09 agosto, 2010

Las esponjas y la complejidad animal

image Las esponjas existen desde hace unos 635 millones de años, siendo los primeros organismos multicelulares (metazoos) en aparecer sobre la Tierra. Conocerlos a fondo nos daría muchas claves acerca de la evolución de todos los animales complejos que hoy conocemos, desde las medusas hasta el mismo hombre. Las esponjas no tienen una arquitectura corporal definida – como si lo tienen los Bilaterios –, tampoco presentan órganos, ni músculos y mucho menos sistema nervioso. Por estas razones, científicos de la Universidad de Berkeley, liderados por la Dra. Mansi Srivastava, secuenciaron el genoma de una esponja típica, la Amphimedon queenslandica, y presentaron el primer borrador en la revista Nature.

El genoma es relativamente pequeño – en comparación con el de otros animales – ya que cuenta con sólo 167Mpb (millones de pares de base); sin embargo, su genoma es sumamente complejo. Al analizarlo se identificaron ~30000 posibles genes (el 97% de su genoma es codificante), de los cuales 18693 (~63%) tienen homólogos en otros organismos.

Para tener una visión mas clara del genoma de la esponja la compararemos con el genoma humano. Nuestro genoma tiene unos 3200Mpb y ~27000 genes. Sólo el 1.5% de nuestro genoma es codificante.

Si es un organismo primitivo, ¿de donde tiene tantos genes?. En primer lugar, esos casi 30000 genes son putativos, o sea, han sido predichos usando herramientas bioinformáticas los cuales ubican codones de iniciación y codones de terminación para generar los ORFs (marcos abiertos de lectura). Luego, esos ~30000 genes han sido comparados con genes de otras especies usando herramientas como BLAST y ~18693 encontraron algún gen homólogo o semejante en toda la base de datos (GenBank). Además, los genes de la esponja presentaron una marcada conservación estructural (disposición de los intrones y exones) y una organización genómica similar al de otros animales más complejos.

Esta semejanza estructural sugiere que el último ancestro común entre las esponjas y las “animales verdaderos” o Eumetazoos, ha sido el punto de partida de la alta complejidad de los animales que hoy conocemos. Ver la siguiente figura para explicarles:

image Filogenia de los metazoos

Antes de secuenciar el genoma de la esponja se creía que la complejidad de los animales empezó desde el último ancestro común entre los unicelulares (Monosiga) y los animales (Metazoos), en la transición del lila al rosado; en otras palabras, las esponjas evolucionaron como un grupo parafilético; sin embargo, Srivastava et al. encontró que el 28% de las sustituciones de aminoácidos que diferencian al hombre del último ancestro común con los unicelulares ocurrió más adelante, antes de la divergencia entre las esponjas y los verdaderos animales (eumetazoos), en la transición del rosado al celeste, y este periodo se calcula que duró unos 150-200 millones de años, denominándolo periodo “pre-metazoo”.

Pero, ¿que implicancias tiene este descubrimiento?. En primer lugar, los genes se agrupan por familias, según sus semejanzas en secuencias conservadas y función que cumplen. Las familias de genes de todos los metazoos suman 4670, de las cuales 1286 (27%) se encontraron en el genoma de la esponja. Este 27% vendrían a ser las familias de genes específicos de los metazoos y la madre de todas las demás familias de genes de los Eumetazoos, quienes, mediante duplicación genética, divergieron y evolucionaron. Esta divergencia aumentó entre 2 y 34 veces el número de factores de transcripción (reguladores de la expresión de los genes) en los eumetazoos con respecto a las esponjas. En cuanto a las proteínas codificadas por estos genes, se encontraron 235 dominios específicos de proteínas de animales complejos y 769 combinaciones de ellos que evolucionaron y divergieron en los eumetazoos. Todo esto sugiere y confirma que las esponjas ya tenían las familias de genes y proteínas madre de donde divergieron y evolucionaron todas las familias que hoy conocemos, mediante procesos de duplicación genética. La divergencia entre las esponjas y los eumetazoos fue el inicio de la complejidad de todos los animales que hoy conocemos.

Otro punto bastante interesante del artículo es la presencia de 705 proteínas kinasa en Amphimedon, el número más grande reportado hasta el momento en cualquier metazoo, el cual incluye al 70% de las clases de kinasas humanas y al menos a un representante de la mayoría de clases de kinasa de todos los metazoos. Y, ¿que tienen de bueno las kinasas?. Las proteínas kinasa son la clave de la multicelularidad de los metazoos. Participan en los 6 procesos más importantes del desarrollo celular:

  1. Regulan el crecimiento y ciclo celular. Si bien la p53 apareció desde los Holozoos, su capacidad para responder ante el daño de ADN apareció justo cuando divergieron los eumetazoos, así como las Ciclinas dependientes de Kinasa (CDK) que son conocidos, en la actualidad, como supresores de tumores. La regulación del crecimiento celular vía insulina también emergió a partir de los genes ancestros PDK1 y Akt kinasas.
  2. Regulan la muerte celular programada (Apoptosis). Las proteínas clave en este mecanismo son las Caspasas, las cuales interactúan con muchas kinasas. Amphimedon codifica para ciertos iniciadores y efectores de caspasas.
  3. Adhesión celular. La adhesión célula-célula y célula-matriz celular es la clave para el desarrollo y evolución de los tejidos, componentes importantes de todos los animales. Las proteínas clave son las Cadherinas, las cuales son activadas vía fosforilación por kinasas. Amphimedon posee determinados receptores de membrana que interactúan con la matriz celular en animales complejos como las Integrinas.
  4. Señalización celular y regulación genética. Muchas vías de señalización y factores de transcripción están presentes en Amphimedon, sin embargo al no tener mesodermo carece de dichos mecanismos de desarrollo que están muy evolucionados en los eumetazoos. Amphimedon también carece de la familia de genes Hox, envueltos en el desarrollo del sistema nervioso y la arquitectura corporal. Este es uno de los procesos en los cuales los eumetazoos, especialmente los bilaterios, han evolucionado enormemente.
  5. Aloreconocimiento e inmunidad innata. La transición de unicelular a pluricelular trajo consigo la evolución de mecanismos de defensa contra invasores patógenos. si bien los genes de inmunidad aparecieron muy temprano, en el desarrollo de los eucariotas (hongos, plantas y animales), actualmente, casi todos están restringidos a los animales. Amphimedon y otras esponjas codifican para ciertos proteoglicanos que actúan como factores de agregación, promoviendo la adhesión celular y el aloreconocimiento.
  6. Especialización de tipos celulares. Las esponjas ya poseen varios genes con dominios tipo lamininas, las cuales están envueltas en la arquitectura de sistemas sensoriales y en la formación de estructuras tipo tejidos, esto permite que las esponjas puedan responder a los cambios en su entorno. Sin embargo, aún no han desarrollado células nerviosas propiamente dichas, pero si tienen un sistema sensorial primitivo.

Como podemos ver, muchas clases de factores de transcripción y proteínas envueltas procesos del desarrollo celular ya están presentes en las esponjas. Además, todos estos procesos están envueltos en el desarrollo de tumores y cánceres cuando mutan y funcionan mal. Entender como han ido evolucionando estos genes, a través de los años, tal vez nos permita conocer como se han originado ciertas enfermedades que hoy aquejan a la humanidad como el Alzheimer, el Parkinson y la Diabetes. Tal vez el cáncer ha sido una enfermedad que ha aquejado a la humanidad desde sus inicios y ha sido parte de su evolución.

Referencia:

ResearchBlogging.orgSrivastava, M., Simakov, O., Chapman, J., Fahey, B., Gauthier, M., Mitros, T., Richards, G., Conaco, C., Dacre, M., Hellsten, U., Larroux, C., Putnam, N., Stanke, M., Adamska, M., Darling, A., Degnan, S., Oakley, T., Plachetzki, D., Zhai, Y., Adamski, M., Calcino, A., Cummins, S., Goodstein, D., Harris, C., Jackson, D., Leys, S., Shu, S., Woodcroft, B., Vervoort, M., Kosik, K., Manning, G., Degnan, B., & Rokhsar, D. (2010). The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity Nature, 466 (7307), 720-726 DOI: 10.1038/nature09201

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