15 de Abril de 2010
La Jolla, CA: un alga verde multicelular, Volvox carteri, finalmente pudo haber descubierto los secretos detrás de la evolución de los diferentes sexos. Un equipo dirigido por investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos ha demostrado que la región genética que determina el sexo en volvox ha cambiado dramáticamente en relación con el de la alga unicelular estrechamente relacionada Chlamydomonas reinhardtii.
Sus hallazgos, que se publicarán en la edición del 16 de abril de la revista Ciencias:, brindan el primer respaldo empírico para un modelo de evolución de dos sexos diferentes mediante el cual la expansión de una región determinante del sexo crea diversidad genética seguida de genes que asumen nuevas funciones relacionadas con la producción de células reproductivas masculinas y femeninas denominadas gametos.
Colonia de hembras vegetativas. Volvox carteri forma colonias esféricas, que se componen de 2,000 a 4,000 células individuales incrustadas en una matriz extracelular. Durante la reproducción no sexual, los llamados gonidios en las colonias masculinas y femeninas (en la foto) producen colonias juveniles a través de divisiones repetidas.
Imagen: Cortesía del laboratorio Umen, Instituto Salk de Investigación Biológica
“Hasta ahora, los cromosomas que determinan el sexo generalmente se consideraban regiones en descomposición, que perdían constantemente genes que no estaban involucrados en la reproducción sexual”, explica james umen, Ph.D., profesor asistente en el Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas en el Instituto Salk, quien dirigió el equipo que realizó el estudio. “Nuestro estudio muestra lo contrario: que tales regiones pueden expandirse y generar nuevo material genético mucho más rápido que el resto del genoma”.
La mayoría de los organismos multicelulares, como las plantas y los animales, tienen dos sexos distintos: las hembras producen óvulos grandes e inmóviles y los machos producen pequeños espermatozoides móviles. Si bien los organismos unicelulares también pueden reproducirse sexualmente, los dos sexos de las especies unicelulares suelen ser indistinguibles entre sí y se cree que representan un estado evolutivo ancestral o temprano. Sin embargo, las grandes distancias que separan a las plantas o los animales de sus parientes unicelulares más cercanos han impedido comprender la transición evolutiva hacia el dimorfismo masculino-femenino.
“En organismos unicelulares como Chlamydomonas, los gametos tienen el mismo aspecto. En contraste, los organismos multicelulares, incluyendo volvox, producen óvulos y espermatozoides, son claramente masculinos y femeninos. Sin embargo, nadie tiene idea de cómo ocurre la evolución de machos y hembras o qué cambios genéticos se requirieron para lograrlo”, explica Umen.
Aunque los genomas de Chlamydomonas y volvox son similares en la mayoría de los aspectos, hay una excepción evidente que proporcionó a los investigadores de Salk una entrada al origen de los sexos masculino y femenino: el llamado lugar de apareamiento que funciona de manera muy similar a los cromosomas humanos X e Y para determinar el género. .
Cuando Umen y sus colegas examinaron los genes del locus de apareamiento en Chlamydomonas y volvox descubrieron que compartían algunos de los mismos genes, como cabría esperar de especies estrechamente relacionadas. Sin embargo, volvox ahora también poseía una sorprendente variedad de nuevos genes que se agregaron a su locus de apareamiento ampliado, y la expresión de muchos de estos genes había quedado bajo el control de los programas de diferenciación masculinos o femeninos.
Colonia de machos sexuales. Durante la reproducción sexual, el macho Volvox carteri las colonias producen paquetes de espermatozoides, cada uno de los cuales contiene 64 o 128 espermatozoides. Después de su liberación, los paquetes de esperma individuales nadan como una unidad hasta que alcanzan un esferoide femenino donde se disocian antes de la entrada de la fertilización de los óvulos.
Imagen: Cortesía del laboratorio Umen, Instituto Salk de Investigación Biológica
“Encontramos que la volvox el lugar de apareamiento es unas cinco veces mayor que el de Chlamydomonas”, dice el investigador postdoctoral y coautor Patrick Ferris, Ph.D. “Queríamos entender la base evolutiva de esto. ¿Cómo ha ocurrido? ¿Y de dónde vinieron estos nuevos genes?”.
Para rastrear el origen de los genes agregados, el equipo buscó si también podían encontrarlos en Chlamydomonas. “Encontramos que aunque algunos de los genes del locus de apareamiento en volvox son completamente nuevos, muchos de ellos tienen contrapartes en Chlamydomonas que están cerca del lugar de apareamiento”, explica el coautor Bradley Olson, Ph.D. "Entonces volvox ha tomado estos genes que inicialmente no tenían nada que ver con el sexo, los incorporó a su locus de apareamiento y comenzó a usar algunos de ellos en su ciclo reproductivo sexual”.
El equipo ahora está estudiando estos nuevos genes locus de apareamiento para comprender sus roles individuales en la determinación del sexo y el desarrollo sexual.
Ya han identificado un volvox nombre del gen del locus de apareamiento MAT3 que parece haber desarrollado un nuevo papel en la diferenciación sexual. MAT3 está relacionado con un gen humano llamado supresor de tumores de retinoblastoma que controla la división celular y con frecuencia está mutado en las células cancerosas. En Volvox, MAT3 probablemente tiene un papel en el control de la división celular como lo hace en animales y plantas, pero también ha adquirido intrigantes diferencias específicas de género en su secuencia y patrón de expresión que se correlacionan con diferencias en el desarrollo reproductivo masculino/femenino. El laboratorio de Umen está haciendo un seguimiento de este hallazgo para determinar el papel recientemente desarrollado de MAT3 in volvox especificación de género.
“Este estudio demuestra que volvox y sus familiares son un poderoso modelo para estudiar la evolución del sexo”, dice Umen. “Nos proporciona un sistema en el que podemos rastrear la historia evolutiva para hacer preguntas sobre el origen del género y otros rasgos que son difíciles de abordar en grupos como plantas y animales”.
El equipo también está trabajando con colaboradores para examinar el lugar de apareamiento de un intermedio evolutivo entre Chlamydomonas y volvox , que son gonio, que tiene entre cuatro y 16 celdas. “gonio permite observar los pasos evolutivos entre Chlamydomonas y volvox para comprender mejor cómo sucedió el proceso evolutivo”, dice Ferris.
Además de Ferris, Olson y Umen, contribuyeron a este trabajo Peter L. De Hoff, Ph.D., y Sa Geng, Ph.D. en el Instituto Salk; Stephen Douglass, David Casero y Matteo Pellegrini en UCLA; Simon Prochnik del Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Rhitu Rai del Instituto Salk y el Instituto de Investigación Agrícola de la India, Nueva Delhi; Jane Grimwood y Jeremy Schmutz del Instituto de Biotecnología Hudson Alpha, Alabama; Ichiro Nishii de la Universidad Femenina de Nara, Nara, Japón; y Takashi Hamaji y Hisayoshi Nozaki en la Universidad de Tokio, Japón.
-Claire Attwooll
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