Alteraciones inducidas por Wolbachia en la reproducción de los artrópodos y sus consecuencias evolutivas.

Os presento un estupendo, y muy trabajado artículo, de mi amigo Enrique, aficionado a la entomología y estudioso de la Biología Evolutiva. El artículo original ha sido publicado en el Boletín de la Sociedad Entomológica Aragonesa (SEA). Lo que aquí os muestro es un resumen actualizado de dicho artículo.

Enrique González Tortuero*

El género Wolbachia se compone de bacterias de transmisión materna que se encuentran en los tejidos reproductores y somáticos de artrópodos y nematodos. Dentro de los artrópodos, se ha descrito su presencia en insectos [22, 25, 27, 44], en arácnidos (arañas [17, 35] y ácaros [7, 16]) y en crustáceos isópodos (cochinillas de la humedad) [6]. Por último, en el caso de los nematodos, se han descrito como simbiontes mutualistas en las filarias [3, 4, 38] y, recientemente, en el nematodo barrenador (Radopholus similis) [18].

Las especies del género Wolbachia son rickettsias, es decir, son bacterias cocoides Gramnegativas parásitas intracelulares de artrópodos (Figura 1). Normalmente, estos animales actúan como vectores, infectando a vertebrados y causando enfermedades como el tifus epidémico (Rickettsia prowazekii), la fiebre de las montañas rocosas (R. rickettsii), la ehrlichiosis canina (Ehrlichia canis) y la anaplasmosis granulocítica humana (Anaplasma phagocytophilum) [1]. Sin embargo, Wolbachia no causa patologías en los vertebrados, sino que induce a alteraciones en los ciclos reproductores de sus hospedadores. Estas alteraciones son la incompatibilidad citoplasmática (IC) en hexápodos y ácaros y las distorsiones en el sex-ratio de las poblaciones (tanto en forma de partenogénesis como de androcidio o male-killing, pasando por la feminización de individuos genéticamente machos en los crustáceos isópodos) [29, 42] (Figura 2).

Incompatibilidad citoplasmática

La IC es la falta de reconocimiento que se da entre el esperma y el huevo de individuos de la misma especie. Este fenómeno es muy habitual en casi todos los órdenes de insectos [42] y en los ácaros [41], pero es muy raro en los crustáceos isópodos [6].

Esta IC se puede clasificar en:

• Unidireccional: en el primer caso, la IC se da entre el esperma de un macho infectado con Wolbachia y un huevo de una hembra no infectada, pero no se da si el esperma proviene de un macho sin bacterias y el huevo de una hembra que alberga endosimbiontes (Figura 3).
• Bidireccional: sucede cuando machos y hembras de una misma especie con distintas cepas de Wolbachia no pueden reproducirse (Figura 3).

Este fenómeno de IC se debe a dos eventos simultáneos:

• Modificación bacteriana del esperma: la presencia de una cepa de Wolbachia en los espermatozoides causa la deposición anómala de la histona H3 en los cromosomas paternos [28].
• Rescate bacteriano en el huevo fertilizado: la misma cepa que ha causado la modificación de los cromosomas masculinos ha de estar presente en el ovocito para eliminar dicha modificación (“rescate”). Si este evento no sucede, se inactiva la Cdk1 (que es una quinasa dependiente de ciclina, es decir, una proteína reguladora del ciclo celular) [28]. Al inactivarse, se forma una masa de cromatina difusa en la primera mitosis, generando la pérdida de los cromosomas parentales [39] (Figura 4). Esta  pérdida de parte del genoma paterno puede causar la muerte del embrión en especies diploides o la generación de una descendencia haploide en organismos haplodiploides.

Además de estos fenómenos, también hay un mecanismo genético que induce a estas alteraciones en los cromosomas paternos. En estudios realizados en el escarabajo Callosobruchus chinensis [26] y la mosca Drosophila ananassae [12], se detectó que había información genética de Wolbachia que se transfería al cromosoma X del hospedador como si fuera un retrotransposón. Este evento de transferencia horizontal de genes (HGT) entre procariotas y animales puede tener implicaciones evolutivas considerables, dado que es una fuente de información nueva. Normalmente, no se suelen expresar estos genes en sus hospedadores, lo que hace que sea muy probable que hayan sido inutilizados por mutaciones neutras y el mecanismo de acetilación/metilación de secuencias de DNA. No obstante, es también posible que, en algún hospedador, estos genes se puedan expresar. De este modo, la adquisición de nueva información genética en el hospedador se da por lo que se denomina “nuclearización”, que es un proceso análogo al mecanismo parasexual de transformación que se da entre bacterias [5] (Figura 5).

Otros factores implicados en la expresión de la IC (y que no son de naturaleza bioquímica o citogenética) son:

• Infecciones múltiples: influye en el tipo de compatibilidad, de modo que las dobles y triples infecciones que se pueden dar en individuos de una misma población funcionan exactamente igual que si hubiera solamente una cepa bacteriana [40].
• Densidad de la bacteria en la célula hospedadora: a mayor número de bacterias en las células germinales, la IC será más fuerte [29].
• Hospedador: el hospedador es capaz de modular la expresión de la IC o desviarla a otros fenómenos como el androcidio. Esto se debe a que el hospedador induce a la reducción del genoma del simbionte, de modo que ese genoma se especializa en función de las necesidades vitales del hospedador [32].
• Interacción con microorganismos: recientemente, se han descubierto otros microorganismos como Cardinium [45] y Spiroplasma [17] que inducen a modificaciones en la reproducción del hospedador. Sería importante investigar cómo interaccionan entre ellas, pues es posible que algunos fenotipos se deban a la presencia de dos o más microorganismos distintos en las células del animal.

La consecuencia evolutiva más inmediata de la IC es la especiación rápida en artrópodos. Este evento se ha estudiado en el género de avispas parasitoides Nasonia, el cual engloba tres especies: N. vitripennis, N. giraulti, y N. longicornis. La primera es cosmopolita y las otras dos ocupan de manera alopátrica America del Norte y son simpátricas respecto a N. vitripennis (Figura 6). Las tres especies muestran una IC reproductiva completa entre las distintas especies, de modo que no hay hibridación salvo que se traten con antibióticos como tetraciclinas [8]. Por este motivo, se puede decir que la IC inducida por Wolbachia es un mecanismo de aislamiento reproductor (MAR), de modo que potencia la especiación. Pese a todo, la IC puede requerir otros MAR (como por ejemplo, las diferencias en el comportamiento del cortejo y la inviabilidad de los híbridos) para que suceda la especiación, tal y como sucede en el caso de las moscas Drosophila [10].

Partenogénesis

La partenogénesis es un mecanismo especial de reproducción en el que los nuevos individuos se originan a partir de huevos no fecundados. Cuando es inducida por las bacterias del género Wolbachia, los descendientes son hembras (Figura 2), y este fenómeno está presente en la mayoría de avispas parasitoides [37], tisanópteros o thrips [2], colémbolos [11] y en algunos géneros de ácaros [41].

En la partenogénesis inducida por Wolbachia, se van a segregar los cromosomas en la anafase I yendo a un mismo polo nuclear. Al estar en ese polo, la célula empezará a dividirse mitóticamente como si fuera un zigoto. A este proceso se le conoce como duplicación gamética y sólo se le puede inhibir mediante la fecundación de los óvulos [36]. No obstante, el mecanismo molecular se desconoce y se sospecha que Wolbachia se asocie al huso mitótico sirviendo de foco para la formación astral [39].

Este mecanismo de partenogénesis inducida puede ser otro mecanismo de especiación rápida como la IC. De hecho, en la avispa parasitoide Encarsia formosa, las hembras partenogenéticas producen más descendencia que una hembra con reproducción sexual. Este hecho se debe a que las cepas de Wolbachia infectan a estas poblaciones y se van a fijar en la población. En ese momento, se puede aislar genéticamente de la subpoblación con reproducción sexual, porque van a mutar los genes reguladores de la sexualidad. Como resultado, se van a dar una degeneración de la sexualidad y una partenogénesis irreversible en la que la bacteria es importante porque favorece la oogénesis [46]. Sin embargo, en la naturaleza es más habitual que haya tantos individuos partenogenéticos como sexuales. Esto se debe a que las bacterias van a infectar a las poblaciones, de modo que surge una subpoblación partenogenética que crecerá rápido. Ahora bien, los individuos sexuales van a interaccionar con los individuos partenogenéticos, de modo que el intercambio genético entre ambas subpoblaciones evita la pérdida de la sexualidad. En este punto, va a llegar un momento en el que los individuos no partenogenéticos van a ser mayoritarios en la población y es en ese momento cuando la bacteria va a modular la población para que haya 50% individuos partenogenéticos y 50% individuos con reproducción sexual. A todo este proceso se le denomina “selección dependiente de frecuencia” [36].

Feminización

La feminización es la transformación de machos genéticos en hembras (Figura 2). Es muy habitual en los crustáceos isópodos [6] y muy rara en insectos [14, 24].

El mecanismo de acción de la feminización se ha estudiado sobretodo en la cochinilla de la humedad (Armadillidium vulgare) y se ha visto que es dual. Por un lado, Wolbachia libera moléculas antagonistas de la hormona androgénica (AH) que son expresados por genes supresores de las hormonas masculinas y que van a inhibir la síntesis de la AH en la glándula androgénica [34]. Por otro lado, Wolbachia va a liberar una serie de sustancias de naturaleza desconocida que van a bloquear los receptores para la AH, de modo que el individuo no va a poder desarrollar los caracteres masculinos, sino que se comportará fisiológicamente como una hembra. De este modo, si la liberación de moléculas antagonistas de AH no consiguieran suprimir la síntesis de la hormona masculina, el segundo mecanismo lo podría bloquear [33] (Figura 7).

Androcidio

El androcidio o male-killing (MK) es el mecanismo por el cual un organismo simbionte mata solamente a los hospedadores de sexo masculino de una población (Figura 2). Se han encontrado casos de MK en algunos órdenes de insectos como los lepidópteros y los coleópteros [13, 30] y en pseudoescorpiones [47]. En todos los casos estudiados, el mecanismo de acción se desconoce, dado que no hay un patrón de común de herencia en los animales donde se ha descrito este fenómeno [20].

El MK se estudió por primera vez en la mariquita de dos puntos (Adalia bipunctata). En este caso, se veía que, cuando la densidad bacteriana era alta en las larvas, éstas no adquirían comportamientos caníbales, mientras que si la densidad de endosimbiontes era baja o nula, las larvas se comían entre ellas [29] (Figura 8). Esto se debe a que las bacterias van a matar al macho, de modo que los recursos de las larvas masculinas van a estar disponibles para las hembras, que invierten mucha energía en la reproducción. De este modo, las hembras no se van a pelear entre ellas por el alimento, sino que se comerán los restos de sus hermanos. Por este motivo, el MK es una ventaja secundaria, ya que proporciona alimento cuando no hay grandes densidades de pulgones (que es su alimento principal) [21]. A esta hipótesis se la denomina “hipótesis de la redistribución de recursos”.

Sin embargo, también se encontraron simbiontes que causaban MK en otros insectos que no son depredadores. Un ejemplo de ello son las mariposas diurnas de los géneros Acraea e Hipolimnas, donde la hipótesis de la redistribución de recursos no permite explicar el MK en estos animales. En este caso, al reducirse la proporción de machos en las poblaciones hasta tal extremo que son limitantes, lo que va a suceder es que las hembras vírgenes se exhiben en leks para competir entre ellas por los machos (Figura 9), mientras que éstos van a elegir a las hembras. De este modo, Wolbachia va a modificar el sistema de

apareamiento a nivel etológico, causando una inversión del rol sexual [23]. Teóricamente, esta alteración favorecería el incesto, ya que los machos se aparearán antes con sus hermanas puesto que son aquellas hembras que no están infectadas por la bacteria. Como consecuencia de ello, se generaría un fenómeno de endogamia que conduciría a la extinción de la especie [20]. Curiosamente, se ha demostrado recientemente que se da una carrera de armamentos entre el hospedador y la bacteria, de modo que el primero desarrolla mecanismos supresores del MK [9, 19]. Estos mecanismos pueden ser la muerte de la bacteria, la reducción de su transmisión vertical o el bloqueo del mecanismo de MK.

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