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En casi cada célula humana, los dos metros de ADN deben acomodarse en un núcleo que es solo 8 millonésimas partes de un metro. Como la lana en una madeja, este reto extremo de espacio requiere que el ADN se envuelva alrededor de unas proteínas estructurales denominadas histonas. Esta arquitectura genética en espiral, conocida como cromatina, protege al ADN de potenciales daños y tiene un papel clave en la regulación génica.
Las histonas están presentes tanto en los eucariotas, organismos vivos que poseen una maquinaria celular especializada como núcleos y microtúbulos; y las arqueas, otra rama del árbol de la vida, compuestas de microbios unicelulares que son procarióticos, lo que implica que no tienen núcleo.
En las células eucarióticas, las histonas están modificadas por enzimas, que cambian continuamente el paisaje genómico para regular la expresión génica y otros procesos genómicos. A pesar de este rol fundamental, el origen exacto de la cromatina ha estado rodeado de misterio.
Un equipo científico en el Centro de Regulación Genómica (CRG) revela ahora que esta solución de almacenamiento de la naturaleza evolucionó primero en antiguos microbios que vivieron en la Tierra hace entre uno y dos mil millones de años. El estudio se publica en la revista Nature Ecology and Evolution.
Para ir atrás en el tiempo, el equipo investigador usó información escrita en los genomas de organismos modernos, que organizan formas de vida según la evolución de genes y proteínas vinculadas a la cromatina. Estudiaron treinta especies diferentes obtenidas de muestras de agua en Canadá y Francia. Los microbios fueron identificados gracias a tecnologías modernas de secuenciación de genes que permiten la identificación de especies filtrando su ADN. A partir de ahí fueron cultivadas en el laboratorio para su secuenciación proteómica y genómica.
El equipo científico descubrió que los procariotas carecen de la maquinaria necesaria para modificar histonas, lo que sugiere que antiguamente la cromatina de las arqueas pudo haber jugado un papel estructural básico, aunque no regulaba el genoma. En contraste, los científicos descubrieron suficientes pruebas sobre proteínas que leían, escribían y borraban modificaciones de las histonas en linajes tempranos divergentes de eucariotas, tales como el Malawimonadea Gefionella okellyi, el Ancyromonadida Fabomonas tropica, o el Discoba Naegleria gruberi, microbios que no habían sido muestreados hasta ahora.
“Nuestros resultados enfatizan que los roles estructurales y regulatorios de la cromatina son tan antiguos como los propios eucariotas. Estas funciones son esenciales para la vida eucariótica –desde que apareció la cromatina por primera vez, nunca se ha vuelto a perder en ninguna forma de vida”, dice el Dr. Xavier Grau-Bové, investigador postdoctoral en el CRG y primer autor del estudio. “Ahora estamos un poquito más cerca de comprender su origen, gracias al poder de los análisis comparativos para descubrir episodios evolutivos que ocurrieron hace miles de millones de años”.
Mediante los datos secuenciados, el equipo científico reconstruyó el repertorio de genes del último ancestro común de los eucariotas (LECA, las siglas en inglés de Last Eukaryotic Common Ancestor), la célula que dio origen a todos los eucariotas. Este organismo vivo posee docenas de genes que modifican histonas y vivió hace entre uno y dos mil millones de años en la Tierra, la cual se estima que tiene unos 4 500 millones de años. Los autores del estudio sostienen la hipótesis que la cromatina evolucionó en este microbio como resultado de presiones selectivas en el entorno primordial de la Tierra.
El Dr. Arnau Sebé-Pedrós, investigador en el CRG y autor sénior del estudio, subraya que “los virus y elementos que pueden trasponerse son parásitos del genoma que atacan regularmente el ADN de organismos unicelulares. Esto pudo haber llevado a una carrera armamentística evolutiva para proteger el genoma, lo que resultó en el desarrollo de la cromatina como un mecanismo de defensa en la célula que dio origen a toda la vida eucariótica conocida en la Tierra. Más tarde, estos mecanismos fueron incorporados en la regulación génica compleja, tal y como observamos en los eucariotas modernos, especialmente en organismos multicelulares”.
Según los autores del estudio, los próximos estudios podrían investigar sobre la evolución de las enzimas que modifican histonas en arqueas Asgardianas, microbios que reciben su nombre por la región mitológica habitada por los dioses Norse, y que a menudo son descritos como un trampolín evolutivo entre las arqueas y los eucariotas. Los investigadores encontraron pruebas de que algunas especies de microbios Asgardianos, como el Lokiarchaeota, poseen histonas con rasgos similares a los eucariotas, lo que podría ser el resultado de la evolución convergente.
El estudio es el resultado de un proyecto de investigación que comenzó hace ocho años. Liderado por un equipo científico en el CRG, el trabajo cuenta con la colaboración de la Unidad de Proteómica CRG/UPF, el Instituto de Biología Evolutiva (CSIC-UPF), la Universidad Paris-Saclay, la Universidad de Montreal y la Universidad de Viena.
Referencia:
Grau-Bové, X., Navarrete, C., Chiva, C., Pribasnig, T., Antó, M., Torruella, G., … & Sebé-Pedrós, A. (2022). A phylogenetic and proteomic reconstruction of eukaryotic chromatin evolution. Nature Ecology & Evolution, 1-17.
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