Entender cómo los genes influyen en los rasgos observables (fenotipos) es una cuestión fundamental en biología. Si bien hemos identificado muchos genes vinculados a características específicas, descifrar los mecanismos moleculares precisos que conectan el genotipo (composición genética) con el fenotipo sigue siendo un desafío importante, especialmente para rasgos complejos como las historias de vida.
Un estudio realizado en la Universidad de Helsinki muestra cómo un único gen del salmón del Atlántico (Salmo salar) puede influir de forma drástica en el momento de la pubertad, un factor clave para el ciclo de vida y la supervivencia del salmón. Los investigadores descubrieron que el gen, conocido como vgll3, actúa como un regulador maestro que controla miles de otros genes involucrados en varios aspectos de la maduración sexual del salmón
El desafío de vincular el genotipo con el fenotipo
Conectar el genotipo con el fenotipo es particularmente complejo para los rasgos influenciados por múltiples genes y factores ambientales. Los rasgos de la historia de vida, como la edad de madurez sexual, son excelentes ejemplos. Estos rasgos a menudo implican cambios coordinados en varios procesos fisiológicos, lo que dificulta identificar los mecanismos moleculares específicos en juego. Esta brecha de conocimiento dificulta nuestra comprensión de las fuerzas evolutivas que dan forma a estos rasgos.
Un gen clave en el salmón del Atlántico: el gen vestigial-like 3 (vgll3)
En el salmón del Atlántico (Salmo salar), un rasgo clave de su ciclo vital, la edad en la que alcanzan la madurez sexual, está fuertemente asociada con un gen llamado gen vestigial-like 3 (vgll3). Este gen codifica un cofactor de transcripción, una proteína que interactúa con otras proteínas para regular la expresión génica. Si bien la asociación genética es relativamente simple, la forma en que vgll3 influye en la edad de maduración es sorprendentemente compleja.
«Imaginemos que un único interruptor determina si la pubertad comienza a los 13 o 20 años en los humanos. Vgll3 desempeña un papel similar en el salmón, influyendo en rasgos como el momento en que las células reproductivas comienzan a desarrollarse, los patrones de crecimiento y los cambios de comportamiento. Nuestros resultados explican cómo la variación genética en un único gen puede tener efectos tan dramáticos en rasgos muy complejos y multifacéticos como la pubertad o la edad de maduración», explica el profesor asociado Jukka-Pekka Verta, ahora en la Universidad Nord, Noruega, quien realizó este estudio como parte de su investigación postdoctoral en la Universidad de Helsinki.
Descifrando el mecanismo molecular: un enfoque multiómico
Los investigadores utilizaron un enfoque multiómico, combinando genómica, transcriptómica (análisis de expresión génica) y proteómica (análisis de proteínas), para investigar cómo el genotipo vgll3 afecta la edad de maduración en los testículos del salmón. Descubrieron que los diferentes genotipos de vgll3 conducen a cambios moleculares distintos que, en última instancia, influyen en el momento de la pubertad.
El estudio reveló que el genotipo vgll3 asociado con la madurez temprana regula positivamente (aumenta la actividad de) varias vías genéticas clave:
- Producción de andrógenos: los andrógenos son hormonas cruciales para el desarrollo y la maduración sexual masculina. El aumento de la producción de andrógenos acelera el inicio de la pubertad.
- Energía celular y adiposidad: estas vías están vinculadas a los procesos metabólicos y al almacenamiento de energía, que son esenciales para satisfacer las demandas energéticas de la maduración sexual.
- Señalización de TGF-β: esta vía de señalización desempeña un papel en varios procesos celulares, incluido el crecimiento, la diferenciación y el desarrollo celular, y también está implicada en el inicio de la pubertad.
Este descubrimiento no solo explica cómo evolucionan y varían los rasgos complejos como el inicio de la pubertad, sino que también destaca un proceso llamado «pleiotropía», en el que un gen afecta a múltiples características, como el director de una orquesta.
Interacciones dependientes del genotipo con factores de transcripción
Investigaciones posteriores revelaron que VGLL3 interactúa con diferentes factores de transcripción que se unen al ADN según el genotipo. Esta interacción dependiente del genotipo permite que VGLL3 coordine la activación diferencial de varias vías reguladoras, lo que conduce a las diferencias observadas en la edad de maduración. En términos más simples, las diferentes versiones del gen vgll3 interactúan con otras proteínas reguladoras de diferentes maneras, lo que hace que se activen o desactiven diferentes conjuntos de genes.
Implicaciones para la evolución y los rasgos complejos
Este estudio proporciona información crítica sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la evolución de los rasgos complejos. Demuestra cómo un solo gen con una base genética relativamente simple puede tener efectos de largo alcance al influir en múltiples vías moleculares interconectadas. Este mecanismo explica cómo un solo gen puede mediar en la evolución de caracteres complejos como las historias de vida alternativas.
Los hallazgos resaltan la importancia de comprender las funciones moleculares de los genes para comprender plenamente el vínculo entre el genotipo y el fenotipo. Al descubrir los intrincados mecanismos reguladores controlados por vgll3, esta investigación proporciona una comprensión más profunda de los procesos evolutivos que dan forma a las estrategias de la historia de vida del salmón del Atlántico y, potencialmente, también de otras especies.
Finalmente, la investigación enfatiza que incluso las asociaciones genéticas aparentemente simples pueden tener fundamentos moleculares complejos, impulsando la evolución de rasgos complejos y ecológicamente relevantes.
Contacto
Jukka-Pekka Verta
Associate Professor, Nord University
Email: jukka-pekka.verta@nord.no
Craig Primmer
Professor, Faculty of Biological and Environmental Sciences and Institute for Biotechnology (HiLIFE), University of Helsinki
Email: craig.primmer@helsinki.fi
Referencia (acceso abierto)
Verta, J., E., J., Donner, I., Frapin, M., Ruokolainen, A., Debes, P. V., Erkinaro, J., & Primmer, C. R. (2024). A complex mechanism translating variation of a simple genetic architecture into alternative life histories. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(48), e2402386121. https://doi.org/10.1073/pnas.2402386121
