Identifican proteína responsable de la diferenciación de la abeja reina

[Entrada originalmente publicada el 24 de abril del 2011]

Por muchos años, los científicos saben que cuando a la larva de una abeja se la alimenta con la jalea real secretada por las obreras, esta se convierte en una abeja reina. Sin embargo, hasta ahora se desconocía cual era el factor responsable de dicha diferenciación y la forma como éste actuaba. A través de un artículo publicado hoy en Nature, la Dra. Masaki Kamakura de la Universidad de la Prefectura de Toyama reportó la identificación y caracterización de la proteína responsable de la diferenciación de las larvas en abeja reina llamada royalactina.

Cuando las hembras de las abejas melíferas (Apis mellifera) llegan a ser adultas, pueden diferenciarse en dos castas: las reinas y las obreras, al cual no se debe a diferencias genéticas —ninguna  abeja está programada para ser reina u obrera— sino depende de si fueron o no alimentadas, cuando eran unas pequeñas larvas, con la jalea real secretada por las obreras.

La diferencia entre una reina y una obrera es bastante notoria ya que, a parte de ser mucho más grande y se desarrolla mucho más rápido, puede vivir hasta 10 veces más (de 1 a 2 años), tiene los ovarios grandes y funcionales y puede llegar a poner hasta 2,000 huevos por día. Entonces, sería lógico pensar que la jalea real contiene algún tipo de factor inductor —al cual llamaron royalactina— que determina la diferenciación de estas dos castas. Sin embargo, este factor no ha podido ser identificado hasta ahora.

Fue así que Kamakura hizo una interesante observación. Cuando se almacenaba la jalea real a 40 °C por siete días y se alimentaba a las larvas con ella, las abejas reinas resultantes tardaban más tiempo en desarrollarse y el tamaño de sus ovarios eran mucho más pequeños. Lo resaltante era que dicho efecto se acentuaba más en proporción al tiempo que la jalea permanecía almacenada (14, 21 y 30 días), tanto así que a los 30 días, la jalea real perdía su capacidad diferenciadora y las larvas alimentadas con esta jalea se convertían en abejas obreras.

Esta observación indicaba que el factor inductor responsable de la diferenciación de las abejas se degradaba gradualmente con el paso del tiempo, perdiendo su actividad completa después de un mes. Existen muchas biomoléculas (azucares, proteína, grasas, etc.) que se degradan cuando son sometidas a altas temperaturas, así que el factor inductor podría tener cualquiera de estas formas químicas.

Para determinar que compuesto químico era el inductor, Kamakura hizo otro experimento. Almacenó la jalea real tanto a 40 °C y 4 °C para identificar que compuestos se degradaban en uno y no en el otro, después de 30 días. Al analizar los componentes presentes en la jalea real, ni los azúcares, ni las vitaminas, ni los ácidos grasos mostraron una reducción significativa. Sin embargo, al analizarlos mediante HPLC y electroforesis en poliacrilamida (PAGE) identificaron tres proteínas —una de 450 kDa, otra de 170 kDa y otra de 57 kDa— que se degradaron durante el almacenamiento.

Por un lado, la proteína de 170 kDa se degradó completamente sólo a los 14 días de almacenamiento, descartando que éste sea el inductor porque, según el primer experimento, aún se observaba un efecto sobre las larvas a los 21 días. La proteína de 450 kDa prácticamente no se degradó, quedando un 90% de ella a los 30 días, y la proteína de 57 kDa —a la cual posteriormente le asignaron como la royalactina— se degradó por completo al cabo de los 30 días.

Así que para confirmar dicha observación, Kamakura purificó las proteínas de 450 kDa y de 57 kDa para probar su efecto sobre las larvas a diferentes concentraciones (0.5 – 2.0% del peso de la larva). La royalactina (57 kDa) fue la única que redujo el tiempo de desarrollo de las larvas (fig. a), aumentó el peso de la abeja (fig. b) y también el tamaño de los ovarios (fig. c). El mismo efecto se obtuvo a partir de una royalactina recombinante (E-Rol) producida por una bacteria.

Pero, como las abejas no son muy usadas como modelos biológicos, no existen muchas cepas mutantes que permitan determinar el mecanismo de acción de la royalactina. Por otro lado, la mosca de la fruta es un modelo biológico por excelencia, así que Kamakura usó a la Drosophila para hacer los análisis genéticos y observar el efecto de la jalea real en la diferenciación.

Cuando se sometió a las larvas de la mosca de la fruta a un 20% de jalea real, Kamakura observó un sustancial aumento en el tamaño corporal, la fecundidad y en la esperanza de vida, así como también una reducción en el tiempo de desarrollo de la mosca. En otras palabras, la jalea real tenía prácticamente el mismo efecto en la abeja y en la mosca. Gracias a este sorprendente resultado, la investigadora pudo continuar sus experimentos en la mosca.

Al usar distintas cepas mutantes de moscas, Kamakura identificó que la royalactina actuaba a nivel del receptor del Factor de Crecimiento Epidérmico (EGFR) del tejido graso a través de la activación de la p70S6K, una kinasa que actúa sobre la subunidad 6 del ribosoma, fosforilándola y promoviendo la síntesis de proteínas. Este mecanismo permite que las células adquieran un mayor tamaño. Entonces, esto indicaría que el mayor tamaño de las moscas se debe a que las células son más grandes y no porque son más numerosas. También se observó que la EGFR estaba relacionada directamente con la prolongación de la esperanza de vida de las moscas, siendo la primera vez que se detecta este efecto en los animales.

Por otro lado, Kimakura observó que la vía MAPK era activada por la EGFR, permitiendo una reducción en el tiempo de desarrollo de las moscas. Además, la royalactina tenía la capacidad de inducir la expresión de la ecdisterona (20E), una hormona juvenil esencial para el desarrollo de los ovarios.

Finalmente, para demostrar que todos estos resultados obtenidos en las moscas de la fruta pueden ser extrapolados a las abejas, Kamakura usó un ARN de interferencia (ARNi) para bloquear la expresión del gen EGFR en el tejido graso de las abejas melíferas. Este experimento confirmó que el efecto de la royalactina es similar en la mosca de la fruta y en la abeja melífera.

Entonces, para resumir, la royalactina actúa a nivel del receptor del Factor de Crecimiento Epidérmico del tejido graso de las larvas de las abejas, induciendo la diferenciación en abejas reinas a través de la activación de una subunidad del ribosoma, promoviendo la síntesis de proteínas, aumentando del tamaño de las células y prolongando la esperanza de vida de la abeja reina. Por otro lado, también se activa la vía de señalización celular MAPK, reduciendo el tiempo de desarrollo de la larva y se promueve la expresión de la ecdisterona, una hormona esencial para el desarrollo de los ovarios.

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Referencia:

Kamakura, M. (2011). Royalactin induces queen differentiation in honeybees Nature DOI: 10.1038/nature10093

Imagen: Flickr @Max_xx

Esta entrada participa en el III Carnaval de Biología que tiene como anfitrión al blog El Pakozoico.