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 hainas…y 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