Causas y Consecuencias de las Roturas del HOM-C

¿Cuál es el significado funcional de la agrupación de los genes Hox? Varias razones se han postulado para explicar la sorprendente conservación de los complejos Hox a lo largo de la filogenia. La similitud de los complejos no se debe a una convergencia evolutiva sino a la conservación de un estado ancestral, pero para que esta estructura se haya mantenido durantes más de 600 millones de años de evolución tienen que haber constricciones funcionales actuando sobre el complejo como unidad (MCGINNIS y KRUMLAUF 1992). ¿Cuales son estas constricciones funcionales? Dos hipótesis podrían explicar la existencia de los complejos Hox: (A) estos genes no pueden funcionar o no funcionan correctamente fuera del dominio del complejo, quizás por requerimientos de la estructura cromatínica o por efectos de posición; (B) la yuxtaposición de los genes miembros y sus complejas regiones cis-reguladoras hace la separación por procesos genéticos al azar improbable o incluso imposible (RANDAZZO et al. 1993).

La existencia de elementos reguladores compartidos entre varios genes explica en algunos casos la conservación de los complejos génicos. En el caso de los genes Hox, inversiones que rompen el ANT-C de D. melanogaster dentro de un gen no afectan a otros genes del complejo, lo que sugiere que estos genes no poseen elementos reguladores compartidos (ABBOTT y KAUFMAN 1986; PULTZ et al. 1988; DIEDERICH et al. 1989; AVEROF et al. 1996). Por otro lado, en la región anterior del HOM-C de Drosophila, encontramos dos ejemplos de regiones cis-reguladoras intercaladas: Scr-ftz

y pb-zen2. En el primer caso ftz se encuentra entre las regiones reguladoras 5’ de Scr

(MAIER et al. 1990). De forma similar, zen2 está situado entre el promotor basal de pb y sus regiones reguladoras 5’. En ambos casos el segundo gen, que ha perdido su función Hox, se encuentra entre el primer gen (Scr o pb) y parte de sus regiones cis-reguladoras 5’. Esta organización hace inviable la separación de los dos genes mediante inversión, pero parece indicar que el gen no Hox podría cambiar de posición mediante transposición, aunque la tasa de transposición en el género Drosophila es muy baja (RANZ et al. 2003).

En cuanto a los genes posteriores, según KARCH et al. (1985) el BX-C de D. melanogaster está formado por dos unidades separables entre ellas pero no dentro de ellas: la región Ultrabithorax y la región Abdominal. La región Ultrabithorax contiene el gen Ubx y su región reguladora que incluye el RNA no codificante bxd, el cual presenta

procesamiento alternativo. Esta región se puede separar de la región Abdominal sin efecto fenotípico (STRUHL 1984), y está separada de forma natural en las especies del subgénero Drosophila (rotura Ubx-abdA) (RANZet al. 2001, VON ALLMENet al. 1996 y Artículo 1). La región Abdominal contiene los genes abdA y AbdB separados por 100 kb que contienen las regiones cis-reguladoras iab2 a iab9. Las regiones iab, separadas entre ellas por elementos aisladores, presentan colinealidad entre su orden en el cromosoma y los parasegmentos donde determinan la expresión de abdA o AbdB

(SANCHEZ-HERRERO 1991). Alguna de estas regiones iab, concretamente iab5, parecen actuar tanto sobre abdA como sobre AbdB, lo que haría inviable la separación de esta región de alguno de los dos genes. TIONG et al. (1987) intentaron demostrar que la

unidad de esta región Abdominal no era esencial para su función. Utilizaron una línea que presentaba una translocación de las regiones Ubx y abdA, una de las roturas se sitúa aproximadamente entre iab6 e iab7; y otra línea que presentaba una delección de las regiones Ubx y abdA, en este caso una de las roturas se sitúa aproximadamente entre

iab4 e iab5. Mostraron que estas dos deficiencias se complementan dando lugar a individuos fenotípicamente salvajes, mostrando que las regiones abdA y AbdB no necesitan estar en cis para su correcto funcionamiento. Pero en realidad no se trata de una rotura “limpia”, sino que hay una región duplicada. Las regiones iab5 e iab6 están presentes en cis tanto al lado de abdA como al lado de AbdB. Este trabajo más otros indicios de que iab5 regula tanto la transcripción de abdA como de AbdB (DUNCAN

1987; CELNIKER et al. 1990) parecen indicar que estas dos regiones podrían separarse físicamente sin efecto funcional siempre y cuando la región iab5 se duplicara y estuviera presente al lado de ambos genes.

Otra posible explicación para la selección a lo largo de la evolución en contra de la dispersión de los genes homeóticos serían las consecuencias detrimentales de los efectos de posición. Según esta teoría los genes homeóticos podrían estar residiendo en el complejo cómo prisioneros cuya escapada causaría, en muchos casos, efectos deletéreos para el organismo (RANDAZZO et al. 1991). Inversiones dentro del complejo

podrían influir en la transcripción de los genes homeóticos acercando secuencias portadoras de nuevos elementos reguladores o modificando la estructura global de la cromatina. Mientras algunos genes han mostrado ausencia de efecto cuando se expresan de forma ectópica en Drosophila (BONNER et al. 1984; BASLER y HAFEN 1989), la

deletéreos graves sobre el organismo (GONZALEZ-REYES et al. 1990; CRIBBS et al.

1992; SÁNCHEZ-HERRERO et al. 1994).

Los genes de los grupos trithorax y polycomb mantienen la activación y represión, respectivamente, de los genes Hox. Estos genes parecen realizar su función actuando sobre la estructura de la cromatina manteniendo la región accesible o inaccesible a la maquinaria transcripcional. Este efecto sobre la cromatina podría ser el responsable del mantenimiento de la agrupación de los genes Hox en Drosophila. CHIANG et al. (1995) mostraron que los elementos que mantienen la represión de los genes Hox por acción de polycomb actúan de forma cooperativa. Un reordenamiento de estas regiones podría prevenir esta acción cooperativa, disminuyendo la acción represiva de estos elementos o haciendo al individuo más sensible a alteraciones en el sistema polycomb. El mantenimento de la acción cooperativa de estos elementos represores podría ser una de los factores que mantienen la integridad de los complejos. El complejo de genes Iroquois está también regulado por los genes polycomb y trithorax a través de la estructura cromatínica, de forma similar a los genes del HOM-C (NETTER et al. 1998).

Por otro lado, existen evidencias de la necesidad de apareamiento de los cromosomas homólogos para la correcta regulación de algunos genes, así como la existencia de regiones de unión a la matriz (SARs – Scafolding Attachment Regions, o MARs – Matrix Attachment Regions) en diferentes posiciones del complejo, lo que sugiere la importancia de la arquitectura cromosómica en el correcto funcionamiento de estas regiones (RANDAZZO et al. 1993).

Hay que destacar que a pesar de la importancia del complejo de genes Hox, en Drosophila es posible romper este complejo y tener una mosca viable. Trabajos de roturas inducidas o rescates por minigenes parecían indicar la posibilidad de estas roturas en condiciones de laboratorio, pero cuestionaban si serían capaces de sobrevivir a las presiones selectivas de la naturaleza (RANDAZZO et al. 1991). Hay que recalcar que las roturas del HOM-C descritas en el apartado 3.2.2.1 son naturales. No se trata de roturas experimentales cuyos portadores sobreviven en el laboratorio sin aparentes malformaciones, sino que se trata de inversiones fijadas en grupos de especies con elevado éxito evolutivo. Incluso la rotura más reciente, entre lab y pb, está fijada en todo el grupo repleta, uno de los grupos más exitosos con más de 100 especies.