Orígenes de la multicelularidad: Todo en la familia

8 Julio 2010

Orígenes de la multicelularidad: Todo en la familia

8 Julio 2010

LA JOLLA, CA-Uno de los pasos más fundamentales en la evolución, la transición de organismos unicelulares a organismos multicelulares, puede no haber requerido tanta reorganización como comúnmente se cree, encontró una colaboración mundial de científicos dirigidos por investigadores del Salk Institute for Biological. Estudios y el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Una comparación de los genomas de las algas multicelulares. Volvox carteri y su pariente unicelular más cercano Chlamydomonas reinhardtii reveló que los organismos multicelulares pueden haber sido capaces de construir su maquinaria molecular más compleja en gran parte a partir de la misma lista de partes que ya estaba disponible para sus ancestros unicelulares.

“Si piensas en las proteínas en términos de piezas de lego Chlamydomonas ya tenía un gran juego de lego”, dice james umen, Ph.D., profesor asistente en el Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas en el Instituto Salk. “volvox no tuvo que comprar uno nuevo, sino que pudo experimentar con lo que había heredado de su antepasado”.

En conjunto, los hallazgos, publicados en la edición de esta semana de la revista Ciencias: , sugieren que se produjo una innovación muy limitada en la codificación de proteínas en el volvox linaje. “Esperábamos que hubiera algunas diferencias importantes en el tamaño del genoma, la cantidad de genes o el tamaño de las familias de genes entre volvox y Chlamydomonas”, dice Umen. “En su mayoría, ese resultó no ser el caso”.

La evolución de la multicelularidad se produjo de forma repetida e independiente en diversos linajes, incluidos animales, plantas, hongos y algas verdes y rojas. "Esta transición es uno de los grandes eventos evolutivos que dieron forma a la vida en la Tierra", dice el coautor Simon E. Prochnik, Ph.D., científico computacional del DOE Joint Genome Institute. "Ha generado mucho pensamiento y especulación sobre lo que hace que los organismos multicelulares sean diferentes o más complejos que sus antepasados ​​unicelulares".

En la mayoría de los casos, el cambio de una existencia solitaria a una comunal ocurrió hace tanto tiempo, más de 500 millones de años, que los cambios genéticos que lo permitieron son muy difíciles de rastrear. Una excepción interesante a la regla son las algas verdes volvocine. Para ellos, la transición a la pluricelularidad ocurrió en una serie de pequeños cambios potencialmente adaptativos, y el aumento progresivo de la complejidad morfológica y del desarrollo todavía se puede ver en los miembros contemporáneos del grupo (ver presentación de diapositivas).

volvox, el miembro más sofisticado del linaje, se cree que evolucionó de un Chlamydomonas-como antepasado en los últimos 200 millones de años, lo que convierte a los dos organismos vivos en un modelo atractivo para estudiar los cambios evolutivos que provocaron la multicelularidad y la diferenciación celular.

Para recopilar datos para el análisis genómico comparativo, los investigadores secuenciaron los 138 millones de pares de bases volvox genoma utilizando una estrategia de escopeta de genoma completo. El genoma en sí es un 17% más grande que el genoma previamente secuenciado de Chlamydomonas y la divergencia de secuencia entre los dos es comparable a la que existe entre el ser humano y el pollo.

A pesar del modesto aumento en el tamaño del genoma, el número de proteínas previstas resultó ser muy similar para los dos organismos (14,566 en volvox contra 14,516 en Chlamydomonas) y no se pudieron identificar diferencias significativas en los repertorios de dominios de proteínas o combinaciones de dominios. Los dominios de proteínas son partes de proteínas que pueden evolucionar, funcionar y existir independientemente del resto de la cadena de proteínas.

"Esto fue algo inesperado", explica Umen, "ya que anteriormente se pensaba que la innovación a nivel de dominio desempeñaba un papel en la evolución de la multicelularidad en los linajes de plantas y animales".

En contraste con la falta general de innovación, las familias de proteínas específicas de las algas volvocine, como las proteínas de la matriz extracelular, se enriquecieron en volvox en comparación con Chlamydomonas. cada uno maduro volvox colonia se compone de numerosas células flageladas similares a Chlamydomonas, que están incrustados en la superficie de un esferoide de matriz extracelular (ECM) con un patrón elaborado que está claramente relacionado con el Chlamydomonas pared celular. Tal vez no sea sorprendente que la diferencia de tamaño y complejidad entre los volvox matriz extracelular y Chlamydomonas pared celular se refleja en un aumento dramático en el número y variedad de volvox genes para dos familias principales de proteínas ECM, feroforinas y VMP.

Además, Umen y sus colaboradores identificaron un aumento en el número de proteínas ciclina D en volvox, que gobiernan la división celular y pueden ser necesarios para asegurar la compleja regulación de la división celular durante volvox desarrollo. Por último, pero no menos importante, volvox adaptó algunos de sus genes existentes para adquirir nuevas funciones. Los miembros de la familia de las feroforinas, por ejemplo, no solo ayudan a construir la matriz extracelular; algunos subtipos evolucionaron hasta convertirse en un disparador hormonal difusible para la diferenciación sexual.

Los investigadores que también contribuyeron a este trabajo incluyen a Alan Kuo, Uffe Hellsten, Jarrod Chapman, Astrid Terry, Jasmyn Pangilinan, Asaf Salamov, Harris Shapiro, Erika Lindquist, Susan Lucas, Igor V Grigoriev, Harris Shapiro y Daniel S. Rokhsar del Departamento de Energy Joint Genome Institute en Walnut Creek, Patrick Ferris en el Salk Institute for Biological Studies, Aurora Nedelcu en la Universidad de New Brunswick en Fredericton, Canadá, Arman Hallmann en la Universidad de Bielefeld, Alemania, Stephen M. Miller en la Universidad de Maryland , Baltimore, Ichiro Nishii en la Universidad de Mujeres de Nara en Nara-shi, Japón, Lillian K. Fritz-Laylin en el Centro de Genómica Integrativa, Berkeley, Oleg Simakov en el EMBL en Heidelberg, Alemania, Stefan A. Rensing en la Universidad de Freiburg, Alemania, Vladimir Kapitonov y Jerzy Jurka en el Instituto de Investigación de Información Genética en Mountain View, Jeremy Schmutz en el Instituto HudsonAlpha en Huntsville, Rüdiger Schmitt en la Universidad de Regensburg, Alemania y David Kirk en la Universidad de Washington en St. Louis.

-Maja Gawronska

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