A DETERMINAÇÃO DO SEXO EM INVERTEBRADOS.

O sistema ZW é um dos sistemas de determinação sexuais mais antigos na natureza. Ele esta presente em invertebrados majoritariamente. Aqui vamos destacar como se dá a determinação sexual em diferentes grupos de invertebrados e como o ambiente interfere diretamente nessa determinação.

bombyx mori

Mariposas Bombyx mori (Bombycidae).

Nas borboletas e mariposas (ordem Lepidoptera) e seus parentes mais próximos, como os Trichoptera compartilham um sistema de cromossomos sexuais do sexo feminino heterogamético. Originalmente o sistema de determinação sexual de Lepidoptera (um grupo monofilético) é ZW para fêmeas e ZZ para machos. Isso é valido para 98% de todas as espécies.

Além disso, re-arranjos esporádicos criam sistemas de cromossomos multi-sexuais; perdas esporádicas do W mudam o sistema formal de volta para Z0/ZZ que é o estado ancestral do sistema ZW e que em algumas espécies se mantém. A determinação do sexo primário depende de um mecanismo Z/ZZ, onde um gene que determina o sexo feminino no cromossomo W no bichos-da-seda (Bombyx mori), por exemplo. O mecanismo molecular ainda é desconhecido em ambos os casos, mas sabe-se que o bicho-da-seda, Drosophilas e outros insetos investigados compartilham uma etapa de determinação genética em comum. A etapa determinada pelo gene DSX (doublesex), uma via de determinação de sexo que é hierárquica. O cromossomo W é heterocromático na maioria das espécies. Ele contém alguns genes e é inundado com elementos repetitivos intercalados (Traut et al, 2007).

Ginandromorfismo em Ornithoptera goliath procus (Papilionidae). Espécie bastante comum na Nova Guiné.

Ginandromorfismo em Ornithoptera goliath procus (Papilionidae). Espécie bastante comum na Nova Guiné. Saiba mais aqui

Redes de genes determinamo sexo. Em Drosophila melanogaster, a diferenciação sexual somática é regulada por uma hierarquia bem caracterizada de genes (X: A> Sxl> tra / tra2> dsx e fru). Esta cascata controla a determinação do sexo em todas as espécies de Drosophila e é parcialmente conservada em outras espécies de dípteros, como o Ceratitis capitata (Cctra/Cctra-2> Ccdsx e Ccfru). No entanto, no bicho-da-seda, é determinado pela presença de um fator de feminização dominante no cromossomo W. Além disso, nenhum regulador homólogo específico Sxl ou tra foi isolado a partir de B. mori. Apesar destas diferenças, existe um DSX homólogo em B. mori (chamado de Bmdsx) e está relacionado a determinação do sexo. Bmdsx produz isoformas de splicing alternativo de RNA mensageiro (RNAm) que codifica fatores de transcrição específicos dos sexo, como observado em DSX de Drosophilas (Suziki, 2010).

Assim, o Bmdsx do bicho-da-seda é um homólogo de DSX de Drosophila desempenhando um papel crucial no desenvolvimento sexual somático. O seu pré-RNAm gerar duas variantes de splicing; uma específica de fêmeas e o outro codifica polipéptidos do sexo masculino, onde ambas só diferem nas suas porções terminais. Em Lepidoptera uma terceira porção do bmdsx, exclusiva do grupo, existe determinando o sexo feminino (Shukla & Jadhav, 2011).

O sistema de cromossomos sexuais heterogamético feminino foi conservado durante pelo menos 180 milhões de anos, ou mais, no ramo filogenética que combina Lepidoptera e Trichoptera. O cromossomo W, que está presente nas espécies de Lepidoptera foi incorporado no sistema de cromossomos sexuais muito mais tarde, a cerca de 90 ou 100 milhões de anos.

Os cromossomos Z são altamente conservadas entre Lepidoptera, e muito parecido com o Z em aves ou X de mamíferos. O W por outro lado, é menos conservado, esta evoluindo rapidamente e  é repleto de elementos repetitivos que parecem ter uma alta taxa de rotatividade, mas é pobre em genes codificadores de proteínas. Ele freqüentemente sofre fusão com autossomos ou é totalmente perdido esporadicamente (Sahara et al, 2012).

O verme nematódeo Caenorhabditis elegans utiliza um sistema de cromossomos sexuais XX/XO na determinação sexual embora os biólogos estejam abandonando a determinação do sexo genético em favor da determinação do sexo ambiental (DSA) onde fatores ambientais influenciam e determinam o sexo. Os indivíduos XX são somaticamente fêmeas, enquanto a linha germinativa é considerada hermafrodita. Sendo assim a autofecundação só é possível devido a um breve período de espermatogênese específico, em estágios específicos (L3 e L4) do desenvolvimento; ao fim desse período o indivíduo só produzirá oócitos. Indivíduos X0 são machos e começam a espermatogênese também no estágio L3, mas continuam a produzir espermatozóides pelo resto da vida sexual. Os espermatozoides produzidos pelo hermafrodita são armazenados na espermateca e poderão fecundar os oócitos, assim que estes passarem por maturação meiótica; porém, caso haja cópula os espermatozóides do macho serão armazenados, também, na espermateca e terão preferência na fecundação (Nayak et al, 2005).

O melhor exemplo de DSA está no verme parasita de artrópodes da família Mermithidae. Em hospedeiros são levemente infectados com poucos indivíduos, nascem exclusivamente fêmeas nascem; se forem fortemente parasitados apenas os machos serão produzidos.

A cultura de vermes Mermithidae em solução líquida axênica (sem contaminação de nenhum microrganismo) também produz apenas as fêmeas, o que sugere que a concentração é um fator limitante para o desenvolvimento do sexo masculino (Petersen, 1985).

Variação no sistema de modelo de determinação do sexo. Embora os mamíferos, Drosophila, e C. elegans todos usam GSD, eles interpretam o seu conteúdo cromossomo sexual através de distintas vias de transdução de sinal. No entanto, todos os três, eventualmente convergem para um membro da família de DM cuja expressão está associada com o desenvolvimento masculino. Drosophila DSX é incomum para genes DM em também ter um papel importante no desenvolvimento do sexo feminino (através de uma variante de processamento especificamente feminino).

Variação no sistema de modelo de determinação do sexo. Embora os mamíferos, Drosophila, e C. elegans usem a determinação genética, eles interpretam o seu conteúdo cromossomo sexual através de distintas vias de transdução de sinal. No entanto, todos os três, eventualmente convergem para um membro da família de proteínas DM cuja expressão está associada com o desenvolvimento masculino. O DSX de Drosophila  é incomum e também tem um papel importante no desenvolvimento do sexo feminino (através de uma variante de processamento especificamente feminina).

Um pequeno número de espécimes fósseis de nematóides são conhecidos, e são da família Mermithidae, conservados em 40 milhões anos de idade âmbar do Báltico (Poinar, 2002). Sua semelhança com as espécies que parasitam insetos sugerem uma idade mínima para a origem da DSA neste grupo, embora seja possível que esses membros antigos utilizassem a determinação sexual genética. A DSA também ocorre no parasita vertebrado Strongyloides, que assim como C. elegans, é da ordem Rhabditida. Isso acontece com a maioria dos nematoides parasitas.

Embora C. elegans, Drosophila e mamíferos usem a genética para definir o sexo, as vias de transdução de sinal que convertem a diferença genética entre o sexo em destinos dimórficos que não são semelhantes (Cline e Meyer, 1996). Um componente conservado foi descoberto: o mab-3 da família de reguladores da transcrição do DSX.

Alem disto, outros genes tem funções na especificação de um número limitado de células do sexo masculino em C. elegans, no papel de DSX em Drosophila e de proteínas DM em alguns vertebrados (Matsuda et al, 2002) e indicam que eles podem funcionar mais globalmente. A expressão de algumas proteínas da família DM (Doublesex/mab-3) ao desenvolvimento sexual em cnidários (Miller et al, 2003) sugerem ainda que este papel evoluiu antes do Cambriano, há mais de 500 milhões de anos atrás. Os primeiros metazoários tiveram sua diferenciação sexual controlada pelo progenitor das proteínas DM, e a diversidade de mecanismos de determinação do sexo existentes representa uma extrema divergência em diferentes linhagens. Neste sentido, a determinação do sexo em si é um processo de desenvolvimento homólogo, mesmo que os genes que controlam são na maioria dos casos não sejam homólogos em si.

Uma possibilidade interessante do sistema de nematóide evoluir é que ele representa uma forma altamente modificada do circuito do gene hedgehog (hh), um sinalizador de controle de muitas decisões-chave para a padronização e destino das células em desenvolvimento de metazoários que esta ausente em C. elegans, a julgar pela falta de hh e homólogos no genoma.

O receptor transmembranar tra-2 é topologicamente semelhante e a via culmina na regulação de um fator de transcrição um mosaico no sistema de desenvolvimento de nematóides cada vez mais dependente de linhagem celular, onde o sinalizador hh tornou-se dispensável para outros aspectos do desenvolvimento e foi cooptado para a determinação do sexo.

Nematóides mermithid antigos existentes e emergentes de seus hospedeiros de insetos. Verme A. juvenil do gênero Heydenius emergindo da formiga macho awinged do gênero prenolepis. O espécime é preservada em âmbar do Báltico, aproximadamente, 40 milhões de anos. A barra de escala representa 1,2 mm. Fotografia reproduzida de Poinar (2002) com a permissão do autor e Cambridge Univ. Pressione. B. juvenil mermithid emergindo de uma larva de mosquito existente. Foto usada com permissão da Univ. de Nebraska, Lincoln Departamento de Entomologia.

Nematóides fósseis da família Mermithidae emergindo de seus hospedeiros de insetos. Um verme juvenil do gênero Heydenius pode ser visto emergindo da formiga macho do gênero Prenolepis. O espécime é preservada em âmbar do Báltico, datado em aproximadamente, 40 milhões de anos. A barra de escala representa 1,2 mm. Fotografia reproduzida de Poinar (2002) com a permissão do autor e Cambridge Univ. Pressione. B. juvenil mermithidae emergindo de uma larva de mosquito existente. Foto usada com permissão da Univ. de Nebraska, Lincoln Departamento de Entomologia. Saiba mais sobre o desenvolvimento e determinação do sexo de Caenorhabditis elegans aqui.

Assim, nota-se que os genes DSX desempenham um papel importante no controle do dimorfismo sexual nos organismos que dependem de sistemas genéticos para a determinação sexual, tais como nemátodos, insetos e até vertebrados em geral. Dois genes DSX também determinam o sexo em Daphnia magna, um crustáceo de água doce que partenogeneticamente produz machos em resposta a estímulos ambientais. Um desses genes, designados aqui como DapmaDsx1 I (homólogo de DSX), é responsável pelo desenvolvimento do traço masculino quando expresso durante a DSA. O domínio e organização do gene DapmaDsx1 é bastante semelhante ao encontrado em DSX de insetos, que são o grupo irmão de crustáceos Branchiopodes.

Curiosamente, a base molecular para a expressão de DapmaDsx1 é diferente a dos insetos. Em vez de ser regulado especificamente ao nível de pré-RNAm no splicing na região de codificação, DapmaDsx1 apresenta diferenças na transcrição. Durante a embriogênese, a expressão de DapmaDsx1 é aumentada apenas em machos e seus transcritos principalmente nas estruturas específicamente masculinas. Ao diminuir experimentalmente a expressão de DapmaDsx1 nos embriões macho, resultou na produção de traços femininos, incluindo maturação do ovário, enquanto que a expressão ectópica de DapmaDsx1 de embriões do sexo feminino resultou no desenvolvimento de fenótipos maculinos. O padrão de expressão de outro gene de D. magna, chamado de DapmaDsx2, foi semelhante ao de DapmaDsx1, mas não induziu quaisquer alterações fenotípicas claras, o que mostra que a versão DapmaDsx1 é um regulador chave do fenótipo masculino. Os estudos ainda revelam como DSA é implementado pela expressão seletiva de um componente genético fundamental que é funcionalmente conservada em animais utilizando a genética como determinante sexual. Há uma antiga ligação não identificada entre a determinação do sexo genético e ambiental (Yasuhiko et al, 2011).

Em abelhas, o sexo é determinado pela fertilização ou não dos ovos, em vez da presença ou ausência de cromossomas sexuais. Este modo de determinação do sexo foi descoberto pela primeira vez por Johann Dzierzon, um padre católico, em 1845. Dzierzon notou que uma rainha virgem que ainda não tinha voado para o acasalamento produzia somente machos (Dzierzon et al, 1945). Ele descobriu um sistema de determinação de sexo mais de 50 anos antes da descoberta dos cromossomos sexuais (McClung, 1902; Wilson, 1905). Agora sabemos que as abelhas não são exclusivas nesse tipo de determinação sexual. Cerca de 20% das espécies animais usam um modo haplodiploide para a reprodução. Nesse sistema, a prole formada por macho desenvolve-se a partir de ovos não fertilizados, são haplóides e têm apenas um conjunto de cromossomos. Os ovos fertilizados de abelhas, que são diplóides e possuem dois conjuntos de cromossomos, e formam as rainhas e operárias.

Determinação do sexo em abelhas

Determinação do sexo em abelhas

Com o desenvolvimento da genética notou-se que as abelhas não têm cromossomos sexuais, e descobriram que os machos diplóides aparecem como fruto da endogamia com as abelhas. A presença destes machos diplóides sugere que nem o processo de fertilização, nem o estado haplóide ou diplóide do ovo fornece o sinal primário para a determinação do sexo em abelhas de mel (Mackensen, 1951). O aparecimento dos machos diplóides foi associado com a consanguinidade, os investigadores propuseram uma hipótese de determinação do sexo complementar, em que a determinação de um locus único de determinação do sexo estabelece o destino sexual (Whiting, 1933; Whiting, 1943). De acordo com esta hipótese, ovos fertilizados que são homozigotos no locus único de determinação do sexo diferenciam em machos diplóides, enquanto ovos fertilizados que são heterozigotos no locus único de determinação do sexo desenvolvem fêmeas. Machos férteis são produzidos a partir de ovos não fertilizados, haplóides da rainha, que são necessariamente hemizigotos no locus único de determinação do sexo. A homozigose no locus único de determinação do sexo é letal para os machos. Os machos diplóides são comidos por abelhas operárias logo depois que chocam o ovo. Isso resulta em um padrão típico de ninhada em colônias de abelhas.

Genótipos e destino sexual no âmbito do sistema de determinação do sexo complementar encontrado em muitas espécies de himenópteros (formigas, abelhas, vespas, vespões). Os machos derivam de ovos não fertilizados e têm apenas um alelo determinação do sexo (marcado por diferentes barras coloridas). Os ovos fertilizados com dois alelos que determinam o sexo diferentes (heterozigotos) se desenvolvem em fêmeas. Machos diplóides surgem a partir de ovos fertilizados que são homozigóticos para o mesmo alelo-determinação do sexo. Estes machos diplóides surgem mais comumente em condições de endogamia em que o pai tem um alelo em comum com a mãe.

Genótipos e destino sexual no sistema de determinação do sexo complementar encontrado em muitas espécies de himenópteros (formigas, abelhas, vespas, vespões). Os machos derivam de ovos não fertilizados e têm apenas um alelo de determinação do sexo (marcado por diferentes barras coloridas). Os ovos fertilizados com os dois alelos determinam o sexo diferentes (heterozigotos) se desenvolvem em fêmeas. Machos diplóides surgem a partir de ovos fertilizados que são homozigóticos para o mesmo alelo-determinação do sexo. Estes machos diplóides surgem mais comumente em condições de endogamia em que o pai tem um alelo em comum com a mãe. © 2009 Nature Education

O isolamento do locus de determinação do sexo em abelhas melíferas levou à identificação do gene complementary sex determiner (CSD) (Beye et al, 2003). O gene codifica um fator CSD que existe em pelo menos 15 variantes alélicas que diferem, em média 3% em seus resíduos aminoácidos (Hasselmann & Beye, 2004). O produto do gene CSD é necessário para o desenvolvimento do sexo feminino, devido á inativação do produto do gene CSD em embriões de fêmeas e faz com que um interruptor genético leve ao desenvolvimento masculino (Beye et al, 2003). O alvo do produto do gene CSD foi recentemente identificado como um gene feminilizador o feminizer (FEM) (Hasselmann et al, 2008) (Figura 3A). A transcrição de FEM está associada de forma diferente em machos e fêmeas, de tal modo que apenas as células do sexo feminino têm o produto do gene FEM funcional. Nos homens, o splicing introduz um codão de terminação na sequência de codificação de FEM.

O CSD ocorre em uma grande variedade de espécies, incluindo vespas e formigas, mas não em todas estas espécies do grupo. A comparação de genes ortólogos em outras espécies de abelhas e vespas mostrou que o gene CSD surgiu recentemente por duplicação de genes dentro da linhagem de abelhas a partir de uma cópia do gene ancestral feminizer (figura acima). O gene FEM continua a ser um componente conservado de caminhos de determinação de sexo entre os insetos. Durante a evolução das abelhas, o gene FEM tornou-se o alvo da atividade de CSD. Este último, provavelmente adquiriu sua função moderna pela evolução adaptativa. De acordo com as evidências (Hasselmann et al, 2008), a duplicação do ancestral do gene FEM foi seguida pela seleção positiva favorecendo a presença de um novo sinal que culminou em um novo sistema de determinação do sexo de abelhas de mel. A evolução do gene CSD é um exemplo de como facilmente novos sistemas de determinação do sexo podem surgir por alterações moleculares simples do repertório genético existente. A redução da recombinação meiótica que é observada no locus de determinação do sexo das abelhas pode também indicar que o gene CSD degenera gradualmente ao longo do tempo (Charlesworth et al, 2005), o que novamente facilita a evolução e seleção positiva do sexo alternativo e sinais de determinação em escalas de tempo evolucionárias na linhagem de abelhas.

A Natureza e Evolução da via complementar a determinação fazer abelhas sexo 'em'. (A) Em heterozigotos CSD, CSD (determinador complementar sexual) Produtos de genes Activar o FEM jusante do gene (feminizer), Cujo PRODUTO génico E Necessário para o Desenvolvimento do sexo feminino. Em animais / hemizigóticas homo, o PRODUTO fazer gene csd Garante o Desenvolvimento do Sexo Masculino Pela via Regulamentar Padrão, EM Que Nem uma CDT ELm Produtos de genes ativados São fem. (B) O Sinal primário Para uma determinação do sexo, o gene CSD, surgiu a Partir fazer progenitoras gene ancestral FEMININO POR duplicação de genes. A Função moderna de CSD evoluiu POR Selecção positiva e de Fixação das Novas alterações de Aminoacidos na proteína Csd.

A Natureza e Evolução da via complementar na determinação do sexo de abelhas. (A) Em heterozigotos CSD, o produto deste genes ativa o FEM (gene feminizer), o resultado é o desenvolvimento do sexo feminino. Em animais homo/hemizigóticas o produto do gene csd garante o desenvolvimento do sexo masculino pela via regulamentar padrão, na qual um os produtos de CSD e FEM são ativados. (B) O Sinal primário para a determinação do sexo, o gene CSD, surgiu a partir de um gene ancestral FEM, por duplicação de genes. A função moderna de CSD evoluiu por seleção positiva e fixação de novas alterações nos aminoácidos da proteína CSD. © 2009 Nature Education

Saiba mais em Sex Chromosomes and Meiosis in Spiders e The Evolution of sex chromosomes in insects: Differentiation of sex chromosomes in flues and moths.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Invertebrados, Lepidoptera, Nematodea, Insecta, Crustacea, Abelhas, Determinação sexual, DSX.

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Referências

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