Origens da multicelularidade: tudo na família

8 de julho de 2010

Origens da multicelularidade: tudo na família

8 de julho de 2010

LA JOLLA, CA - Uma das etapas mais importantes da evolução - a transição de organismos unicelulares para multicelulares - pode não ter exigido tanto reequipamento quanto comumente se acredita, descobriu uma colaboração global de cientistas liderados por pesquisadores do Salk Institute for Biological Studies e o Joint Genome Institute do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

Uma comparação dos genomas das algas multicelulares Volvox cartei e seu parente unicelular mais próximo Chlamydomonas reinhardtii revelou que os organismos multicelulares podem ter sido capazes de construir sua maquinaria molecular mais complexa em grande parte a partir da mesma lista de partes que já estava disponível para seus ancestrais unicelulares.

“Se você pensar em proteínas em termos de peças de lego Chlamydomonas já tinha um ótimo conjunto de lego”, diz James Umen, Ph.D., professor assistente no Laboratório de Biologia Celular e Molecular de Plantas do Salk Institute. “Volvox não precisava comprar um novo e, em vez disso, podia experimentar o que havia herdado de seu ancestral.”

No total, as descobertas, publicadas na edição desta semana da revista Ciência , sugerem que a inovação de codificação de proteínas muito limitada ocorreu no Volvox linhagem. “Esperávamos que houvesse algumas diferenças importantes no tamanho do genoma, número de genes ou tamanhos de famílias de genes entre Volvox e Chlamydomonas”, diz Umen. “A maioria acabou não sendo o caso.”

A evolução da multicelularidade ocorreu de forma repetida e independente em diversas linhagens, incluindo animais, plantas, fungos, bem como algas verdes e vermelhas. "Esta transição é um dos grandes eventos evolutivos que moldaram a vida na Terra", diz o co-primeiro autor Simon E. Prochnik, Ph.D., um cientista computacional do DOE Joint Genome Institute. “Isso gerou muita reflexão e especulação sobre o que torna os organismos multicelulares diferentes ou mais complexos do que seus ancestrais unicelulares”.

Na maioria dos casos, a mudança de uma existência solitária para uma comunal aconteceu há tanto tempo - mais de 500 milhões de anos - que as mudanças genéticas que permitiram isso são muito difíceis de rastrear. Uma exceção interessante à regra são as algas verdes volvocine. Para eles, a transição para a multicelularidade aconteceu em uma série de pequenas mudanças potencialmente adaptativas, e o aumento progressivo da complexidade morfológica e desenvolvimental ainda pode ser visto em membros contemporâneos do grupo (ver slide show).

Volvox, o membro mais sofisticado da linhagem, acredita-se ter evoluído de um Chlamydomonas-como ancestral nos últimos 200 milhões de anos, tornando os dois organismos vivos um modelo atraente para estudar as mudanças evolutivas que trouxeram a multicelularidade e a diferenciação celular.

Para coletar dados para a análise genômica comparativa, os pesquisadores sequenciaram os 138 milhões de pares de bases Volvox genoma usando toda uma estratégia de espingarda de genoma. O próprio genoma é 17% maior do que o genoma sequenciado anteriormente de Chlamydomonas e a divergência de sequência entre os dois é comparável àquela entre humanos e galinhas.

Apesar do modesto aumento no tamanho do genoma, o número de proteínas previstas acabou sendo muito semelhante para os dois organismos (14,566 em Volvox contra 14,516 em Chlamydomonas) e nenhuma diferença significativa pôde ser identificada nos repertórios de domínios de proteínas ou combinações de domínios. Domínios de proteína são partes de proteínas que podem evoluir, funcionar e existir independentemente do restante da cadeia de proteínas.

“Isso foi um tanto inesperado”, explica Umen, “uma vez que a inovação no nível de domínio foi anteriormente considerada como tendo um papel na evolução da multicelularidade nas linhagens de plantas e animais”.

Em contraste com a falta geral de inovação, famílias de proteínas específicas para algas volvocine, como proteínas da matriz extracelular, foram enriquecidas em Volvox em comparação com Chlamydomonas. cada maduro Volvox A colônia é composta por numerosas células flageladas semelhantes a Chlamydomonas, que estão embutidos na superfície de um esferóide de matriz extracelular (ECM) elaboradamente padronizada que está claramente relacionada com o Chlamydomonas parede celular. Talvez não surpreendentemente, a diferença de tamanho e complexidade entre os Volvox matriz extracelular e Chlamydomonas parede celular é espelhado por um aumento dramático no número e variedade de Volvox genes para duas grandes famílias de proteínas da ECM, feroforinas e VMPs.

Além disso, Umen e seus colaboradores identificaram um aumento no número de proteínas ciclina D em Volvox, que governam a divisão celular e podem ser necessários para assegurar a regulação complexa da divisão celular durante Volvox desenvolvimento. Por último, mas não menos importante, Volvox adaptou alguns de seus genes existentes para adquirir novas funções. Os membros da família das feroforinas, por exemplo, não apenas ajudam a construir a matriz extracelular; alguns subtipos evoluíram para um gatilho hormonal difusível para a diferenciação sexual.

Os pesquisadores que também contribuíram para este trabalho incluem Alan Kuo, Uffe Hellsten, Jarrod Chapman, Astrid Terry, Jasmyn Pangilinan, Asaf Salamov, Harris Shapiro, Erika Lindquist, Susan Lucas, Igor V Grigoriev, Harris Shapiro e Daniel S. Rokhsar no Departamento de Energy Joint Genome Institute em Walnut Creek, Patrick Ferris no Salk Institute for Biological Studies, Aurora Nedelcu na University of New Brunswick em Fredericton, Canadá, Arman Hallmann na University of Bielefeld, Alemanha, Stephen M. Miller na University of Maryland , Baltimore, Ichiro Nishii na Nara Women's University em Nara-shi, Japão, Lillian K. Fritz-Laylin no Center for Integrative Genomics, Berkeley, Oleg Simakov no EMBL em Heidelberg, Alemanha, Stefan A. Rensing na University of Freiburg, Alemanha, Vladimir Kapitonov e Jerzy Jurka no Instituto de Pesquisa de Informação Genética em Mountain View, Jeremy Schmutz no Instituto HudsonAlpha em Huntsville, Rüdiger Schmitt na Universidade de Regensburg, Alemanha e David Kirk na Universidade de Washington em St. Louis.

-Maja Gawronska

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
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As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.

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