Según una nueva investigación codirigida por un científico de la Universidad de Chicago, según una nueva investigación codirigida por un científico de la Universidad de Chicago, una mutación por casualidad hace aproximadamente mil millones de años hace que una proteína antigua desarrolle una nueva función esencial para la multicelularidad en animales.Los investigadores arrojan luz sobre el origen de un proceso molecular que permite a los animales formar y mantener tejidos organizados.
El estudio, publicado en la revista eLife el 7 de enero de 2016, es el primero en describir experimentalmente un mecanismo molecular involucrado en la evolución de la multicelularidad, y establece un paradigma para la investigación en biología celular evolutiva y los orígenes de la vida compleja.
"Nuestros experimentos muestran cómo la complejidad biológica puede evolucionar a través de senderos genéticos simples y de alta probabilidad", dijo el coautor principal del estudio, Joe Thornton, PhD, profesor de genética humana y ecología y evolución en la Universidad de Chicago ".El último antepasado común de todos los animales, cuando solo existían organismos unicelulares en la Tierra, solo un pequeño cambio en la secuencia de ADN provocó que una proteína cambiara de su papel primordial como enzima a una nueva función que se volvió esencial para organizar estructuras multicelulares ".
Pocos eventos en la historia de la vida en la Tierra son tan significativos como la evolución de animales multicelulares a partir de ancestros unicelulares. La multicelularidad depende de un conjunto de interacciones celulares y funciones moleculares, pero no se sabe casi nada sobre cómo evolucionaron esas funciones.
Thornton y sus colegas se centraron en un proceso llamado orientación del huso mitótico. Para formar y mantener tejidos organizados, las células deben orientar la dirección en la que se dividen en relación con sus vecinos. En los tejidos planos que recubren los órganos, por ejemplo, las células se dividenel plano del tejido; de lo contrario, pueden producirse malformaciones y cáncer. Las células logran esto a través de una estructura llamada huso mitótico, una red de filamentos de proteínas que atrae cromosomas recién duplicados a los extremos opuestos de la célula antes de que se divida en dos.
En células de una amplia gama de especies animales, el huso gira en relación con las células circundantes mediante un andamio de proteínas conocido como dominio de interacción de proteína guanilato quinasa GK-PID. Actúa como una especie de mosquetón molecular al unirse a dosdiferentes moléculas asociadas: una proteína 'ancla' en el interior de la membrana celular que indica la posición de las células adyacentes y una proteína motora que tira de los filamentos del huso mitótico. Una vez unidos por GK-PID, los motores tiran de los cromosomas hacia los anclajes, orientando nuevas células hijas en línea con las células vecinas.
viaje en el tiempo molecular
Para estudiar cómo GK-PID evolucionó su función como mosquetón orientador de huso, Thornton y sus colegas utilizaron la reconstrucción de proteínas ancestrales, una técnica pionera del grupo de Thornton para rastrear experimentalmente la evolución de genes y proteínas trabajando hacia atrás a través del árbolde vida.
Los estudiantes de posgrado Doug Anderson y Victor Hanson-Smith utilizaron por primera vez métodos computacionales para reconstruir las historias evolutivas de GK-PID y una enzima relacionada conocida como guanilato quinasa gk. Las dos proteínas comparten similitudes en secuencia y estructura pero tienen diferentes funciones y funciones.historias: GK-PID se encuentra solo en animales y sus parientes unicelulares más cercanos, mientras que gk desempeña un papel fundamental en la fabricación de los componentes del ADN y es universal para la vida.
Su análisis reveló que GK-PID evolucionó cuando el gen para la enzima gk se duplicó y luego comenzó a divergir. Este evento ocurrió antes de que los animales y sus parientes unicelulares más cercanos se separaran de otros organismos unicelulares, hace aproximadamente mil millones de años. Una copiaretuvo su función original, pero el otro desarrolló la capacidad de servir como un mosquetón molecular en la orientación del huso.
El equipo reconstruyó las formas antiguas de gk y GK-PID para estudiar cómo ocurrió esta transición. Trabajando hacia atrás desde cientos de especies actuales, utilizaron métodos computacionales sofisticados para inferir secuencias genéticas ancestrales desde el momento en que el GK-PID primeroCon el co-líder del estudio Ken Prehoda en la Universidad de Oregon, los investigadores sintetizaron químicamente los genes ancestrales y los insertaron en células bacterianas y de insectos, que producían las proteínas tal como existían en el pasado distante.
La proteína progenitora más antigua, que existía justo antes de la duplicación que producía GK-PID, funcionaba como una enzima. Pero los investigadores descubrieron que podían recapitular la evolución al introducir una sola mutación, que cambió la función de la proteína, aboliendo su actividad enzimáticay conferir la capacidad de actuar como un mosquetón que podría unir la proteína de anclaje.
Notablemente, cuando esta versión ligeramente alterada de una proteína de mil millones de años se insertó en células de insecto cultivadas, que tenían sus proteínas GK-PID actuales deshabilitadas y, por lo tanto, no podían llevar a cabo la orientación del huso, las células se volvieroncapaz de rotar adecuadamente sus husillos en relación con sus vecinos.
"Nuestros experimentos muestran que el GK-PID desarrolló su función de mosquetón temprano, antes de que apareciera la multicelularidad", dijo Thornton. "Esa mutación antigua produjo una función molecular completamente nueva, que ayudó a preparar el escenario para que los animales multicelulares eventualmente evolucionen."
Lo viejo es nuevo otra vez
El equipo también investigó la evolución de las proteínas de anclaje a las que se une GK-PID. Sorprendentemente, estas proteínas aparecieron por primera vez en el linaje que conduce a los animales, lo que sugiere que GK-PID ganó su capacidad de unirse al ancla mucho antes que el ancla.evolucionado
¿Por qué una proteína desarrollaría la capacidad de unirse a algo que no aparecería durante millones de años? Un análisis más profundo de la biología estructural de las proteínas sugirió que la respuesta radica en un proceso que Thornton llama explotación molecular, en el que un nuevoLa molécula en este caso, el ancla se une fortuitamente a una proteína antigua GK-PID porque resulta ser estructuralmente similar al compañero molecular original de la proteína.
Los investigadores encontraron que el GK-PID ancestral unía la proteína de anclaje de una manera muy similar a cómo la enzima gk ancestral unía su sustrato. Esta región podría unir a ambos socios porque la porción clave de la proteína de anclaje tenía una forma similary el patrón de cargas eléctricas como lo hizo el antiguo sustrato enzimático. La mutación crucial en la proteína gk ancestral expuso la superficie de unión sin cambiarla, dando un acceso más fácil a la proteína de anclaje.
"Es una coincidencia que las dos moléculas se vean tan similares", dijo Thornton. "Pero ese parecido afortunado es la razón por la cual un simple evento genético podría causar la evolución de una asociación molecular que ahora es esencial para la biología de los animales complejos".
Los hallazgos del grupo proporcionan la primera explicación molecular detallada de la evolución de las funciones involucradas en la multicelularidad y la vida compleja. Thornton señala que quedan por reconstruir muchos pasos clave en la evolución de la orientación del huso, y aún quedan más preguntas por responder sobre la evoluciónde otras funciones que hicieron posible la multicelularidad. El estudio de GK-PID ahora muestra una forma en que el campo científico emergente de la biología celular evolutiva podría responder a esas preguntas.
"Esperamos que el enfoque que utilizamos, reconstruir en detalle la historia antigua de las funciones de las proteínas, pueda aplicarse a la evolución de otros procesos celulares clave, revelando la imagen completa de la vida multicelular que evoluciona a partir de ancestros unicelulares".Dijo Thornton
El estudio, "Evolución de una función proteica antigua involucrada en la multicelularidad organizada en animales", fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud R01GM104397, R01GM087457, R01GM089977 y un Premio Científico de Carrera Temprana Howard Hughes Medical Institute a Thornton. Autores adicionalesincluyen a Arielle Woznicka y Nicole King de la Universidad de California, Berkeley, William Campodonico-Burnett de la Universidad de Oregón y Dustin Whitney y Brian Volkman de la Facultad de Medicina de Wisconsin.
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Materiales proporcionados por Centro médico de la Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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