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L a vida en la Tierra ha sufrido diversas transiciones durante
su historia. Las c- lulas han evolucionado hasta convertirse en
organismos multicelulares y stos se han organizado en sociedades.
Tanto los animales solitarios como los sociales han de ejecutar una
serie de actividades para sobrevivir y reprodu-cirse. Los animales
sociales suelen acometerlas cooperativamente, y la cooperacin
requiere coordinacin. Se usan varios mecanismos para lograr la
coordinacin, entre ellos la comu-nicacin entre individuos y la
adopcin de formas de organizacin social que implican jerarquas y
divisin del trabajo. La vida en sociedad est a menudo muy
estructurada; en casi todas las actividades inuye la interaccin con
otros miembros de la comunidad.
En los ltimos decenios hemos asistido a un notable progreso en
el conocimiento mo-lecular del funcionamiento celular y del
de-sarrollo, pero no del comportamiento social. Slo recientemente
se ha despertado el inters en desentraar las bases moleculares del
com-portamiento social. Fruto del mismo ha nacido una nueva
disciplina, la sociogenmica.
La sociogenmica se ocupa de identicar genes que inuyen en el
comportamiento so-cial y su regulacin, determinar qu funcin
desempean en los mecanismos neurales y endocrinos implicados,
explorar los efectos del entorno y valerse de los genes en cuestin
para estudiar la evolucin de la diversidad del comportamiento. La
tarea viene facilitada por la secuenciacin completa de un nmero
creciente de genomas.
Se ha avanzado, sobre todo, en la iden-ticacin de genes que
inuyen en el com-portamiento social y su evolucin. Mediante tcnicas
basadas en la transcriptmica, se mi-
den los cambios de expresin de genes su transcripcin en ARN
mensajero (ARNm) que estn correlacionados con cambios en el
comportamiento. Pero la cantidad de trans-critos no reeja siempre
la cantidad de las protenas que codican. Adems, algunas
di-ferencias en la expresin gnica no son una consecuencia, sino una
causa del cambio de comportamiento.
La abeja de la miel (gnero Apis) es uno de los organismos que se
usan como modelo para el estudio molecular de la vida social.
Contamos ya con la secuenciacin de su ge-noma. Las abejas pueden
ser solitarias o vivir en grupo. Segn el tipo de comunidad se habla
de abejas semisociales o eusociales. Las sociedades eusociales, las
ms estructuradas, se caracterizan por una divisin reproductiva del
trabajo, solapamiento de generaciones y cooperacin en el cuidado de
la prole.
Se conocen ms de 20.000 especies, muchas apenas estudiadas. La
abeja de la miel muestra el comportamiento social ms complejo
(euso-ciales). La especie mejor investigada ha sido la abeja de la
miel occidental (Apis mellifera). En sus colonias de abejas se
distinguen tres tipos de castas, cada una con una funcin especca:
las reinas, las obreras y los znganos.
Las reinas, una por colonia, son las nicas hembras frtiles,
viven durante un perodo diez veces mayor que las obreras, de
ordinario entre 1 y 2 aos, depositan los huevos de los cuales
nacern todas las dems abejas de la colonia (unos 2000 huevos por
da) y almacenan el esperma de los znganos durante aos, sin que
pierda su viabilidad.
Las obreras, decenas de miles por colonia, son hembras estriles
y llevan a cabo, de forma altruista, las tareas requeridas para el
desarro-
El medio afecta al grado en que se expresen los genes. Las
inuencias del exterior se reejan en mecanismos epigenticos
Mireia Jord y Miguel A. Peinado
CONCEPTOS BASICOS
Q La abeja de la miel Apis mellifera es un insecto social que
vive en comuni-dades muy estructuradas, formadas por castas, con un
comportamiento social muy complejo.
Q El desarrollo de ese com-portamiento est regula-do por el
entorno social y va ntimamente asociado a cambios en la expresin de
miles de genes.
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1. LAS ABEJAS OBRERAS de mayor edad deenden la colmena y
recolectan polen y nctar en el exterior.
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llo y crecimiento de la colonia: construir los panales, limpiar
y mantener la colmena, criar las larvas, montar guardia y
recolectar el nc-tar y el polen. Las obreras tienen habilidades
cognitivas muy sosticadas, a pesar de que su cerebro consta de slo
un milln de neuronas, cinco rdenes de magnitud menos que el
cere-bro humano y slo cuatro veces ms que el de Drosophila, un
organismo de comportamiento mucho ms simple. Las obreras aprenden a
asociar el color de una or, la forma y el olor a la ubicacin de la
comida. Para comunicar el hallazgo del sustento, emplean el
lenguaje de la danza. Las abejas de la miel estn ca-pacitadas para
aprender conceptos abstractos, como igual y diferente.
Los znganos, las abejas macho, slo viven durante la estacin
reproductiva de la colo-nia, pues su nico propsito es fecundar a
las reinas. Las diferencias entre castas no se dan slo en el
comportamiento, sino tambin en la morfologa y la siologa; las
obreras y los znganos son por lo general ms pequeos que las
reinas.
Las abejas de la miel son insectos hime-npteros, los cuales se
caracterizan por ser haplodiploides: los machos se desarrollan a
partir de huevos sin fecundar haploides (con una sola versin de
cada cromosoma), mientras que las hembras nacen de huevos
fecundados
diploides (con dos versiones de cada cromo-soma). Se ha
demostrado que el desarrollo sexual est regulado por el gen csd
(compleme-tary sex determiner), que presenta 19 versiones
alternativas o alelos. Las hembras tienen dos copias del gen y los
machos slo una, pero los mismos alelos se encuentran tanto en
hembras como en machos; es decir, no hay alelos liga-dos al sexo.
Si los huevos fecundados tienen dos copias iguales de csd, se
convertirn en machos diploides estriles; las obreras los
eli-minarn. Se cree que las asimetras entre los individuos de una
colonia inducidas por la haplodiploida desempean una importante
funcin en la evolucin de la eusociabilidad, en su mantenimiento o
en ambos.
La diferenciacin en reinas y obreras en las abejas de la miel se
lleva a cabo a travs de una nutricin distinta. Toda larva de me-nos
de dos das es alimentada con jalea real, una sustancia muy
nutritiva producida por las glndulas galactgenas de las obreras.
Despus del segundo da, la larva de las obreras pasa a un sistema
progresivo de alimentacin que consiste en una mezcla de jalea real
con miel y polen. En cambio, la larva real es alimentada con jalea
real durante todo el perodo de de-sarrollo. Esos patrones
alimentarios diferentes determinan la casta de la abeja adulta. Por
lo tanto, cualquier larva hembra de menos de
Mireia Jord y Miguel A. Peinado trabajan en el Instituto de
Medicina Predicti- va y Personalizada del Cncer (IMPPC), en
Barcelona. Su inves- tigacin se centra especialmente en los
mecanismos genticos y epigenticos de la progresin tumoral. Han
participado en el consorcio internacional para la secuenciacin del
genoma de la abeja. Esto ltimo contribuy a la primera identicacin
de la metilacin del ADN como meca-nismo epigentico en un insecto
social. Mireia Jord es bioqumica por la Universidad Autnoma de
Barcelona e investigadora postdoctoral en el IMPPC. Miguel A.
Peinado es bilogo por la Universidad de Barcelona y coor-dinador
cientco del IMPPC.
Los autores
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dos das de edad puede crecer potencialmente como reina u obrera,
y son las mismas obre-ras adultas quienes tienen el control sobre
la determinacin de la casta de las hembras. Usan este control para
crear reinas cuando han perdido la que tenan o cuando la actuacin
de la existente es pobre.
La investigacin con micromatrices (mi-croarrays en ingls, tcnica
de anlisis de las diferencias en la expresin que permite el
es-tudio simultneo de miles de genes) revela que existen
diferencias importantes en la expresin de muchos genes entre las
larvas destinadas a ser abejas reinas, las destinadas a
desarrollarse como obreras y las bipotenciales (de menos de dos
das). Se ha puesto de maniesto que las larvas destinadas a obreras
presentan una semejanza ms estrecha con las larvas bipo-tenciales
que las larvas reales: estas ltimas tienen reprimida la expresin de
muchos genes respecto a las larvas bipotenciales y a la vez
expresan genes especcos, probablemente aso-ciados a la casta de
reina y relacionados con el metabolismo, lo cual podra explicar su
mayor tasa de crecimiento y su mayor talla.
No slo la determinacin de castas viene regulada por programas de
expresin gnica especcos. Tambin la divisin de tareas. En el curso
de su vida, las obreras cumplen distintas funciones, acordes con la
edad, fenmeno que se supone vinculado al desarrollo siolgico de
varias glndulas. Las abejas jvenes alimentan y cuidan las larvas y
la reina; las de mediana edad mantienen la colmena y almacenan la
comida; y las de mayor edad deenden la colmena y recolectan polen y
nctar en el exterior.
En condiciones normales, una abeja co-mienza a salir de la
colmena a buscar comida hacia los 21 das de edad, una tarea que no
abandonar el resto de su vida. Pero las abejas pueden acelerar,
retrasar o incluso cambiar su comportamiento segn las necesidades
de la colonia. Esa plasticidad del comportamiento est controlada en
gran medida por feromonas, sustancias qumicas secretadas por
individuos de una especie que causan alteraciones en la siologa y
en el comportamiento de otros miembros de la misma especie.
La feromona mandibular de la reina (QMP) es la feromona mejor
caracterizada en la abe-ja de la miel; desempea una funcin muy
importante en la regulacin social, pues evita la reproduccin de las
obreras inhibiendo el desarrollo de sus ovarios o retrasa la
transicin de obrera de interior a obrera de exterior. Con la tcnica
de micromatrices se ha puesto de maniesto que QMP afecta la
expresin de muchos genes en el cerebro de la abeja. La feromona
activa genes correlacionados con las tareas en el interior de la
colmena y repri-me genes correlacionados con las tareas en el
exterior. Pero no slo la reina inuye en el desarrollo de la
conducta de la colonia: las obreras ms viejas tambin pueden
regularlo mediante otro tipo de feromonas.
La regulacin social implica, pues, cambios en la expresin de
genes, especialmente en el cerebro, en respuesta a estmulos
comuni-tarios especcos, que, a su vez, repercuten en el
comportamiento. El grupo encabezado por Gene E. Robinson, de la
Universidad de Illinois, ha demostrado la estrecha asociacin
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2. COMO RESULTADO de procesos intrnsecos y la inuencia del
entorno, durante el desarrollo se es- tablecen patrones de
metila-cin y otras modicaciones epigenticas heredables, dando lugar
al epigenotipo que determina los patrones de expresin gnica y en
consecuencia el fenotipo. Factores ambientales y nu-tricionales
pueden intervenir en el mantenimiento de estos patrones epigenticos
alterando el epigenotipo y por tanto inuyendo en el fenotipo.
GENOTIPO
FENOTIPO
EPIGENOTIPO
Factores ambientalesFactores intrnsecos
Establecimientode marcas epigenticas
durante el desarrollo
Mantenimientode las marcasepigenticas
EPIGENOTIPO
FENOTIPO
Factores ambientalesFactores intrnsecos
Esde ma
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INVESTIGACION Y CIENCIA, agosto, 2009 43
existente entre la expresin gnica en el cerebro y la plasticidad
del comportamiento. Con la tcnica de micromatrices generaron
patrones de expresin de ARN mensajero (ARNm) es decir, midieron la
frecuencia con que los genes correspondientes al ARNm se expresan
de 60 abejas que trabajaban cuidando la comida de la colmena
(nodrizas) o recolectando co-mida en el exterior (exploradoras). Y
lograron establecer, para 57 de las 60 obreras, qu labor
desempeaban; predijeron el comportamiento individual a partir del
patrn de expresin de ARNm. Ms concretamente, hallaron diferen-cias
de expresin entre nodrizas y exploradoras en un 40 % de los
aproximadamente 5500 genes analizados. Muchos de estos genes
pre-sentan una regulacin social; as ocurre con el gen foraging o el
gen period, cuyos niveles de ARNm en el cerebro son mayores en las
obreras exploradoras que en las nodrizas.
Pero no slo se dan diferencias de expresin cerebral. La hormona
juvenil interviene en la funcin exploradora; sus niveles en sangre
en obreras que trabajan en la colmena son menores que en obreras
que buscan comida fuera de la colmena. Hay tambin diferencias de
expresin en genes que codican glndulas exocrinas que producen
sustancias empleadas en diferentes tareas, como el mantenimiento de
la colmena o la defensa.
En resumen, la determinacin de castas y la divisin del trabajo
en la abeja de la miel dependen de programas de expresin gnica que
cambian a lo largo de su desarrollo: unos genes se activan y otros
se inhiben. Ahora bien, de qu depende la expresin de los genes?
La expresin de los genes est regulada, en parte, por su
promotor, una regin de ADN situada al principio del gen. Esta regin
con-tiene sitios a los que se pueden unir factores de transcripcin.
Cuando un factor de transcrip-cin se une a su secuencia especca de
unin, la expresin del gen puede activarse. Mediante anlisis
informticos se han encontrado cinco factores de transcripcin que
intervienen en el comportamiento de la abeja de miel, toda vez que
muestran una correlacin estadsticamente signicativa con muchos
genes regulados so-cialmente. Estos factores de transcripcin son
GAGA, Adf1, CF1, Snail y Dri, conocidos por su funcin en el
desarrollo del sistema nervioso, en el aprendizaje olfatorio y en
la unin de hormonas en Drosophila. Por ejem-plo, CF1 se une in
vitro al promotor de la hormona juvenil. Adems, la expresin de CF1
se activa en respuesta a la hormona juvenil en la abeja adulta.
La expresin gnica no depende slo de los factores de
transcripcin. Cuando estas protenas entran en el ncleo para unirse
a
las regiones promotoras se encuentran con la cromatina, que es
un complejo nucleopro-teico formado por ADN e histonas. Los genes
se expresan o no segn se den ciertas condi-ciones bioqumicas, como
la metilacin del ADN, las modicaciones covalentes de las histonas o
la forma de la cromatina. Y esto es lo que estudia la epigentica,
es decir, la herencia de patrones de expresin de genes que no
vienen determinados por la secuencia de pares de bases del ADN.
La metilacin del ADN constituye la marca epigentica mejor
caracterizada. Consiste en la unin de molculas de metilo CH3 a
nucletidos de ADN. En vertebrados se da sobre todo en las citosinas
(C) seguidas por una guanina (G), esto es, en las C de los llamados
dinucletidos CpG. Esta reaccin es catalizada por me-tiltransferasas
de ADN. En la mayora de los casos la adquisicin y mantenimiento de
la metilacin del dinucletido CpG induce re-presin gnica, aunque hay
ejemplos en que la metilacin de secuencias especcas permi- te la
expresin de genes vecinos.
Gracias a la secuenciacin del genoma de la abeja de la miel y
mediante anlisis bioin-formticos, moleculares y bioqumicos se ha
caracterizado en ese himenptero un sistema de metilacin del ADN
completo y funcional, compuesto por metiltransferasas
catalticamente activas que son ortlogos de las metiltransfera-sas
de ADN de los vertebrados es decir, de-rivan evolutivamente de
antepasados comunes a insectos y mamferos y por dos isoformas
variantes generadas por cambios en nucleti-dos sueltos con dominios
de unin a citosi-nas metiladas. El estudio revela que en la abeja
la metilacin del ADN tiene lugar tambin en las citosinas situadas
en el dinucletido CpG, igual que ocurre en vertebrados.
Recientemente, se ha demostrado que la inhibicin de la
metiltransferasa de ADN 3 (Dnmt3) en larvas produce un efecto
similar a la alimentacin con jalea real, de manera que la mayora de
las larvas se desarrollan como reinas. Esto demuestra que la
epigentica es el interlocutor del ambiente con la gentica y puede
explicar la accin del estilo de vida, por ejemplo la nutricin,
sobre los genes. Dado el carcter social de la abeja de la miel y el
hecho de que su genoma responde dinmicamente a los cambios en el
entorno, el profundizar en los mecanismos epigenticos de este
insecto puede ser clave para entender mejor la regulacin gnica de
su comportamiento social. Tras la secuenciacin del genoma de la
abeja de miel, el siguiente reto es el estudio epigentico. i
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/MA
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LIN
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GENE EXPRESSION PROFILES IN THE BRAIN PREDICT BEHAVIOR IN
INDIVIDUAL HONEY BEES. C. W. Whiteld et al. en Science, vol. 302,
pgs. 296-299; 2003.
INSIGHTS INTO SOCIAL INSECTS FROM THE GENOME OF THE HONEYBEE
APIS MELLIFERA. Honeybee Genome Sequencing Consortium en Nature,
vol. 443, pgs. 931-949; 2006.
FUNCTIONAL CPG METHYLATION SYSTEM IN A SOCIAL INSECT. Y. Wang et
al. en Science, vol. 314, pgs. 645-647; 2006.
NUTRITIONAL CONTROL OF REPRO-DUCTIVE STATUS IN HONEYBEES VIA DNA
METHYLATION. R. Kucharski et al. en Science, vol. 319, pgs.
1827-1830; 2008.
Bibliografa complementaria
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cocococonnnnnnnnucucucucleleleleopopopoprororoo---. . . LoLoLoLos s
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