image: Owen McMillan, Staff scientist at the Smithsonian Tropical Research Institute, holding two butterflies in the genus Heliconius at the insectaries in Gamboa, Panama, where collaborators from universities in the US, England, France and elsewhere work together to understand butterfly evolution. view more
Credit: Sean Mattson, STRI
Un equipo de investigación internacional que trabajaba en el Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales en Panamá (STRI) eliminó un solo gen de control en el ADN de siete especies diferentes de mariposas. En la edición en línea temprana de Proceedings of the National Academy of Sciences, revelan los sorprendentes resultados obtenidos al reescribir el gen WntA: en la naturaleza, un solo gen influye en la exuberante diversidad de patrones de ala de mariposas.
"Los patrones de ala de mariposa son increíbles", comentó Owen McMillan, científico de STRI y co-autor. "Son una verdadera novedad evolutiva, muy diversa y fuertemente moldeada por la selección natural y sexual. Mediante la ingeniería genética de individuos de diferentes especies, estamos rápidamente abordando cómo se genera esta diversidad. Sorprendentemente, un solo gen, y uno que se utiliza repetidamente durante el desarrollo, puede tener enormes efectos ".
La proteína WntA es una molécula de señalización muy conservada. El gen WntA es parte de una pequeña familia de genes que influyen en los planes del cuerpo y otros patrones durante el desarrollo del insecto. Codifica una molécula de proteína secretada que parece actuar como una señal difusible, llamado morfógeno, que establece las posiciones de los tipos de células especializadas dentro de un tejido. El término morfógeno fue acuñado por Alan Turing, el padre de la informática teórica y la inteligencia artificial que estaba interesado en la base química de la morfogénesis.
"Imagine la imagen de una mariposa para pintar por números", comentó McMillan. "Las instrucciones para colorear el ala están escritas en el código genético. Al eliminar algunas de las instrucciones, podemos inferir qué parte dice 'pintar el número dos rojo' o 'pintar el número uno negro'. Por supuesto, es mucho más complicado que esto, porque lo que realmente está cambiando son redes de genes que tienen un efecto en cascada sobre el patrón y el color ".
"Trabajando en el nuevo laboratorio del Smithsonian en Gamboa, Panamá, inyectamos huevos de mariposa con una sonda de ARN que se adjunta a parte del código genético, un gen llamado WntA, que sospechamos jugó un papel en la expresión del color", comentó Carolina Concha, investigadora de post doctorado de biogenómica.
"Después de eliminar el gen, dejamos que las mariposas crecieran y comparemos los patrones de ala de los mutantes eliminados con los patrones de alas originales", comentó Richard Wallbank, becario de post doctorado de STRI y Cambridge. Repitiendo el mismo procedimiento en siete especies diferentes de mariposas y comparando los resultados, el equipo descubrió formas inesperadas en las que el gen WntA influye en el patrón de las alas.
"Volviendo a la analogía de pintura por números, 'Número uno' puede moverse alrededor del ala en diferentes especies de mariposas, e incluso en diferentes variantes de patrón de color de la misma especie. En las mariposas monarcas, por ejemplo, el gen se expresa con fina precisión a lo largo de las venas del ala. Por el contrario, en Heliconius, un grupo conocido por patrones de alas vivas, el gen se expresa en pinceladas gruesas, esencialmente desde la punta a la base del ala. Y se vuelve aún más disparatado, porque el color de 'Número uno' puede cambiar dependiendo del contexto, cambiando entre los diferentes pigmentos de color e incluso cambiando cómo se refleja la luz. En las mariposas, el color es una función tanto del pigmento como de las propiedades estructurales de las células de las escamas que cubren el ala".
El WntA fue uno de los primeros genes que descubrieron que está involucrado en el patrón en Heliconius, dicho descubrimiento hecho por Arnaud Martin cuando trabajaba como un becario de STRI a corto plazo durante su investigación de doctorado. El equipo puede predecir cuántos genes diferentes controla este gen regulador, basado en el número de regiones potenciales a lo largo del gen al que puede unirse. Esto es mucho menos costoso para el organismo que tener que crear diferentes proteínas para cada trabajo.
"Las mariposas y polillas, los Lepidópteros, son el tercer grupo más grande de organismos conocidos en el planeta", comentó Martin, ahora profesor asistente de biología en la Universidad George Washington y autor correspondiente del estudio. "Una vez que identificamos los conjuntos de genes regulados por un gen como WntA, podemos ver la secuencia de diferentes mariposas en el árbol genealógico para ver cuándo y dónde ocurrieron estos cambios durante los 60 millones de años de evolución de la mariposa".
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Otras afiliaciones de autores incluyen la Universidad de Cornell, la Universidad Oxford Brookes, la Universidad de Chicago, la Universidad de Cambridge y la Universidad de California-Berkeley.
El Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales, en ciudad de Panamá, Panamá, es una unidad de la Institución Smithsonian. El Instituto promueve la comprensión de la naturaleza tropical y su importancia para el bienestar de la humanidad; capacita estudiantes para llevar a cabo investigaciones en los trópicos; y fomenta la conservación mediante la concienciación pública sobre la belleza e importancia de los ecosistemas tropicales. Sitio web: http://www.stri.si.edu. Video Promocional: https://www.youtube.com/watch?v=M9JDSIwBegk
Mazo-Vargas, A., Concha, C., Livraghi, L. et al. 2017. Macro-evolutionary shifts of WntA function potentiate butterfly wing pattern diversity. PNAS. http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1708149114
Journal
Proceedings of the National Academy of Sciences