Si bien el surgimiento de la vida, hace unos tres mil 500 millones de años, continúa siendo un misterio, son igualmente enigmáticos el mecanismo y la causa de que algunos organismos unicelulares evolucionaran hasta convertirse en multicelulares, un verdadero salto evolutivo que dio origen a todas las especies actuales de grandes organismos complejos; entre ellos, los animales.
Una investigación reciente sugiere que ese cambio pudo ser posible a raíz de una sola mutación genética, hace entre 600 y mil millones de años. Tal evento fortuito debió modificar la función original de una proteína, dotándola con la capacidad de dirigir una adecuada distribución celular, que sentó las bases para que nuestros ancestros unicelulares comenzaran a formar organismos multicelulares organizados.
El extenso estudio fue realizado por el equipo del bioquímico Kenneth Prehoda, de la Universidad de Oregón, y Joseph W. Thornton, hoy profesor de genética y evolución en la Universidad de Chicago, a partir de un grupo de diminutas eucariotas unicelulares, llamadas Coanoflagelados (Choanoflagellata), así como la reconstrucción de una proteína ancestral.
Aunque son organismos de vida libre, dentro de ambientes acuáticos, los Coanoflagelados –que se consideran los parientes más próximos de los animales propiamente dichos, incluyendo a los humanos– ocasionalmente pueden formar colonias multicelulares y nadar en grupo, impulsados por sus flagelos o colas que suelen apuntar hacia la luz del Sol, funcionando como una unidad, muy similar a la de un organismo multicelular. Desde hace tiempo, los científicos sospechan que los ancestros de los Coanoflagelados podrían ser organismos puente entre los seres unicelulares y los multicelulares, no sólo porque son parecidos a las células individuales de las esponjas marinas, sino también porque al secuenciar su genoma, en 2008, encontraron marcadores de tres tipos de moléculas que, en las especies mayores, participan en la comunicación intercelular.
Para la investigación, el equipo comenzó a observar Coanoflagelados con la ayuda de Nicole King, y su grupo de la Universidad de California en Berkeley. Luego, utilizaron una técnica llamada “reconstrucción de proteínas ancestrales”, diseñada por Thornton, para observar experimentalmente cómo fue la evolución de genes y proteínas, remontándose hacia las raíces del árbol de la vida. Por medio de secuenciación genética y métodos computacionales, para retroceder en la historia evolutiva, los investigadores consiguieron observar importantes cambios moleculares, e inferir cómo funcionaban las proteínas en el pasado remoto.
Tras analizar secuencias genéticas de muchos organismos diferentes, el equipo aisló genes que podían ser responsables de permitir el trabajo en conjunto de las células. Y, aunque esperaban encontrar la participación de muchos genes, sus observaciones indicaron que sólo fue necesario un cambio en un gen: Una sola mutación, hace más de 600 millones de años, que le dio un nuevo propósito a un tipo de proteína.
Los científicos se concentraron en un proceso llamado “orientación del eje mitótico”. Para formar y mantener tejidos organizados, las células deben orientar la dirección en la que se dividen, en relación con sus vecinas. Por ejemplo, en los tejidos planos que recubren los órganos, las células se dividen dentro del plano del tejido; de lo contrario, pueden surgir malformaciones o cáncer. Con este propósito, las células utilizan una estructura llamada “eje mitótico”, una red de filamentos de proteínas que impulsa los cromosomas recién duplicados hacia los extremos opuestos de la célula, antes de que ésta se divida en dos.
En las células de muchas especies animales, el eje gira en relación con las células vecinas con ayuda de una especie de “andamio” molecular que se conoce como “dominio de interacción proteica”, que permite la comunicación y unión con otras proteínas, En otras palabras, ayuda a las células hijas a orientarse y organizarse; una capacidad muy útil para aquellas que han decidido abandonar la vida individualista y colaborar en un grupo.
Una mutación artificial, inducida por el equipo en genes que previamente habían sintetizado en el laboratorio, reveló que la proteína asociada con ese dominio de interacción pudo haber surgido de la mutación de una enzima (el tipo de proteínas que facilitan las reacciones dentro de la célula), cuando el gen original de esa enzima se duplicó y cambió. Así, una de las copias conservó su función original, pero la otra desarrolló la capacidad de participar en la orientación del eje mitótico. Gracias a esta mutación, las células pudieron comunicarse entre sí y trabajar en conjunto.
Dicho evento, que según el estudio se produjo antes de que los animales, y sus parientes unicelulares más próximos, se separaran de otros organismos unicelulares, fue crucial para permitir la organización interna de un organismo. El dominio de interacción actualmente está presente en todos los genomas de animales, y de sus parientes unicelulares cercanos que pueden funcionar en colaboración. Sin embargo, está ausente en otras formas de vida.
Esta investigación ayuda a resolver incógnitas importantes sobre la evolución, y sugiere que basta con una cantidad reducida de mutaciones para que surjan nuevas funciones en las proteínas. Asimismo, puede tener ramificaciones para la medicina moderna. De acuerdo con los investigadores, el cáncer, y otras enfermedades, podrían implicar que las células defectuosas “olvidaron” que forman parte de un ser multicelular, y dejaron de comunicarse, o de seguir las instrucciones del tejido al que pertenecen. Si éste es el caso, comprender qué brinda a las células las proteínas necesarias para comunicarse podría ayudar a descubrir por qué dejaron de hacerlo.
Aunque aún existen muchas preguntas relacionadas con la evolución de otras funciones que hicieron posible la vida multicelular, el equipo espera que la reconstrucción detallada de la historia de las proteínas y sus funciones pueda aplicarse a la evolución de otros importantes procesos celulares, hasta revelar todo el panorama evolutivo de los organismos más complejos.
Verónica Guerrero Mothelet (firstname.lastname@example.org)
Fuente:
Anderson DP, Whitney DS, Hanson-Smith V, Woznica A, Campodonico-Burnett W, Volkman BF, King N, Prehoda KE, & Thornton JW (2016). Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals. eLife, 5 PMID: 26740169
Información adicional:
Team identifies ancient mutation that contributed to evolution of multicellular animals