04 mayo, 2010

Entendiendo la producción de carotenoides en áfidos

Los carotenoides cumplen una serie de roles ecológicos y metabólicos en los organismos. Los genes que codifican las enzimas necesarias para su biosíntesis se encuentran ampliamente distribuidas en las Bacterias, Arqueas, Hongos y Plantas. Los animales requieren de carotenoides porque cumplen importantes funciones: son antioxidantes, moduladores del sistema inmune y precursores de pigmentos visuales. Sin embargo, no se conoce ningún animal que tenga la capacidad de producirlo por sí mismo así que lo obtienen directamente de sus alimentos.

Entomólogos habían observado un extraño patrón de color en una especie de áfidos, Acyrthosiphon pisum. Habían individuos que eran de color rojo y otros de color verde. Los áfidos rojos eran preferentemente comidos por las mariquitas mientras que las verdes eran usados por una avispa para depositar sus huevos. Pero, ¿por qué eran de diferentes colores?. Se ve claramente que el color tiene una importancia ecológica, en la relación depredador-presa y parásito-huésped. Los áfidos verdes tienen α-, β- y γ-carotenos (compuestos amarillos y naranjas) mientras que los áfidos rojos tienen licopenos y torulenos (compuestos rojos) además de los α-, β-. y γ-carotenos.

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Pero si los animales carecen de enzimas necesarias para la biosíntesis de los carotenos, ¿de donde salen?. Una primera explicación fue que los áfidos obtenían los carotenos de las plantas que comen —tal como lo hacen todos animales— sin embargo al estudiar la composición y concentración de carotenos de sus alimentos descartaron esta hipótesis. Sus alimentos no les daban la enorme cantidad de carotenos necesarios para teñir su cuerpo. Una segunda explicación fue que sus bacterias endosimbiontes que viven dentro de sus organismos son los que sintetizan los carotenos y los liberan al cuerpo del áfido. Así que estudiaron el genoma de su endosimbionte estricta (Buchnera aphidicola) y de sus dos endosimibiontes facultativas (Hamiltonella defensa y Regiella insecticola) y en ninguno de ellos se encontraron genes relacionados con la biosíntesis de los carotenos, entonces ¿de donde salen?.

También identificaron otra especie de áfidos, Myzus persicae, que tenía el mismo patrón de colores de A. pisum. Al hacer cruces entre rojos y verdes observaron que los áfidos hijos expresaban el color en una distribución mendeliana. Así que concluyeron que son los mismos áfidos los que sintetizan sus propios carotenoides. Si es cierta esta hipótesis, en su genoma deben haber genes relacionados con la biosíntesis de carotenos. Al hacer un estudio del genoma del áfido encontraron siete genes que estaban relacionados con la producción de carotenos (cuatro codificaban para carotenoide desaturasas y tres carotenoides ciclasa y sintasa fusionados). Pero, ¿de donde venían estos genes?

Para determinar de donde venían estos genes hicieron un estudio filogenético de las secuencias y encontraron una alta similaridad con los genes de ciertos hongos. Aunque ciertas plantas y bacterias también presentaban cierta homología con los genes del áfido, sólo en los hongos se encontró a los caroteniodes ciclasa y sintasa fusionados. Tanto M. persicae como A. pisum tienen los mismos genes para la biosíntesis de carotenoides, esto quiere decir que la transferencia horizontal de genes entre el hongo y el áfido se dio en el último ancestro común de estas dos especies. Los genes fueron transferidos —por mecanismos aún desconocidos— del hongo al áfido. No se sabe si el hongo que le transfirió sus genes fue un parásito o un simbionte.

carotenoid[Click para agrandar]

Cuando se hizo el estudio genético, los áfidos verdes no tenían una región de 30kb. Esta región contiene a los genes responsables del color rojo de los otros áfidos. Sin embargo, hay un tercer color, producto de un mutante natural del áfido rojo, el cual tiene sólo un nucleótido diferente. Este cambio de nucleótido provoca que uno de los aminoácidos del sitio activo de una de las desaturasas sea reemplazado por otro, inactivando a la enzima y volviendo al áfido amarillo.

Esta transferencia horizontal de genes ha contribuido enormemente a las relaciones interespecíficas entre el áfido y sus parásitos y depredadores. Posiblemente la transferencia se dio hace unos 30 a 80 millones de años atrás, momento en que se cree vivió el ancestro común de M. persicae y A. pisum. Este descubrimiento abre el camino a un nuevo enfoque de la dinámica de los procesos evolutivos. Posiblemente, la transferencia horizontal de genes es un proceso más común de lo que se cree y tal vez sea uno de los principales motores de la evolución.

Referencia:

ResearchBlogging.orgMoran, N., & Jarvik, T. (2010). Lateral Transfer of Genes from Fungi Underlies Carotenoid Production in Aphids Science, 328 (5978), 624-627 DOI: 10.1126/science.1187113

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