Mecanismos genéticos de d eterminação do sexo em insetos

1. Mecanismos genéticos de determinação do sexo em insetos Alexandre dos Santos Cristino alexsc@ime.usp.br Instituto de Matemática e Estatística -USP Programa de Pós-graduação em Bioinformática http://www.ime.usp.br/~alexsc São Carlos 2003

2. Reprodução Biológica Assexuada - não há reorganização de genes; Sexuada - há reorganização de genes de dois indivíduos; Chlamydomonas

3. O custo da reprodução sexuada é mais alto que na reprodução assexuada (redução de 50% fitness).

4. Porque a reprodução sexuada é tão comum? - permite maior taxa de evolução, sob certas condições.

5. 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

6. 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.

7. 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.

8. Aspectos genético-moleculares da determinação do sexo O MDS é regulado por um importante sistema de processamento genético pós-transcricional, 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.

9. 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.

10. 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.

11. Splicing alternativo na determinação do sexo em Drosophila.

12. 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).

13. 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.

14. Um loco multialélico Multiloco multialélico A1A2 B1B2 A1A1 B1B2 A1 A1 A2 A1 A1 A1 B1 A1A1 B1B1 Macho Fêmea Macho Macho Fêmea Macho Balanço gênico Imprinting genômico Macho (n) m=M; f=F M>F Fêmea (2n) m´m=M; f´f=2F 2F>M

15. Heteropolímeros Fêmea Hipótese para o sistema um loco multialélico Alguns Himenópteros utilizam um mecanismo de complementação intragênica para determinar o sexo (CSD). 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.

16. 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).

17. 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.

18. + Expressão constitutiva de genes X e autossômicos Produto gênico maternal (ovo) Sinais primários poligênicos = Estudos recentes com equações diferenciais ordinárias e MDS de Drosophila. O MDS apresenta um interessante paradigma para o sistema genético regulatório que toma decisões com base nas diferenças quantitativas na concentração de moléculas sinalizadoras.

19. A1 A1A2 A1A1 Sinais primários (polímeros) DSXM DSXF DSXM Macho Macho ~ Fêmea LOCO SEXUAL = TRANSFORMER Hipótese de MDS em Apis mellifera Apis mellifera MDS um loco multialélico Drosophila melanogaster

20. “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.”

21. 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)