Mecanismos de Determinación Sexual

Mecanismos
de
Determinación Sexual
Aida Oliván Viguera
Fundamentos de Genética
Licenciatura en Bioquímica
Curso 2009-2010
I. Introducción.
A lo largo de la historia los procesos embriológicos de determinación del sexo han sido
un gran interrogante que se ha intentado resolver de muy diferentes formas a lo largo de la
historia.
Ya Aristóteles especuló que el sexo del individuo venía marcado por “el calor de la
pasión del progenitor masculino durante el coito”, y la mujer no era sino un hombre mutilado
cuyo desarrollo sexual se había detenido porque el frío de las entrañas de la madre había
prevalecido sobre el calor del semen paterno.
La Grecia del Siglo V creía que el sexo venía determinado por el lado del útero en el
que el individuo se formaba, y que era posible elegirlo recostándose sobre un lado u otro
durante las relaciones.
Aún a finales del siglo XIX se decía que la constitución física, edad, nutrición y medio
ambiente de los padres deben ser especialmente considerados en todos los análisis acerca de
determinación sexual. Se argumentaba que los factores que favorecían el acumulamiento de
energía y nutrientes predisponían a tener descendencia femenina, mientras que los factores
que favorecían la utilización de la energía y nutrientes predisponían para la masculina.
No fue hasta 1905 que, paralelamente, Wilson y Stevens publicaron trabajos que
demostraban la existencia de cromosomas sexuales en insectos.
No obstante, no podemos descartar la influencia medioambiental en la determinación
sexual, pues hay evidencias, no en humanos, pero sí en otras muchas especies, de las
implicaciones de dicho factor.
Así pues, el objeto de este trabajo es recopilar los distintos mecanismos de
determinación sexual que se dan en la naturaleza, así como su modo de funcionamiento.
II.Sistemas de determinación sexual
Un mecanismo de determinación sexual es un sistema biológico que determina el
desarrollo de las características sexuales en un organismo.
En la mayoría de los casos, la determinación del sexo es genética, machos y hembras
tienen diferentes alelos, o incluso diferentes genes, que especifican su morfología sexual. En
animales habitualmente se dan también diferencias cromosómicas. En otros casos el sexo está
determinado por variables ambientales, como la temperatura, o incluso variables sociales,
relativas a la población. A continuación vamos a describir cada uno de los cuatro tipos de
mecanismos: génico, cromosómico, haplodiploidia y medioambiental
II.1- Determinación génica.
El sexo no viene determinado por un cromosoma. Existen genes determinantes del sexo,
uno o varios, que pueden o no localizarse en un cromosoma sexual. Estos genes corresponden
a una serie alélica en donde masculino (m) es dominante frente a hermafroditismo (h), y
hermafroditismo dominante frente a femenino (f).
Este sistema es muy habitual en plantas.
Así, los individuos machos serán los que presenten genotipos mm, mh y mf;
hermafroditas los de genotipo hh y hf y únicamente los genotipos ff serán de hembras.
II.2- Determinación Cromosómica.
Mediada por cromosomas sexuales, pudiendo diferenciar entre la presencia de
heterocromosomas o por el contrario, de un solo cromosoma sexual.
II.2.1. PRESENCIA DE HETEROCROMOSOMAS
II.2.1.1 - Sistema XY
Es el sistema de determinación en humanos y mayoría de mamíferos, así como
equinodermos,
moluscos
y
algunos
artrópodos.
El cromosoma Y es el determinante de masculinidad. Las hembras son el sexo homogamético
y por tanto tienen dos cromosomas sexuales homólogos (XX), mientras que los machos son el
sexo heterogamético y tienen dos cromosomas distintos (XY). El cromosoma Y es el
determinante de masculinidad gracias a la presencia en él de una serie de genes que
determinan el desarrollo gonadal.
La señal primaria para la distinción testicular de la gónada indiferenciada, que en un
principio es bipotencial, es la presencia y expresión del gen Sry. Este gen se localiza en el
brazo corto del cromosoma Y. Es el testículo el que una vez diferenciado producirá las
hormonas que controlarán la diferenciación de los genitales masculinos internos y externos.
En el caso de las hembras la ausencia del gen Sry ocasiona que la gónada se desarrolle como
ovario y los genitales como femeninos.
Pero además de este gen existen otros muchos que determinan el desarrollo en uno u
otro sentido del individuo.
Por ejemplo, en ratones se ha demostrado como Sox9 es necesario y suficiente para la
determinación y diferenciación del testículo.
Tanto en humanos como en ratones este gen interacciona directamente con SF1(Factor
esteroidogénico 1) para regular la expresión de Mis (hormona anti-Mülleriana), primer factor
secretado por células de Sertolli diferenciadas en el testículo, causando la regresión de los
conductos Müllerianos, que de otro modo desarrollarían el útero, cervix y trompas de Falopio
femeninos.
Representación Esquemática del desarrollo de los fenotipos sexuales en mamíferos. La
diferenciación de los genitales bipotenciales en testículos requiere del gen Sry del cromosoma
Y. Tras esto, hormonas como los andrógenos y la hormona anti-Mülleriana (AMH) producen
el desarrollo directo de todas las diferenciaciones sexuales secundarias. En ausencia del gen
Sry, todas las diferenciaciones sexuales siguen la ruta femenina. CONVENDRIA PONER
DE DONDE HAS SACADO LA IMAGEN
II.2.1.2 - Sistema ZW
Existen dos cromosomas sexuales, W y Z. Los individuos heterogaméticos, ZW, son las
hembras, y los homogaméticos los machos, ZZ. Este sistema es el habitual en aves,
mariposas, algunos anfibios y reptiles y, dada su enorme variedad de mecanismos de
determinación, también en algunos peces.
II.2.2 - SISTEMA XO
Existe un solo cromosoma sexual. El individuo XX es de un sexo, generalmente
hembra, y el XO del otro, macho (O indica ausencia de Y). A consecuencia de ello, las
hembras tienen número par de cromosomas, y los machos número impar. Las hembras
producirán siempre gametos con un cromosoma X, mientras que los machos podrán
producirlos
con
un
cromosoma
X,
o
sólo
con
autosomas.
Los casos en los que el individuo de número par de cromosomas es macho suelen
denominarse ZZ, siendo las hembras ZO.
El sistema XO se da en algunos insectos como grillos, cucarachas y saltamontes.
El sistema ZO se observa por ejemplo en el nematodo C. eleagans.
II.2.3–SISTEMA XA
El sexo viene determinado por el número de cromosomas X en relación al número de
juegos autosómicos, lo que seconoce como índice sexual. Cuando la relación es de X/A = 0’5
los individuos son machos, y para X/A = 1 son hembras. Si el índice es superior a 1,5 nos
encontraremos ante una metahmebra, generalmente muy débiles y estériles. Si la proporción
es inferior a 0’5 se tratará de un metamacho. Cuando el índice varíe entre 0’5 y 1 serán
individuos intersexo.
En Drosophila la determinación del sexo depende de este sistema. XY son machos
normales, y XX hembras normales. La presencia del cromosoma Y no es necesaria para el
desarrollo de los individuos como machos, pero sí es imprescindible para que los machos
tengan espermatogénesis, siendo estériles los individuos AAXO. Así mismo, la presencia del
cromosoma Y tampoco impide la fertilidad de las hembras, por lo que los individuos AAXXY
son fértiles. Los individuos intersexo podrán ver alterado su desarrollo por la variación de la
temperatura a la que se desarrollan, produciéndose machos a temperaturas bajas, y hembras a
altas.
También se dan loci autosómicos que pueden invalidar la constitución cromosómica.
Así, el alelo recesivo “Doublesex” produce machos y hembras con desarrollo intersexual, y el
“Transformer”, alelo recesivo también, convierte a las hembras en machos estériles.
II.3- Haplodiploidía
Característico de insectos sociales como hormigas, abejas o termitas, la determinación
sexual por este sistema no depende de la presencia de cromosomas sexuales, pero en ella los
machos y las hembras tienen diferente constitución cromosómica.
Por lo general, las hembras son diploides, generadas por fecundación; y los machos
haploides,
generados
por
partenogénesis
y
mitosis.
La partenogénesis es una forma de reproducción basada en el desarrollo de células sexuales
no fecundadas.
Existen varios modelos del mecanismo genético de este sistema. El más extendido es el
conocido como “de alelos complementarios”, que se observa en las sociedades de insectos
matriarcales, como la abeja melífera, donde la reina tiene dotación diploide, y produce
gametos que pueden ser fecundados por machos para dar hembras, o no ser fecundados y
originar machos. En este modelo el sexo masculino no es una propiedad de la haploidía por sí
misma. Se descubrió que al realizar cruzamientos consanguíneos se podían obtener machos
diploides. Se establece por ello que la feminidad es producida cuando en un locus
determinado se produce la heterocigosis para cualquiera de las combinaciones posibles de una
serie alélica. La hemicigosis del estado haploide y la homocigosis de los diploides
consanguíneos son lo que da lugar a machos.
En caso de varios loci con dos o más alelos, la heterocigosis en al menos un locus ya
daría lugar a una hembra.
Las hembras fértiles, o reinas, de este grupo suelen poder regular la proporción de sexos
dentro de la colonia gracias a la posibilidad de almacenar esperma en un saco interno, y
controlar su liberación al paso de los huevos por el oviducto, marcando así la proporción de
machos y hembras producidos.
Figura: Determinación sexual en la abeja Apis mellifera. Los segmentos rojos y verdes
representan los cromosomas portadores de los locus de determinación sexual complementaria
(csd). CsdA y CsdB representan dos alelos de este locus en donde codifican dos isoformas de
la proteína Csd, la proteína A y la B respectivamente.
Otro de los modelos para este sistema es el de “equilibrio génico”, que atribuye la
determinación sexual a factores determinantes de la feminidad (f) que tienen efectos
acumulativos y a factores determinantes de la masculinidad (m) que apenas tienen, o no
tienen, dichos efectos acumulativos. Los efectos de los genes m son iguales en haploides que
en diploides (M), mientras que los efectos de los genes f son F en haploides y 2F en diploides.
En consecuencia, el sexo vendrá determinado por la relación 2F > M > F, de manera que los
diploides siempre serán hembras y los haploides machos. Este modelo se observa por ejemplo
en colonias de hormigas.
II.4.Determinación ambiental del sexo (EDS)
Es un sistema de determinación sexual en el que los individuos se ven influidos por
diversas variables del entorno, el sexo de la progenie puede modularse después de la
fertilización. De entre los factores determinantes, el más importante habitualmente es la
temperatura, pero también pueden influir la duración del día, la nutrición, la densidad, la
humedad, la composición iónica del medio ambiente, el pH... o incluso la población puede
determinar el sexo del organismo.
Este sistema es frecuente en anfibios y reptiles, muy marcado en cocodrilos, tortugas y
algunos lagartos, pero también se ha observado e algunas especies de pájaros, como el pavo
australiano, y peces.
II.4.1.- EVOLUCIÓN EN LA DETERMINACIÓN SEXUAL
El conocido como modelo de Charnov y Bull propone que la EDS se ve favorecida por
la selección natural cuando la aptitud de un individuo como macho o hembra está fuertemente
influida por las condiciones ambiéntales, es decir, cuando en unas condiciones es más
favorable ser macho y en otras hembra, y dicho individuo tiene poco o nulo control sobre
dichas condiciones.
La variación adaptativa de las proporciones de sexos es mucho más fácil para los
organismos con EDS, y esta característica es la causa de la evolución y mantenimiento de este
sistema de determinación sexual.
No obstante, un inconveniente de este sistema es que permite a las condiciones de
cambio climático influir, o incluso determinar, las proporciones sexuales de una población.
Este impacto es más o menos negativo en función de la longevidad de la especie en cuestión;
fluctuaciones anuales en especies de larga vida media apenas tienen consecuencias, pues se
compensan entre generacionesAnálisis filogenéticos y moleculares parecen demostrar que la
estrategia de determinación sexual cromosómica habría evolucionado a partir de la estrategia
ambiental, y esto es así porque, en general, la independencia del entorno que confiere el modo
genético supone una ventaja para el mantenimiento de las proporciones 1:1 de machos y
hembras.
Podemos observar este modelo evolutivo atendiendo a los distintos sistemas que rigen
la determinación sexual en aves y reptiles.
A pesar de que los dinosaurios y los cocodrilos pertenecen al mismo grupo de los
Arcosaurios, del que también descienden las aves modernas, ambos tres han seguido caminos
muy diferentes en los 250 millones de años que separan su parentesco.
Hace 65 millones de años el impacto del gran meteorito Chicxulub tuvo un efecto
determinante sobre una serie de factores relacionados, como la competencia por el alimento,
la variación en el nivel del mar o el cambio climático. Sabemos que esto aceleró la
desaparición de los dinosaurios. Uno de los factores que explican, o contribuyen a explicar,
esta desaparición es que los cambios llevasen a una preponderancia del número de machos
frente al de hembras en la descendencia, mantenida durante demasiado tiempo como para
permitir la recuperación de las poblaciones.
Sin embargo, una serie de factores fisiológicos no determinados con exactitud debieron
evitar esta consecuencia fatal en otras especies, como se ha mencionado, aves y otros reptiles.
En el caso de las aves, la evolución hacia la endotermia había determinado que cambiasen su
estrategia de determinación sexual al modo cromosómico, lo que en esa situación resultó
claramente ventajoso.
En el caso de cocodrilos, tortugas y otros parientes, sus hábitos de vida en las interfases
tierra-agua les proporcionaron cierta protección frente a los cambios.
II.4.2 – DISTINTOS SISTEMAS DE EDS
II.4.2.1 - Determinación sexual determinada por la temperatura
(TSD)
El sistema TSD (de sus siglas en inglés Temperature-dependent sex determination), el
más extendido dentro de la determinación sexual ambiental, determina el sexo de los
individuos que nacen (por lo general huevos), en función de la temperatura.
Los huevos se ven afectados por la temperatura a la que se incuban generalmente
durante el tercio central del desarrollo embrionario, lo que se conoce como periodo
termosensible.
Dentro de este mecanismo se observan dos patrones: en tortugas y lagartos se da el
primero de ellos, que tiene una zona de transición única, donde los huevos eclosionan
predominantemente hembras si se incuban por encima de una temperatura determinada, y
varones si lo hacen por debajo de dicho umbral de temperatura, o viceversa. El otro patrón,
observado por ejemplo en cocodrilos, tiene dos zonas de transición, naciendo varones los
incubados a temperaturas intermedias, y hembras los incubados a temperaturas extremas.
Cuando los huevos son incubados muy cerca de la temperatura de cambio de tendencia
se producen ambos sexos, o incluso, aunque en raras ocasiones, se producen individuos
intersexo.
Aspectos moleculares
Se han realizado estudios en los que el cambio de los huevos durante el periodo
termosensible de una temperatura que podríamos denominar generadora de hembras, a una
generadora de machos, produce el redireccionamiento de las gónadas hacia el nuevo órgano
esperado en el 100 % de los casos.
En general las especies con TSD carecen de cromosomas sexuales identificados, pero en
los diferentes grupos de vertebrados se han catalogado algunos genes que participan en la
cascada de determinación del sexo, que se encuentran conservados en estructura y función,
entre ellos Sox9, Dax1, Dmrt1, Mis... Se ha sugerido que éstos mismos podrían formar parte
de la cascada de determinación sexual en especies con TSD, dado que al estudiar su expresión
en distintas etapas del desarrollo gonadal de ciertas especies de tortugas se observa que la
temperatura tiene efectos sobre su expresión.
Se cree que los genes involucrados en las fases tempranas del desarrollo de la gónada
bipotencial se expresan de manera dimórfica en algún momento del periodo termosensible,
aunque los genes integrales para el desarrollo final del testículo o el ovario se expresan
después de este periodo.
En estas especies las gónadas son sensibles al efecto de la temperatura durante el tercio
medio del desarrollo embrionario, y una vez que este periodo ha concluido las gónadas
quedan marcadas.
A modo de ejemplo de estos estudios nos centraremos en los realizados con el gen
Sox9:
en especies con TSD la expresión de este gen durante el periodo termosensible es igual
a temperatura generadora de machos que de hembras. Sin embargo, se sabe que en especies
con determinación genética este gen está relacionado con la diferenciación gonadal. Tratando
de encontrar una relación entre los mecanismos de ambas especies, se llegó a observar que al
principio del periodo termosensible la expresión a temperaturas masculinizantes se llevaba a
cabo en clusters de células rodeados de otras que no expresaban el gen. Estas células que
expresan el gen son presuntamente células de Sertolli de un conducto seminífero en
desarrollo.
Aunque los niveles de expresión de Sox9 a temperaturas feminizantes son similares, la
localización de la transcripción es difusa y aparece desorganizada por toda la gónada.
Esta diferente localización no implica un dimorfismo sexual en una etapa tan temprana
del desarrollo, pero si sugiere una similitud con el proceso observado en mamíferos.
Resultados de similares conclusiones se obtuvieron para estudios con los genes Dax1,
Dmrt1 o Mis, validando la hipótesis de que estos genes de la cascada de determinación sexual
en mamíferos también están implicados en el proceso influido por la temperatura.
Expresión del Sox9 en gónadas embrionales de tortuga de orejas rojas medidas por
hibridación in situ y real-time PCR cuantitativa. Se observa como en las primeras etapas Sox9
se expresa a niveles comparables en ambas gónadas (A y B) y como sin embargo secciones de
las gónadas revelan que a temperatura masculinizante (MTP) los transcritos de Sox9 se
concentran en células rodeadas por otras que no lo expresan (I) mientras que a temperatura
feminizante (FTP) permanecen dispersas (J).
Influencia del Cambio Climático por TSD
Según investigadores del CSIC hasta 40 especies de peces tienen TSD, además de poder
verse influidos por otros factores como pH (un pH ácido del agua aumenta la proporción de
machos), o condición social.
Estos factores ambientales influyen en la secreción de hormonas en los primeros
estadios del desarrollo, cuando se está determinando el sexo, siendo cruciales para la
expresión
de
ciertos
genes
que
llevarán
a
uno
u
otro
sexo.
Para estas especies no hay diferencia genética entre machos y hembras. En ellas, incrementos
discretos de temperatura desvían considerablemente la proporción de machos-hembras en las
poblaciones. Así, un incremento de 1.5ºC en el agua como los que están previstos, harán
aumentar la proporción de machos en algunas especies hasta incluso el 73%. Un incremento
de 4ºC lo haría entre un 65% y hasta un 98%. En el peor de estos casos sólo un 2% de la
población serían hembras, lo cual haría peligrar seriamente la supervivencia de esa especie.
Además, las especies que no tienen TSD pero que son sensibles a la temperatura en sus
desarrollos tempranos también se verían, aunque con menor intensidad, afectadas.
Patrón de respuesta en la proporción de machos
(%) a los cambios de temperatura del agua en especies
de peces con verdadera TSD. Los incrementos de
temperatura producen siempre mayor proporción de
machos.
II.4.2.2 - Polifenismo
El polifenismo es la capacidad de un único genoma para producir dos o más
morfologías alternativas en respuesta a una señal del medio ambiente. En el caso de la
determinación del sexo del individuo, esto permite a la especie beneficiarse de las ventajas de
la reproducción sexual permitiendo al mismo tiempo variar la proporción de sexos de la
población cuando sea necesario.
La TSD limita el rango en que una especie puede existir,
pudiendo ser problemática en condiciones extremas (se ha propuesto que pudo ser una de las
causas que llevaron a la extinción de los dinosaurios); aquellas especies que tienen una
determinación sexual reversible y dependiente de la población tienen menos posibilidades de
fracaso. Así, el pez azul, que se rige por este sistema, permite sólo la presencia de un macho
en un territorio determinado, y todas las larvas se desarrollan como hembras hasta que el
macho muere, momento en el cual una de las hembras de su territorio se convierte en macho.
Este sistema asegura que siempre habrá posibilidad de apareamiento mientras
sobrevivan dos animales de la misma especie, pero disminuye la variación genética en la
especie si las hembras permanecen siempre en el territorio de un mismo macho. Además, el
sistema es “per se” inestable a pequeña escala, porque una sola mutación que lleve a perder su
reversibilidad y permanecer como macho se extenderá rápidamente por toda la población,
debido a la alta disponibilidad femenina, y podría provocar la pérdida de hembras y la
extinción.
Bibliografía
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