L’expressió diferencial de gens entre femelles i mascles de mamífers

Genètica molecular humana: El dimorfisme sexual fa referència a les característiques (fenotips) secundàries que difereixen entre els sexes d’una espècie. Des del punt de mira genètic, els mamífers segueixen una determinació sexual cromosòmica de manera que el sexe femení és el sexe homogamètic i el sexe masculí és el sexe heterogamètic. Els cromosomes sexuals, doncs, són representats com a X i Y (amb Y com a minicromosoma) i si les femelles tenen una configuració XX, els mascles tenen una configuració XY. En el cromosoma Y es troba l’interruptor genètic que orientarà el programa de desenvolupament embrionari cap al sexe masculí. Aquest programa embrionari es manifestarà en el desenvolupament gonadal però també en totes aquelles característiques secundàries que diferencien mascles de femelles. Els cromosomes sexuals (X, Y) suposen tan sols una part minoritària de tota la dotació cromosòmica, però la diferenciació sexual acaba per afectar l’expressió de gens situats també en els altres cromosomes (autosomes). O, dit d’una altra manera, l’expressió diferencial és la base transcriptòmica del dimorfisme sexual. El grup de recerca de David C. Page és conegut, fins i tot més enllà de l’àmbit de les ciències biològiques, pels seus estudis sobre les diferències (epi)genètiques entre mascles i femelles. Aquesta setmana la revista Science publica un article del grup de Page sobre les diferències sexuals en l’expressió gènica de dotze teixits diferents de cinc espècies de mamífers (humans, ratolins, rates, gossos i macacos). En aquest estudi paren especial atenció a com afecta aquesta expressió diferencial de gens a les diferències sexuals en l’altura de l’espècie humana. També observen com en diferents espècies divergeixen els patrons d’expressió gènica vinculada al sexe. En termes generals, hom pot dir que en els mamífers els mascles són més grossos que les femelles, i que hi ha diferències metabòliques, cardiovasculars i immunitàries, però en aquest estudi Naqvi et al. contribueixen al catàleg del biaix sexual de l’expressió gènica. L’objectiu en darrer terme és identificar quins factors de transcripció contribueixen en diferents mamífers al dimorfisme sexual. D’acord amb el model de Naqvi et al. hi ha uns 3000 gens que en les cinc espècies estudiades mostren un biaix de sexe en l’expressió, que a més sol ésser específic de teixit. Aquests gens on el biaix de sexe és conservat entre els mamífers podrien explicar el 12% de les diferències sexuals en l’estatura mitjana humana. Un exemple és el factor de transcripció LCORL, que tendeix a expressar-se més en femelles, i que s’associa genèticament amb la mida corporal. No obstant, la major part (vora un 77%) dels gens que presenten una expressió esbiaixada segons el sexe, ho són de manera exclusiva d’una espècie o d’un grup d’espècies, i no part dels tots els mamífers. Això darrer és particularment rellevant per Naqvi et al., ja que llavors les diferències sexuals moleculars que s’observen en una espècie de mamífer no necessàriament es mantenen per a d’altres espècies.

Naqvi et al. han realitzat un estudi transcriptòmic en dotze teixits diferents (cervell, glàndula pituïtària, tiroides, cor, pulmó, fetge, melsa, glàndula adrenal, còlon, teixit adipós, pell i múscul) de cinc espècies de mamífers (humans, macacos, ratolins, rates i gossos)

La genètica del dimorfisme sexual

Aquesta recerca fou dissenyada per Sahin Naqvi, Alexander K. Godfrey, Jennifer F. Hughes i David C. Page. Tots quatre són investigadors del Whitehead Institute de Cambridge (Massachusetts). Naqvi, Godfrey i Page pertanyen a més al Department of Biology del MIT. Page també treballa al Brigham and Women’s Hospital, de la Havard Medical School, de Boston.

Hughes aportà les mostres de teixits de Macaca fascicularis. Mary L. Goodheart, del Howard Hughes Medical Institute i del Whitehead Institute, aportà mostres de teixits de rata (Rattus norvegicus) i de ratolí (Mus musculus), amb l’ajut de Naqvi.

Naqvi processà les mostres de teixit i realitzà les anàlisis bioinformàtiques, amb l’ajut de Godfrey. El metge patòleg Richard N. Mitchell, del Brigham and Women’s Hospital, realitzà les avaluacions histològiques de les preparacions de teixits humans.

La supervisió de la recerca anà a càrrec de Page. Naqvi i Page redactaren l’article. Les dades d’expressió gènica s’han publicat a la base de dades Gene Expression Omnibus. Els autors agraeixen a Daniel W. Bellott, Lukáš Chmátal i Richard Ransohoff la lectura crítica que feren de l’estudi. L’estudi fou finançat gràcies al projecte que Biogen, Inc té amb Naqvi i Page, i aportacions del Whitehead Institute, del NIH (R01HG007852 dedicat a fer accessibles regions genòmiques estructuralment complexes, i U01HG007857), del HHMI, i de donacions de Brit i Alexander d’Arbeloff i Arthur W. i Carol Tobin Brill.

Quan parlem de dimorfisme sexual pensem en els trets antropomètrics, però l’expressió també es pot estendre a les diferències sexuals en el metabolisme energètic, la morfologia cerebral i en les funcions immunitària i cardíaca. Aquestes diferències anatòmiques i fisiològiques també s’expressen en diferències de caire patològic, és a dir en la incidència, prevalença i mortalitat de malalties autoimmunitàries i cardiovasculars, o de trets com l’autisme.

La fisiologia comparada s’ha ocupat de com s’expressen aquestes diferències en diferents espècies. En els mamífers, en termes generals, els mascles són més grossos que les femelles, i sovint s’observen diferències en els sistemes neurològic, immunitari i cardiovascular, però el cert és que hi ha espècies més i menys dimòrfiques.

Les diferències fisiològiques i anatòmiques, és a dir les diferències fenotípiques, deuen tenir una base material en l’expressió gènica, és a dir en el transcriptoma de cada espècie. És cert que hi ha diferències genòmiques per sexes entre els mamífers, ja que el cromosoma Y, exclusiu dels mascles, conté gens que són específics d’aquest sexe, alguns dels quals s’expressen en molts teixits. També és cert que mentre els mascles són monosòmics per al cromosoma X, les femelles són disòmiques, encara que cal dir la inactivació d’un dels cromosomes X és gairebé general en tots els teixits de l’organisme. Però, comptat i debatut, els genomes de mascles i femelles d’una mateixa espècie no difereixen prou com perquè es pugui explicar el dimorfisme sexual per factors purament genòmiques. Les diferències, doncs, cal trobar-les en l’expressió gènica, i Naqvi et al. pensen que per fer-ho cal una aproximació òmica: que abasti tot el genoma, que estudi el nombre més elevat possible de teixits i que ho faci amb una perspectiva comparada entre diferents espècies. Aquesta perspectiva comparada els ha de permetre diferenciar entre el biaix d’expressió per sexe que és conservat en tots els mamífers i el que és específic de llinatges o espècies concretes. La perspectiva multitissular permet confrontar aquest biaix d’expressió per sexe en diferents tipus cel·lulars.

Els teixits estudiats

Per als teixits humans, Naqvi et al. han recorregut al projecte Genotype-Tissue Expression (GTEx). En aquesta banc de teixits, les mostres histològiques es troben classificades d’acord amb la causa de la mort, l’historial mèdic i anotacions dels patòlegs que les prepararen.

Les mostres de teixits procedents de macacos, ratolins, rates i gossos procedeixen d’animals sans (tres per cada espècie i sexe), i es recolliren en la primera hora després de l’eutanàsia. En el cas de femelles, en el moment de l’eutanàsia eren fora de l’estre. L’extracció d’ARN, la preparació de la genoteca i la seqüenciació d’ARN es feien en lots de preparació aleatoritzats pel que fa al teixit, l’espècie i el sexe.

El conjunt de dades transcriptòmiques fou analitzat amb un model lineal mixt per tal d’identificar gens que mostressin un biaix consistent d’expressió segons el sexe en diferents espècies i per a cada teixit. Amb una reducció adaptativa multivariada (mashr) s’identificaven canvis específics de llinatge en el biaix per sexe. La repetició de les anàlisis amb permutacions de les mostres va permetre d’estimar la taxa de falses descobertes. Les magnituds dels biaixos eren comprovades en bases de dades independents a través de la reanàlisi de les dades crues. Els biaixos específics de llinatge en cada teixit servien per a identificar quins llocs d’unió a factors de transcripció participaven en aquests biaixos. Els models existents servien també per predir l’impacte dels biaixos sobre l’estatura en l’espècie humana.

Cent milions d’anys d’evolució

Les cinc espècies contemplades en aquest estudi (Homo sapiens, Macaca fascicularis, Mus musculus, Rattus norvegicus i Canis familiaris) són totes membres del clade dels boreoeuteris, el darrer ancestre comú dels quals degué viure fa 80-100 milions d’anys. Els boreoeuteris són actualment el clade més important dels mamífers placentaris (euteris), del qual tan sols són exclosos els afroteris (on hi ha l’elefant) i els xenartres (on hi ha l’ós formiguer).

Els dotze teixits analitzats són: teixit adipós, glàndula suprarenal, cervell, còlon, cor, fetge, pulmó, múscul, hipòfisi, pell, melsa i tiroide. Aquests dotze teixits cobreixen les tres capes germinals embrionaris (ectoderma, mesoderma i endoderma).

Després d’aplicar-hi un control de qualitat, Naqvi et al. obtingueren 740 mostres humanes de seqüències d’ARN de teixits humans i 277 de teixits no-humans. Per relacionar aquestes mostres es tingueren en compte els nivells d’expressió de 12.939 gens codificants de proteïnes ortòlogues. És interessant remarcar que les mostres s’agrupen abans d’acord amb el teixit que no pas amb l’espècie, i que l’agrupació segons el sexe va darrera de l’agrupació d’acord amb el teixit i l’espècie. De totes maneres, el sexe contribueix de manera significativa en les diferències en expressió gènica.

El biaix d’expressió per sexe conservat en les cinc espècies estudiades

Per a cada teixit, es considera que un gen mostra un biaix conservat per sexe, si hi ha un canvi en un sentit superior al 5% que és present, si més no, en quatre de les cinc espècies estudiades. Naqvi et al. assumeixen que en aquest cas el biaix per sexe seria una característica heretada del darrer ancestre comú dels boreoeuteris.

De 113.853 parells de gen expressat+teixit, n’hi ha 3885 parells que mostren un biaix conservat per sexe. Aquests 3885 parells es corresponen a 3161 gens diferents. Cal dir que en la majoria de casos (90%) el biaix d’expressió no arriba a 2 (és a dir que el sexe que expressa més aquest gen en un teixit no ho fa més de 2 vegades el nivell d’expressió de l’altre sexe). El teixit que mostra un major nombre de gens amb biaix conservat per sexe és la glàndula hipofisària (805 gens) i el que menys és el còlon (128).

Dels 3161 gens que mostren biaixos conservats per sexe, n’hi ha 562 (18%) que mostren un biaix d’expressió en més d’un teixit. En general, els biaixos per sexe en diferents teixits d’un mateix gen tendeixen a anar en la mateixa direcció. De tota manera, podem dir que el biaix conservat per sexe és majoritàriament específic de teixit.

Els gens dels cromosomes sexuals, com era d’esperar, mostren un major biaix d’expressió per sexe. Tots els gens localitzats en els cromosoma Y tenen un biaix masculí d’expressió. Entre els gens localitzats en el cromosoma X trobem una major proporció de biaixos conservats d’expressió per al sexe femení. Aquests gens de biaix femení del cromosoma X solen ésser els que escapen a la inactivació d’un dels dos cromosomes X en correspondre’s a la regió dels cromosomes sexuals que tenen homologia entre els cromosomes X i Y.

Cal dir, de tota manera, que el 85-95% dels gens amb biaix d’expressió per sexe són presents en cromosomes no-sexuals (autosomes).

El biaix d’expressió per sexe específic de llinatge

La major part del biaix d’expressió gènica per sexe no és conservat en les cinc espècies estudiades. Naqvi et al. estimen en 6539 (23%) els parells gen-teixit de biaix per sexe que ja serien presents en l’ancestre comú dels boreoeuteris, mentre que 22.194 (77%) del parells haurien adquirit el biaix per sexe en algun moment posterior en l’escala evolutiva. El quadre és més complex quan es consideren 8495 parells que no es poden assignar fàcilment ni a “biaix conservat” i a “biaix específic de llinatge”).

Si hom considera els diferents teixits, els biaixos conservats dominarien únicament en la glàndula pituïtària, mentre que en els altres la major part dels biaixos serien específics de llinatge.

Els gens amb biaix per sexe tendeixen a patir una menor pressió selectiva

Els gens que s’expressen en molts teixits i que ho fan a forts nivells d’expressió són considerats gens clau (“housekeeping genes”) i se suposa que pateixen una pressió selectiva més a forta, en el sentit que la selecció natural restringeix més fortament la seva deriva. Naqvi et al. observen que els gens amb biaix per sexe mostren un abast d’expressió inferior al gens que no tenen aquest biaix. Entre els teixits, el pulmó és una excepció, ja que en el teixit pulmonar els gens amb biaix per sexe mostren una expressió més ampla. Però val a dir que els gens que en mamífers mostren un biaix per sexe també tendeixen a presentar un menor abast d’expressió en una espècie no-mamiferiana com són els pollastres. D’alguna manera, es reprodueix l’antic concepte darwinià segons el qual la selecció per sexe ocupa un lloc secundari darrera de la selecció adaptativa general.

Els gens que mostren un biaix per sexe en l’expressió en cor, melsa o fetge, també són els que presenten una menor conservació de seqüència quan es comparen entre espècies diferents de mamífers. Com més pleiotròpica és l’expressió d’un gen o més rellevant sembla ésser la seva funció, i més conservada la seva seqüència, menys probable és que pugui arribi a presentar un biaix d’expressió per sexe.

Biaix d’expressió per sexe i mida corporal

En la majoria d’espècies de mamífers els mascles són significativament més grossos que les femelles. En l’espècie humana, la mitjana d’estatura dels homes és 10-15 cm superior a la mitjana de les dones: una diferència del 7-13%. És clar que això no impedeix que hi hagi moltes dones que siguin més altes que alguns homes, i que hi hagi molts homes que siguin més baixos que algunes dones. En altres espècies, la diferència és més marcada i el grau de superposició entre sexes és força menor.

L’estatura humana depèn de factors genètics i ambientals (particularment, nutricionals). En el factor genètic de l’estatura humana hi intervenen molts gens, que ho fan, a més, d’una manera semblant en homes i dones. Més de 700 gens mostren una associació amb l’estatura humana, i només un grapat s’hi associen de manera específica d’acord amb el sexe. La diferència d’estatura entre sexes s’ha atribuït a pressions selectives diferents, que fan que l’estatura òptima per a l’èxit reproductiu sigui superior entre els homes que entre les dones. Estudis en altres espècies de mamífers troben resultats semblants.

La diferència en l’estatura entre dones i homes s’associa a biaixos en l’expressió gènica, alguns dels quals són compartits amb altres primats i d’altres, de manera més general, amb altres boreoeuteris

Naqvi et al. han trobat 560 parells gens-teixits que mostren una associació amb l’estatura humana i un biaix conservat per sexe. Aquests parells afecten a tots els teixits, però el nombre més elevat es troba en els teixits muscular, adipós i pituïtari. Molts d’aquests gens participen en funcions metabòliques. Els gens amb un biaix masculí presenten una associació més elevada amb l’estatura que no pas els gens amb un biaix femení. En general, els gens amb biaix masculí contribueixen a una estatura més elevada, els gens amb biaix femení ho fan en un sentit oposat.

El biaix conservat per sexe podria contribuir a una diferència entre sexes d’1,6 cm d’estatura mitjana, és a dir al 12% de la diferència observada. Un exemple d’aquests gens és el factor de transcripció LCORL, que presenta un biaix conservat en la glàndula pituïtària que el fa expressar-se més en femelles de mamífers. Aquest gen, en l’espècie humana, contribueix a una reducció en l’estatura, però polimorfismes d’aquest gen també condueixen a diferències en la mida corporal de gossos, bous o cavalls.

Els efectes metabòlics del biaix d’expressió per sexe

Els biaixos conservats i adquirits per sexe afecten diferents sistemes biològics. Els gens amb un biaix conservat masculí en la glàndula pituïtària participen especialment en la via de senyalització de l’AMPc, important en la resposta a l’estrès. Els gens amb un biaix conservat femení en el còlon i en la tiroides participen especialment en vies del sistema immunitari adaptatiu. Els gens amb un biaix conservat femení en el teixit adipós participen especialment en la síntesi mitocondrial de proteïnes i en el processament d’ARN ribosomal. Els gens amb un biaix adquirit masculí en el fetge, en el teixit adipós i en el cor participen especialment en el metabolisme d’àcids grassos, en la regulació de la secreció hormonal i en el metabolisme nucleotídics. Els gens amb un biaix adquirit femení en el fetge participen especialment en l’organització de la matriu extracel·lular.

L’evolució dels biaixos d’expressió per sexe en els factors de transcripció

Naqvi et al. han estudiat els promotors de gens que presenten un biaix adquirit d’expressió per sexe en un teixit, i els han comparat amb els promotors de gens ortòlegs d’altres espècies que no presenten aquest biaix. En 83 casos troben que aquests promotors contenen llocs d’unió a factors de transcripció que presenten un biaix per sexe en el mateix teixit. Aquests 83 casos es corresponen al biaix per sexe de 6073 parells gen-teixit, és a dir el 27% de tot el biaix específic per sexe.

Un exemple d’aquests factors de transcripció és PKNOX1, que presenten un biaix masculí d’expressió en teixit muscular. Els canvis en els motius d’unió a PKNOX1 expliquen els canvis en el biaix per sexe que experimenten altres gens.

La limitació dels models no-humans en l’estudi de les diferències sexuals en l’espècie humana

L’estudi de Naqvi et al. posa de manifest l’existència un biaix conservat per sexe en l’expressió gènica. Però alhora també mostra que hi ha una major afinitat en els nivells d’expressió d’acord amb l’espècie que no pas d’acord amb el sexe. A més, la major part del biaix per sexe en l’expressió gènica no és conservat entre tots els mamífers, sinó que ha evolucionat de manera més recent i diferenciada en cada llinatge.

Naqvi et al. posen com a exemple el fet que les variants genètiques que disminueixen l’expressió del gen KLF14 en teixit adipós s’associen en l’espècie humana amb un augment de la resistència a la insulina i un major risc de diabetis de tipus 2 únicament en les dones. En canvi, una reducció en l’expressió del gen Klf14 en el teixit adipós de ratolins té un efecte pro-diabètic semblant en tots dos sexes.

Naqvi et al. recorden que el biaix conservat per sexe explica tan sols el 12% de la diferència sexual en l’estatura mitjana humana. Hi ha altres factors genètics esbiaixats per sexe que hi deuen contribuir, i que encara no han estat identificats. Entre els gens que hi podrien contribuir, Naqvi et al. citen a SHOX.

Naqvi et al. consideren que el pas següent és catalogar de manera específica segons cada teixit i cada espècie, els factors que expliquen l’adquisició o pèrdua de l’expressió gènica esbiaixada per sexe durant l’evolució de cada llinatge de mamífers. Es tractaria de reconstruir de manera detallada com des dels cromosomes sexuals s’activa un programa hormonal diferent que condueix a un biaix d’expressió en factors de transcripció.

Lligams:

Conservation, acquisition, and functional impact of sex-biased gene expression in mammals. Sahin Naqvi, Alexander K. Godfrey, Jennifer F. Hughes, Mary L. Goodheart, Richard N. Mitchell, David C. Page. Science 365 eaaw7317 (2019)

Aquesta entrada ha esta publicada en 4. L'Animal. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada