valores cercanos al 33% del tamaño de la fila molar completa, presentando valores más elevados en las especies que se ubicaron por fuera de la región del morfoespacio predicho por el modelo. Para el segundo molar inferior de roedores se observó un incremento de este porcentaje (i.e., entre 34% y 37%) aunque las proporciones molares se ajustaron al modelo de Cascada Inhibitoria. En conjunto, los resultados obtenidos en roedores darían cuenta del fuerte balance en el que se encuentran las moléculas activadoras e inhibidoras durante el desarrollo molar, a pesar de no ajustarse completamente a la recta esperada por el modelo. Por último, respecto al enunciado que predice la agenesia del tercer molar cuando el segundo molar presenta un 50% menos del tamaño del primer molar, se observó que el segundo molar representó de manera sistemática más del 50% del tamaño del primer molar, y del mismo modo no se observó en ningún caso una agenesia sistemática del tercer molar. Finalmente, con relación a la evaluación del efecto de perturbaciones del desarrollo sobre el tamaño y la forma de los molares, los resultados permitieron remarcar el rol de los factores con efecto sistémico en la variación en el tamaño dental. Los diseños experimentales en roedores indicaron que el tamaño molar se asocia a cambios en el tamaño corporal, inducidos tanto por respuestas plásticas a estímulos ambientales durante la ontogenia como a procesos microevolutivos de selección sobre rasgos corporales. En conjunto, los resultados alcanzados en este trabajo han permitido resaltar la complejidad de los procesos que regulan el desarrollo molar en el surgimiento de la variación morfológica a escalas inter e intra-específica en el linaje homínido y el género Mus. Gracias a la amplia muestra conformada por diversas especies de Mus, así como géneros incluidos en la filogenia homínida, con representación de gran cantidad de poblaciones humanas actuales, fue posible poner en relación los patrones de variación dental a distintas escalas filogenéticas. Asimismo, permitió delinear futuras vías de abordaje para el estudio de los factores y mecanismos que generan y mantienen la variación dental, así como sus implicancias para la reconstrucción filogenética basada en caracteres morfológicos.

The study of the patterns of dental morphological variation (in size and shape) and the evolutionary and developmental processes that give rise to them at intra- and inter-specific scales has contributed significantly to the understanding of the evolutionary history of the hominid lineage. Teeth are particularly relevant for addressing evolutionary and developmental questions due to several characteristics that distinguish them from other anatomical structures. In the context of traditional research, the dental morphological variation observed at intra-specific and inter-specific scales has been attributed to the action of microevolutionary processes acting on genetic variation, such as selection, gene flow, and drift. More recently, the molecular and cellular mechanisms that locally regulate the morphogenesis of the different dental classes (e.g., incisors, canines, molars) in the maxilla and mandible have begun to be elucidated. These molecular and cellular mechanisms acting during development mediate the action of genetic and environmental factors on the phenotype and, therefore, may limit or favor morphological evolution (i.e., evolvability) in specific trajectories of change. Experimental studies in rodents, in particular, have contributed to the understanding of the relationship between molecules that locally regulate cell activation and inhibition with the resulting dental morphologies. In particular, these findings have led to the description of the mechanisms responsible for the cusp patterns in multicuspid teeth and the relative size of molars during development. However, the study of organisms with recent evolutionary divergence, or inter-population divergence, is still limited. Considering this scale is fundamental given that variation arising from modifications in developmental processes -e.g., cell proliferation and differentiation- is fixed or lost by evolutionary processes acting within and between populations. Therefore, this work aims to study the role of the processes that regulate molar development in the emergence of morphological variation at inter-specific and inter-population scales, using an experimental approach to discuss the implications for dental morphological evolution in hominids. Particularly, here I tested the Inhibitory Cascade model proposed by Kavanagh et al. (2007), which proposes that the relative size of molars is modulated by a cascade of inhibition of mesial teeth on distal teeth and the release of activating molecules by the surrounding tissues. According to the model, an increase in the activation/inhibition ratio increases the size of the posterior molars, while its reduction has the opposite effect. From the mathematical formulation of the model, expectations were derived that can be contrasted with the relative molar sizes at different evolutionary scales. Dental morphometric information from fossil hominin, extant Gorilla and Pan specimens, and human populations was collected to study intra-specific and inter-specific variation in the hominid lineage. The first, second, and third lower and upper molars were included, with a sample size of more than 1200 teeth. Several strains of rodents of the genus Mus were analyzed to assess the mechanisms involved in molar morphological differentiation at intra-specific and inter-specific scales. Different species and subspecies were analyzed as a model of microevolutionary processes. In addition, models of growth alteration by factors such as hormones, environmental disturbance, and artificial selection were used to assess systemic effects on molar size and shape. The description of the molar morphology of Mus specimens was based on the acquisition of computed microtomography on which 3D Cartesian coordinates were digitized in the cusps and molar contour. The methodological approach used combines traditional and geometric morphometric techniques and phylogenetic comparative methods. The reconstruction of phylogenetic relationships between extant and fossil hominid species was performed from data previously obtained by other authors, while phylogenetic relationships in the genus Mus were reconstructed from mitochondrial DNA sequences obtained here and available in public repositories. The results obtained indicate that the molar size of the hominid species analyzed in this work showed a strong phylogenetic structuring, especially in the upper jaw. Particularly in hominins, a trend towards a reduction in the area of the upper and lower molar row was observed, which was accompanied by allometric changes in molar size. The negative allometric relationship between first molar and molar row size, highly conserved in hominin phylogeny as well as in rodents, stands out. In hominids the allometric coefficient was higher for M3, indicating a larger effect of changes in the size of the posterior dentition on this molar. From these results, it is inferred that part of the variation in relative molar size would be associated with variation in tooth size, both between species and between human populations. Regarding the predictions of the Inhibitory Cascade model, the results obtained partially support the hypotheses derived from the model. First, the relationship between the molar ratios for both jaws and their fit to the straight line predicted by the model was good in modern human populations and the rodent strains analyzed. This would support that the variation in molar ratios is produced by alterations in the activator/inhibitor balance. Second, the prediction of the ratio of the second molar was fulfilled for upper and lower molars of modern humans and hominids, as well as for the upper dentition of rodents. In all cases, the second molar presented values close to 33% of the size of the complete molar row, with higher values for species located outside the morphospace region predicted by the model. For the second lower molar of rodents, an increase of this percentage was found (i.e., between 34% and 37%), although the molar proportions fitted to the Inhibitory Cascade model. Overall, the results obtained for rodents would account for the strong balance between activating and inhibitory molecules during molar development, even though they do not completely fit the expectations of the model. Finally, concerning the statement that predicts the agenesis of the third molar when the second molar is 50% less than the size of the first molar, it was observed that the second molar systematically represented more than 50% of the size of the first molar, and no systematic agenesis of the third molar was observed in any case. Finally, about the evaluation of the effect of developmental perturbations on molar size and shape, the results highlight the role of factors with systemic effects on variation in tooth size. Experimental designs in rodents indicate that molar size is associated with changes in body size, induced by both plastic responses to environmental stimuli during ontogeny and microevolutionary processes of selection on body traits. Overall, the results achieved in this work have highlighted the complexity of the processes that regulate molar development in the emergence of morphological variation at inter and intra-specific scales in the hominid lineage and the genus Mus. The large sample composed of several species of Mus, along with the hominid genera and a large number of modern human populations, showed that the patterns of dental variation at one scale contribute to generating expectations about the patterns described for the others. Overall, this work provides the basis for further studies about the factors and mechanisms that generate and maintain dental variation, as well as to discuss their implications for phylogenetic reconstructions based on morphological chars.