Valenzuela Lab
 
Cpicta
NV

Dr. Nicole Valenzuela Department of Ecology, Evolution, and Organismal Biology

Iowa State University

251 Bessey Hall. Ames, IA 50011

(515) 294-1285

nvalenzu@iastate.edu

 

 
 

Determinación sexual Por qué hay tantas maneras de establecer el destino sexual de los embriones?

Es fascinante que los organismos con reproducción sexual empleen tal diversidad de mecanismos para producir machos y hembras, los cuales varían desde sistemas bajo estricto control del genotipo (GSD por su sigla en inglés) [como por ejemplo los sistemas de cromosomas sexuales altamente heteromórficos o sin diferenciar (XY, ZW)], pasando por aquellos sistemas susceptibles a factores ambientales [como por ejemplo los sistemas haplo-diploides, poligénicos, o de reversión sexual inducidad socialmente], hasta los sistemas bajo estricto control ambiental dependiente de factores bióticos o abióticos. Entre los vertebrados, un sistema de determinación sexual dependiente de la temperatura ambiental (TSD por su sigla en inglés) es común en los reptiles y en algunos peces.

Para explicar esta diversidad en mi laboratorio investigamos los mecanismos, dinámica evolutiva y contexto ecológico de la determinación sexual en una sere de proyectos complementarios.

La investigación de la determinación sexual tiene implicaciones importantes para entender múltiples otros caracteres y fenómenos relacionados a la reproducción sexual, como la evolución de las proporciones sexuales, dimorfismo sexual, y caracteres ligados al sexo.

Ciencia genómica ecológica, evolutiva y comparada. Cómo funcionan y evolucionan las redes de genes que controlan el desarrollo sexual?

Este trabajo está financiado en parte por la NSF IOS 0743284.

Qué hace que la TSD sea termosensible?

Aquí utilizamos genes candidatos y estrategias globales para responder la pregunta de cuál es el factor o factores que hacen que la determinación sexual sea susceptible a la temperatura. Candidatos potenciales serían genes que tienen expresión diferencial de acuerdo a la temperatura de incubación antes o al inicio del período termosensible (TSP por su sigla en inglés), como por ejemplo genes que organizan o activan esta ventana de tiempo, en vez de genes que tienen expresión diferencial después que el TSP ya se ha abierto. Al estudiar los perfiles de expresión de genes en estadíos tempranos del desarrollo embrionario hemos detectado dicha transcripción diferencial en tortugas TSD, particularmente en dos genes (Sf1 y Wt1) que ayudan a la formación de la gónada bipotencial (antes de que la gónada se compromete a la diferenciación como ovario o testículo) (Valenzuela et al. 2006, Valenzuela 2008). Dado que Wt1 es un activador de Sf1, Wt1 ha sido propuesto como un mejor candidato a ser un gene activador clave de la TSD. Nuestros datos más recientes han replicado estos resultados e implican a Wt1 y Sf1 en la activación temprana del período termosensible en forma específica dependiendo de la temperatura de incubación (Valenzuela et al. 2013).

Los sabores de la determinación sexual por temperatura

Nuestros datos comparativos acerca de seis genes indispensables en la diferenciación sexual (Aromatasa, Sf1, Wt1, Dmrt1, Sox9, y Dax1) de las Tortugas Pintada (Chrysemys picta: TSD) y las torgugas de caparazón blando (Apalone mutica: GSD) nos indicó que múltiples cascadas moleculares han evolucionado que difieren en la manera en la que son regulados genes comunes las cuales producen sistemas TSD equivalentes ecológicamente, refutando la idea de que TSD es un sólo sistema de determinación sexual, al contrario de los sistemas GSD que incluyen mecanismos discernibles como aquellos de cromosomas sexuales XX/XY, ZZ/ZW, entre otros (Valenzuela et al. 2006; Valenzuela and Shikano 2007, Valenzuela 2008b, 2010a). Más aún, nuestros resultados muestran que la diferencia fundamental entre los sistemas TSD y GSD no es debida a la Aromatasa (Valenzuela and Shikano 2007) como había sido propuesto anteriormente. Pero aún se desconoce cuántos sistemas distintos de TSD existen en la naturaleza, cómo funcionan, y por qué evolucionaron. En trabajos más recientes hemos descubierto que una gran evolución a nivel de la trancripción genética ha ocurrido entre linajes de vertebrados y no es un fenómeno único en tortugas (Valenzuela et al. 2013)

Ciencia transciptómica evolutiva del desarrollo gonadal

Ahora utilizamos una estrategia comparativa para estudiar la composición completa de la red de genes que regula el desarrollo gonadal a escala del genoma total en especies TSD y GSD, y en un contexto ecológico similar al que utilizamos con la estrategia de genes candidatos. Esto ilumina cómo esta red de genes responde a perturbaciones ambientales en diversas escalas de tiempo y cuál puede ser su respuesta al cambio climático contemporáneo.

Es la expresión génica totalmenta insensible a la temperatura en especies GSD?

Una pregunta evolutiva adicional es si las especies GSD que evolucionaron de ancestros TSD perdieron toda la sensibilidad térmica en la red de genes que regula el desarrollo gonadal. Nuestros datos de A. mutica indican que esto no es siempre el caso, ya que esta torguga GSD ha mantenido su sensibilidad ancestral en la expression de Wt1, el primer caso reportado de un fenómeno tal (Valenzuela 2008). Este resultado es crítico pues deja ver que las especies GSD pueden guardar sensibilidad térmica aún cuando esta no es funcionalmente activa para el desarrollo sexual (pues la temperatura no sesga las proporciones sexuales en A. mutica). Este descubrimiento es importante pues los modelos teóricos de la evolución de la TSD dependen de que las especies GSD posean tal sensibilidad que pueda ser utilizada durante la evolución de la plasticidad fenotpipica (TSD), y nuestro trabajo provee la primera evidencia empírica de su existencia a nivel de la transcripción.

Cómo se producen machos y hembras TSD en la naturaleza y como responderá el sistema TSD al cambio climático?

A través de un proyecto financiado por la NSF trabajamos en elucidar el efecto de las fluctuaciones de temperatura en la expresión génica que regula la formación gonadal de las tortugas, para poner a prueba la relevancia ecológica de las observaciones hechas a temperatura constante. esta estrategia es esencial porque muchos estudios moleculares de TSD se realizan a temperatura constante, pero las proporciones sexuales producidas en estas condiciones difieren de las producidad en nidos naturales donde la temperatura fluctúa diariamente (e.g. Valenzuela et al. 1997, Valenzuela 2001a). Por lo tanto el efecto de las fluctuaciones térmicas en el desarrollo sexual no han sido decifrados completamente.

El contexto ecológico de la evoución

Dado que estamos interesados en las ciencia genómica y evolutiva comparada en un contexto ecológicamente relevante, parte de nuestros proyectos investigan la genética ecológica y de poblaciones, la evolución de las estrategias de vida, y la biología de la conservación siguiendo estudios anteriores en estas áreas (Lance et al. 1992, Valenzuela et al. 1997, Valenzuela 2000, Valenzuela 2001a,b,c, Valenzuela & Janzen 2001, Morjan & Valenzuela 2001, Valenzuela et al. 2003, 2004, Pearse et al. 2006). Este componente que se enfoca en preguntas básicas de la ecología evolutiva, provee una visión crítica del marco ecológico en el que evolucionan los mecanismos de determinación sexual y su potencial evolutivo frente al cambio climático.

Genética ecológica y de poblaciones de las tortugas neotropicales

Llevamos a cabo un estudio de genétcia metapoblacional de la tortuga terecay (Podocnemis unifilis) que habita en las cuencas de los ríos Amazonas y Orinoco (Escalona et al. 2009) y está amenazada de extinción. Este estudio fue similar a un estudio colaborativo previo llevado a cabo en la tortuga Charapa (o Arrau) (Podocnemis expansa), también amenazada (Pearse et al. 2006). Este proyecto fue financiado en parte por la NSF DBI 0511958, y por el Scott Neotropical Fund del zoológico de Cleveland.

Evolución de las historias de vida, herpetología y conservación

Otro componente importante de nuestas investigaciones es la caracterización de las historias de vida de reptiles, la ecología térmica teórica y empírica, los sistemas de apareamiento, y el comportamiento reproductivo. En particular, estudiamos las tortugas del género Podocnemis en Suramérica, y las tortugas pintada (Chrysemys picta), espinosa de caparazón blando (Apalone spinifera), y la tortuga bache (Chelydra serpentina).

En uno de estos estudios con Podocnemis unifilis pusimos a prueba múltiples hipótesis para explicar el comportamiento reproductivo de las hembras y encontramos evidencia de un modelo de facilitación social en vez de un modelo adaptativo de selección de los sitios de postura (Escalona et al. 2009).

Los reptiles son un grupo ideal de estudio pues poseen TSD y GSD. Nosotros utilizamos las tortugas como un sistema modelo para investigar la evolución de los mecanismos de determinación sexual, y comparamos especies TSD y GSD tanto tropicales como de la zona templada.

Muchos reptiles TSD están en peligro de extinción. Una contribución importante es proveer a los conservacionistas con información biológica esencial para diseñar, evaluar y fortalecer los programas de manejo efectivos. Parte de nuestras investigaciones está dedicado a responder preguntas básicas que tienen implicaciones para la conservación, como determinar la estructura poblacional, el comportamiento migratorio y reproductivo de las tortugas con el uso de marcadores moleculares. El conocimiento de cómo funciona la TSD en la naturaleza, así como bajo condiciones semi-naturales y artificales también es importante para las prácticas de conservación.

Ciencia Filogenómica Cuáles son las causas y consecuencias genómicas de las transiciones evolutivas de la determinación sexual?

Evolución de cromosomas sexuales

La TSD parece ser ancestral en las tortugas y la GSD a evolucionado multiples veces independientemente en varios linajes de tortugas (Valenzuela and Adams 2011, Sabath et al. 2016), y sin embargo se conoce poco de los cromosomas sexuales que al evolucionado durante estas repetidas transiciones evolutivas de TSD a GSD. Mediante un proyecto colaborativo financiado por la NSF (MCB 0815354 - S.V. Edwards CoPI, Harvard University), hemos estudiado la evolución de cromosomas sexuales y genes ligados a ellos, identificando sistemas de cromosomas sexuales hasta ahora desconocidos en tortugas e investigando la evolución de los genes que contienen.

Durante estudios colaborativos iniciales utilizamos el método de hibridación genómica comparativa y descubrimos la existencia de un sistema de cromosomas sexuales XY críptico en la tortuga GSD australiana (Chelodina longicollis), la cual consiste en un par de micro-cromosomas (Ezaz et al. 2006). Este fue el primer reporte de un sistema tal en tortugas. Un estudio consecutivo en una especie cercana (Emydura macquarii) reveló un sistema críptico similar de macro-cromosomas (Martinez et al. 2008). Datos más recientes en Apalone spinifera sacaron a la luz un sistema ZW, descubriendo una intrigante conservación de los cromosomas sexuales en la familia de tortugas Trionichidae comparado con la divergencia morfológoca que esiste en la familia Chelidae (Badenhorst et al. 2013). Nuestro trabajo permitió la identificación del sistema de cromosomas sexuales más jóven que se conoce en tortugas, en Glyptemys insculpta (XX-XY) (Montiel et al. 2016).

Nuestros estudios actuales también incluyen la compensación de la dosis génica en tortugas y las bases epigenéticas de la determinación sexual.

Co-evolución del número de cromosomas y la determinación sexual

En un estudio previo, detectamos una asociación sorprendente en tortugas, donde el número de cromosomas evoluciona 20 veces más rápido en linages de tortugas donde la determinación sexual sufre una transición evolutiva (de TSD a GSD o viceversa), comparado con los linajes donde la determinación sexual no cambia. Estas transiciones coinciden con los picos de temperatura global del planeta durante los más de 200 millones de años de evolución de las tortugas, lo cual apunta al cambio climático como fuerza evolutiva potencial que haya podido inducir este proceso (Valenzuela and Adams 2011).

Gracias a otra financiación de la NSF (MCB 1244355), hemos combinado la citogenética molecular con transcriptomas para entender mejor si existe una asociación funcional entre estos factores, y entender las fuerzas evolutivas responsables de generar el patrón observado. Para esto estamos hibridizando en forma recíproca pinturas de cromosomas específicos generados de varias especies para reconstruir el cariotipo ancestral de las tortugas e identificar los sitios de ruptura cromosómicos que se han acumulado durante la evolución, y utilizando los transcriptomas y genomas que hemos sequenciado para identificar la relación entre la determinación sexual y la reorganización del genoma.

Evolución de la compensación de dosis génica utilizando las tortugas como modelo

Cuando los cromosomas sexuales evolucionan (e.g. XX/XY or ZZ/ZW) en especies diploides, se pierden genes del cromosoma Y o el W (o los genes pierden su funcionalidad) debido a que estos cromosomas se degeneran con el tiempo dada su tasa de recombinación más baja respecto a los autosomas. Esta desigualdad en el número de copias génicas genera un desbalance en los niveles de transcripción que puede producir fenotipos subóptimos o letales, a menos que exista un mecanismo para restablecer un balance. Los sistemas de compensación de dosis (DC por su sigla en inglés) restablecen la paridad en la actividad de los genes ligados al X o al Z para contrarestar los efectos deletéreos de las diferencias en el número de copias génicas. La diversidad de la compensación de dosis no es bien conocida ni lo son sus causas y consecuencias

Con nueva financiación de la NSF (IOS 1555999), estamos estudiando la evolución de la compensación de dosis en las tortugas, las cuales son ideales pues poseen sistemas XX/XY y ZZ/ZW que han evolucionado en forma repetida e independiente, y gracias a que contamos con una cantidad creciente de recursos genómicos disponibles en este grupo a los cuales estamos contribuyendo activamente.

DDC

Plasticidad Fenotípica Cómo responde el fenotipo a las señales ambientales?

Determinación sexual

La biología evolutiva clásica asume que la variación genética (i.e. diferencias en composición genómica) son la base de la diversidad fenotípica que es expuesta a la selección natural y permite su evolución. Pero una gran proporción de la variación fenotípica que observamos en la naturaleza proviene de la sensibilidad del genoma al medio ambiente lo cual influye en su expresión durante el desarrollo (diferencias de regulación). Los caracteres discretos tal como los caracteres morfológicos alternativos (e.g. caracteres umbral) pueden ser el resultado de la modulación ambiental de la expresión de genes de gran efecto en vez de la expressión aditiva de genes cuantitativos.

La TSD representa una forma de plasticidad fenotípica (un polifenismo sexual térmico) donde individuos con genomas idénticos pueden diferenciarse como macho o hembra en forma permanente dependiendo de las condiciones ambientales. Nuestro trabajo sobre la determinación sexual nos ayuda a entender las bases de la plasticidad fenotípica y la eolución recurrente de sistemas de desarrollo canalizado (GSD) en un grupo de organismos cercanos taxonómicamente.

El papel de la plasticidad del crecimiento en el dimorfismo sexual

Hemos descubierto que la plasticidad específica de cada sexo, es decir, la respuesta diferencial del genoma de machos y hembras a diferentes ambientes, es mediadora del grado de dimorfismo sexual en la tortuga (Chelydra serpentina), una especie donde sexualmente dimórfica donde en los adultos los machos son más grandes que las hembras (Ceballos and Valenzuela 2011).

En un estudio consecutivo investigamos si lo mismo sucede en especies donde las hembras son más grandes que los machos y si la plasticidad específica de los sexos juega un papel importante en la evolución de los patrones macroevolutivos como la regla de Rensch en las tortugas (Ceballos et al. 2012). Para esto, investigamos la plasticidad del crecimiento corporal en Podocnemis expansa, una especie que hemos estudiado intensamewnte desde el punto de vista de la determinación sexual y la genética ecológica (Valenzuela 2000, Valenzuela 2001a,b,c). Encontramos un patrón opuesto al de Chelydra serpentina y evidencia de que la plasticidad diferencial no favorece siempre a los machos, ni siempre al sexo más grande, si no que existe selección específica de los sexos que varía según el linaje de tortugas. Este proyecto fue financiado en parte por la NSF DEB 0808047 y el Turtle Conservation Fund.

Desarrollo de recursos genómicos Sequenciación del genoma de la Tortuga Pintada

Nuestro laboratorio participó en el proyecto colaborativo que sequenció el genoma de la Tortuga Pintada (Shaffer et al. 2013), como parte del comité organizador, desarrollando transcriptomas de múltiples especies de tortugas, y llevando a cabo el estudio de citogenética clásica y molecular para su anotación y mapero físico (Badenhorst et al. 2015), así como en los análisis para entender la evolución de caracteres como la determinación sexual.

Recursos citogenéticos clásicos y moleculares

Hemos desarrollado cultivos celulares para obtener proparaciones de cromosomas de múltiples especies de tortugas, así como pinturas de cromosomas específicos que estamos utilizando para nuestros estudios filogenómicos.

Transcriptomas embrionarios

embryos

Hemos generado series temporales de transcriptomas de desarrollo embrionario de multiples turtugas TSD y GSD, los cuales estamos utilizando para nuestros estudios funcionales y evolutivos.

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