La sabiduría convencional sostiene que la reproducción sexual evolucionó porque permite a los organismos mezclar o recombinar diferentes alelos (versiones de un gen) en la siguiente generación, produciendo la variación genética que es fundamental para la selección y adaptación naturales. Pero en los últimos años los investigadores han comenzado a descubrir que no todas las regiones del genoma se mezclan por igual. Algunas regiones, que pueden contener sólo unos pocos genes o, a veces, cientos, rara vez se mezclan. Como resultado, la misma combinación de alelos se transmite todos juntos a la siguiente generación. Estas unidades genéticas, llamadas “supergenes”, se han encontrado hasta ahora en hormigas, mariposas, pájaros, peces, plantas y hongos, y es probable que muchas más todavía estén esperando ser descubiertas.
Los investigadores plantean la hipótesis de que los supergenes evolucionan de forma muy parecida a como lo hacen los cromosomas sexuales: a lo largo del tiempo evolutivo, se seleccionaron alelos que funcionan bien en los machos pero no en las hembras para transmitirse juntos, lo que lleva a una región creciente de recombinación suprimida entre los cromosomas X e Y. en mamíferos, por ejemplo. Esta región de recombinación suprimida puede expandirse a medida que más alelos que son ventajosos en un sexo pero no en el otro ocurren cerca de la región original de recombinación suprimida y se incluyen dentro de esa región. Este fenómeno se llama selección sexualmente antagónica. Ahora los investigadores han revelado que los cromosomas sexuales son sólo un caso especial de un fenómeno más amplio. Los supergenes (regiones de recombinación suprimida) pueden participar en la regulación de una variedad de otros rasgos. De hecho, son capaces de regular la organización social (en este caso, en Fórmica hormigas de madera.
“Existe una fuerza evolutiva [antagonistic selection] Se esperaba que eso hiciera que los cromosomas sexuales se expandieran, y también se esperaba que la presencia de esa fuerza evolutiva se observara en los supergenes. Y aquí lo confirmamos por primera vez”, afirma Buck Tribleque estudia los supergenes de las hormigas en la Universidad de Harvard.
Los supergenes pueden tener un gran impacto en la organización de Fórmica Sociedades de hormigas de madera. Las hormigas tienen un supergén en el cromosoma 3 que controla si las colonias tienen reinas únicas o múltiples. Investigadores de la Universidad de California en Riverside descubrieron recientemente que estas hormigas de madera tienen Otro supergen más en el cromosoma 9. que regula el tamaño de las reinas: una versión de este supergen produce reinas en miniatura que son aproximadamente un 20 por ciento más pequeñas que las reinas de tamaño normal.
Los investigadores descubrieron que las reinas en miniatura se encuentran casi exclusivamente en colonias con múltiples reinas. En otras palabras, la versión del supergen en el cromosoma 9 que produce colonias de múltiples reinas está estrechamente relacionada con la versión del supergen en el cromosoma 3 que produce reinas en miniatura.
Los cromosomas no parecen fusionados físicamente, y los investigadores observaron que más del 20 por ciento de los huevos de hormigas tienen combinaciones de supergenes “no coincidentes”; por ejemplo, una hormiga podría tener la versión del cromosoma 3 que forma colonias de una sola reina, así como la versión del cromosoma 3 que forma colonias de una sola reina. Versión del cromosoma 9 que produce reinas en miniatura. Pocos de estos individuos con discordancias sobreviven hasta la edad adulta, lo que sugiere que existe una fuerte selección contra combinaciones discordantes.
“Nuestra hipótesis es que siempre que existen estos desajustes, el individuo tiende a convertirse en obrera (en lugar de reina)”, explica el entomólogo Julia Scarparo, autor principal del nuevo artículo. Además, “existe un mecanismo que es [negatively] afectando el desarrollo de los individuos, por lo que no vemos este desajuste comúnmente en la etapa adulta”.
La fuerte selección contra combinaciones no coincidentes es lo que los investigadores llaman selección “socialmente antagonista” porque es paralela a la selección sexualmente antagonista que impulsa la evolución de los cromosomas sexuales.
Por lo general, en las colonias de una sola reina, cuando las nuevas reinas alcanzan la madurez, emprenden un vuelo nupcial y luego establecen una nueva colonia, utilizando su propia grasa corporal y músculos para producir la primera cría. Es menos probable que las reinas pequeñas tengan éxito en establecer una colonia por sí solas porque tienen menos recursos metabólicos. Por tanto, las reinas más pequeñas sólo pueden sobrevivir y reproducirse dentro de colonias de múltiples reinas.
De hecho, los investigadores creen que la evolución de las colonias de múltiples reinas fue una condición previa necesaria para la evolución de las reinas en miniatura, que luego pueden depender de los recursos de las obreras producidas por otras reinas en la colonia de múltiples reinas para mantener a su descendencia. . Algunas de estas pequeñas reinas luego invierten una cantidad desproporcionada de sus recursos en producir más reinas pequeñas sin producir la parte justa de trabajadores que contribuyen al mantenimiento de la colonia. “Nuestra hipótesis es que las reinas pequeñas podrían ser parásitos sociales”, dice Scarparo.
Hay varios cientos de especies de hormigas parásitas sociales sin obreras, que viven dentro de los nidos de sus parientes cercanos y parasitan la comida y el trabajo de la colonia anfitriona para criar a sus crías. Sigue siendo un misterio cómo evolucionaron exactamente estas especies socialmente parásitas, aunque es probable que estos supergenes sociales estén involucrados.
La forma más común de suprimir la recombinación en los supergenes es mediante inversiones en los cromosomas: una sección de un cromosoma se voltea de arriba a abajo y el orden de los genes en esa secuencia se invierte. Esa inversión evita que regiones correspondientes u homólogas se alineen y se recombinen durante la meiosis, el proceso de división celular que produce células sexuales (espermatozoides u óvulos). La ausencia de mezcla genética puede unir dos mutaciones en genes diferentes que funcionan bien juntos. “Y una vez que ocurre algo así como una inversión, toda la variación genética que estaba presente con las dos mutaciones beneficiosas ahora esencialmente queda bloqueada para siempre con ellas, algo así como un accidente histórico”, explica Marcos Kronforstque estudia supergenes en mariposas en la Universidad de Chicago.
Dentro de muchos supergenes, incluido el supergen social de estas hormigas, es probable que varios genes trabajen juntos, y muchos otros son simplemente espectadores inocentes atrapados en la región de recombinación suprimida. En las hormigas del bosque, “hay alrededor de 500 genes en el supergen social, pero sospechamos que sólo una pequeña fracción de ellos en realidad contribuye directamente al número de reinas de la colonia, y otras cosas se llevan consigo”, dice Jessica Purcellautor principal del nuevo artículo, que estudia las hormigas en UC Riverside.
Esto tiene implicaciones para la evolución no sólo de los rasgos controlados por los supergenes sino también de todos los rasgos regulados por genes que quedan atrapados en el supergen. La otra cara de la moneda de unir combinaciones beneficiosas es que, con el tiempo, las regiones de recombinación suprimida pueden acumular mutaciones malas y es casi imposible eliminarlas del acervo genético porque están ligadas a otros rasgos beneficiosos en el supergén.
Entonces, parte de lo que mantiene múltiples versiones de un supergen en la población es que “tendrás algún beneficio asociado con el haplotipo de inversión, pero también habrá algún perjuicio asociado con él, porque siempre está conectado con cierta cantidad de variación genética nociva”. explica Kronforst.
Kronforst estudia un supergen en mariposas cola de golondrina que controla el patrón de color y la forma de sus alas. en la cola de golondrina Papilio polites, las hembras tienen cuatro posibles patrones de color de alas diferentes, tres de los cuales imitan una mariposa venenosa diferente (solo las hembras de la especie demuestran los patrones de alas imitadores en sus alas).
Hace unos años, el equipo de Kronforst secuenció el genoma de la cola de golondrina para comprender mejor el supergen que regula la forma y el color del ala, esperando encontrar cientos de genes contenidos en su interior. Pero resultó que la forma y el color estaban controlados por un solo gen, llamado doble sexoque también participa en el control del dimorfismo sexual, las diferencias en el tipo de cuerpo que muestran los diferentes sexos en miembros de la misma especie.. Las mariposas han cooptado doble sexo para controlar el patrón de las alas en las hembras, explica Kronforst.
En esta mariposa cola de golondrina, doble sexo Existe en cuatro versiones (haplotipos). El gen está dentro de un supergén que está invertido en el cromosoma, de modo que la recombinación rara vez ocurre dentro del gen. Esto es fundamental porque si se produjera la recombinación, el patrón de alas resultante sería una mezcla de patrones diferentes que no imitaría a ninguna mariposa tóxica, lo que haría que las mariposas con patrones de alas mezclados fueran extremadamente vulnerables a ser devoradas por los depredadores. La inversión supergénica, con su recombinación suprimida, asegura que los cuatro patrones de alas permanezcan distintos y no se mezclen ni combinen.
El equipo de Kronforst está estudiando ahora cómo se regula el mimetismo en parientes cercanos de la cola de golondrina. papilio polites. Los investigadores han descubierto que otras especies también utilizan doble sexo, pero en algunos de ellos no existe inversión para mantener separados los diferentes haplotipos entre sí. “No tenemos idea de qué impide la recombinación entre los alelos en estas otras especies”, dice Kronforst. Claramente no se están recombinando mucho, pero no está claro cómo lo logran las mariposas. Lo que muestra es que las inversiones son sólo una forma de suprimir la recombinación, y hay otras formas que aún deben descubrirse.
“Creo que la variación en el panorama de recombinación a lo largo del genoma es una de las próximas fronteras en el pensamiento sobre la evolución”, dice Purcell. “Sabemos que hay partes de los cromosomas donde hay mucha recombinación y partes donde hay menos. Y el grado de vinculación entre genes en esas regiones puede tener implicaciones realmente importantes para la trayectoria evolutiva de cualquier rasgo que esté bajo su control”.