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Las peculiaridades de la evolución: el descubrimiento de un organismo que vive sin oxígeno



La flora y fauna de nuestro planeta es increíblemente rica en una amplia variedad de organismos, cada uno de los cuales tiene sus propias características únicas. Sin embargo, a pesar del número infinito de diferencias, siempre hay algunas reglas evolutivas comunes para todos. Una de esas reglas es la necesidad de oxígeno. Por supuesto, los hongos, la ameba o los ciliados con el tiempo han perdido la capacidad de respirar, pero estas son solo excepciones que confirman la regla. Anteriormente se creía que la respiración aeróbica es inherente a todas las especies de animales, pero esto no es del todo cierto. Científicos de la Universidad de Tel Aviv (Israel) hicieron un descubrimiento sorprendente: el parásito Henneguya salminicolaque vive en el tejido muscular del salmón, que no necesita oxígeno. ¿Qué información se obtuvo durante el estudio de las nuevas especies y qué diferencias se encontraron en su información genética? Aprendemos sobre esto del informe de los científicos. Vamos.

Base de estudio


Cualquier característica de cualquier organismo vivo puede asociarse con su entorno y las condiciones en que tuvo lugar su evolución. La respiración aeróbica es el punto de intersección de muchas especies eucariotas, sin embargo, hay varias líneas unicelulares que han perdido esta capacidad debido a su hábitat en un entorno hipóxico.

Si consideramos los organismos de las criaturas aeróbicas en términos de células, pero lo más importante son las mitocondrias. Este orgánulo esférico o elipsoidal de dos miembros con un diámetro del orden de 1 μm es una especie de planta de energía, que lleva a cabo la oxidación de compuestos orgánicos. Como resultado de esto, se genera energía, que luego se utiliza para generar potencial eléctrico, termogénesis y síntesis de trifosfato de adenosina (ATP, una fuente de energía para procesos bioquímicos).

Si no hay oxígeno en el hábitat y el cuerpo ha evolucionado para prescindir de él, entonces las mitocondrias pierden parcial o completamente su genoma, convirtiéndose en orgánulos similares a las mitocondrias (MRO, orgánulos relacionados con las mitocondrias ).

Los investigadores señalan que el tema de la presencia de estos MRO en animales ha generado controversia en la comunidad científica. Algunos consideraron esto imposible, mientras que otros estaban convencidos de lo contrario, pero no tenían evidencia material de sus teorías. Sin embargo, con la apertura de Henneguya salminicola, el debate no será tan feroz.


Imagen No. 1: relaciones filogenéticas de eucariotas derivadas de la supermatriz de 9490 posiciones de aminoácidos para 78 especies. Las especies que han perdido la respiración aeróbica están marcadas en negrita y con un asterisco.

Una de las principales diferencias entre MRO y las mitocondrias convencionales es la ausencia en las primeras crestas * , que son reemplazadas por hidrogenosomas * y mitosomas * .
Krista * : pliegues de la membrana interna de las mitocondrias.
Hidrogenosomas * : un orgánulo de membrana cerrada de algunos organismos anaeróbicos unicelulares (que no usan oxígeno), como ciliados, tricomonas y hongos.
Mitosomas * : orgánulos de algunos organismos anaeróbicos unicelulares (que no usan oxígeno). Lo más probable es que los mitosomas estén involucrados en la síntesis de grupos Fe - S (hierro-azufre), sin embargo, los datos sobre estos orgánulos aún son escasos.
En el estudio que estamos examinando hoy, los científicos demostraron que el parásito mixosoico ( Cnidaria ) durante la evolución perdió su genoma mitocondrial y sus vías metabólicas aerobias, reemplazándolas con un nuevo tipo de MRO anaeróbico.

Los principales experimentos en este estudio fueron realizados por Myxozoa (miksozoya) - tipo de invertebrado parasitario Cnidaria ( Cnidaria ). Las mitocondrias de Myxozoa tienen estructuras genómicas muy diferentes, con grandes cromosomas mitocondriales de anillo de múltiples partes y tasas de evolución inusualmente altas. Se seleccionaron dos especies estrechamente relacionadas para el análisis: Henneguya salminicola y Myxobolus squamalisque ambos parasitan en salmónidos.

Resultados de la investigacion


Antes del análisis real, se recolectaron transcriptomas y genomas de ambas especies. Los análisis filogenéticos basados ​​en 78 genes que codifican una proteína ribosómica nuclear en taxones que representan la diversidad eucariota han confirmado que los organismos que han sido secuenciados son mixozoos estrechamente relacionados.

La evaluación de la calidad del ensamblaje del genoma mostró que H. salminicola tiene un ensamblaje más completo con una mayor cobertura y secuencias de proteínas más predecibles que M. squamalis (tabla No. 1).


Tabla No. 1: evaluación de la calidad del ensamblaje del genoma de las especies estudiadas y representativas.

Las búsquedas dirigidas en los genomas identificaron 75/78 genes de proteínas nucleares ribosómicas, lo que sugiere que la integridad es> 90% para ambas especies. Sin embargo, las estimaciones de la integridad del genoma utilizando el método básico de mapeo de genes eucariotas (CEGMA) arrojaron solo el 53,6% de los principales genes eucariotas para H. salminicola y el 37,5% para M. squamalis .

Los científicos han sugerido que fue la alta tasa de evolución la que redujo la capacidad de detectar muchos genes eucariotas comunes.

El análisis del genoma mitocondrial (en adelante, mt ) mostró diferencias sorprendentes entre las dos especies bajo consideración. El genoma circular mt fue restaurado con éxito para M. squamalisconsistente en un cromosoma, que según el análisis filogenético era mixozoal. Como en otras especies mixozoicas, los ARNt estaban ausentes en el genoma mt de M. squamalis , y la tasa de su evolución fue bastante alta.

La situación con H. salminicola fue lo opuesto, ya que no fue posible identificar la secuencia mt , a pesar de la calidad aún mayor de este ensamblaje en comparación con M. squamalis .

Además, para determinar la presencia / ausencia de ADN en las mitocondrias mixozoicas, los científicos tiñeron las etapas de desarrollo multicelulares vivas de M. squamalis y H. salminicola usando DAPI (tinte fluorescente 4 ', 6-diamidino-2-fenilindol).


Imagen 2: Imágenes microscópicas que muestran la ausencia de mitocondrias en H. salminicola. Las

células de M. squamalis mostraron tinción eucariota característica de núcleos y mitocondrias ( 2A ), mientras que H. salminicola mostró solo tinción nuclear ( 2B ).

Los resultados microscópicos confirmaron que falta el genoma mt en H. salminicola . Sin embargo, también se detectaron orgánulos de dos membranas con forma de mitocondrias con crestas en H. salminicola ( 2C ) e incluso en M. squamalis. Por consiguiente, también se han encontrado genes implicados en la organización de las crestas en el genoma de ambas especies, en particular DNAJC11 y MTX1.

La totalidad de estos datos confirma que las especies examinadas presentan MRO sin el genoma de las mitocondrias, pero hay crestas.

Los investigadores recuerdan que en los animales, la mayoría de las mitocondrias del proteoma * están codificadas en el núcleo.
Proteoma * : un conjunto de proteínas que son expresadas por un genoma, célula, tejido u organismo en un momento específico.
Con esto en mente , se identificaron 51 genes en H. salminicola y 57 genes en M. squamalis involucrados en vías metabólicas clave de las mitocondrias (por ejemplo, metabolismo de aminoácidos, carbohidratos o nucleótidos).


Imagen 3: Comparación entre vías presentes en mitocondrias aeróbicas típicas ( A ) y MRO de H. salminicola ( B ).

Esto sugiere que el MRO de H. salminicola todavía realiza una variedad de funciones metabólicas similares a las mitocondrias de M. squamalis .

Por el contrario, casi todas las proteínas codificadas nucleares involucradas en la replicación y traducción del genoma mt estaban ausentes en el genoma de H. salminicola. Usando la base de datos 118 de dichos genes nucleares codificados de Drosophila (mosca de la fruta), capaz de determinar de 41 a 58 genes homólogos mt en M. squamalis , pero solo seis de estos genes se han encontrado en H. salminicola .

Vale la pena señalar que la ADN polimerasa gamma-1 del gen mt en la especie H. salminicola es un pseudogen porque contiene mutaciones de tres puntos que crean codones de parada prematuros * .
Stop codon * : una unidad del código genético que codifica el cese de la traducción (síntesis de la cadena de polipéptidos).
Además, este gen no se expresa en H. salminicola y no está presente en el ensamblaje del transcriptoma de H. salminicola , mientras que los contigs * homólogos * se identificaron en todos los otros transcriptomas Myxozoicos * .
Kontig * es un grupo de varias secciones de ADN conectadas en serie.
La presencia de una copia pseudogénica de esta polimerasa es evidencia de varias teorías y observaciones previamente expresadas. En primer lugar, esto confirma la teoría de que H. salminicola perdió su ADN mt porque no tiene un mecanismo para su replicación. En segundo lugar, esto prueba que la ausencia de homólogos de proteínas en esta especie es el resultado de la seudogenización y no un error de ensamblaje.

Naturalmente, la pérdida del genoma mitocondrial tiene un efecto directo sobre el formato respiratorio del cuerpo, ya que las mitocondrias animales codifican proteínas importantes de la cadena de transferencia de electrones. Para verificar si la pérdida de genoma de MT significa pérdida de respiración aeróbica en H. salminicola, los científicos comenzaron a buscar homólogos de los conocidos genes nucleares de Drosophila, que generalmente codifican ∼100 proteínas de complejos de cadena de transporte de electrones mt .

Una búsqueda reveló solo siete de estas proteínas en H. salminicola , mientras que el otro Myxozoic tenía aproximadamente 18-25. En particular, todos los complejos de genes (I, III y IV) que se detectaron en otras especies mixozoicas están ausentes en H. salminicola ( 3B ) o se presentan como pseudogenes.

Dado que el complejo IV interactúa con las moléculas de O 2 , esto puede significar que H. salminicola puede ser incapaz de la respiración aeróbica celular estándar.

Además de los complejos I, III y IV, que son responsables del paso de protones al espacio intermembrana mitocondrial, no se detectó ningún complejo V responsable de la síntesis de ATP en H. salminicola .

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo


En este estudio, se recopilaron los primeros datos sobre las características genéticas de una criatura capaz de, aparentemente, vivir sin la necesidad de respiración aeróbica. Lo que antes se consideraba una parte integral del mundo animal no era tan importante para algunos de sus representantes.

Los autores de este descubrimiento señalan que generalmente la evolución procede de simple a compleja, pero en el caso de H. salminicola se observa la situación opuesta. La vida en un ambiente libre de oxígeno obligó a este organismo a perder los genes más innecesarios responsables de la respiración aeróbica, lo que lo convirtió en un organismo más simple.

Por supuesto, no queda claro exactamente cómo se desarrolló la evolución del organismo parásito de la especie H. salminicola.qué circunstancias exactamente lo obligaron a perder sus mitocondrias y realmente abandonar el oxígeno y por qué ocurrió exactamente tal variante de cambios. Los científicos tienen la intención de considerar estos problemas en su futura investigación.

Sea como fuere, este descubrimiento es verdaderamente único, ya que una vez más confirma que la naturaleza todavía tiene algo para sorprendernos. Las leyes y normas generalmente aceptadas que anteriormente se consideraban inquebrantables se violan en algunos casos raros. Por un lado, esto es sorprendente; por otro, es bastante esperado. Después de todo, ¿qué más puede esperar de la evolución, que a partir de un caldo primario caótico creó una flora y fauna tan compleja y hermosa que nos rodea todos los días.

¡Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana a todos, muchachos! :)

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