La regulación genética le da a las mariposas su apariencia deslumbrante
ARRIBA: Heliconius erato demophoonRICCARDO PAPA, UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO
Ya en 1879, el naturalista Fritz Mller notó que muchas de las mariposas Heliconius que encontró en el Amazonas compartían exactamente los mismos patrones de color de alas de color negro, rojo y blanco, aunque eran especies diferentes. Él razonó que las mariposas habían llegado a parecerse entre sí con una coloración llamativa que les indicaba a las aves que eran tóxicas y que no debían comerse, lo que ayudaba a la supervivencia de la especie porque cuantos más individuos con estas coloraciones, más rápido aprenden los depredadores a evitarlas, una idea que se consagró en los libros de texto. como el mimetismo de Mller.
Cómo evolucionaron las mariposas para parecerse unas a otras ha sido un misterio durante mucho tiempo. Una pregunta apremiante para los biólogos evolutivos es si los pares de especies de mariposas parecidas tomaron los mismos caminos para llegar al mismo patrón de color, usando la misma maquinaria genética y de desarrollo cada vez, o si reinventaron la rueda de manera efectiva, ideando nuevos mecanismos desde cero. ?
Un nuevo estudio que aparece hoy (14 de noviembre) en Current Biology intenta responder a esa pregunta. La investigación demuestra que, si bien las especies parecidas a Heliconius emplean el mismo gen para guiar la coloración de las alas, es probable que esté bajo un control epigenético diferente, lo que en última instancia sugiere que hay más de una forma de llegar a la misma coloración. Los hallazgos complementan los de otro estudio en PNAS esta semana que profundiza en las redes reguladoras que subyacen a los patrones de color en el género Heliconius, ilustrando cómo los insectos usan relativamente pocos genes para generar una diversidad tan sorprendente.
Es genial. . . . Puedes hacer lo mismo de varias maneras diferentes, comenta James Mallet, biólogo evolutivo de la Universidad de Harvard. Tal vez haya una gran variedad de formas diferentes en las que puede girar las perillas para obtener el mismo patrón común.
La colaboración internacional de investigadores que llevan a cabo el estudio Current Biology decidió enfocar su investigaciones sobre WntA, uno de los cuatro genes principales que se sabe que juegan un papel importante en los patrones de color de las alas en el género Heliconius de 40 especies. Al principio del desarrollo del ala, las orugas producen WntA, una proteína que se propaga por el ala, produciendo un gradiente de concentración que instruye a otras proteínas y genes para crear patrones de colores particulares en el ala. Se sabe que WntA es importante para generar las rayas características en muchas especies de Heliconius .
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Usando CRISPR-Cas9, el equipo eliminó el gen WntA en tres pares de especies lejanamente relacionadas, pero aparentemente idénticas, para investigar el efecto sobre la coloración. El razonamiento de los investigadores fue que si WntA desempeñaba exactamente el mismo papel en el patrón de las alas de las mariposas parecidas, entonces los insectos eliminados también deberían tener el mismo aspecto, explica Riccardo Papa, biólogo evolutivo de la Universidad de Puerto. Rico y coautor del estudio.
Ese no resultó ser el caso. Por ejemplo, la especie centroamericana lejanamente relacionada H. hewitsoni y H. pachinus, son negros y tienen dos finas rayas blancas características en las alas delanteras y una en las traseras. Una vez eliminado WntA, H. hewitsonis la doble raya se había fusionado en una gran mancha blanca en la parte inferior del ala anterior, mientras que el H. pachinus mutante tenía dos manchas grandes en la base y en la punta del ala.
El equipo observó diferencias similares en los límites de la coloración del ala entre pares que alguna vez se parecían H. erato y H. melpomene, y entre H. sapho sapho y H. cydno chioneus: parches de negro cambiarían a rojo o amarillo. A pesar de que no hubo diferencias en la secuencia de WntA en el género Heliconius, eliminarlo tuvo efectos variables en las especies similares. Por lo tanto, WntA debe actuar de manera diferente en especies similares para llegar a la misma apariencia.
Mientras que los individuos de tipo salvaje de H. hewitsoni (arriba a la izquierda) y H. pachinus (abajo a la izquierda) son casi idénticos, WntA knockouts (arriba y abajo a la derecha) parecen diferentes.c. concha et al., current biology, DOI:HTTPS://DOI.ORG/10.1016/J.CUB.2019.10.010, 2019.
Para papá, una posible explicación para estos diferencias es que WntA puede estar sujeto a una regulación genética diferente. De acuerdo con esa idea, el equipo también observó diferencias entre individuos de tipo salvaje de especies similares en los patrones de expresión de ARN de WntA en todo el ala. En otras palabras, las mariposas no reinventan completamente la rueda para llegar al mismo patrón de color, todas usan el mismo gen pero lo usan de manera diferente. A medida que los genomas divergen [en la evolución de las especies], pueden ocurrir cambios en la forma en que se utilizan estos genes, dice Papa. Se pueden lograr morfologías que son prácticamente idénticas usando genes de diferentes maneras.
Krzysztof Kozak, biólogo evolutivo del Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales cuyo colega participó en la investigación pero él mismo no estuvo involucrado, está de acuerdo con Interpretación de papá. Agrega que es algo sorprendente que las mariposas parecidas hayan desarrollado diferentes mecanismos para producir patrones de color de alas en un espacio de tiempo relativamente corto; algunas especies solo divergieron hace 12 millones de años.
Sin embargo, le gustaría ver más trabajo sobre los mecanismos involucrados. El estudio realmente no nos dice mucho sobre qué otros genes hay y cómo entran en juego, ¿cómo forman realmente estas diferentes redes [reguladoras]? pregunta.
Esta pregunta fue el foco del estudio PNAS publicado a principios de esta semana, en el que un grupo superpuesto de científicos observó de cerca el gen optix, que es responsable para producir patrones de color rojo en mariposas Heliconius. A través de varios ensayos especializados, los investigadores identificaron cinco elementos reguladores que mejoran la expresión de optix, y eliminarlos secuencialmente reveló una arquitectura genética compleja, con potenciadores que interactúan entre sí y controlan múltiples aspectos de los patrones de color rojo. . La complejidad no está realmente en la cantidad de genes, que son muy pocos, sino en la evolución de esos elementos reguladores que determinan [la diversidad a través de] la hermosa radiación de las mariposas, señala Papa, también coautor de este estudio.
Otros fenotipos en la naturaleza a menudo parecen estar determinados por un gran número de genes dispersos alrededor del genoma, sin embargo, en estas mariposas Heliconius, tenemos un sistema en el que solo unos pocos genes parecen ser muy clave en el cambio de patrones de color, gracias a la compleja arquitectura reguladora, señala Mallet.
Una posible razón por la cual las especies de Heliconius usan una cantidad relativamente pequeña de genes para controlar los patrones de color es que se cruzan mucho entre sí. En Science este mes, Mallet, junto con Papa y otros colegas, ilustraron a través de un ensamblaje de 20 genomas de Heliconius el cruce frecuente dentro de los principales clados del género. Los estallidos recurrentes de recombinación con otras especies romperían fácilmente un gran número de genes que se encuentran dispersos por todo el genoma, mientras que eso sería menos probable si los genes que controlan la variación del color estuvieran restringidos a unos pocos loci, explica Mallet. Si la introgresión es una característica importante de su evolución, eso estropeará mucho los patrones de color, a menos que tenga relativamente pocos loci, dice.
Todos estos documentos juntos forman un gran ejemplo de cuán complejo [un ] Ahora podemos desarrollar una imagen de básicamente cualquier forma de vida que desee, siempre que pueda cultivarla y obtener su ADN, puede desarrollar estudios increíblemente sofisticados, señala Kozak. En el futuro, dice, espera que esta capacidad ayude a los investigadores a responder preguntas sobre la previsibilidad de la evolución de manera más amplia. Creo que en los próximos cinco o diez años veremos una proliferación de estudios como este en todas las formas de vida. Y solo entonces podemos comenzar a generalizar sobre la previsibilidad de la evolución, la importancia de las redes reguladoras de genes, cómo están estructuradas, etc.
C. Concha et al., Interacción entre la flexibilidad del desarrollo y el determinismo en la evolución de los patrones de alas miméticas de Heliconius, Biología actual, doi:10.1016/j.cub.2019.10.010, 2019.
JJ Lewis et al., Evolución paralela de los antiguos , los potenciadores pleiotrópicos subyacen al mimetismo del patrón de alas de mariposa, PNAS, doi:10.1073/pnas.1907068116, 2019.
NB Edelman et al., La arquitectura genómica y la introgresión dan forma a una radiación de mariposa, Ciencia, doi:10.1126/science.aaw2090, 2019.
Katarina Zimmer es una periodista independiente que vive en Nueva York. Encuéntrala en Twitter @katarinazimmer.