Un nuevo estudio señala los orígenes de la multicelularidad animal
Los animales, desde los gusanos y las esponjas hasta las medusas y las ballenas, contienen desde unos pocos miles hasta decenas de billones de células casi genéticamente idénticas. Dependiendo del organismo, estas células se organizan en una variedad de tejidos y órganos, como el intestino, los músculos y los sistemas sensoriales.
Si bien no todos los animales tienen cada uno de estos tejidos, todos tienen un tejido, la línea germinal, que produce espermatozoides u óvulos para propagar la especie.
Los científicos no comprenden del todo cómo evolucionó en los animales este tipo de multicelularidad. La adhesión intercelular, o la capacidad de las células individuales de unirse, sin duda influye, pero los científicos ya saben que las proteínas que cumplen estas funciones evolucionaron en organismos unicelulares mucho antes del surgimiento de la vida animal.
Ahora, una investigación de la Universidad de Chicago proporciona una nueva perspectiva sobre las innovaciones clave que permitieron el surgimiento de los animales multicelulares modernos.
Al analizar las proteínas previstas a partir de los genomas de muchos animales (y parientes cercanos del reino animal), los investigadores descubrieron que los animales desarrollaron un mecanismo más sofisticado para la división celular que también contribuye al desarrollo de tejidos multicelulares y la línea germinal.
"Este trabajo sugiere firmemente que uno de los primeros pasos en la evolución de los animales fue la formación de la línea germinal, gracias a la capacidad de las células de mantenerse conectadas mediante una citocinesis incompleta", afirmó Michael Glotzer, profesor de Genética Molecular y Biología Celular en la Universidad de Chicago y autor del nuevo estudio.
"La evolución de estas tres proteínas permitió la multicelularidad y la capacidad de formar una línea germinal: dos de las características clave de los animales".
Imagen: Un papel clave para la centralspindlina y Ect2 en el desarrollo de la multicelularidad y la aparición de los metazoos
Posicionando la línea divisoria
La división celular, o citocinesis, es el proceso mediante el cual una célula se divide en dos células hijas distintas. Muchas de las proteínas implicadas en la citocinesis son antiguas, presentes mucho antes del surgimiento de los primeros metazoos, hace unos 800 millones de años.
Glotzer lleva varias décadas estudiando la división celular animal, centrándose en cómo las células determinan dónde dividirse. En las células animales, una estructura llamada huso mitótico segrega los cromosomas antes de que las células se dividan; también determina la posición donde se produce la división celular.
Glotzer y su equipo se centraron en un conjunto de tres proteínas —Kif23, Cyk4 y Ect2— que se unen entre sí y al huso, y que participan directamente en el establecimiento del plano de división. Anteriormente, solo se habían encontrado proteínas similares a estas proteínas en animales.
Dos de estas proteínas, Kif23 y Cyk4, forman un complejo proteico estable llamado centralspindlina, que Glotzer y sus colegas descubrieron hace más de 20 años. La centralspindlina no solo contribuye al posicionamiento del plano de división, sino que también crea un puente entre las dos incipientes células hijas.
Las células que componen los tejidos y órganos no germinales se denominan células somáticas y no se transmiten a la siguiente generación. Las células germinales son especiales porque pueden transformarse en cualquier tipo celular.
Durante el desarrollo de los espermatozoides y los óvulos, estas células también recombinan los cromosomas heredados de sus progenitores, generando diversidad genética. Si bien los puentes dependientes de la centralspindlina generalmente se rompen en las células somáticas, las líneas germinales de la mayoría de los animales tienen células que permanecen conectadas por puentes estables.
Rastreando las proteínas
Dada la reciente explosión de datos de secuencias genómicas disponibles para una amplia gama de animales, Glotzer quería determinar primero si las dos proteínas que componen el complejo centralspindlina, así como Ect2, la proteína reguladora que se une a él, estaban presentes y bien conservadas en todos los animales. Durante su análisis para este estudio descubrió que todas las ramas de los animales tienen estas tres proteínas.
Estudios de estas proteínas en especies de uso común en el laboratorio descubrieron motivos de secuencia conservados, vinculados a sus funciones conocidas. Utilizando la plataforma de inteligencia artificial AlphaFold de Google DeepMind (desarrollada por el exalumno de la Universidad de Chicago y reciente Premio Nobel John Jumper), pudo predecir las interacciones entre estas diferentes proteínas y descubrió que es probable que cada interacción se conserve en todos los animales.
Esto sugiere que todas estas proteínas estaban presentes al comienzo del reino animal hace más de 800 millones de años y desde entonces no han sufrido cambios dramáticos.
A continuación, Glotzer se preguntó si se podrían encontrar proteínas relacionadas en organismos unicelulares. Identificó proteínas relativamente relacionadas en los coanoflagelados, el grupo de criaturas unicelulares más estrechamente emparentadas con los animales. Alphafold predijo que algunas de ellas pueden formar un complejo similar al de la centralspindlina.
Aunque relacionados, estos complejos son claramente distintos de la centralspindlina y carecen de las secuencias que permiten que Ect2 se una a la estructura. Cabe destacar que algunas especies de coanoflagelados que poseen este complejo también pueden formar colonias mediante citocinesis incompleta.
Las células premetazoarias poseen mecanismos de división y separación, probablemente con ciertas características y variaciones. Este complejo proteico permitió que las células se detuvieran en la etapa justo antes de la separación —dijo Glotzer—. Quizás la vida multicelular evolucionó debido a un cambio genético que impidió que las células se separaran por completo.
"Una mutación que interrumpió el ensamblaje de la centralspindlina fue lo que nos permitió a mis colegas y a mí encontrar estas proteínas hace más de 25 años", continuó. "Y parece que la evolución de esta misma región contribuyó a la evolución de la vida animal en el planeta, lo cual es asombroso".
El estudio, "A key role for centralspindlin and Ect2 in the development of multicellularity and the emergence of Metazoa", se publica en Current Biology.
