Imagine un león: el macho tiene una melena exuberante, la hembra no. Este es un ejemplo clásico de lo que los biólogos llaman dimorfismo sexual: los dos sexos de la misma especie exhiben diferencias en forma o comportamiento. Los leones machos y hembras comparten la misma información genética, pero se ven bastante diferentes.
Estamos acostumbrados a pensar en los genes como responsables de los rasgos que desarrolla un organismo. Pero pueden surgir diferentes formas de un rasgo, melena o no melena, a partir de información genética prácticamente idéntica. Además, los rasgos no son todos igualmente sexualmente dimórficos. Si bien las colas de los pavos reales y los pavos reales son extremadamente diferentes, sus patas, por ejemplo, son más o menos las mismas.
Comprender cómo surge esta variación de forma, lo que los genetistas llaman variación fenotípica, es crucial para responder a varias preguntas científicas, incluida la aparición de rasgos novedosos durante la evolución y la aparición de enfermedades complejas durante toda la vida.
Por lo tanto, los investigadores han examinado más de cerca el genoma, buscando los genes responsables de las diferencias entre sexos y entre rasgos dentro de un mismo sexo. La clave de estos rasgos sexualmente dimórficos parece ser un tipo de proteína llamada factor de transcripción, cuyo trabajo es activar y desactivar los genes.
En nuestro propio trabajo con los escarabajos de estiércol, mis colegas y yo estamos desenredando cómo estos factores de transcripción realmente conducen a los diferentes rasgos que vemos en hombres y mujeres. Mucho tiene que ver con algo llamado "empalme genético alternativo", un fenómeno que permite que un solo gen codifique diferentes proteínas, dependiendo de cómo se unan los bloques de construcción.
El gen doublesex produce dimorfismo sexual visualmente obvio en la mariposa Papilio polytes, el mormón común. Hembra (arriba), macho (abajo). (Jeevan Jose, Kerala, India, CC BY-SA) Con los años, diferentes grupos de científicos trabajaron independientemente con varios animales para identificar genes que dan forma a la identidad sexual; Se dieron cuenta de que muchos de estos genes comparten una región específica. Esta región génica se encontró tanto en el gen del gusano mab-3 como en el gen del insecto doublesex, por lo que nombraron genes similares que contienen los genes DMRT de esta región, por "factores de transcripción relacionados con el doble mab".
Estos genes codifican las proteínas DMRT que activan o desactivan la lectura o expresión de otros genes. Para hacer esto, buscan genes en el ADN, se unen a esos genes y hacen que sea más fácil o más difícil acceder a la información genética. Al controlar qué partes del genoma se expresan, las proteínas DMRT conducen a productos característicos de la masculinidad o la feminidad. Emparejan la expresión de genes con el sexo y el rasgo correctos.
Los DMRT casi siempre confieren masculinidad. Por ejemplo, sin DMRT, el tejido testicular en ratones machos se deteriora. Cuando DMRT se produce experimentalmente en ratones hembra, desarrollan tejido testicular. Este trabajo de promover el desarrollo de los testículos es común a la mayoría de los animales, desde peces y aves hasta gusanos y almejas.
Los DMRT incluso confieren masculinidad en animales donde las personas desarrollan testículos y ovarios. En peces que exhiben hermafroditismo secuencial, donde las gónadas cambian de hembra a macho, o viceversa, dentro del mismo individuo, el aumento y disminución de la expresión de DMRT resulta en la aparición y regresión del tejido testicular, respectivamente. Del mismo modo, en las tortugas que se convierten en machos o hembras según las temperaturas experimentadas en el huevo, la DMRT se produce en el tejido genital de los embriones expuestos a temperaturas promotoras de machos.
La situación es un poco diferente en los insectos. Primero, el papel de DMRT ( doublesex ) en la generación de dimorfismo sexual se ha extendido más allá de las gónadas a otras partes del cuerpo, incluidas las piezas bucales, las alas y las cerdas de apareamiento llamadas "peines sexuales".
Dependiendo de cómo se junten las piezas, un gen puede dar lugar a varias proteínas diferentes. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) En segundo lugar, los insectos machos y hembras generan sus propias versiones de la proteína doublesex a través de lo que se denomina "empalme genético alternativo". Esta es una manera para que un solo gen codifique múltiples proteínas. Antes de que los genes se conviertan en proteínas, deben activarse; es decir, transcrito en instrucciones sobre cómo construir la proteína.
Pero las instrucciones contienen regiones de información útiles y extrañas, por lo que las partes útiles se deben unir para crear las instrucciones finales de proteínas. Al combinar las regiones útiles de diferentes maneras, un solo gen puede producir múltiples proteínas. En los insectos machos y hembras, es este empalme genético alternativo el que da como resultado que las proteínas doublesex se comporten de manera diferente en cada sexo.
Entonces, en una mujer, las instrucciones del gen doublesex podrían incluir las secciones 1, 2 y 3, mientras que en un hombre la misma instrucción podría incluir solo 2 y 3. Las diferentes proteínas resultantes tendrían cada una su propio efecto sobre qué partes del código genético se activan o desactivan, lo que lleva a un hombre con grandes piezas bucales y una mujer sin, por ejemplo.
¿Cómo las formas masculinas y femeninas de doublesex regulan los genes para producir rasgos masculinos y femeninos? Nuestro grupo de investigación respondió a esta pregunta utilizando escarabajos de estiércol, que son excepcionalmente numerosos en especies (más de 2.000), generalizados (que habitan en todos los continentes excepto la Antártida), versátiles (que consumen todo tipo de estiércol) y muestran una increíble diversidad en un rasgo sexualmente dimórfico: cuernos .
Gracias al gen doublesex, en el escarabajo ciervo Cyclommatus metallifer, las mandíbulas de los machos (derecha) son mucho más grandes que las de las hembras (izquierda). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Nos centramos en el escarabajo de estiércol con cabeza de toro Onthophagus taurus, una especie en la que los machos producen grandes cuernos en forma de toro, pero las hembras permanecen sin cuernos. Descubrimos que las proteínas doublesex pueden regular los genes de dos maneras.
En la mayoría de los rasgos, regula diferentes genes en cada sexo. Aquí, doublesex no está actuando como un "cambio" entre dos posibles resultados sexuales, sino que otorga masculinidad y feminidad a cada sexo de forma independiente. Dicho de otra manera, estos rasgos no enfrentan una decisión binaria entre convertirse en hombres o mujeres, son simplemente asexuales y listos para recibir más instrucciones.
La historia es diferente para los cuernos de la cabeza de los escarabajos de estiércol. En este caso, doublesex actúa más como un interruptor, regulando los mismos genes en ambos sexos pero en direcciones opuestas. La proteína femenina suprimió los genes en las mujeres que de otro modo serían promovidos por la proteína masculina en los hombres. ¿Por qué habría un incentivo evolutivo para hacer esto?
Nuestros datos insinuaron que la proteína femenina doble doublesex hace esto para evitar lo que se conoce como "antagonismo sexual". En la naturaleza, la aptitud física está esculpida por la selección natural y sexual. La selección natural favorece los rasgos que aumentan la supervivencia, mientras que la selección sexual favorece los rasgos que aumentan el acceso a las parejas.
Algunas veces estas fuerzas están de acuerdo, pero no siempre. Los grandes cuernos de la cabeza del macho O. taurus aumentan su acceso a los compañeros, pero los mismos cuernos serían una molestia para las hembras que tienen que hacer túneles bajo tierra para criar a su descendencia. Esto crea una tensión entre los sexos, o antagonismo sexual, que limita la aptitud general de la especie. Sin embargo, si la proteína hembra doble doublesex apaga los genes que en los machos son responsables del crecimiento del cuerno, la especie completa mejora.
Nuestra investigación en curso aborda cómo doublesex ha evolucionado para generar la gran diversidad en el dimorfismo sexual en los escarabajos de estiércol. En todas las especies, los cuernos se encuentran en diferentes regiones del cuerpo, crecen de manera diferente en respuesta a dietas de diferente calidad e incluso pueden ocurrir en hembras en lugar de machos.
En Onthophagus sagittarius, por ejemplo, es la hembra la que produce cuernos sustanciales, mientras que los machos permanecen sin cuernos. Esta especie tiene solo cinco millones de años de divergencia de O. taurus, una simple caída de tiempo en el cubo evolutivo para los insectos. En perspectiva, los escarabajos se separaron de las moscas hace unos 225 millones de años. Esto sugiere que doublesex puede evolucionar rápidamente para adquirir, cambiar o modificar la regulación de los genes que subyacen en el desarrollo del cuerno.
¿Cómo la comprensión del papel del doble en los rasgos de insectos sexualmente dimórficos nos ayudará a comprender la variación fenotípica en otros animales, incluso en los humanos?
A pesar de que los DMRT se empalman como una sola forma en mamíferos y actúan principalmente en machos, la mayoría de los otros genes humanos se empalman alternativamente; Al igual que el gen doublesex de los insectos, la mayoría de los genes humanos tienen varias regiones que se pueden unir en diferentes órdenes con diferentes resultados. Alternativamente, los genes empalmados pueden tener efectos distintos u opuestos según el sexo o el rasgo en el que se expresan. Comprender cómo las proteínas producidas por genes empalmados alternativamente se comportan en diferentes tejidos, sexos y entornos revelará cómo un genoma puede producir una multitud de formas Dependiendo del contexto.
Al final, los humildes cuernos del escarabajo de estiércol pueden darnos un vistazo a los mecanismos subyacentes a la gran complejidad de las formas animales, incluidos los humanos.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, becario postdoctoral de biología, Universidad de Indiana, Bloomington
