Mecanismos genéticos de determinação do sexo
em insetos
Alexandre dos Santos Cristino
[email protected]
Instituto de Matemática e Estatística -USP
Programa de Pós-graduação em Bioinformática
http://www.ime.usp.br/~alexsc
São Carlos
2003
Reprodução Biológica
Assexuada - não há reorganização
de genes;
Sexuada - há reorganização de
genes de dois indivíduos;
Chlamydomonas
O custo da reprodução sexuada é mais alto que na
reprodução assexuada (redução de 50% fitness).
Porque a reprodução sexuada é tão comum?
- permite maior taxa de evolução, sob certas condições.
Os Mecanismos de Determinação do Sexo (MDS) podem
ser divididos em duas categorias:
- determinação do sexo via ambiente (ESD);
- determinação do sexo via genética (GSD);
Uma complexa via de regulação gênica parece ocorrer em
organismos sexuados. O MDS melhor estudado é o de
Drosophila.
A determinação do sexo em Drosophila melanogaster e
Caenorhabditis elegans possuem diferenças regulatórias
No entanto, mantém duas caracteríticas organizacionais em
comum:
- sinal primário é a razão X:A;
- uma particular razão X:A dispara uma de duas possibilidades
com resultados alternativos.
Como tal via regulatória poderia ter evoluído?
- seleção sucessiva dos passos da via, onde cada passo deve ter
apresentado valor seletivo positivo em algum momento.
Esta hipótese é sustentada mediante duas suposições:
- que já exista um maquinário genético capaz de fazer machos e
fêmeas;
- que ocorra uma variação ótima da razão sexual.
A evolução dos passos na via
de determinação do sexo
parece ocorrer da base para o
topo.
Aspectos genético-moleculares da determinação do sexo
O MDS é regulado por um
importante
sistema
de
processamento genético póstranscricional,
conhecido
como splicing alternativo.
O que é splicing?
- remoção de sequências não
codificadoras de proteínas
(introns), produzindo um
RNA que é traduzido em uma
proteína funcional.
O splicing alternativo ocorre em uma grande variedade de
processos celulares:
- sistema imunológico;
- determinação do sexo;
- expressão gênica diferencial em diferentes tecidos;
O splicing alternativo pode ser dividido em três grupos:
- o final 5´ do trancrito processado é diferente;
- o final 3´ do trancrito processado é diferente;
- ambos final 5´ e 3´ do transcrito são idênticos.
A presença de fatores de splicing (snRNA, proteínas,
microRNA) são necessários para que determinados padrões
de splicing ocorram.
Estes fatores podem promover ou inibir o splicing do RNA.
Splicing alternativo na determinação do sexo em Drosophila.
Algumas características do MDS são preservadas ao
longo da evolução dos metazoários:
- o doublesex (dsx) é o principal gene do MDS,
codificando proteínas que possuem motivos de ligação de
DNA (DM domain);
- o dsx está na base da via regulatória de determinação do
sexo e conserva sua estrutura e função em muitas
espécies de grupos taxonômicos distantes (Drosophila,
Caenorhabditis, Megaselia, Bombyx).
O MDS em Himenópteros
Os insetos da Ordem Himenóptera se reproduzem por
Partenogenese (Arrenotoquia), isto é, os machos são
produzidos por ovos não fertilizados, enquanto as fêmeas,
se desenvolvem de ovos fertilizados.
Os quatro modelos genéticos propostos são:
- um loco multialélico;
- multiloco multialélico;
- balanço gênico;
- imprinting genômico.
Um loco multialélico
A1
A1 A2
A1 A1
Macho
Fêmea
Macho
Balanço gênico
Macho (n)
Fêmea (2n)
m=M; f=F
M>F
m´m=M; f´f=2F
2F>M
Multiloco multialélico
A1 B1
Macho
A1A2 B1B2
A1A1 B1B2
Fêmea
A1A1 B1B1
Macho
Imprinting genômico
Hipótese para o sistema um loco multialélico
Alguns Himenópteros utilizam um mecanismo de
complementação intragênica para determinar o sexo (CSD).
Heteropolímeros
Fêmea
Porque estudar MDS em Himenópteros?
- entender como sistemas de cascata ou regulação gênica
podem evoluir;
- a determinação do sexo constitui a base de todo o
desenvolvimento biológico dos organismos sexuados;
- lançar novas idéias sobre a evolução da socialidade,
endocruzamento e haplodiploidia em Himenópteros.
Estado da arte dos modelos genético moleculares de MDS
em Apis mellifera (Himenóptera)
- O loco sexual foi mapeado em Apis mellifera;
-O gene csd codifica uma proteína da família das ligadoras de
RNA e apresenta homologia com o gene tra de Drosophila.
Quantidade de trabalhos com MDS:
- Drosophila (590);
- Caenorhabditis (259);
- Apis (14);
- Megaselia (10);
- Bombyx (9).
Perspectivas da bioinformática na modelagem do MDS
em Apis mellifera (Himenóptera).
Os sistemas biológicos podem ser considerados sistemas
dinâmicos complexos e será necessário estudá-los de forma
integrada e dinâmica (i.e., redes gênicas complexas, equações
diferenciais).
Já possuímos grande quantidade de informações biológicas e
ferramentas computacionais úteis e disponíveis na internet
para gerar conhecimento a partir de dados biológicos
primários.
Estudos recentes com equações diferenciais ordinárias e MDS
de Drosophila.
Expressão constitutiva de
genes X e autossômicos
+
Produto gênico
maternal (ovo)
=
Sinais primários
poligênicos
O MDS apresenta um interessante paradigma para o sistema
genético regulatório que toma decisões com base nas diferenças
quantitativas na concentração de moléculas sinalizadoras.
Hipótese de MDS em Apis mellifera
Apis mellifera
MDS um loco multialélico
A1
A1A2
Drosophila melanogaster
A1A1
Sinais primários
(polímeros)
DSXM
DSXF
DSXM
Macho
Fêmea
Macho
LOCO SEXUAL =~ TRANSFORMER
“Nos organismos com mecanismo GSD, o destino do
desenvolvimento biológico deve estar relacionado a
determinadas concentrações de sinais primários (i.e.,
fatores de transcrição) presentes no zigoto ou ovo,
determinando o desenvolvimento biológico característico de
cada sexo.”
Projeto de Doutorado em Bioinformática:
“Modelagem de dois hormônios morfogenéticos e da expressão de dois
genes sexo específicos no desenvolvimento sexual de Apis mellifera
usando equações diferenciais ordinárias.”
Alexandre dos Santos Cristino (IME-USP)
Profa. Dra. Zilá Luz Paulino Simões (FFCLRP-USP)
Prof. Dr. Luciano da Fontoura Costa (IFSC-USP)