Las moscas de la fruta en el laboratorio de Noah Whiteman pueden ser peligrosas para su salud.
Whiteman y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley, han convertido moscas de la fruta perfectamente sabrosas, por lo menos sabrosas, en ranas y pájaros, en presas potencialmente venenosas que pueden causar que cualquier cosa que las coma vomite. En cantidades suficientemente grandes,las moscas probablemente también harían un vómito humano, muy parecido al efecto emético del jarabe de ipecacuana.
Esto se debe a que el equipo diseñó genéticamente las moscas, utilizando la edición del gen CRISPR-Cas9, para poder comer algodoncillo sin morir y secuestrar sus toxinas, tal como lo hace la mariposa más querida de Estados Unidos, la monarca, para disuadir a los depredadores.
Esta es la primera vez que alguien ha recreado en un organismo multicelular un conjunto de mutaciones evolutivas que conducen a una adaptación totalmente nueva al medio ambiente, en este caso, una nueva dieta y una nueva forma de disuadir a los depredadores.
Al igual que las orugas monarca, los gusanos de la mosca de la fruta CRISPR prosperan en el algodoncillo, que contiene toxinas que matan a la mayoría de los otros animales, incluidos los humanos. Los gusanos almacenan las toxinas en sus cuerpos y las retienen a través de la metamorfosis, después de que se convierten en moscas adultas, lo que significalas "moscas monarca" adultas también pueden hacer que los animales se desalienten.
El equipo logró esta hazaña al hacer tres ediciones CRISPR en un solo gen: modificaciones idénticas a las mutaciones genéticas que permiten a las mariposas monarcas cenar en algodoncillo y secuestrar su veneno. Estas mutaciones en el monarca le han permitido comer plantas venenosas comunes y otraslos insectos no pudieron y son clave para la próspera presencia de la mariposa en América del Norte y Central.
Las moscas con la mutación genética triple demostraron ser 1,000 veces menos sensibles a la toxina del algodoncillo que la mosca de la fruta silvestre Drosophila melanogaster .
Whiteman y sus colegas describirán su experimento en la edición del 2 de octubre de la revista Naturaleza .
Monarca vuela
Los investigadores de la UC Berkeley crearon estas moscas monarca para establecer, sin lugar a dudas, qué cambios genéticos en el genoma de las mariposas monarcas eran necesarios para permitirles comer algodoncillo impunemente. Encontraron, sorprendentemente, que solo treslas sustituciones de nucleótidos en un gen son suficientes para dar a las moscas de la fruta la misma resistencia a las toxinas que las monarcas.
"Todo lo que hicimos fue cambiar tres sitios, e hicimos estas superflies", dijo Whiteman, profesor asociado de biología integrativa. "Pero para mí, lo más sorprendente es que pudimos probar hipótesis evolutivas de una manera quenunca ha sido posible fuera de las líneas celulares. Hubiera sido difícil descubrir esto sin tener la capacidad de crear mutaciones con CRISPR ".
El equipo de Whiteman también mostró que otros 20 grupos de insectos capaces de comer algodoncillo y plantas tóxicas relacionadas, incluidas las polillas, escarabajos, avispas, moscas, pulgones, un gorgojo y un verdadero insecto, la mayoría de los cuales tienen el color naranja para advertir a los depredadores- Mutaciones evolucionadas independientemente en una, dos o tres de las mismas posiciones de aminoácidos para superar, en diversos grados, los efectos tóxicos de estos venenos vegetales.
De hecho, su equipo reconstruyó la una, dos o tres mutaciones que condujeron a cada uno de los cuatro linajes de mariposas y polillas, cada mutación confirió cierta resistencia a la toxina. Las tres mutaciones fueron necesarias para hacer de la mariposa monarca el rey del algodoncillo.
Sin embargo, la resistencia a la toxina del algodoncillo tiene un costo. Las moscas monarca no se recuperan tan rápido de las molestias, como ser sacudidas, una prueba conocida como sensibilidad de "explosión".
"Esto muestra que hay un costo para las mutaciones, en términos de recuperación del sistema nervioso y probablemente otras cosas que no sabemos", dijo Whiteman. "Pero el beneficio de poder escapar de un depredador es tan alto... si es la muerte o las toxinas, las toxinas ganarán, incluso si hay un costo "
planta versus insecto
Whiteman está interesado en la batalla evolutiva entre plantas y parásitos y estaba intrigado por las adaptaciones evolutivas que le permitieron al monarca vencer la defensa tóxica del algodoncillo. También quería saber si otros insectos son resistentes, aunque todos menos resistentes que losmonarca: utiliza trucos similares para desactivar la toxina.
"Desde que las plantas y los animales invadieron la tierra por primera vez hace 400 millones de años, se cree que esta carrera armamentista coevolutiva ha dado lugar a gran parte de la diversidad de plantas y animales que vemos, porque la mayoría de los animales son insectos y la mayoría de los insectos son herbívoros:comen plantas ", dijo.
El algodoncillo y una variedad de otras plantas, incluida la dedalera, la fuente de digitoxina y digoxina, contienen toxinas relacionadas, llamadas glucósidos cardíacos, que pueden matar a un elefante y a cualquier criatura con un corazón que late. El efecto de la dedalera en el corazón es elrazón por la cual un extracto de la planta, en el género Digitalis, se ha usado durante siglos para tratar afecciones cardíacas, y por qué la digoxina y la digitoxina se usan hoy en día para tratar la insuficiencia cardíaca congestiva.
La amargura de estas plantas por sí sola es suficiente para disuadir a la mayoría de los animales, pero una pequeña minoría de insectos, incluido el monarca Danaus plexippus y su pariente, la mariposa reina Danaus gilippus , he aprendido a amar el algodoncillo y a usarlo para repeler a los depredadores.
Whiteman señaló que el monarca es un linaje tropical que invadió América del Norte después de la última edad de hielo, en parte gracias a las tres mutaciones que le permitieron comer una planta venenosa que otros animales no pudieron, lo que le da una ventaja de supervivencia y una defensa naturalcontra los depredadores.
"El monarca resiste a la toxina el mejor de todos los insectos, y tiene el mayor tamaño de población que cualquiera de ellos; está en todo el mundo", dijo.
El nuevo artículo revela que las mutaciones tuvieron que ocurrir en la secuencia correcta, o de lo contrario las moscas nunca habrían sobrevivido a los tres eventos mutacionales separados.
frustrando la bomba de sodio
Los venenos en estas plantas, la mayoría de ellos un tipo de cardenolida, interfieren con la bomba de sodio / potasio Na + / K + -ATPase que la mayoría de las células del cuerpo usan para sacar los iones de sodio y los iones de potasio. La bomba creaun desequilibrio de iones que la célula utiliza a su favor. Las células nerviosas, por ejemplo, transmiten señales a lo largo de sus cuerpos celulares alargados, o axones, al abrir las puertas de sodio y potasio en una onda que se mueve hacia abajo del axón, permitiendo que los iones fluyan hacia adentro y hacia afuerapara equilibrar el desequilibrio. Después de que pasa la onda, la bomba de sodio restablece el desequilibrio iónico.
La digitoxina, de la dedalera y la ouabaína, la toxina principal en el algodoncillo, bloquean la bomba y evitan que la célula establezca el gradiente de sodio / potasio. Esto arroja la concentración de iones en la célula fuera de control, causando todo tipo de problemas. Enanimales con corazones, como pájaros y humanos, las células del corazón comienzan a latir con tanta fuerza que el corazón falla; el resultado es la muerte por paro cardíaco.
Los científicos han sabido durante décadas cómo estas toxinas interactúan con la bomba de sodio: se unen a la parte de la proteína de la bomba que sobresale a través de la membrana celular, obstruyendo el canal. Incluso han identificado dos cambios de aminoácidos específicos o mutaciones en elbomba de proteínas que los monarcas y los otros insectos evolucionaron para evitar que la toxina se una.
Pero Whiteman y sus colegas no estaban satisfechos con esta explicación: los insectos desarrollaron casualmente las mismas dos mutaciones idénticas en la bomba de sodio 14 veces separadas, final de la historia. Con el advenimiento de la edición del gen CRISPR-Cas9 en 2012,coinventado por Jennifer Doudna de UC Berkeley, Whiteman y sus colegas Anurag Agrawal de la Universidad de Cornell y Susanne Dobler de la Universidad de Hamburgo en Alemania solicitaron una beca a la Fundación Templeton para recrear estas mutaciones en las moscas de la fruta y ver si podían hacer que las moscas fueran inmunesa los efectos tóxicos de los cardenólidos.
Siete años, muchos intentos fallidos y una nueva subvención de los Institutos Nacionales de Salud más tarde, junto con el trabajo dedicado CRISPR de GenetiVision de Houston, Texas, finalmente lograron su objetivo. En el proceso, descubrieron un tercer factor crítico y compensatorioLa mutación en la bomba de sodio que tenía que ocurrir antes de que la última y más potente mutación de resistencia se mantuviera. Sin esta mutación compensatoria, los gusanos murieron.
Su trabajo de detective requirió insertar mutaciones simples, dobles y triples en el gen de la bomba de sodio de la mosca de la fruta, en varios órdenes, para evaluar cuáles eran necesarias. Los insectos que tenían solo uno de los dos cambios de aminoácidos conocidos en el gen de la bomba de sodio fueronmejor para resistir los venenos de las plantas, pero también tuvieron efectos secundarios graves problemas del sistema nervioso, lo que es consistente con el hecho de que las mutaciones de la bomba de sodio en los humanos a menudo se asocian con convulsiones. Sin embargo, la tercera mutación compensatoria de alguna manera reduce los efectos negativos delas otras dos mutaciones
"Una sustitución que evolucionó confiere resistencia débil, pero siempre está presente y permite las sustituciones que conferirán la mayor resistencia", dijo la becaria posdoctoral Marianna Karageorgi, genetista y bióloga evolutiva. "Esta sustitución en el insecto desbloquea elsustituciones de resistencia, reduciendo los costos neurológicos de la resistencia. Debido a que este rasgo ha evolucionado tantas veces, también hemos demostrado que esto no es aleatorio ".
El hecho de que se requiera una mutación compensatoria antes de que los insectos con la mutación más resistente puedan sobrevivir puso una restricción sobre cómo los insectos podrían desarrollar resistencia a las toxinas, explicando por qué los 21 linajes convergieron en la misma solución, dijo Whiteman. En otras situaciones, comodonde la proteína involucrada no es tan crítica para la supervivencia, los animales pueden encontrar diferentes soluciones.
"Esto ayuda a responder la pregunta, '¿Por qué la convergencia evoluciona algunas veces, pero no otras veces?'", Dijo Whiteman. "Tal vez las restricciones varían. Esa es una respuesta simple, pero si lo piensas, estas tres mutaciones convirtieron a Drosophilaproteína en una monarca, con respecto a la resistencia a los cardenólidos. Eso es algo notable "
La investigación fue financiada por la Fundación Templeton y los Institutos Nacionales de Salud. Los coautores con Whiteman y Agrawal son los primeros autores Marianthi Karageorgi de UC Berkeley y Simon Groen, ahora en la Universidad de Nueva York; Fidan Sumbul y Felix Rico deAix-Marseille Université en Francia; Julianne Pelaez, Kirsten Verster, Jessica Aguilar, Susan Bernstein, Teruyuki Matsunaga y Michael Astourian de UC Berkeley; Amy Hastings de Cornell; y Susanne Dobler de Universität Hamburg en Alemania.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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