Sex and Tetrahymena. Vive la différence!

Aviso, en esta entrada se muestran imágenes de sexo explícito como la de arriba (origen: Invitrogen).

Tetrahymena thermophila es un viejo conocido de los estudiantes de Biología ya que es un "protozoo-modelo" pues desde hace 50 años se usa como ejemplo para estudiar diversos procesos biológicos y entre ellos el ciclo sexual de estos seres unicelulares. También es famoso porque fue el organismo donde se descubrió la función de los telómeros (y que resultó en un premio Nóbel). En condiciones óptimasT. thermophila se reproduce de manera asexual, pero si las condiciones se ponen difíciles (disminución de nutrientes, cambios ambientales, etc), necesita encontrar a una pareja de sexo distinto para establecer relaciones íntimas y crear descendencia.

Sexo en Tetrahymena thermophila. Este protozoo posee dos núcleos. El núcleo somático y el núcleo germinal. En el esquema se muestra el apareamiento (1) entre una Tetrahymena de tipo sexual II y otra de tipo sexual VI inducido por condiciones de hambruna (starvation). Cuando los dos protozoos se aparean lo que hacen es fusionar los núcleos germinales haploides para formar un "núcleo de fertilización" diploide (2). Este núcleo de fertilización llevará a cabo dos rondas de mitosis, dando lugar a cuatro nucleos diploides idénticos, que se diferenciaran en dos núcleos somáticos poliploides y dos núcleos germinales diploides. Antes de la separación de los conjugantes, el núcleo parental somático y uno de los núcleos germinales será degradado. Cuando los conjugantes se separen(3) cada núcleo somático diferenciado tendrá entre 8 a 16 copias de cada cromosoma. El sexo será determinado al azar entre las siete opciones posibles. Cuando se restauran unas condiciones en las que no hay escasez de nutrientes (4) las células entran en fase vegetativa y se reproducen asexualmente (5). Origen de la imagen: Cervantes et al. Sup Mat.

El lector habrá notado que hablo de "sexo distinto" en lugar de "sexo opuesto". Y eso es debido a que una de las propiedades más fascinantes de este protozoo es que tiene siete sexos (o tipos sexuales). Sí, sí, han leído bien: SIETE. Y se denominan usando los números romanos (I al VII).

Al microscopio T. thermophila no presenta dimorfismo sexual. No hay diferencias de forma o de aspecto entre un sexo y los otros. Por lo que la pregunta es obvia ¿cómo se distinguen entre sí? Pues por diferencias químicas en la superficie celular. Cuando una Tetrahymena se encuentra con otra se dan un “achuchón” a nivel molecular para ver si son del mismo sexo. En su membrana hay un par de proteínas que indican el tipo sexual. Si las moléculas de superficie son las mismas eso indica que ambos protozoos son del mismo sexo y cada uno se va por el otro lado (no, no hay Tetrahymenas homosexuales). Si las moléculas de superficie son distintas, pues la relación sigue adelante y al final acaban intercambiando núcleos germinales y teniendo protozooitos. Lo curioso es que los descendientes no tienen porqué tener el sexo de sus "papás", sino que pueden tener otro completamente distinto.

¿Y qué determina el tipo sexual? Esa es la respuesta que han encontrado los investigadores de la Universidad de California Santa Bárbara, el Instituto de Hidrobiología de la Academia China de Ciencias y el Instituto J. Craig Venter. Resulta que la determinación del tipo sexual en T. thermophila viene definido por unos genes que se localizan en el llamado locus mat (por el inglés matting que significa apareamiento). Pero, como muchos otros ciliados, Tetrahymena tiene dos núcleos: el somático y el germinal. El somático presenta poliploidia y es el responsable de la transcripción de todos los genes que el microorganismo necesita para sobrevivir de forma habitual. El núcleo germinal en cambio es diploide y se mantiene en reposo, hasta que llega el momento de aparearse. Eso quiere decir que debe de haber un locus mat en el núcleo somático y otro en el núcleo germinal.

El núcleo somático contiene en el locus mat un par de genes ordenados "cabeza con cabeza". Cada uno de esos genes codifica para una proteína que contiene un dominio transmembranal, conservado en todos los sexos, y un segmento específico que determina el "tipo sexual". Estas proteínas son las que permiten el reconocimiento de protozoos del mismo sexo o de sexos distintos. Si es del mismo sexo entonces no hay apareamiento. Cuando se mira el genoma del núcleo germinal lo que se encuentra en el locus mat es algo muy distinto. No hay un par de genes, sino un agrupamiento incompleto de pares de genes que representan cada uno de los potenciales “tipos sexuales”. Es decir, en el núcleo somático está determinado el sexo del protozoo, pero en el núcleo germinal está la información para los siete sexos.

En la parte superior se muestra la estructura del locus mat del núcleo germinal de Tetrahymena con los seis pares incompletos. En la parte central se muestra una reordenación presente en el núcleo somático que determina que el tipo sexual del protozoo. La parte inferior muestra con más detalle la estructura del par de genes activos ordenados “cabeza con cabeza”. Las líneas negras finas son los intrones, mientras que los exones están representados por líneas gruesas azules. En el extremo C.terminal se encuentra codificado el segmento transmembrana, Origen de la imagen Cervantes et al.

Cuando este protozoo se aparea con otro protozoo de un tipo sexual distinto, lo primero que ocurre es que se destruye el núcleo vegetativo de ambos paternaires y los dos núcleos germinales se fusionan, creándose un zigoto. Fijémonos que al no haber núcleos vegetativos, ya no hay “tipo sexual” de ningún tipo. Pero como se crea un nuevo núcleo vegetativo a partir del núcleo germinal, es en ese momento cuando se determina el tipo sexual de una manera completamente estocástica. Es decir, las nuevas T. thermophila pueden tener cualquiera de los siete sexos, independientemente del sexo del "papá" y la "mamá"

Los investigadores han mapeado genéticamente el locus que determina el tipo sexual. Posteriormente, han usado la secuencia genómica del DNA del núcleo germinal para identificar qué había en ese locus. Se han encontrado con que cada sexo contiene un conjunto (array) de seis parejas incompletas de genes en su núcleo germinal. En el proceso de determinación del tipo sexual, un nuevo par de genes se ensambla y reorganiza durante la formación del núcleo somático. Los genes incompletos de un par se completan al unirse mediante un proceso de recombinación a los segmentos génicos al final del ordenamiento germinal. El resto de pares incompletos son delecionados, asegurando que sólo permanece un par completo en el locus mat núcleo somático que determinará el sexo. Mientras en el núcleo germinal, el agrupamiento con los seis pares incompletos permanece, por lo que se conserva la potencialidad de tener siete tipos sexuales en una futura descendencia.

Representación esquemática del proceso de recombinación que tiene lugar en el núcleo somático de Tetrahymena y que da lugar a una par funcional que determinara el sexo del protozoo. En dicho proceso se van perdiendo el resto de pares incompletos, con lo que se asegura que sólo haya un tipo sexual. Origen de la imagen Cervantes et al.

Aunque la formación de la pareja funcional de genes es al azar, la recombinación génica que se necesita para formar esa pareja funcional es un proceso muy conservado, preciso y exquisitamente programado. ¿Qué utilidad puede tener esto para los seres humanos? Los reordenamientos y recombinaciones del DNA también se dan en nuestras células y parecen estar involucrados en los fenómenos de "alo-reconocimiento" –la habilidad de que un organismo reconozca sus propios tejidos- por lo que podría ser muy útil en la comprensión del desarrollo de tumores cancerosos.

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Biología, edición Micro-BioCarnaval (aunque fuera de concurso) que se aloja en el blog Micro Gaia.

Cervantes, M., Hamilton, E., Xiong, J., Lawson, M., Yuan, D., Hadjithomas, M., Miao, W., & Orias, E. (2013). Selecting One of Several Mating Types through Gene Segment Joining and Deletion in Tetrahymena thermophila PLoS Biology, 11 (3) DOI: 10.1371/journal.pbio.1001518