CRISPR corta a trav茅s de las capas de la evoluci贸n del patr贸n de alas de las mariposas

CRISPR corta a trav茅s de las capas de la evoluci贸n del patr贸n de alas de las mariposas

9 de enero de 2020 <img src="https://antimoscas.es/wp-content/uploads/heliconius-sp-butterflies.png" "Heliconius sp. butterflies"

Los brillantes patrones de las alas de las mariposas del g茅nero Heliconius hacen que una paleta altamente visible utilice las t茅cnicas de edici贸n gen茅tica de CRISPR para investigar la evoluci贸n de los patrones de las alas y los genes que los influencian, dicen los investigadores del Instituto Smithsonian de Investigaci贸n Tropical. (Foto: Sebastian Menas/Instagram @mena_sebas)

Para ayudar a arrojar luz sobre algunas de estas grandes cuestiones que quedan en la biolog铆a evolutiva, los autores de un art铆culo publicado recientemente en Biolog铆a Actual art铆culo se redujo en una historia evolutiva - mimetismo de M眉ller en Heliconius mariposas.

<img src="https://antimoscas.es/wp-content/uploads/laura-kraft-grape-root-headshot.jpg" "Laura Kraft"

Laura Kraft

"Heliconius las mariposas sintetizan compuestos de la familia de los cianuros y tambi茅n se alimentan de plantas que tienen estos compuestos. Por lo tanto, son muy desagradables para los depredadores, especialmente para los p谩jaros", dice la Dra. Carolina Concha, becaria de gen贸mica de la biodiversidad en el Instituto Smithsonian de Investigaci贸n Tropical. Para anunciar su toxicidad, estas mariposas han desarrollado colores de advertencia rojos, naranjas, amarillos y azules brillantes con fuertes bandas negras. Desafortunadamente para las mariposas, los p谩jaros t铆picamente tienen que morder y matar algunas mariposas antes de aprender que los colores brillantes significan malos sabores. As铆 que con el tiempo, especies de estas mariposas, distantemente relacionadas pero igualmente desagradables, han convergido para tener exactamente el mismo color y patr贸n de alas, de modo que ambas especies convergentes pueden beneficiarse de una mayor se帽al de advertencia. Esto hace que las aves aprendan m谩s r谩pido aliment谩ndose de menos individuos de cualquiera de las dos especies.

Estos brillantes patrones de color en las mariposas Heliconius han evolucionado y divergido en un n煤mero de especies encontradas en Am茅rica Central y del Sur durante los 煤ltimos 12 a 14 millones de a帽os, pero fue s贸lo dentro de una historia evolutiva muy reciente -los 煤ltimos 2,5 a 4,5 millones de a帽os- que algunas mariposas desagradables distantemente relacionadas convergieron para tener los mismos patrones. Dice Concha, "Los patrones de las alas se han diversificado tanto en tan poco tiempo, que tienes estas formas realmente diversas dentro de una sola especie y al mismo tiempo, tienes especies muy distantemente relacionadas que convergen en un solo fenotipo."

<img src="https://antimoscas.es/wp-content/uploads/carolina-concha-with-butterfly-display-boxes.jpg" "Carolina Concha con cajas de exhibici贸n de mariposas"

Carolina Concha, Ph.D., muestra la pila de cajas de exhibici贸n de mariposas con mutaci贸n CRISPR que ella y sus colaboradores han creado en el Instituto Smithsonian de Investigaci贸n Tropical en Gamboa, Panam谩. (Foto: Laura Kraft)

"CRISPR nos permite hacer las mismas mariposas, con un gen que falta. Es una forma de interrogar a la naturaleza y preguntarse '驴Cu谩l es la funci贸n de este gen?' y '驴Cambi贸 durante la evoluci贸n?'" dice Arnaud Martin, autor del art铆culo Biolog铆a Actual y Profesor Asistente en la Universidad George Washington. Uno de los primeros genes en expresarse durante el desarrollo de las alas de las mariposas se llama WntA (se pronuncia WIN- tah), y se cree que es un gen importante que controla el sistema de pintura por n煤mero usado por las mariposas para colorear y modelar sus alas. WntA se expres贸 una vez durante el desarrollo embrionario de muchos tipos diferentes de organismos, incluyendo vertebrados, pero se ha perdido en la mayor铆a. Quiz谩s despu茅s de que su papel en el desarrollo embrionario se hab铆a minimizado en las mariposas, WntA desarroll贸 un nuevo papel en el patr贸n de las alas, definiendo los l铆mites de los patrones de bandas negras y de color en las alas de las mariposas adultas Heliconius.

Los investigadores propusieron usar CRISPR como tijeras para cortar con precisi贸n la secci贸n de ADN que codifica para el gen WntA en unos pocos pares co-im茅ticos m眉llerianos. Ten铆an dos hip贸tesis complementarias: Si los patrones alares mim茅ticos se desarrollaron en diferentes mariposas a partir del uso de un mecanismo regulador de genes altamente similar que involucra a WntA, entonces la eliminaci贸n del gen deber铆a dar lugar a los mismos cambios en el patr贸n alar en las mariposas mutantes de las diferentes especies. Si, por otro lado, los patrones alares id茅nticos fueron causados por v铆as altamente diferentes que involucran a WntA, entonces las alas de dos especies de mariposas mutantes pueden exhibir patrones diferentes.

<img src="https://antimoscas.es/wp-content/uploads/crispr-injection-into-heliconius-butterfly-eggs.jpg" "Inyecci贸n de CRISPR en huevos de mariposa Heliconius"

Carolina Concha, Ph.D., inyecta cuidadosamente CRISPR en huevos de mariposa Heliconius. Si ella puede inyectar los huevos dentro de las dos horas siguientes a su puesta, obtiene menos mosaicismo en la mutaci贸n de CRISPR que con los huevos de tres o cuatro horas de edad. (Foto: Luca Livraghi)

Despu茅s de inyectar miles de huevos, Concha finalmente obtuvo un knockout completo de CRISPR de tres pares co-mim茅ticos de mariposas Heliconius. "Honestamente pens茅 que las especies co-mim茅ticas Heliconius fueron generadas por ajustes similares de las mismas v铆as de desarrollo. Estaba equivocado", dice Owen McMillan, Doctor en Filosof铆a, Decano de Programas Acad茅micos del STRI. En los tres pares co-mim茅ticos, las mariposas mutantes resultantes ten铆an un patr贸n de color de ala dram谩ticamente diferente despu茅s de remover el gen WntA, apoyando la segunda hip贸tesis de que incluso caminos muy diferentes pueden conducir al mismo patr贸n de ala.

"CRISPR nos permiti贸 empujar nuestro entendimiento b谩sico de los caminos subyacentes a la formaci贸n del patr贸n de ala en direcciones completamente nuevas. Hemos hecho grandes progresos en la identificaci贸n de los genes clave que subyacen a la formaci贸n del patr贸n, pero CRISPR nos permite, por primera vez, entender c贸mo funcionan. Es una herramienta notablemente genial para el descubrimiento", dice McMillan.

Mientras que se han hecho grandes cambios en la v铆a regulatoria de WntA, dando lugar a estas diferencias en el patr贸n de las alas, todos se centran en el mismo gen. Pero la parte realmente sorprendente de este trabajo es que a pesar de que estas mariposas se desarrollaron bajo condiciones diferentes y experimentaron diferentes historias evolutivas a lo largo de millones de a帽os, todav铆a convergieron en el mismo fenotipo con una red completamente diferente de regulaci贸n de genes. "Esto realmente destaca que el genoma tiene unas pocas herramientas gen茅ticas favoritas que impulsan la evoluci贸n de partes espec铆ficas de la anatom铆a, pero la forma en que estas herramientas pueden ser utilizadas es flexible", dice Martin

Si quieres aprender m谩s, aqu铆 hay un v铆deo que muestra el m茅todo de uso de CRISPR para cambiar el patr贸n de las alas de las mariposas:

"Interacci贸n entre la flexibilidad del desarrollo y el determinismo en la evoluci贸n de los patrones mim茅ticos Heliconius Patrones de alas"

Biolog铆a actual

Laura Kraft es un doctorado. D. en la Universidad del Estado de Carolina del Norte y una becaria de investigaci贸n de posgrado de la Fundaci贸n Nacional de Ciencias. Cuando ella no est谩 viajando por el mundo, pasa su tiempo haciendo la ciencia m谩s accesible a trav茅s de la escritura y el alcance de la ciencia. Correo electr贸nico: ljkraft@ncsu.edu.

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