Per què de vegades hi ha gens duplicats o triplicats en un organisme? Què pot ensenyar-nos això sobre l’evolució i sobre la nostra biologia? Les paneroles tenen en el seu genoma fins a tres còpies d’un mateix gen. Tenen la mateixa funció? Per què l’han conservat?
Femella de Blattella germanica amb ooteca. Imatge: Cristina Olivella.
Al llarg del temps, els organismes vius van passant els seus gens als descendents, generació rere generació, reproducció rere reproducció. En el procés, poden aparèixer mutacions, entre elles les duplicacions gèniques. Aquestes són freqüents i poden afectar des d’unes poques bases d’ADN fins a la duplicació d’un genoma sencer. Són errors aleatoris que poden desaparèixer o persistir en el genoma de l’espècie al llarg de les generacions.
Això ha passat en el cas dels insectes. Fins fa poc se sabia que tots els insectes alats tenen dues còpies del gen receptor d'insulina InR a causa d’una duplicació que es va produir fa aproximadament 400 milions d’anys. Però, a més, estudis recents han revelat que fa uns 350 milions d’anys hi va haver una segona duplicació d’aquest gen en l’avantpassat comú de les paneroles, els tèrmits, les mantis i els insectes pal. Es a dir, aquests insectes no tenen dues sinó tres còpies del gen InR. Per què han conservat les tres còpies d’un mateix gen?
Ara, un treball liderat per l'Institut de Biologia Evolutiva (IBE), un centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat Pompeu Fabra (UPF), aporta una resposta.
Fa uns 350 milions d’anys hi va haver una segona duplicació d’aquest gen en l’avantpassat comú de les paneroles, els tèrmits, les mantis i els insectes pal
La investigació revela que les dues còpies més recents del gen InR podrien reforçar la funció del receptor d'insulina ancestral, essencial per a la supervivència de les paneroles i altres grups propers. L’equip apunta que aquest error podria haver significat un avantatge evolutiu per als insectes i aporta llum sobre els mecanismes d'innovació evolutiva en els animals.
Desapareixer o persistir
“Les mutacions es produeixen constantment i de forma aleatòria en el genoma. Quan afecten un gen de vital importància, sovint l’individu no sobreviu i no es transmeten. Però si la mutació suposa un benefici per a l’individu, permetent-li tenir més descendència que altres espècimens de la seva espècie, la mutació, transmesa als descendents, acabarà probablement fixant-se”, explica José Luis Maestro, líder de l’estudi i investigador principal del grup Senyals Nutricionals en Insectes de l’IBE.
En el cas del gen InR, aquest té un paper essencial en els animals ja que es correspon a “una via de senyalització cel·lular que regula processos clau com el creixement i la proliferació cel·lular, la longevitat, els nivells de sucre i la reproducció”, explica David Pujal, estudiant de doctorat a l’IBE i co-primer autor de l’estudi.
“El receptor d’insulina té una funció essencial en els animals. Per això creiem que tenir una còpia extra d’aquest gen podria haver reforçat la seva funció i pot haver estat clau per a la permanència de les noves còpies”, apunta Maestro.
“La redundància de gens que fan les mateixes funcions pot conferir estabilitat en processos crítics”, afegeix Rosa Fernández, investigadora principal del Metazoa Phylogenomics Lab a l’IBE que ha participat en l’estudi.
Desenvolupar una nova funció o reforçar-ne una ja existent
“El receptor d’insulina té una funció essencial. Per això creiem que tenir una còpia extra d’aquest gen podria haver reforçat la seva funció i pot haver estat clau per a la permanència de les noves còpies".
Desenvolupar una nova funció o reforçar-ne una ja existent
Generalment, les mutacions acumulades en un gen duplicat en desdibuixen progressivament la funció original fins a deixar-lo inservible. No obstant això, de vegades aquests canvis proporcionen un avantatge evolutiu a l’individu. El gen podria desenvolupar una nova funció (neofuncionalització) o reforçar una funció vital per a la supervivència (subfuncionalització).
Partint d’aquesta premissa, l’equip de l’IBE va voler determinar per què les paneroles i els seus parents més propers han conservat tres còpies d’un mateix gen durant més de 350 milions d’anys.
Per fer-ho, van dur a terme estudis funcionals en la reproducció de la panerola Blattella germanica. Els resultats no van revelar signes de neofuncionalització en cap dels casos.
Per identificar les funcions de cadascuna de les còpies del gen InR, l’equip va reduir l’activitat de cadascuna d’elles en individus adults de Blattella germanica. Van utilitzar ARN d’interferència, una molècula capaç d’unir-se específicament a les diverses còpies de l’ARN missatger del receptor d’insulina i inutilitzar-les.
Gràcies a aquests assajos, van descobrir que la reducció dels nivells de InR1 i InR3 no tenia efectes notoris en Blattella. En canvi, el bloqueig de InR2 provoca una inhibició important de la via del receptor d’insulina. Així, van descobrir que es tracta de la còpia més activa de les tres, sent, de fet, la que presenta els nivells d’expressió més alts en tots els teixits estudiats.
“InR2 és la còpia que manté l’activitat principal del gen, mentre que les altres dues còpies actuen com a reforç. Això s’anomena redundància genètica. La còpia InR2 seria el solista d’un grup musical que té dos cantants de reforç, capaços de donar-li suport i continuar amb la cançó quan cal”, comenta Xavier Bellés, investigador principal del grup d’ Evolució de la metamorfosi dels insectes a l’IBE, que ha participat en l’estudi.
Així, l’estudi va determinar que les tres còpies del receptor InR s’han conservat al llarg de les generacions per reforçar la funció vital de la insulina en les paneroles. Es tractaria, per tant, d’un procés de subfuncionalització. Tot i això, l’equip no descarta que es pugui trobar una funció específica per a les diferents còpies del gen InR en altres processos o en altres espècies amb aquesta triplicació del gen.
“Hem realitzat alguns estudis funcionals en Blattella germanica, però hi ha molts aspectes de la seva fisiologia, i de la d’altres grups d’insectes relacionats, que encara s’han d’explorar i que podrien amagar una nova funció per a alguna de les còpies del gen InR”, conclou Maestro.
Aplicacions per al control de plagues
“En el nostre grup estudiem la fisiologia de les paneroles per diversos motius. Un dels principals, i la part més aplicada de la nostra recerca, és el disseny de noves metodologies per al control de plagues”, explica José Luis Maestro. “En el cas de les paneroles, són una plaga urbana molt molesta que, a més, causa problemes de salut.”
Aquests insectes poden ser portadors de malalties i, potser el problema més important, poden desencadenar al·lèrgies respiratòries que, al seu torn, poden derivar en asma, aclareix l’investigador. Fa molt de temps que a l’IBE estudien la biologia de les paneroles i entre les seves troballes està la del paper fonamental d’algunes proteïnes en el desenvolupament i la metamorfosi dels insectes. Això obre el camí a noves estratègies de control de plagues. “Saber com funciona un organisme ens dona eines per poder identificar com interferir en el seu creixement, la seva reproducció o d’altres processos vitals”, apunta Maestro.
La recerca també pot aportar llum a l’àmbit biomèdic. “La via de senyalització de la insulina funciona de forma idèntica en humans i en insectes"
També a l’àmbit biomèdic
La recerca també pot aportar llum a l’àmbit biomèdic, explica José Luis Maestro. “La via de senyalització de la insulina funciona de forma idèntica en humans i en insectes i, de fet, en tots els metazous [animals constituïts per nombroses cèl·lules, que formen teixits, òrgans, aparells i sistemes]”.
“L’activació de la via es produeix per la unió de la insulina o pèptids semblants al receptor de la insulina, que en tots els casos son proteïnes semblants. I la senyalització intracel·lular, amb diferents fosforilacions de proteïnes, també és similar. També son semblants molts altres processos”.
Per una altra banda, la mida petita dels insectes, junt amb el seu cicle de vida curt i les possibilitats experimentals que aporten fan que aquests siguin models ideals pels estudis biomèdics. La forma en què funcionen aquests processos, inclosa la senyalització de la via del receptor d’insulina, “és molt i molt semblant en insectes i en humans, de forma que els resultats obtinguts en la recerca en insectes, més fàcils d’obtenir que en vertebrats, poden ser directament extrapolables”.
“També els estudis evolutius”, conclou l’expert, “com el del present treball, ens mostren com funciona la natura en el seu conjunt, inclosos els processos evolutius que ens han afectat o ens afecten”.