El medio afecta al grado en que se expresen los genes.
Las influencias del exterior se reflejan en mecanismos epigenéticos

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Factores ambientales                                 Factores ambientales
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La regulación génica del comportamiento de las abejas

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La regulación génica del comportamiento de las abejas

  1. 1. El medio afecta al grado en que se expresen los genes. Las influencias del exterior se reflejan en mecanismos epigenéticos Mireia Jordà y Miguel A. Peinado L a vida en la Tierra ha sufrido diversas den los cambios de expresión de genes —su transiciones durante su historia. Las cé- transcripción en ARN mensajero (ARNm)— lulas han evolucionado hasta convertirse que están correlacionados con cambios en el en organismos multicelulares y éstos se han comportamiento. Pero la cantidad de trans- organizado en sociedades. Tanto los animales critos no refleja siempre la cantidad de las solitarios como los sociales han de ejecutar una proteínas que codifican. Además, algunas di- serie de actividades para sobrevivir y reprodu- ferencias en la expresión génica no son una cirse. Los animales sociales suelen acometerlas consecuencia, sino una causa del cambio de cooperativamente, y la cooperación requiere comportamiento. coordinación. Se usan varios mecanismos para La abeja de la miel (género Apis) es uno lograr la coordinación, entre ellos la comu- de los organismos que se usan como modelo nicación entre individuos y la adopción de para el estudio molecular de la vida social. fo formas de organización social que implican Contamos ya con la secuenciación de su ge- jerarq jerarquías y división del trabajo. La vida en noma. Las abejas pueden ser solitarias o vivir soci sociedad está a menudo muy estructurada; en en grupo. Según el tipo de comunidad se c casi todas las actividades influye la interacción habla de abejas semisociales o eusociales. Las con otros miembros de la comunidad. sociedades eusociales, las más estructuradas, En los últimos decenios hemos asistido a se caracterizan por una división reproductiva un notable progreso en el conocimiento mo- del trabajo, solapamiento de generaciones y lecular del funcionamiento celular y del de- cooperación en el cuidado de la prole. sarrollo, pero no del comportamiento social. Se conocen más de 20.000 especies, muchas Sólo recientemente se ha despertado el interés apenas estudiadas. La abeja de la miel muestra en desentrañar las bases moleculares del com- el comportamiento social más complejo (euso- portamiento social. Fruto del mismo ha nacido ciales). La especie mejor investigada ha sido la CONCEPTOS BASICOS una nueva disciplina, la sociogenómica. abeja de la miel occidental (Apis mellifera). En La abeja de la miel Apis La sociogenómica se ocupa de identificar sus colonias de abejas se distinguen tres tipos mellifera es un insecto genes que influyen en el comportamiento so- de castas, cada una con una función específica: social que vive en comuni- cial y su regulación, determinar qué función las reinas, las obreras y los zánganos. dades muy estructuradas, desempeñan en los mecanismos neurales y Las reinas, una por colonia, son las únicas formadas por castas, con endocrinos implicados, explorar los efectos hembras fértiles, viven durante un período diez un comportamiento social del entorno y valerse de los genes en cuestión veces mayor que las obreras, de ordinario entre muy complejo. para estudiar la evolución de la diversidad 1 y 2 años, depositan los huevos de los cuales El desarrollo de ese com- del comportamiento. La tarea viene facilitada nacerán todas las demás abejas de la colonia © iStockphoto/MARTIN LINDSAY portamiento está regula- por la secuenciación completa de un número (unos 2000 huevos por día) y almacenan el do por el entorno social y creciente de genomas. esperma de los zánganos durante años, sin que va íntimamente asociado Se ha avanzado, sobre todo, en la iden- pierda su viabilidad. a cambios en la expresión tificación de genes que influyen en el com- Las obreras, decenas de miles por colonia, de miles de genes. portamiento social y su evolución. Mediante son hembras estériles y llevan a cabo, de forma técnicas basadas en la transcriptómica, se mi- altruista, las tareas requeridas para el desarro- 40 INVESTIGACION Y CIENCIA, agosto, 2009
  2. 2. llo y crecimiento de la colonia: construir los diploides (con dos versiones de cada cromo- 1. LAS ABEJAS OBRERAS panales, limpiar y mantener la colmena, criar soma). Se ha demostrado que el desarrollo de mayor edad defienden las larvas, montar guardia y recolectar el néc- sexual está regulado por el gen csd (compleme- la colmena y recolectan tar y el polen. Las obreras tienen habilidades tary sex determiner), que presenta 19 versiones polen y néctar en el exterior. cognitivas muy sofisticadas, a pesar de que su alternativas o alelos. Las hembras tienen dos cerebro consta de sólo un millón de neuronas, copias del gen y los machos sólo una, pero los cinco órdenes de magnitud menos que el cere- mismos alelos se encuentran tanto en hembras bro humano y sólo cuatro veces más que el de como en machos; es decir, no hay alelos liga- Drosophila, un organismo de comportamiento dos al sexo. Si los huevos fecundados tienen mucho más simple. Las obreras aprenden a asociar el color de una flor, la forma y el olor dos copias iguales de csd, se convertirán en machos diploides estériles; las obreras los eli- Los autores a la ubicación de la comida. Para comunicar minarán. Se cree que las asimetrías entre los Mireia Jordà y Miguel el hallazgo del sustento, emplean el “lenguaje individuos de una colonia inducidas por la A. Peinado trabajan en el Instituto de Medicina Predicti- de la danza”. Las abejas de la miel están ca- haplodiploidía desempeñan una importante va y Personalizada del Cáncer pacitadas para aprender conceptos abstractos, función en la evolución de la eusociabilidad, (IMPPC), en Barcelona. Su inves- como “igual” y “diferente”. en su mantenimiento o en ambos. tigación se centra especialmente Los zánganos, las abejas macho, sólo viven La diferenciación en reinas y obreras en en los mecanismos genéticos y epigenéticos de la progresión durante la estación reproductiva de la colo- las abejas de la miel se lleva a cabo a través tumoral. Han participado en el nia, pues su único propósito es fecundar a las de una nutrición distinta. Toda larva de me- consorcio internacional para la reinas. Las diferencias entre castas no se dan nos de dos días es alimentada con jalea real, secuenciación del genoma de sólo en el comportamiento, sino también en una sustancia muy nutritiva producida por las la abeja. Esto último contribuyó la morfología y la fisiología; las obreras y los glándulas galactógenas de las obreras. Después a la primera identificación de la metilación del ADN como meca- zánganos son por lo general más pequeños del segundo día, la larva de las obreras pasa nismo epigenético en un insecto que las reinas. a un sistema progresivo de alimentación que social. Mireia Jordà es bioquímica © iStockphoto/WILLI SCHMITZ Las abejas de la miel son insectos hime- consiste en una mezcla de jalea real con miel por la Universidad Autónoma nópteros, los cuales se caracterizan por ser y polen. En cambio, la larva real es alimentada de Barcelona e investigadora haplodiploides: los machos se desarrollan a con jalea real durante todo el período de de- postdoctoral en el IMPPC. Miguel A. Peinado es biólogo por la partir de huevos sin fecundar haploides (con sarrollo. Esos patrones alimentarios diferentes Universidad de Barcelona y coor- una sola versión de cada cromosoma), mientras determinan la casta de la abeja adulta. Por lo dinador científico del IMPPC. que las hembras nacen de huevos fecundados tanto, cualquier larva hembra de menos de INVESTIGACION Y CIENCIA, agosto, 2009 41
  3. 3. Factores ambientales Factores ambientales Factores intrínsecos Factores intrínsecos G E N OTI P O EPIGENOTIPO EPIGENOTIPO Es Establecimiento Mantenimiento de marcas epigenéticas ma de las marcas dura durante el desarrollo epigenéticas FENOTIPO F ENOTIPO 2. COMO RESULTADO de procesos intrínsecos y la influencia del entorno, durante el desarrollo se es- tablecen patrones de metila- dos días de edad puede crecer potencialmente En condiciones normales, una abeja co- ción y otras modificaciones como reina u obrera, y son las mismas obre- mienza a salir de la colmena a buscar comida epigenéticas heredables, ras adultas quienes tienen el control sobre hacia los 21 días de edad, una tarea que no dando lugar al epigenotipo la determinación de la casta de las hembras. abandonará el resto de su vida. Pero las abejas que determina los patrones Usan este control para crear reinas cuando han pueden acelerar, retrasar o incluso cambiar su de expresión génica y en consecuencia el fenotipo. perdido la que tenían o cuando la actuación comportamiento según las necesidades de la Factores ambientales y nu- de la existente es pobre. colonia. Esa plasticidad del comportamiento tricionales pueden intervenir La investigación con micromatrices (mi- está controlada en gran medida por feromonas, en el mantenimiento de croarrays en inglés, técnica de análisis de las sustancias químicas secretadas por individuos estos patrones epigenéticos diferencias en la expresión que permite el es- de una especie que causan alteraciones en la alterando el epigenotipo tudio simultáneo de miles de genes) revela que fisiología y en el comportamiento de otros y por tanto influyendo existen diferencias importantes en la expresión miembros de la misma especie. en el fenotipo. de muchos genes entre las larvas destinadas a La feromona mandibular de la reina (QMP) ser abejas reinas, las destinadas a desarrollarse es la feromona mejor caracterizada en la abe- como obreras y las bipotenciales (de menos ja de la miel; desempeña una función muy de dos días). Se ha puesto de manifiesto que importante en la regulación social, pues evita las larvas destinadas a obreras presentan una la reproducción de las obreras inhibiendo el semejanza más estrecha con las larvas bipo- desarrollo de sus ovarios o retrasa la transición tenciales que las larvas reales: estas últimas de obrera de interior a obrera de exterior. Con tienen reprimida la expresión de muchos genes la técnica de micromatrices se ha puesto de respecto a las larvas bipotenciales y a la vez manifiesto que QMP afecta la expresión de expresan genes específicos, probablemente aso- muchos genes en el cerebro de la abeja. La ciados a la casta de reina y relacionados con el feromona activa genes correlacionados con las TODAS LAS FOTOGRAFIAS: © iStockphoto/SZE FEI WONG (abeja en flor) metabolismo, lo cual podría explicar su mayor tareas en el interior de la colmena y repri- tasa de crecimiento y su mayor talla. me genes correlacionados con las tareas en el No sólo la determinación de castas viene exterior. Pero no sólo la reina influye en el regulada por programas de expresión génica desarrollo de la conducta de la colonia: las específicos. También la división de tareas. En el obreras más viejas también pueden regularlo curso de su vida, las obreras cumplen distintas mediante otro tipo de feromonas. funciones, acordes con la edad, fenómeno que La regulación social implica, pues, cambios se supone vinculado al desarrollo fisiológico de en la expresión de genes, especialmente en varias glándulas. Las abejas jóvenes alimentan y el cerebro, en respuesta a estímulos comuni- cuidan las larvas y la reina; las de mediana edad tarios específicos, que, a su vez, repercuten mantienen la colmena y almacenan la comida; en el comportamiento. El grupo encabezado y las de mayor edad defienden la colmena y por Gene E. Robinson, de la Universidad de recolectan polen y néctar en el exterior. Illinois, ha demostrado la estrecha asociación 42 INVESTIGACION Y CIENCIA, agosto, 2009
  4. 4. existente entre la expresión génica en el cerebro ntran con tran las regiones promotoras se encuentran con y la plasticidad del comportamiento. Con la la cromatina, que es un complejo nucleopro- u leop o opro nucleopro- técnica de micromatrices generaron patrones . Los genes L teico formado por ADN e histonas. Los genes enes de expresión de ARN mensajero (ARNm) —es se expresan o no según se den ciertas condi- tas condi- rtas condndi decir, midieron la frecuencia con que los genes ciones bioquímicas, como la metilación del tilación del i ación ó correspondientes al ARNm se expresan— de ADN, las modificaciones covalentes de las ntes d las tes 60 abejas que trabajaban cuidando la comida histonas o la forma de la cromatina. Y esto ina. esto n sto de la colmena (nodrizas) o recolectando co- es lo que estudia la epigenética, es decir, e decir, ecir r mida en el exterior (exploradoras). Y lograron la herencia de patrones de expresión de ión de establecer, para 57 de las 60 obreras, qué labor genes que no vienen determinados dos desempeñaban; predijeron el comportamiento por la secuencia de pares de bases es s individual a partir del patrón de expresión de del ADN. ARNm. Más concretamente, hallaron diferen- La metilación del ADN constituye la uye la cias de expresión entre nodrizas y exploradoras marca epigenética mejor caracterizada.ada. d en un 40 % de los aproximadamente 5500 Consiste en la unión de moléculas de genes analizados. Muchos de estos genes pre- metilo –CH3 a nucleótidos de ADN. N N. sentan una regulación social; así ocurre con En vertebrados se da sobre todo en n el gen foraging o el gen period, cuyos niveles las citosinas (C) seguidas por una de ARNm en el cerebro son mayores en las guanina (G), esto es, en las C de obreras exploradoras que en las nodrizas. los llamados dinucleótidos CpG. Pero no sólo se dan diferencias de expresión Esta reacción es catalizada por me- - cerebral. La hormona juvenil interviene en tiltransferasas de ADN. En la mayoría de los oría d los r la función exploradora; sus niveles en sangre casos la adquisición y mantenimiento de la en obreras que trabajan en la colmena son metilación del dinucleótido CpG induce re- menores que en obreras que buscan comida presión génica, aunque hay ejemplos en que fuera de la colmena. Hay también diferencias la metilación de secuencias específicas permi- de expresión en genes que codifican glándulas te la expresión de genes vecinos. exocrinas que producen sustancias empleadas Gracias a la secuenciación del genoma de en diferentes tareas, como el mantenimiento la abeja de la miel y mediante análisis bioin- de la colmena o la defensa. formáticos, moleculares y bioquímicos se ha En resumen, la determinación de castas y caracterizado en ese himenóptero un sistema la división del trabajo en la abeja de la miel de metilación del ADN completo y funcional, dependen de programas de expresión génica compuesto por metiltransferasas catalíticamente que cambian a lo largo de su desarrollo: unos activas que son ortólogos de las metiltransfera- genes se activan y otros se inhiben. Ahora bien, sas de ADN de los vertebrados —es decir, de- ¿de qué depende la expresión de los genes? rivan evolutivamente de antepasados comunes La expresión de los genes está regulada, en parte, por su promotor, una región de ADN a insectos y mamíferos— y por dos isoformas —variantes generadas por cambios en nucleóti- Bibliografía situada al principio del gen. Esta región con- dos sueltos— con dominios de unión a citosi- complementaria tiene sitios a los que se pueden unir factores de nas metiladas. El estudio revela que en la abeja GENE EXPRESSION PROFILES IN transcripción. Cuando un factor de transcrip- la metilación del ADN tiene lugar también en THE BRAIN PREDICT BEHAVIOR IN INDIVIDUAL HONEY BEES. C. W. ción se une a su secuencia específica de unión, las citosinas situadas en el dinucleótido CpG, Whitfield et al. en Science, vol. la expresión del gen puede activarse. Mediante igual que ocurre en vertebrados. 302, págs. 296-299; 2003. análisis informáticos se han encontrado cinco Recientemente, se ha demostrado que la factores de transcripción que intervienen en el inhibición de la metiltransferasa de ADN 3 INSIGHTS INTO SOCIAL INSECTS comportamiento de la abeja de miel, toda vez (Dnmt3) en larvas produce un efecto similar a FROM THE GENOME OF THE HONEYBEE APIS MELLIFERA. que muestran una correlación estadísticamente la alimentación con jalea real, de manera que Honeybee Genome Sequencing significativa con muchos genes regulados so- la mayoría de las larvas se desarrollan como Consortium en Nature, vol. 443, cialmente. Estos factores de transcripción son reinas. Esto demuestra que la epigenética es págs. 931-949; 2006. GAGA, Adf1, CF1, Snail y Dri, conocidos el interlocutor del ambiente con la genética y por su función en el desarrollo del sistema puede explicar la acción del estilo de vida, por FUNCTIONAL CPG METHYLATION SYSTEM IN A SOCIAL INSECT. nervioso, en el aprendizaje olfatorio y en la ejemplo la nutrición, sobre los genes. Dado el Y. Wang et al. en Science, unión de hormonas en Drosophila. Por ejem- carácter social de la abeja de la miel y el hecho vol. 314, págs. 645-647; 2006. plo, CF1 se une in vitro al promotor de la de que su genoma responde dinámicamente a © iStockphoto/MARTIN LINDSAY hormona juvenil. Además, la expresión de CF1 los cambios en el entorno, el profundizar en los NUTRITIONAL CONTROL OF REPRO- se activa en respuesta a la hormona juvenil en mecanismos epigenéticos de este insecto puede DUCTIVE STATUS IN HONEYBEES VIA DNA METHYLATION. la abeja adulta. ser clave para entender mejor la regulación R. Kucharski et al. en Science, La expresión génica no depende sólo de génica de su comportamiento social. Tras la vol. 319, págs. 1827-1830; los factores de transcripción. Cuando estas secuenciación del genoma de la abeja de miel, 2008. proteínas entran en el núcleo para unirse a el siguiente reto es el estudio epigenético. INVESTIGACION Y CIENCIA, agosto, 2009 43

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