Mutante sensible a la temperatura

Las mutaciones termosensibles son variantes genéticas que permiten al organismo funcionar con normalidad a bajas temperaturas, pero alteran su función a temperaturas más elevadas. Los mutantes sensibles al frío son variantes genéticas que permiten el funcionamiento normal del organismo a temperaturas elevadas, pero alteran su función a bajas temperaturas.

La mayoría de las mutaciones termosensibles afectan a las proteínas y provocan la pérdida de su función a temperaturas no permisivas. La temperatura permisiva es aquella a la que la proteína normalmente puede plegarse correctamente o permanecer plegada correctamente. A temperaturas más altas, la proteína es inestable y deja de funcionar correctamente. Estas mutaciones suelen ser recesivas en organismos diploides . Las mutaciones termosensibles establecen un mecanismo reversible y pueden reducir la producción de determinados productos génicos en distintas etapas del crecimiento, lo cual se logra fácilmente modificando la temperatura de crecimiento.

La temperatura permisiva es aquella a la que el producto de un gen mutante termosensible adquiere un fenotipo normal y funcional . Cuando un mutante termosensible se cultiva en condiciones permisivas, el producto del gen mutante se comporta con normalidad (es decir, no se observa el fenotipo), incluso si hay un alelo mutante presente. Esto da como resultado la supervivencia de la célula u organismo, como si se tratara de una cepa silvestre . Por el contrario, la temperatura no permisiva o restrictiva es aquella a la que se observa el fenotipo mutante.

Las mutaciones sensibles a la temperatura suelen ser mutaciones de cambio de sentido, que modifican ligeramente el panorama energético del plegamiento de la proteína. La proteína mutante funcionará a la temperatura estándar, permisiva y baja. Por el contrario, carecerá de función a una temperatura relativamente alta, no permisiva, y mostrará hipomorfismo (pérdida parcial de la función génica) a una temperatura intermedia, semipermisiva.

Las mutaciones sensibles a la temperatura pueden afectar significativamente el desarrollo de un organismo al alterar la función de los genes a temperaturas específicas. Estas mutaciones afectan a proteínas que pueden funcionar normalmente a una temperatura más baja, considerada "permisiva", pero que se vuelven disfuncionales o se degradan a una temperatura más alta, considerada "restrictiva". Esta característica permite a los investigadores estudiar la función de los genes controlando las condiciones de temperatura.

Un ejemplo es una mutación en el gen virilizer ( vir ) de Drosophila melanogaster , que impide el desarrollo adecuado de los rasgos femeninos a temperaturas elevadas. ^{[ 1 ]} Esto demuestra el papel crucial que desempeñan las mutaciones sensibles a la temperatura en la regulación de las vías de desarrollo.

También se han observado mutaciones sensibles a la temperatura en enfermedades humanas. Por ejemplo, en la atrofia muscular espinal (AME), las mutaciones que afectan a la proteína de supervivencia de la neurona motora ( SMN ) pueden hacerla inestable a temperaturas elevadas, lo que provoca un deterioro de la función nerviosa. ^{[ 2 ]}

Los investigadores han desarrollado métodos para introducir mutaciones sensibles a la temperatura de forma artificial. Un enfoque utiliza el empalme de proteínas mediado por inteínas , donde los segmentos de proteínas se eliminan bajo condiciones de temperatura específicas. Un estudio de Tan et al. (2009) demostró cómo las inteínas modificadas pueden regular la función de las proteínas al permitir que la inteína se empalme a temperaturas más bajas mientras permanece intacta a temperaturas más altas, interrumpiendo así la actividad de la proteína. ^{[ 3 ]}

Aprovechando las mutaciones sensibles a la temperatura, los científicos pueden estudiar las funciones de los genes y las proteínas tanto en el desarrollo normal como en los procesos patológicos.

En su nivel básico, todos los organismos responden a su entorno. Específicamente, la temperatura en el entorno de un organismo puede afectar significativamente muchos aspectos de su vida. Comprender cómo la temperatura afecta a las diferentes especies es difícil de estudiar debido a que cada una reacciona de manera distinta. Algunas pueden ser más susceptibles a las altas temperaturas por carecer de los mecanismos adecuados para afrontarlas. Además, es difícil predecir cómo responderá una especie debido a que su aptitud está estrechamente ligada a la de otros organismos dentro de un mismo ecosistema [14].

La temperatura es un factor ambiental que influye en la evolución de los organismos al moldear su variación genética , rasgos fisiológicos, adaptaciones y capacidad de supervivencia. A medida que las temperaturas globales aumentan debido al cambio climático, las especies deben adaptarse a estos cambios mediante mutaciones que afectan la función de las proteínas, como las mutaciones sensibles a la temperatura. Específicamente, las temperaturas más altas pueden aumentar las tasas de mutación, alterar la estabilidad de las proteínas e influir en la selección natural . Estos factores pueden conducir a cambios evolutivos en las poblaciones con el tiempo. Sin embargo, al adaptarse a estas temperaturas más altas, los organismos a menudo experimentan compensaciones, que son compromisos donde obtener una ventaja en un rasgo conlleva una desventaja en otro. ^{[ 4 ]}

Las temperaturas más altas pueden influir directamente en las tasas de mutación al aumentar la tasa de mutaciones espontáneas, lo que lleva a más errores durante la replicación del ADN o a una mayor exposición a mutágenos . Los estudios han demostrado que estos efectos se deben potencialmente a tasas metabólicas aumentadas. Más específicamente, un estudio con Daphnia pulex encontró que las mutaciones espontáneas tenían efectos de aptitud variables bajo diferentes condiciones térmicas, lo que sugiere que la temperatura juega un papel en la configuración de los impactos mutacionales. ^{[ 5 ]} Además, esta tasa de mutación elevada proporciona un rango más amplio de diversidad genética sobre la cual la selección natural puede actuar, lo que permite a las poblaciones adaptarse más rápidamente. Sin embargo, demasiadas mutaciones pueden resultar en tasas más altas de trastornos genéticos o rasgos inadaptados que reducen la aptitud general .

Dado que las proteínas dependen de un plegamiento preciso para funcionar correctamente, las temperaturas elevadas pueden desestabilizar su estructura, lo que conlleva la pérdida de su función. Esta inestabilidad plantea desafíos para la evolución, ya que los organismos vivos deben encontrar la manera de mantener la función proteica a la vez que se enfrentan a cambios de temperatura. Como resultado, los organismos que evolucionan en entornos más cálidos pueden desarrollar mutaciones compensatorias que mejoran la estabilidad de las proteínas o adoptar proteínas que facilitan un plegamiento adecuado. Sin embargo, los estudios han demostrado que estas mutaciones, que podrían ayudar a restaurar la función de las proteínas desestabilizadas, son raras, lo que subraya la importancia crucial de mantener la estabilidad proteica. ^{[ 5 ]} Un estudio realizado por investigadores demostró cómo los análisis CRISPR a nivel genómico, utilizando mutaciones sensibles a la temperatura, pueden mapear vías críticas implicadas en la homeostasis proteica y la regulación de enfermedades. ^{[ 6 ]} Estos cambios evolutivos garantizan que las funciones celulares esenciales permanezcan intactas a pesar de las condiciones térmicas.

Las poblaciones expuestas a temperaturas elevadas persistentes se enfrentan a presiones selectivas que favorecen a los individuos con rasgos resistentes al calor, lo que conduce a la propagación de alelos beneficiosos relacionados con la tolerancia térmica, como cambios en los lípidos de membrana, las proteínas de choque térmico y las enzimas termoestables. A medida que aumentan las temperaturas globales, los organismos con mutaciones sensibles a la temperatura pueden experimentar cambios en sus panoramas de aptitud , donde mutaciones previamente neutras o perjudiciales se vuelven ventajosas. Esta dinámica impulsa la selección natural y la rápida adaptación, como se observa en estudios de evolución experimental que muestran cambios en las tasas de mutación y variaciones en respuesta a temperaturas elevadas. ^{[ 7 ]}

La adaptación a temperaturas más elevadas conlleva ciertos costos. Las proteínas optimizadas para la estabilidad a altas temperaturas pueden mostrar una menor flexibilidad o funcionalidad a bajas temperaturas, lo que implica compensaciones en el desempeño de los organismos en diferentes entornos. Otra posible compensación sería que la energía necesaria para mantener la estabilidad de las proteínas puede desviar recursos de otros procesos vitales, como la reproducción y el crecimiento. Estas compensaciones pueden influir en las trayectorias evolutivas, ya que los organismos deben encontrar un equilibrio entre la tolerancia térmica y su aptitud general.

El cambio climático es un tema de gran relevancia en el ámbito científico actual. Los científicos se han planteado numerosas preguntas sobre cómo afectará a los diferentes ecosistemas, organismos y a la humanidad. Esta cuestión también surge desde la perspectiva de las mutaciones sensibles a la temperatura.

Como se mencionó anteriormente, las características o comportamientos de ciertas especies dependen de la temperatura. Con el calentamiento global, surge la pregunta de qué sucederá con los organismos sensibles a los cambios de temperatura, ya que esto afecta sus características o su capacidad para obtener nutrientes. ^{[ 8 ]} Si bien el cambio climático no es necesariamente positivo, algunas investigaciones han demostrado que ciertos organismos se han beneficiado del aumento de la temperatura. Esto indica que el aumento de la temperatura puede incrementar la aptitud de un organismo. ^{[ 9 ]}

El cambio climático también puede comenzar a afectar la proporción de machos y hembras en la naturaleza. En algunos animales, principalmente reptiles, el sexo está determinado por la temperatura del ambiente exterior durante su desarrollo en el huevo. Un ejemplo de esto ocurre en la mayoría de las especies de tortugas, donde el aumento de la temperatura podría provocar una mayor proporción de individuos de un sexo, lo que resultaría en menos parejas para la reproducción. Si bien esto no es una mutación, demuestra que muchos procesos en ciertas especies son sensibles a la temperatura. ^{[ 10 ]}

Las mutaciones termosensibles son útiles en la investigación biológica. Permiten el estudio de procesos esenciales para la supervivencia de la célula o el organismo. Las mutaciones en genes esenciales suelen ser letales; por lo tanto, las mutaciones termosensibles permiten a los investigadores inducir el fenotipo a temperaturas restrictivas y estudiar sus efectos. El fenotipo termosensible puede expresarse durante una etapa de desarrollo específica para estudiar sus efectos. Esto también se utiliza para determinar qué puede sucederle a ciertos organismos vivos con los efectos del cambio climático. Las mutaciones termosensibles son importantes para muchos tipos de investigación, especialmente para la investigación genética, que puede ayudar a determinar muchos aspectos de la vida a nivel molecular. ^{[ 11 ]}

1. Febvre C, Goldblatt C, El-Sabaawi R. Rendimiento térmico de los ecosistemas: Modelado de cómo las respuestas fisiológicas a la temperatura se escalan en las comunidades. Journal of Theoretical Biology . 2024;585:N.PAG. doi:10.1016/j.jtbi.2024.111792
2. Edelsparre, AH, Fitzpatrick, MJ, Saastamoinen, M., & Teplitsky, C. (2024). Adaptación evolutiva al cambio climático. Evolution letters , 8 (1), 1–7. https://doi.org/10.1093/evlett/qrad070
3. Hilfiker, A., Nothiger, R. La mutación sensible a la temperatura vir ^ts ( virilizer ) identifica un nuevo gen implicado en la determinación del sexo de Drosophila . Roux's Arch Dev Biol 200, 240–248 (1991). https://doi.org/10.1007/BF00241293
4. Gonsalvez, JL, Burghes, AH y Kunkel, LM (2020). Las mutaciones puntuales causantes de atrofia muscular espinal termosensible desestabilizan la proteína SMN a temperaturas elevadas. Disease Models & Mechanisms , 13(5), dmm043307. https://doi.org/10.1242/dmm.043307
5. Tan, G., Chen, M., Foote, C., & Tan, C. (2009). Mutaciones sensibles a la temperatura simplificadas: Generación de mutaciones condicionales mediante el uso de inteínas sensibles a la temperatura. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(24), 9155-9160. https://doi.org/10.1073/pnas.0900235106