Fa 400 milions d'anys, els primers insectes poblaven la Terra. Els seus descendents van colonitzar el planeta adoptant diverses formes i mides, i van donar lloc a milions d'espècies diferents. Aquesta gran diversitat és fruit dels canvis que es van produir en el genoma dels insectes, que els van permetre adaptar-se a nous entorns al llarg del temps. Molts d'aquests canvis genètics, coneguts com a mutacions, es van donar mitjançant la duplicació, un error en la replicació de l'ADN responsable de moltes innovacions evolutives del regne animal, com el vol dels insectes.

El gen receptor de la insulina InR (Insulin Receptor) és un exemple de duplicació gènica.
“La via del receptor de la insulina (InR) és una via de senyalització cel·lular que regula processos clau com el creixement i la proliferació cel·lular, la longevitat, els nivells de sucre i la reproducció”, explica David Pujal, estudiant de doctorat a l’IBE i co-primer autor de l’estudi.

Actualment, tots els insectes alats tenen dues còpies del gen InR a causa d’una duplicació que es va produir fa aproximadament 400 milions d’anys. A més, estudis recents han revelat que hi va haver una segona duplicació d’aquest gen en l’avantpassat comú de les paneroles, els tèrmits, les mantis i els insectes pal fa uns 350 milions d’anys. Tot i això, es desconeixia per què aquest error s’ha mantingut en els insectes fins avui.

Ara, un estudi liderat per l'Institut de Biologia Evolutiva (IBE), un centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat Pompeu Fabra (UPF), revela que les dues còpies més recents del gen InR podrien reforçar la funció del receptor d'insulina ancestral, essencial per a la supervivència de les paneroles i altres grups propers. L’equip apunta que aquest error podria haver significat un avantatge evolutiu per als insectes i aporta llum sobre els mecanismes d'innovació evolutiva en els animals.

Les duplicacions gèniques, una font d'innovació evolutiva

Les duplicacions gèniques són freqüents i poden afectar des d’unes poques bases d’ADN fins a la duplicació d’un genoma sencer. Es tracta d’errors aleatoris que, segons el seu efecte en l’individu, s’eliminaran o persistiran en el genoma de l’espècie al llarg de les generacions.

“Les mutacions es produeixen constantment i de forma aleatòria en el genoma. Quan afecten un gen de vital importància, sovint l’individu no sobreviu i no es transmeten. Però si la mutació suposa un benefici per a l’individu, permetent-li tenir més descendència que altres espècimens de la seva espècie, la mutació, transmesa als descendents, acabarà probablement fixant-se”, explica José Luis Maestro, líder de l’estudi i investigador principal del grup Senyals Nutricionals en Insectes de l’IBE.

Generalment, les mutacions acumulades en un gen duplicat en desdibuixen progressivament la funció original fins a deixar-lo inservible. No obstant això, de vegades aquests canvis proporcionen un avantatge evolutiu a l’individu. El gen podria desenvolupar una nova funció (neofuncionalització) o reforçar una funció vital per a la supervivència (subfuncionalització). D’aquesta manera, l’evolució fa de l’error una virtut: a partir de la duplicació d’un gen, sorgeix una oportunitat de canvi i fins i tot de millora.

Partint d’aquesta premissa, l’equip de l’IBE va voler determinar per què les paneroles i els seus parents més propers han conservat tres còpies d’un mateix gen durant més de 350 milions d’anys. Per fer-ho, van dur a terme estudis funcionals en la reproducció de la panerola Blattella germanica. Amb el seu anàlisi, no van trobar signes de neofuncionalització en cap dels casos. Tot i això, el paper vital de la via de la insulina amagava la resposta.

Femella de Blattella germanica amb ooteca. Crèdit a Cristina Olivella.
 

“El receptor d’insulina té una funció essencial en els animals. Per això creiem que tenir una còpia extra d’aquest gen podria haver reforçat la seva funció i estat clau per a la permanència de les noves còpies”, apunta Maestro. “La redundància de gens que fan les mateixes funcions pot conferir estabilitat en processos crítics”, comenta Rosa Fernández, investigadora principal del Metazoa Phylogenomics Lab a l’IBE que ha participat en l’estudi.

L’evolució ha reforçat la senyalització de la insulina en les paneroles

Per identificar les funcions de les còpies del gen InR, l’equip va reduir l’activitat de cadascuna d’elles en individus adults de Blattella germanica. Van utilitzar ARN d’interferència, una molècula capaç d’unir-se específicament a les diverses còpies de l’ARN missatger del receptor d’insulina i inutilitzar-les. Gràcies a aquests assajos, van descobrir que la reducció dels nivells de InR1 i InR3 no tenia efectes notoris en Blattella. No obstant això, el bloqueig de InR2 provoca una inhibició important de la via del receptor d’insulina. Així, van descobrir que es tracta de la còpia més activa o la “més treballadora del trio”, com la descriu el grup, sent, de fet, la que presenta els nivells d’expressió més alts en tots els teixits estudiats.

“InR2 és la còpia que manté l’activitat principal del gen, mentre que les altres dues còpies actuen com a reforç. Això s’anomena redundància genètica. La còpia InR2 seria el solista d’un grup musical que té dos cantants de reforç, capaços de donar-li suport i continuar amb la cançó quan cal”, comenta Xavier Bellés, investigador principal del grup d’ Evolució de la metamorfosi dels insectes a l’IBE, que ha participat en l’estudi.

Així, l’estudi va determinar que les tres còpies del receptor InR s’han conservat al llarg de les generacions per reforçar la funció vital de la insulina en les paneroles. Es tractaria, per tant, d’un procés de subfuncionalització. Tot i això, l’equip no descarta que es pugui trobar una funció específica per a les diferents còpies del gen InR en altres processos o en altres espècies amb aquesta triplicació del gen.

“Hem realitzat alguns estudis funcionals en Blattella germanica, però hi ha molts aspectes de la seva fisiologia, i de la d’altres grups d’insectes relacionats, que encara s’han d’explorar i que podrien amagar una nova funció per a alguna de les còpies del gen InR”, conclou Maestro.

Article referenciat:

Pujal, D., Escudero, J., Cabrera, P., Bos, L., Vargas-Chávez, C., Fernández, R., Bellés, X., & Maestro, J.L. (2024). Functional redundancy of the three insulin receptors of cockroaches. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 172, 104161. https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2024.104161