Por qué las cucarachas han conservado un error genético durante 350 millones de años

Hace 400 millones de años los primeros insectos poblaban la Tierra. Sus descendientes colonizaron el planeta bajo diferentes formas y tamaños, y dieron lugar a millones de especies distintas.

Esta ingente diversidad es fruto de los cambios que se dieron en el genoma de los insectos, y que les permitieron adaptarse a nuevos entornos a lo largo del tiempo. Muchos de estos cambios genéticos, conocidos como mutaciones, tuvieron lugar mediante la duplicación. Se trata de un error en la replicación del ADN responsable de muchas innovaciones evolutivas del reino animal, como el vuelo de los insectos.

El gen receptor de la insulina InR (Insulin Receptor) también es un ejemplo de duplicación génica. «La vía del receptor de insulina (InR) es una vía de señalización celular que regula procesos clave como el crecimiento y la proliferación celular, la longevidad, los niveles de azúcar y la reproducción», explica David Pujal, estudiante de doctorado en el IBE y co-primer autor del estudio.

En la actualidad, todos los insectos alados tienen dos copias del gen InR debido a una duplicación que ocurrió hace aproximadamente 400 millones de años. Además, estudios recientes han revelado que hubo una segunda duplicación de este gen en el ancestro común de las cucarachas, las termitas, las mantis y los insectos palo, hace unos 350 millones de años. Sin embargo, se desconocía por qué este error se ha conservado en los insectos hasta nuestros días.

Ahora un estudio liderado por el Instituto de Biología Evolutiva (IBE), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Pompeu Fabra (UPF), revela que las dos copias más recientes del gen InR podrían reforzar la función del receptor de insulina ancestral, esencial para la supervivencia de las cucarachas y otros grupos cercanos. El equipo apunta que este error pudo suponer una ventaja evolutiva para los insectos y arroja luz sobre los mecanismos de innovación evolutiva en los animales.

Fuente de innovación evolutiva

Las duplicaciones génicas se producen con frecuencia y pueden afectar desde unas pocas bases de ADN hasta la duplicación de un genoma entero. Se trata de errores producidos al azar que, según su efecto en el individuo, se eliminarán o persistirán en el genoma de la especie a través de las generaciones.

«Las mutaciones ocurren constantemente y de forma aleatoria en el genoma. Cuando lo hacen en un gen de vital importancia, a menudo el individuo no sobrevive y no se heredarán. Pero si la mutación produce un beneficio en el individuo de forma que pueda tener más descendencia comparado con otros especímenes de su especie, la mutación, heredada por los descendientes, acabará probablemente fijándose», explica José Luis Maestro, líder del estudio e investigador principal del grupo Señales Nutricionales en Insectos del IBE.

Generalmente, las mutaciones que se acumulan en un gen duplicado desdibujan su función original progresivamente hasta dejarlo inservible. Sin embargo, en ocasiones estos cambios proporcionan una ventaja evolutiva al individuo. El gen podría desarrollar una nueva función (neo-funcionalización), o bien reforzar una función vital para la supervivencia (sub-funcionalización). De esta forma, la evolución hace del error virtud: a partir de la duplicación de un gen, aparece una oportunidad de cambio, e incluso de mejora.

Bajo esta premisa, el equipo del IBE quiso determinar por qué las cucarachas y sus parientes más cercanos han conservado tres copias de un mismo gen durante más de 350 millones de años. Para ello, llevaron a cabo estudios funcionales en la reproducción de la cucaracha Blattella germanica. A través de su análisis, no encontraron signos de neo-funcionalización en ninguno de los casos. Sin embargo, el rol vital de la vía de insulina encerraba la respuesta.

«El receptor de insulina tiene una función esencial en los animales. Por eso creemos que tener una copia extra de este gen pudo reforzar su función y fue clave para la permanencia de las nuevas copias», apunta Maestro. «La redundancia de genes que realizan las mismas funciones puede conferir estabilidad en procesos críticos», comenta Rosa Fernández, investigadora principal del Metazoa Phylogenomics Lab en el IBE que ha participado en el estudio.

Señalización de la insulina en las cucarachas

Para identificar las funciones de las copias del gen InR, el equipo redujo la actividad de cada una de ellas en individuos adultos de Blattella germanica. Emplearon ARN de interferencia, una molécula capaz de unirse específicamente a las distintas copias del ARN mensajero del receptor de insulina e inutilizarlas. Gracias a estos ensayos descubrieron que la reducción de los niveles de InR1 e InR3 no tenía efectos notorios en Blattella. No obstante, el bloqueo

de InR2 provoca una inhibición importante de la vía del receptor de insulina. Con ello descubrieron que se trata de la copia más activa o la «más trabajadora del trío», como la describe el grupo, siendo, de hecho, la que tiene niveles de expresión mayores en todos los tejidos estudiados.

«InR 2 es la copia que retiene la principal actividad del gen, mientras que las otras dos copias actúan de refuerzo. A esto se le llama redundancia genética. La copia InR2 sería el solista de un grupo musical que tiene a dos cantantes de refuerzo, capaces de proporcionarle apoyo y continuar con la canción cuando se necesita», comenta Xavier Bellés, investigador principal del grupo de Evolución de la metamorfosis de los insectos en el IBE que ha participado en el estudio.

De esta manera, el estudio determinó que las tres copias del receptor InR se han conservado a lo largo de las generaciones para reforzar la función vital de la insulina en las cucarachas. Se trataría, por tanto, de un proceso de sub-funcionalización. No obstante, el equipo no descarta que pueda encontrarse una función específica para las diferentes copias del gen InR en otros procesos u otras especies con esta triplicación del gen.

«Hemos realizado algunos estudios funcionales en Blattella germanica, pero hay muchos aspectos de su fisiología, y de la de otros grupos de insectos relacionados, que aún deben explorarse y que podrían esconder una nueva función para alguna de las copias del gen lnR», concluye Maestro.