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Incompatibilidad citoplasmática

La incompatibilidad citoplasmática ( IC ) es una incompatibilidad de apareamiento reportada en muchas especies de artrópodos que es causada por parásitos intracelulares como Wolbachia . Estas bacterias residen en el citoplasma de las células huésped (de ahí el nombre de incompatibilidad citoplasmática ) y modifican el esperma de sus huéspedes de una manera que conduce a la muerte del embrión a menos que esta modificación sea "rescatada" por la misma bacteria en los huevos . La IC se ha reportado en muchas especies de insectos (incluyendo entre muchos otros mosquitos , [1] moscas de la fruta Drosophila , [2] [3] escarabajos de la harina , [4] polillas del hocico [5] y avispas parasitoides [6] ), así como en ácaros [7] y cochinillas . [8] Aparte de Wolbachia , la IC puede ser inducida por las bacterias Cardinium , [9] Rickettsiella , [10] Candidatus Mesenet longicola [11] [12] y Spiroplasma . [13] Actualmente, la CI se está utilizando como mecanismo de control de enfermedades mediadas por Wolbachia en mosquitos. [14]

Historia

La CI se informó por primera vez en mosquitos en la década de 1930 [15] y luego se estudió ampliamente en la década de 1950 por Sabbas Ghelelovitch [16] y especialmente Hannes Laven [1] . Laven aparentemente también fue el primero en reconocer el potencial de especiación inducida por CI [17] y el control de la población. [18] El primer modelo matemático que descubrió los principios biológicos poblacionales de la CI se presentó en 1959. [19] En 1971, Janice Yen y A. Ralph Barr demostraron la relación etiológica entre la infección por Wolbachia y la incompatibilidad citoplasmática en mosquitos Culex cuando encontraron que los huevos morían cuando el esperma de los machos infectados con Wolbachia fertilizaba huevos libres de infección. [20] El descubrimiento de que Wolbachia es muy común y está ampliamente distribuida entre los artrópodos [21] [22] condujo a un aumento en la investigación sobre la CI en las décadas de 1990 y 2000. Varios estudios de referencia en la década de 2010 [23] [24] [25] allanaron el camino para utilizar Wolbachia inductora de CI para controlar la supresión de enfermedades como el dengue en mosquitos. [26] [14]

Síntomas

CI unidireccional: el apareamiento de machos infectados y hembras no infectadas da como resultado CI. Todos los demás cruces son compatibles.
CI bidireccional: el apareamiento de machos infectados con la cepa I de Wolbachia y hembras infectadas con la cepa II de Wolbachia (y viceversa) da como resultado CI.

La CI ocurre cuando un macho infectado con Wolbachia se aparea con una hembra que está infectada por otra cepa de Wolbachia (CI bidireccional) o no está infectada (CI unidireccional). Cualquier otra combinación de cruces de macho/hembra no infectados o infectados son compatibles. Una hembra infectada es compatible con cualquier macho no infectado o con cualquier macho infectado con la misma cepa de Wolbachia . Por otro lado, una hembra no infectada solo es compatible con un macho no infectado. En otras palabras, si el macho está infectado por una cepa de Wolbachia inductora de CI que no existe en su pareja, es un cruce incompatible. [27] Turelli et al. 2018 descubre que la CI se puede resolver mediante la infección de las hembras con la misma cepa que afecta a los machos, lo que impone un incentivo a nivel de población a favor de las cepas de Wolbachia inductoras de CI . También descubren que esto propaga el fago WO. [28] Los huéspedes pueden curarse de la infección por Wolbachia mediante el uso de antibióticos.

En organismos diploides , la CI conduce a la mortalidad embrionaria. Por el contrario, la CI en huéspedes haplodiploides también puede manifestarse como mortalidad embrionaria, pero también puede en algunas especies conducir a crías haploides que luego se convierten en machos. Las especies estrechamente relacionadas de la avispa Nasonia muestran mortalidad embrionaria, así como desarrollo masculino entre cruces incompatibles. En N. vitripennis , sin embargo, la gran mayoría de los embriones con CI se convierten en machos. [29]

Mecanismo celular

Existen dos eventos diferenciados que conducen a la manipulación inductora de la CI. El primero ocurre dentro del macho infectado con Wolbachia durante la espermatogénesis y se denomina modificación. Debido a que las Wolbachia están ausentes de los espermatozoides maduros y parecen ser excluidas durante el proceso de individualización, la modificación debe ocurrir antes de la conclusión de la espermatogénesis. [30] El segundo evento, llamado rescate, tiene lugar dentro del óvulo fertilizado donde la presencia de Wolbachia impide que se produzca la CI. Mientras las cepas de Wolbachia en los óvulos y los espermatozoides se correspondan, no se pueden observar efectos nocivos a nivel celular.

Una consecuencia importante de la IC es la entrada tardía en mitosis del pronúcleo masculino . Como consecuencia secundaria, derivada de esta asincronía, los cromosomas paternos no se condensan y alinean adecuadamente en la placa metafásica durante la primera mitosis . Como consecuencia, solo el cromosoma materno se segrega normalmente, produciendo embriones haploides. [31] El rescate de la IC por los óvulos infectados conduce a la restauración de la sincronía entre el pronúcleo femenino y el masculino. [31] [32]

Se desconocen los mecanismos exactos de cómo Wolbachia realiza la modificación y el rescate. En Drosophila , los primeros efectos causados ​​por la CI ya se pueden observar durante la remodelación de la cromatina de los espermatozoides de los cromosomas paternos. [33] Sin embargo, también se observó que en otras especies hospedadoras, los defectos causados ​​por la CI solo ocurren mucho más tarde en el desarrollo. [34]

Biología de poblaciones

La CI es un fenotipo manipulativo que puede llevar a la rápida propagación de las bacterias que la inducen. La CI da como resultado la muerte de las crías no infectadas y, por lo tanto, las crías infectadas se benefician de una menor competencia dentro de la población. Cuando las bacterias que inducen la CI son raras en la población, habrá solo unos pocos apareamientos incompatibles y la selección (o impulso) hacia frecuencias más altas solo será débil. Sin embargo, cuanto más comunes se vuelvan las bacterias, más fuerte será la selección y, por lo tanto, más rápida será su propagación a través de la población ( selección positiva dependiente de la frecuencia ). Por lo tanto, sin impedimentos, las bacterias pueden alcanzar rápidamente frecuencias de infección del 100 %. [19]

Sin embargo, una serie de factores empíricamente bien documentados pueden ralentizar o incluso prevenir la propagación de los agentes inductores de IC. [35] Estos incluyen la transmisión materna imperfecta, la aptitud reducida de los individuos infectados o la IC incompleta. Cuando la transmisión materna es incompleta y/o las hembras infectadas tienen una aptitud reducida, surge un "umbral de infección" de modo que las bacterias se propagan a partir de una frecuencia inicial por encima de este umbral, pero se extinguen cuando su frecuencia inicial es inferior al umbral. [36] El umbral de invasión puede superarse mediante una deriva genética aleatoria y, por lo tanto, facilitarse por tamaños de población pequeños (al menos localmente). [35]

Se han explorado escenarios más complejos que el de una simple población huésped mediante modelos matemáticos, incluidos modelos con más de una cepa o especie de bacteria heredada materna, [37] poblaciones huésped estructuradas, [38] deriva genética aleatoria [39] y generaciones superpuestas. [40]

Implicaciones evolutivas

La CI, como describe Werren, [27] produce una presión selectiva sobre los machos no infectados, ya que las hembras infectadas pueden aparearse tanto con machos no infectados como con machos infectados, pero las hembras no infectadas no pueden aparearse con machos infectados. Como la Wolbachia solo se transmite por hembras, este mecanismo promueve la propagación de la Wolbachia y, por lo tanto, evita que la Wolbachia se extinga debido a una transmisión incompleta. Esto ha llevado a descubrimientos en el control de la transmisión de enfermedades mediante el uso de Wolbachia para controlar la reproducción de una población mediante la introducción de machos infectados con Wolbachia . [41] Esto se ha visto en la familia Aedes, mosquito, en las especies Aedes albopictus y Aedes aegypti .

Especiación

Se especula que la CI puede conducir a una " especiación rápida ". [27] Cuando dos poblaciones de la misma especie son infectadas por dos cepas de Wolbachia A y B, pueden ser incompatibles bidireccionalmente y los cruces entre las dos poblaciones no conducen a una descendencia viable. Por lo tanto, el flujo genético entre estas dos poblaciones se interrumpe, lo que conduce a una segregación constante en el desarrollo y, finalmente, a la especiación. Las poblaciones se desarrollan hasta un punto en el que la incompatibilidad se mantendría incluso en ausencia de Wolbachia .

Véase también

Referencias

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