Los genes limitados por el sexo son genes que están presentes en ambos sexos de especies que se reproducen sexualmente , pero se expresan solo en un sexo y no tienen penetrancia , o simplemente están "desactivados" en el otro. [1] En otras palabras, los genes limitados por el sexo hacen que los dos sexos muestren rasgos o fenotipos diferentes , a pesar de tener el mismo genotipo . Este término está restringido a los rasgos autosómicos y no debe confundirse con las características ligadas al sexo , que tienen que ver con las diferencias genéticas en los cromosomas sexuales (ver sistema de determinación sexual ). Los genes limitados por el sexo también se distinguen de los genes influenciados por el sexo, donde el mismo gen mostrará una expresión diferencial en cada sexo. Los genes influenciados por el sexo comúnmente muestran una relación dominante/recesiva, donde el mismo gen tendrá un efecto dominante en un sexo y un efecto recesivo en el otro (por ejemplo, calvicie de patrón masculino ). Sin embargo, los fenotipos resultantes causados por genes limitados por el sexo están presentes en un solo sexo y pueden observarse de manera prominente en varias especies que típicamente muestran un alto dimorfismo sexual . [2]
Los genes limitados por el sexo son responsables del dimorfismo sexual , que es una diferencia fenotípica (directamente observable) entre machos y hembras de la misma especie independientemente del genotipo . [3] Estas diferencias pueden reflejarse en el tamaño, el color, el comportamiento (p. ej., los niveles de agresión) y la morfología . Un ejemplo de genes limitados por el sexo son los genes que controlan el desarrollo de los cuernos en las ovejas: [4] aunque tanto los machos como las hembras poseen los mismos genes que controlan el desarrollo de los cuernos, solo se expresan en los machos. Los genes limitados por el sexo también son responsables de la incapacidad de algunos escarabajos hembras de desarrollar mandíbulas exageradas, [5] investigación que se analiza en detalle más adelante en este artículo.
Los genes limitados por el sexo fueron planteados por primera vez por Charles Darwin y, aunque no tuvo éxito en distinguir los rasgos ligados al sexo mencionados anteriormente , su hipótesis fue el punto de partida para futuros estudios sobre el tema. [6] Sus estudios sobre los rasgos limitados por el sexo se han corroborado y respaldado con el tiempo, distinguiendo los genes limitados por el sexo y los rasgos ligados al sexo . El estudio moderno de los genes limitados por el sexo incluye la investigación sobre la epigenética , que es el estudio de los cambios fenotípicos hereditarios sin cambios en la secuencia de ADN. La investigación moderna sugiere que una parte sustancial de la expresión de los genes limitados por el sexo y el dimorfismo sexual pueden estar influenciados por ciertas marcas epigenéticas . [7]
El propósito de los genes limitados por el sexo es resolver el conflicto sexual . Estos genes intentan resolver el "tira y afloja" entre machos y hembras sobre los valores de los rasgos para el fenotipo óptimo. Sin estos genes, los organismos se verían obligados a establecerse en un valor de rasgo promedio, lo que incurriría en costos para ambos sexos. Con estos genes, es posible "desactivar" los genes de un sexo, lo que permite que ambos sexos alcancen (o al menos, se acerquen mucho) a sus fenotipos óptimos. Esta variación fenotípica puede desempeñar un papel clave en la evolución de varias especies y su diferenciación sexual . [3]
La idea de los genes limitados por el sexo fue desarrollada inicialmente por Charles Darwin en 1871 en su libro El origen del hombre y la selección en relación con el sexo. [6] No distinguió entre genes limitados por el sexo, ligados al sexo e influidos por el sexo, sino que se refirió a cualquier gen que se exprese de manera diferente entre sexos como limitado por el sexo. Thomas Hunt Morgan , consciente de esta terminología confusa, publicó un artículo en The American Naturalist en 1914 titulado "Herencia ligada al sexo y limitada por el sexo", que proponía definiciones de genes ligados al sexo y genes limitados por el sexo (como se define en la introducción anterior). [8] El artículo de Morgan fue seguido por varios otros que involucraban genes limitados por el sexo y su expresión como rasgos. Uno de los ejemplos más notables es "La herencia del color blanco de las alas, una variación limitada por el sexo (controlada por el sexo) en las mariposas pieridas amarillas", de John H. Gerould, publicado en Genetics en 1923 (y ligeramente editado en 1924). [9] Gerould observó las diferencias fenotípicas entre las mariposas pieridas macho y hembra y determinó que la coloración era un rasgo limitado por el sexo.
Los notables avances en las primeras etapas del desarrollo de los genes limitados por el sexo hacen que sea necesario un breve análisis de RA Fisher . Considerado comúnmente como uno de los biólogos evolucionistas más importantes de su tiempo, Fisher también fue un talentoso genetista. Su libro The Genetical Theory of Natural Selection (La teoría genética de la selección natural) , publicado en 1930, más de 20 años antes de que se descubriera la forma de doble hélice del ADN, fue el primer intento de explicar las teorías de Darwin dentro de los fundamentos de la genética . [10] El capítulo 6 de este libro se titula "Reproducción sexual y selección sexual" e incluye una interpretación genética de la idea inicial de Darwin de los genes limitados por el sexo. Después de estos trabajos innovadores, se siguen publicando artículos que exploran más a fondo las causas, los mecanismos, las ventajas evolutivas y más de los genes limitados por el sexo.
El estudio genético del dimorfismo sexual, publicado en Evolution , plantea la hipótesis de dos métodos que conducen a diferentes características ornamentales en pájaros machos y hembras. [11] Los alelos (diferentes versiones del mismo gen) responsables del dimorfismo sexual pueden limitarse a la expresión en un solo sexo cuando aparecen por primera vez, o los alelos podrían comenzar a expresarse en ambos sexos y luego modificarse (reprimirse o promoverse) en un sexo por genes modificadores o elementos reguladores. El concepto de este estudio fue examinar híbridos femeninos de especies donde los machos mostraban diferentes tipos de rasgos ornamentales (plumas alargadas, barbillas, manchas de color). La suposición es que diferentes hipótesis sobre la expresión específica de los machos producirán resultados diferentes en los híbridos femeninos. Los métodos y materiales del experimento se discuten en detalle en el artículo, pero el resultado importante que surgió fue que NINGÚN híbrido femenino expresó ninguno de los rasgos ornamentales encontrados en los machos parentales. Dos interpretaciones de estos resultados son posibles: los alelos dimórficos se expresaron inicialmente sólo en machos, o los alelos se expresaron inicialmente en ambos y luego se suprimieron en las hembras o se limitaron a los machos por regiones reguladoras que son completamente dominantes en los híbridos. La explicación genómica más probable para la expresión inicial en ambas especies y luego la modificación es la participación de la dominancia cis , donde los factores que modifican el gen se encuentran junto al gen en el cromosoma . (Esto es en contraste con la dominancia trans , donde se producen productos móviles que pueden afectar a genes distantes). Estos factores pueden estar en forma de regiones promotoras , que pueden ser suprimidas o activadas por hormonas . Este experimento también demuestra que estos alelos quedan bajo control regulador muy rápidamente. Esto se debe a que ninguna de las ornamentaciones observadas en los machos se ve en la siguiente generación. Estas conclusiones hacen probable que al menos algunos genes específicos de los machos (por lo tanto, limitados por el sexo) indiquen su expresión por los niveles hormonales, como las proporciones umbral de estrógeno y testosterona.
Como los genes limitados por el sexo están presentes en ambos sexos pero sólo se expresan en uno, esto permite que los genes no expresados queden ocultos a la selección. A corto plazo, esto significa que durante una generación, sólo el sexo que exprese el rasgo o los rasgos limitados por el sexo de interés se verá afectado por la selección. La mitad restante del acervo genético para estos rasgos no se verá afectada por la selección porque están ocultos (no expresados) en los genes del otro sexo. Como una parte de los alelos para estos rasgos limitados por el sexo están ocultos a la selección, este fenómeno se ha denominado "efecto de almacenamiento". A largo plazo, este efecto de almacenamiento puede tener efectos significativos en la selección, especialmente si la selección fluctúa durante un largo período de tiempo. Es indiscutible que la selección fluctuará con el tiempo con distintos niveles de estabilidad ambiental. Por ejemplo, las fluctuaciones en la densidad de población pueden impulsar la selección sobre rasgos limitados por el sexo. En poblaciones menos densas, las hembras tendrán menos oportunidades de elegir entre machos para la reproducción. En este caso, los machos atractivos pueden experimentar tanto un menor éxito reproductivo como una mayor presión de depredación. Por lo tanto, la selección de machos por rasgos limitados al sexo, como un mayor tamaño (elefantes marinos) y armas (garras en cangrejos violinistas, cuernos en escarabajos rinocerontes) cambiará de dirección con la fluctuación de la densidad de población. [12]
John Parsch y Hans Ellegren definieron los "genes que difieren en su expresión entre hembras y machos" como genes con sesgo sexual. Si bien esta definición es más amplia, los genes limitados por el sexo ciertamente se incluyen en esta categoría. Uno de los principios clave de la expresión génica con sesgo sexual que Parsch y Ellegren destacaron en su artículo de febrero de 2013 [13] es el de la evolución rápida. Afirman que el sesgo sexual de un gen puede variar entre diferentes tipos de tejidos en todo el cuerpo o a lo largo del desarrollo, lo que hace que el nivel de sesgo sexual sea una propiedad fluida, en lugar de estática. Esto hace posible, entonces, que la rápida evolución observada en los genes con sesgo sexual no sea una propiedad inherente a su sesgo sexual, sino una propiedad de alguna otra característica. El artículo ofrece la amplitud de expresión, el número de tipos de tejido en los que se expresan los genes, como un ejemplo de una característica correlacionada con los genes con sesgo sexual. Se sabe que los genes con expresión limitada (en un solo tipo de tejido) generalmente evolucionan más rápido que aquellos con una mayor amplitud de expresión, y los genes sesgados por sexo a menudo están restringidos en su expresión, como solo a los testículos o los ovarios. Por lo tanto, es probable que los genes sesgados por sexo (incluidos los limitados por sexo) evolucionen más rápido que la información genética promedio. Parsch y Ellegren también afirman que "los genes sesgados por sexo expresados solo en tejidos reproductivos limitados por sexo evolucionan más rápido que los genes no sesgados que se expresan solo en un solo tejido no reproductivo". Es decir, los genes que tienen un sesgo hacia cualquier tipo de tejido reproductivo (testículos u ovarios) parecen mostrar una evolución más rápida que los genes expresados en tejidos no gonadales, a pesar del número de tejidos en los que se expresan. Esto tiene sentido en el contexto de genes con función reproductiva que evolucionan más rápidamente, un patrón observado generalmente en biología evolutiva .
El antagonismo sexual se produce cuando dos especies tienen estrategias de adaptación óptima conflictivas en lo que respecta a la reproducción (véase el enlace en el párrafo de introducción). Los apareamientos múltiples son un ejemplo clásico de estrategias óptimas en competencia. Los machos, que normalmente tienen una inversión general mucho menor en la reproducción, pueden beneficiarse de apareamientos más frecuentes. Las hembras, sin embargo, invierten mucho más en la reproducción y pueden verse en peligro, resultar dañadas o incluso morir por apareamientos múltiples. [14]
El comportamiento animal (véase etología ) abarca tantas disciplinas que es imposible no verlo de alguna manera en casi toda la literatura primaria que involucra animales vivos. Si bien los ejemplos anteriores ciertamente contienen aspectos del comportamiento animal, un ejemplo más evidente de ello en relación con los rasgos limitados por el sexo se detalla en un artículo de Teplitsky et al. (2010) centrado en el momento de reproducción en gaviotas de pico rojo. [15] Este experimento trata sobre el momento de reproducción, un aspecto de la biología reproductiva. La reproducción y el comportamiento sexual son dos aspectos clave del comportamiento animal, ya que se expresan universalmente de alguna manera en todo el reino animal.
El momento de reproducción en las gaviotas de pico rojo se expresa solo en las hembras, porque solo ellas ponen huevos. Sin embargo, el cuidado de los machos afecta sustancialmente el rendimiento reproductivo de las hembras. Esto califica el momento de reproducción como un rasgo limitado por el sexo porque se expresa solo en un sexo pero puede verse afectado por ambos (de manera similar al experimento del escarabajo de Hosken mencionado anteriormente). Al seguir una población natural de gaviotas de pico rojo durante 46 años, Teplitsky et al. llegaron a una conclusión inesperada: si bien la fecha de puesta (también conocida como momento de reproducción) solo se expresa en las hembras, el rasgo solo es hereditario en los machos. Esto es atípico porque los rasgos limitados por el sexo casi siempre son hereditarios dentro del sexo en el que se expresan.
En esta especie, el momento de la puesta de huevos tiene mucho que ver con el comportamiento de los machos. Los machos pueden afectar el éxito reproductivo de las hembras de forma tan importante porque durante los 20 días anteriores a la puesta de huevos, las hembras pasan hasta el 80% de su tiempo en el nido. Esto deja a los machos con la responsabilidad de proporcionar alimento regularmente y asegurar (y mantener) un territorio de alta calidad para la nidificación. Este fenómeno de la genética de un individuo que afecta a la de otro individuo se conoce como efectos genéticos indirectos . Para esta población, al menos, existen posibles explicaciones para este patrón de heredabilidad atípico. Si bien controlan la salud y la seguridad de las hembras, los machos también son responsables del momento del inicio de la alimentación del cortejo. Estas poblaciones también suelen tener excesos de hembras, lo que permite a los machos ejercer aún más opciones en forma de elección de pareja . Estos factores en combinación brindan a los machos una gran oportunidad de expresar su "genotipo de fecha de puesta". A pesar de la presencia de selección direccional y una heredabilidad masculina significativa para el momento de reproducción, no se observó ningún avance del momento de reproducción durante los 46 años de este experimento. Sin embargo, esto no quita importancia a los otros resultados del artículo, uno de los más significativos es que en este caso "un rasgo femenino (fecha de puesta) está determinado en gran medida por las características genéticas de su pareja". [15]
La epigenética es el estudio de los cambios fenotípicos hereditarios, causados por la modificación de la expresión génica y que no implican un cambio en el código genético. Estos factores epigenéticos también pueden estar limitados por el sexo. La impronta genómica , por ejemplo, el silenciamiento de un alelo parental por metilación del ADN , para el cual se ha propuesto la impronta limitada por el sexo para resolver el conflicto intralocus . Se ha demostrado que la impronta genómica es indistinguible de los sistemas no impresos a nivel de población en algunos casos, teniendo modelos evolutivos equivalentes. Sin embargo, esto no es válido para los modelos limitados por el sexo de la impronta limitada por el sexo que se comportan de manera diferente dependiendo de qué impronta sexual ocurre y del sexo parental del alelo impreso. Específicamente, esto afecta a si los alelos se imprimen en generaciones consecutivas con diferentes trayectorias evolutivas (bajo las mismas aptitudes de selección) que surgen puramente debido a la epigenética limitada por el sexo. El cromosoma X, por ejemplo, ha sido muy frecuente en el campo de la epigenética. El porcentaje de cromosoma X entre hombres y mujeres se debe en gran medida a la inactivación del cromosoma X. En los seres humanos, el proceso de inactivación del cromosoma X ocurre en las primeras etapas del desarrollo, lo que es una de las principales razones por las que este tema ha sido un desafío para estudiar. Al diferenciar entre los cromosomas XX y XY, la cantidad de genes ligados al cromosoma X en comparación con los hombres XY se debe al silenciamiento de uno de los dos cromosomas en las mujeres XX. La transcripción específica inactiva del ARN X (Xist) regula todo este proceso, lo que da como resultado un silenciamiento de todo el genoma. Este es también un concepto que se entiende poco, lo que hace que sea un gran estudio y un análisis prolongado. De hecho, más del 20% de los genes ligados al cromosoma X se expresan a partir del cromosoma X inactivo y contribuyen a los rasgos de dimorfismo sexual. El cromosoma X constituye un porcentaje muy pequeño del genoma humano total y la epigenética de este cromosoma es un contribuyente importante a ciertas enfermedades. Por lo tanto, los rasgos epigenéticos limitados al sexo pueden haber desempeñado un papel fundamental en la evolución de los mamíferos y otras especies, en particular como mecanismo para mejorar el conflicto intralocus entre los sexos.