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El origen de la pluricelularidad

El salto evolutivo de seres unicelulares a pluricelulares es una de las grandes incógnitas de la biología. Sabemos que ocurrió de manera independiente ¡muchas veces! en animales, plantas, hongos, etc.

Se cree que las plantas terrestres pluricelulares surgieron hace ∼750 millones de años. ¿Pero qué mecanismos hicieron posible que una microalga verde pudiese evolucionar en una sequoia?

Chlamydomonas reinhardtii. Fuente: Pflanzenforschung

El trazo de la evolución se hace grosero cuánto más nos remontamos en el tiempo. Y dado que los seres pluricelulares se separaron de sus ancestros unicelulares hace cientos de millones de años las huellas genéticas de aquel proceso son escasas.

Pero habelas hainasy las algas pueden contarnos mucho sobre ello. En concreto algas verdes coloniales como Volvox que divergieron de sus ancestros unicelulares hace apenas ∼230 millones de años.

Sus antepasados eran muy parecidos a Chlamydomonas reinhardtii lo cual, unido a la actual capacidad para secuenciar genomas como churros, ha permitido descubrir algunos secretos sobre la evolución de la pluricelularidad.

Para explicarles lo que hemos aprendido de estas algas debo introducirles en otro asunto…

Fases del ciclo celular. Fuente: Khan Academy

El gen del retinoblastoma (Rb) codifica una proteína supresora de tumores (proteína del retinoblastoma: pRb). Dicho gen se identificó en un tumor maligno de retina, de ahí su nombre.

Las células vegetativas (o somáticas), siguen un ciclo de vida que incluye 2 fases: interfase (G1, S y G2) y fase M (mitosis y citocinesis), mediante las cuales crecen y fabrican los componentes celulares necesarios para dividirse y propagar su herencia genética, ya sean microalgas, plantas o nuestras propias células.

A lo largo del ciclo celular existen “estaciones de control” y las proteínas de la familia de la pRb son responsables de uno de dichos “check-points” en la fase G1, que impide la entrada de la célula en fase S “si no tiene todos los papeles en regla”. Dicha fase es la que duplica el ADN y prepara a la célula para su división en la mitosis.

La existencia de dicho punto de control es fundamental ya que impide que las células con daños en su ADN dupliquen y transmitan su material genético. Muchos tumores en humanos están relacionados con alteraciones del gen Rb. Sin la proteína pRb que éste codifica, las células cancerosas progresan en el ciclo celular sin frenos y cuesta abajo, a costa de las células sanas que se dividen de manera regulada acorde a las necesidades del organismo.

Ciclo de vida de Chlamydomonas. Fuente: Hanschen y col. (2016)

Además, la proteína pRb cumple funciones importantes en la diferenciación celular en animales.

Pues bien, Chlamydomonas tiene una variante en el ciclo celular, con divisiones múltiples en la fase asexual, regulada por genes homólogos del Rb: mat3.

Le llamaremos mat3/Rb para no perder de vista su origen común.

< Un gen homólogo es aquel que heredan dos especies a partir de un mismo antepasado >

Después de una fase G1 prolongada en la que Chlamydomonas aumenta mucho de tamaño, lleva a cabo divisiones múltiples y rápidas que originan “células hijas” individuales. Si mat3/Rb no se expresa correctamente Chlamydomonas no crece tanto antes de dividirse y realiza más rondas de división (fase S y mitosis) produciendo un fenotipo “enano”.

El fenotipo es la suma de los rasgos visiblemente evidentes de un organismo y que nos permiten clasificarlo como parte integrante de una determinada especie >

Ciclo de vida de Gonium. Fuente: Hanschen y col. (2016)

Gonium pectorale es otra especie de microalgas verdes que forma colonias típicamente de 8-16 células, donde cada individuo es muy parecido a Chlamydomonas.

Gonium también lleva a cabo divisiones múltiples pero a diferencia de Chlamydomonas el resultado final son “colonias hijas”.

Importante también: las células de Gonium no están diferenciadas…

Y un paso más allá está el género Volvox, donde además de una fase de divisiones múltiples también existen líneas germinales y somáticas diferenciadas gracias a divisiones celulares asimétricas.

Volvox llega a producir colonias que incluyen miles de pequeñas células somáticas en la superficie de la esfera colonial, rodeando a unas pocas células reproductoras de mayor tamaño envueltas en una matriz extracelular.

Ciclo de vida de Volvox. Fuente: Hanschen y col. (2016)

Chlamydomonas, Gonium y Volvox representan tres niveles crecientes de complejidad y pertenecen al mismo orden taxonómico (Volvocales o Chlamydomonadales).

No obstante, a pesar de las diferencias morfológicas entre Chlamydomonas y Volvox sus genomas son muy parecidos y esto hacía sospechar que la pluricelularidad no necesitó de grandes innovaciones genéticas.

Un estudio comparativo de esta índole es parecido a buscar una aguja en un pajar, pero de ADN. Y esto fue lo que hicieron Hanschen y col. (2016) en pos de los secretos de la pluricelularidad.

Lo que descubrieron fue que, efectivamente querido Watson, el cambio a la pluricelularidad y la diferenciación celular no surgió de grandes innovaciones genéticas, sino de adaptaciones en “programas genéticos” ya existentes en el ciclo celular, por ejemplo genes homólogos del retinoblastoma (mat3/Rb).

En concreto, Hanschen y col. encontraron una misma modificación del gen mat3/Rb en Gonium y Volvox, que podría tener relación con la expresión de genes asociados a la pluricelularidad durante la fase G1 del ciclo celular.

Todo esto era una hipótesis basada en un estudio teórico (“in silico” que se dice en estos casos). La prueba definitiva, como siempre, era demostrar la transformación de células individuales en colonias. Hallazgos de este tipo son los que abren las puertas para publicar en revistas como Nature Communications.

Chlamydomonas normales (izda.: wild type), mutantes enanas (centro), y las que han recibido la copia funcional del gen mat3/Rb (dcha.). Fuente: Umen y Goodenough (2001)

Para ello, usaron mutantes de Chlamydomonas reinhardtii que no expresaban el gen mat3/Rb y comprobaron qué les ocurría al insertarles copias funcionales de Chlamydomonas “normales”, o de su pariente colonial Gonium.

En el primer caso, cuando le insertaron el gen mat3/Rb de Chlamydomonas, la pequeña mutante recuperó su talla normal. Hasta aquí correcto: ya lo habían conseguido otros investigadores (Umen y Goodenough, 2001).

Pero cuando le insertaron el gen mat3/Rb de Gonium, no sólo recuperó su tamaño sino que empezó a producir Chlamydomonas coloniales de hasta 16 células !!

Con esto demostraron que el gen mat3/Rb, al menos en el caso de las Volvocales, ha servido para desarrollar una nueva capacidad: la pluricelularidad.

Volvox globator, de la Laguna Medina (Zamora). Les recomiendo que visiten la web de esta imagen para más información sobre esta especie. Fuente: Proyecto Agua

¿Y qué hay de la diferenciación celular? Pues en Volvox no está asociada al mat3/Rb sino a otro grupo distinto de genes llamado regA, también implicados en la regulación de la biogénesis de cloroplastos, ausentes en Chlamydomonas y Gonium (que como todos ustedes saben carecen de células diferenciadas).

Se cree que al igual que en el caso del gen del retinoblastoma, el grupo de genes regA sirvió para una adaptación específica en Volvox que desarrolló una nueva función: la diferenciación celular. Y esto debió suceder, en base a lo que observamos hoy en día, poco después de la separación evolutiva de los géneros Gonium y Volvox…

Referencias:

-Giacinti C & Giordano A. RB and cell cycle progression. Oncogene 25: 5220–5227 (2006)
-Hanschen ER y col. The Gonium pectorale genome demonstrates co-option of cell cycle regulation during the
evolution of multicellularity. Nature Comm. 7:11370. DOI: 10.1038/ncomms11370 (2016)
-Herron MD y col. Triassic origin and early radiation of multicellular volvocine algae. PNAS 106:3254-58 (2009)
-Umen JG & Goodenouch UW. Control of cell division by a retinoblastoma protein homolog in Chlamydomonas. Genes & Development 15:1652–1661 (2001)
-Web: definiciones de “genes homólogos” y “fenotipo” en boundless.com y definicionabc.com

 

 

 

El low-cost de la fotosíntesis

Hoy les hablaré de un descubrimiento reciente que desafía el concepto de la clorofila como único pigmento realmente importante para capturar luz en el océano. Lo más de lo más.

Lo publicaron Béjà y col. (2000) en Science: bacterias marinas no fotosintéticas capaces de obtener energía del Sol mediante rodopsinas. Es decir: fotótrofas sin fotosíntesis. La metagenómica (estudio del material genético ambiental) nos regaló este hallazgo que sus descubridores denominaron proteorodopsinas.

Hoy sabemos que esta clase de fototrofía está generalizada entre las bacterias marinas (>40%). También se han descubierto rodopsinas con funciones diversas en algas, hongos e incluso virus.

Las rodopsinas comparten una química común con el sentido de la vista: el retinal….  

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Los fotones de la luz excitan al 11-cis-retinal y se transforma en todo-trans retinal (en la imagen). Su unión con la opsina se vuelve inestable y esto genera finalmente un impulso nervioso que el cerebro interpreta como señales visuales. Fuente: www.ch.ic.ac.uk

…o vitamina A aldehído, es la molécula clave en la visión, el cromóforo responsable de captar la energía de la luz en los 3 tipos de ojos que existen: moluscos, artrópodos y vertebrados.

La vitamina A la obtenemos de los alimentos, nuestro cuerpo no puede sintetizarla. Sus precursores son carotenos (como el β-caroteno en las zanahorias).

El retinal se une a proteínas integrales de membrana (opsinas) para formar las rodopsinas, con una banda ancha de absorción en el espectro de luz visible. En los ojos las rodopsinas y moléculas similares actúan como pigmentos visuales en bastones y conos, con modificaciones que las hacen sensibles, p.ej., al azul, verde y rojo.

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Bombas iónicas de rodopsinas (Fuente: Béjà & Lanyi 2014). Las flechas de color indican la longitud de onda a la que son más sensibles y a su lado el tipo de iones (hidrógeno, sodio, cloruro).

Pero hay rodopsinas que cumplen otro rol: bombas iónicas o canales de cationes que producen energía mediante un gradiente generado por la fotoactivación del retinal. Desde 1971, y en décadas posteriores del s. XX, se fueron descubriendo estas rodopsinas en microorganismos amantes de la sal (halófilos del reino Archaea), con funciones fotosensoriales o para obtener energía gracias a la luz o a los iones cloruro/sodio abundantes en su ambiente.

La parte proteica es distinta y su origen evolutivo también, pero el retinal sigue presente. En la imagen de la derecha vemos representado un diminuto retinal justo en el medio de la parte proteica en la membrana celular (las salchichas rojas o moradas).

Las xantorodopsinas (XR) se descubrieron en 2005 en Salinibacter ruber, una bacteria halófila. Se trata de otra vuelta de tuerca: una antena captadora de luz con un carotenoide (salinixantina) que transfiere energía al retinal y permite ampliar la absorción de fotones a más longitudes de onda.

Algunos dinoflagelados tienen un tipo de XR…luego se lo cuento.

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Salinibacter ruber. La barra horizontal mide 0.5 micras. Fuente: Oren (2013)

 

Salinibacter ruber se descubrió en 2002 y lo fascinante de este extremófilo es su capacidad para crecer en altas concentraciones de distintas sales, no sólo NaCl, sino también cloruro de magnesio y sulfatos de magnesio y sodio !!

Estas sales son muy interesantes en astrobiología de cara a la detección de vida microbiana en otros planetas. Y es que la misión Galileo a Júpiter reveló que el océano oculto bajo la superficie helada de Europa posee grandes cantidades de sulfato de magnesio (Discovery Newsletter: 19-X-2015)

En las rodopsinas el gradiente de protones se consigue con menos florituras, tan sencillo que yo diría que es la alternativa low-cost a la lujosa maquinaria fotosintética.

En la fotosíntesis el gradiente de protones se produce por los electrones que arrancan los fotones a la clorofila (o bacterioclorofila) y que permiten disociar el agua en oxígeno y protones (H+). Éstos se concentran dentro de los tilacoides en los cloroplastos y el gradiente creado proporciona la fuerza motriz para fabricar ATP, la fuente de energía celular.

En las bombas de rodopsinas, ya sean aniónicas (Cl-) o catiónicas (Na+/H+), se genera un gradiente electroquímico entre el interior y el exterior de la membrana celular. La fotoactivación del retinal permite capturar energía lumínica para mover protones al exterior de la célula (o iones cloruro al interior), en contra del potencial de membrana. La célula se carga como una batería y dicha energía permite fabricar ATPPunto y pelota.

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Chlamydomonas reinhardtii. La escala horizontal son 5 micras. Fuente: www.protisten.de

Y ahora se preguntarán ¿qué hay de las algas? 

En flagelados verdes como Chlamydomonas se descubrió por primera vez la función de las rodopsinas en algas eucariotas: son responsables de la fototaxis y la orientación del movimiento ante cambios bruscos de luz. Esto mismo se demostró luego en otros flagelados como las criptofíceas Guillardia y Cryptomonas.

Los genes que codifican para proteorodopsinas se han encontrado también en diatomeas, dinoflagelados y haptofíceas, pero todavía desconocemos sus funciones. Piensen que todo esto apenas se conoce desde la última década.

En el caso de diatomeas como Pseudo-nitzschia granii la expresión de estos genes aumenta con la limitación por Fe, una situación muy común en el océano abierto y que afecta a la fotosíntesis. Por éste y otros motivos Marchetti y col. (2015) sugieren que las bombas de rodopsinas podrían ser útiles para obtener energía cuando la fotosíntesis se encuentra “entre la espada y la pared” por la escasez de Fe.

Pyrrocystis2

Pyrocystis lunula. Autor: K. Wenderoth. Fuente: online-media.uni-marburg.de

En dinoflagelados, como siempre, todo es complejo e interesante.

En estudios de transcriptómica (expresión de genes) se han encontrado homólogos de bombas (de protones) de rodopsinas en especies heterótrofas como Oxhyrris marina y fotosintéticas como Polarella antartica, Pyrocystis lunula, Alexandrium catenella, Prorocentrum donghaiense Karlodinium veneficum.

Genéticamente son próximas a las XR, aunque no poseen carotenoides como en el caso de Salinibacter. Sus máximos de absorción están entre el verde y el azul.

Los datos disponibles a partir de algunos estudios en cultivos y muestras naturales indican que su función sería favorecer la supervivencia y el crecimiento en situaciones limitantes, tanto de nutrientes como de luz. Y la expresión de los genes relacionados con las rodopsinas parece estar regulada en Prorocentrum por el ciclo diurno de luz/oscuridad, el espectro y la intensidad de luz…

¿Fascinating, verdad?

Agradecimientos: a Lourdes Velo Suárez por enviarme el artículo “The global ocean microbiome“, la inspiración de esta entrada.

Referencias:

-Béjà O, et al. Bacterial rhodopsin: Evidence for a new type of phototrophy in the sea. Science 289(5486):1902–1906 (2000).
-Béjà O. & Lanyi J.K. PNAS 111: 6538–6539 (2014).
-Balashov S.P. y col. Xanthorhodopsin: the Retinal Protein Proton Pump of Salinibacter ruber with a Light-harvesting Carotenoid Antenna. Science 23 (5743):2061-64 (2009).
-Marchetti A. y col. Marine diatom proteorhodopsins and their potential role in coping with low iron availability. ISME Journal 9:2745-48 (2015).
-Moran M.A. The global ocean microbiome. Science 350 (6266) DOI: 10.1126/science.aac8455 (2015).
-Oren A. Salinibacter: an extremely halophilic bacterium with archaeal properties. FEMS Microbiol Lett. 342(1):1-9. doi: 10.1111/1574-6968.12094 (2013).
-Shi X. y col. Rhodopsin gene expression regulated by the light dark cycle, light spectrum and light intensity in the dinoflagellate Prorocentrum. Front. Microbiol. http://dx.doi.org/10.3389/fmicb.2015.00555 (2015).
-Sineshchekov O.A. & Govorunova E. Photosensory Functions of Channelrhodopsins in Native Algal Cells. Photochem. Photobiol. 85:556-563 (2009).
-Web: University of Connecticut (Phytoplankton Molecular Ecology).