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lunes, 30 de diciembre de 2013

Dos mejor que tres: un poda en el árbol de la vida

Xmas Darwin Phylogenetic Tree (origen de la imagen)




Hoy se cumple el primer aniversario de la muerte de Carl Woese, uno de los científicos de los que puede decirse eso de que "sus descubrimientos cambiaron los libros de texto". Bueno, ahora parece que algo parecido está sucediendo con su más famosa hipótesis, y probablemente dentro de poco habrá que volver a cambiar los libros de texto.

Ya hemos comentado en este blog que en 1977 Woese y Fox presentaron su árbol filogenético de tres ramas. El árbol fue construido al comparar la secuencia del ARN ribosómico, una macromolécula presente en todos los seres vivos. Evidentemente fueron muchos los grupos que se lanzaron bien a confirmar, o bien a rechazar la hipótesis mediante la realización de diversos experimentos y observaciones.

Uno de esos grupos fue el del profesor James A. Lake, de la Universidad de California Los Angeles. Lake también se fijo en los ribosomas, pero en lugar de comparar sólo las secuencias de ARN ribosomal, se fijo en la estructura de la macromolécula completa. En concordancia a los resultados de Woese, encontró que los ribosomas bacterianos eran muy distintos de los ribosomas eucariotas y de las arqueas. Pero al comparar los ribosomas de eucariotas y arqueas se encontró con algo inesperado. Los ribosomas eucariotas se parecían bastante a un tipo de arqueas (las crenoarqueas pero en ese tiempo se las conocía como los eocitos), pero no a otro (las euryarqueas, el grupo de los metanógenos y los halófilos extremos).

Comparación de la estructura de los ribosomas provenientes de difrerentes tipos de células. Origen de la imagen: Lake et al. 1984


Así que propuso otra explicación para explicar el origen de los eucariotas: la hipótesis del eocito. La diferencia fundamental entre ambas hipótesis es la siguiente. El árbol de Woese consta de tres ramas principales: Bacteria, Archaea y Eukarya. El árbol de Lake solo consta de dos ramas: Bacteria y Archaea, y dentro de la rama "Archaea" los eucariotas serían una rama secundaria más.

Los dos árboles. A la izquierda los tres dominios propuestos por Woese, a la derecha los dos dominios propuestos por Lake. Modificado a partir de Cox et al. 2008


¿Quién tiene razón? Pues inicialmente la hipótesis que parecía más correcta era la de Woese, y de hecho es la que nos encontramos en los libros de texto más usados en microbiología como son el Brock y el Prescott. Pero desde la revolución genómica cada vez se están acumulando más datos de secuencias de genómas completos de diversos microorganismos y parece que es la hipótesis del eocito la que se está viendo confirmada, al menos según una reciente revisión que ha sido publicada en la revista Nature. Vamos a resumirla.

Las dos hipótesis enfrentadas. En el árbol de la izquierda tenemos tres dominios principales monofiléticos: Bacteria, Archaea y Eukarya. Este último también es conocido como el linaje del hospedador en referencia al evento endosimbiontico que dio origen a la mitocondira, o el linaje nuclear por la presencia de dicho orgánulo. En este árbol las arqueas y los eucariotas tienen un ancestro común que no comparten con las bacterias. Todas las arqueas están dentro de un grupo monofilético. En la hipótesis del eocito (árbol de la derecha), el linaje de los eucariotas es uno más dentro del linaje de las arqueas. De acuerdo con dicha hipótesis los eucariotas compartirían un ancestro común con uno o con todos los linajes del grupo TACK, pero estarían diferenciados del linaje de las arqueas metanógenas (las euryarqueas). Por eso las arqueas serían un grupo parafilético. En este árbol sólo hay dos grandes linajes: Bacteria y Archaea. Origen de la imagen: Williamns et al. 2013


Comparación de secuencias

El árbol de los tres dominios se vio apoyado inicialmente por los datos de comparación de secuencias debido a que había muy pocas disponibles. Como ya he comentado antes, cada vez se están acumulando más datos genómicos. Esa circunstancia ha obligado a desarrollar nuevos métodos de análisis bioinformático. En cierto sentido en el campo de la bioinformática esta pasando algo muy similar a lo del problema de la "clasificación del murciélago" (¿es un ave porque vuela o un mamífero porque tiene mamas?). Dependiendo del método de comparación o del gen que se compara, una serie de parecidos entre las secuencias parecen tener más peso que otros, y así uno puede conseguir que le salga un árbol de tres dominios o uno de dos dominios. Añadamos a eso que a veces pueden suceder artefactos debidos a la técnica experimental de comparación. Un ejemplo de eso es lo que se conoce como la "atracción de las grandes ramas" en las que las secuencias que están en el interior de una gran rama tienden a parecer mucho más relacionadas entre sí, independientemente de su historia evolutiva. Como los programas bioinformáticos son cada vez más refinados y están diseñados para evitar o minimizar esos artefactos, lo que se está viendo es que los árboles se ajustan mejor al modelo de dos ramas del eocito.


Comparación de los "Core-genes" implicados en la producción de proteínas

Cuando Woese eligió hacer la comparación usando el ARN ribosomal lo hizo porque esta molécula está presente en uno de los procesos más conservados de la vida: la biosíntesis proteica. Pero ahora se pueden comparar no sólo los ARN ribosomales, sino todas las proteínas que están involucradas en dicho proceso, sobre todo aquellas proteínas que forman parte del ribosoma. Es lo que se conocen como los genes principales o core-genes, y evidentemente están muy conservados. Se asume que son unos 39 genes (depende de las preferencias del investigador). Aunque aquí también hay problemas dependiendo del método de comparación que use. En un trabajo publicado en el 2001 se comparaban los genes y el cómo estaban agrupados y se postuló que el árbol del eocito era el correcto. Pero en el 2006 apareció otro trabajo en el que primero se alineaban las secuencias dentro de cada grupo (bacteria con bacteria, arquea con arquea y eucariota con eucariota) y luego se combinaban para la comparación final, obteniéndose así un árbol con tres dominios. Al igual de lo que se ha indicado en el apartado anterior, usando métodos de comparación más refinados, los árboles que se obtienen son de dos ramas y no de tres.


Nuevos linajes de arqueas

Una consecuencia del uso de métodos metagenómicos en el análisis de muestras ambientales es que nos ha permitido conocer la existencia de microorganismos que ni siquiera ha sido posible cultivarlos en el laboratorio. Y con ello han aparecido linajes totalmente nuevos que han permitido “romper” las grandes ramas. Es el caso de los phylum Korarchaeota, Thaumarchaeota y Aigarchaeota. Estos tres phylum están relacionados con el phylum Crenarchaeota, por lo que se les conoce de manera informal como el super-filum TACK para así distinguirlos de los Euryarchaeota. Pues bien, una gran parte de los genes homólogos entre los eucariotas y las arqueas está dentro de este grupo, incluyendo los homólogos de la actina y la tubulina, el sistema de la ubiquitina, y una gran parte de los genes de la maquinaria ribosómica. Sin embargo dichos parecidos no se encuentran en un solo representante del grupo TACK, sino que están repartidos entre todos ellos, lo que puede explicarse por procesos de pérdida de genes o por procesos de transferencia genética horizontal (HGT).

Relaciones entre las arqueas y el origen de los eucariotas. El árbol representado es la rama Archaea de acuerdo con la hipótesis del eocito. Algunas de estas pautas y homologías también pueden ser explicadas por la hipótesis de los tres dominios, pero los resultados metagenómicos más recientes parecen cuadrar más con esta representación. Así, todos los linajes del grupo TACK y los eucariotas comparten el hecho de tener una inserción en la secuencia del factor de elongación 1-alfa (la posición filogenética de Korarchaeum aún no está resuelta definitivamente, pero ese linaje se caracteriza por la pérdida de dicha inserción). Entre estos resultados recientes se incluyen los ortólogos de la actina y la tubulina que en los eucariotas son la base del citoesqueleto. En el caso de los euryarqueotas lo que se encuentra es FtsZ, el homólogo a la tubulina presente en las bacterias. También se han incluido los componentes del sistema de la ubiquitina encontrado en Caldiarchaeum subterraneum. Aunque los mayores parecidos entre eucariotas y el grupo TACK se encuentran al comparar las secuencias de los genes involucrados en la transcripción y la traducción (cuatro proteínas ribosomales, la subunidad RpoG de la RNApolimerasa y el factor de elongación Elf1). Origen de la imagen: Williamns et al. 2013


Endosimbiosis, procesos de transferencia genética horizontal e historia de la vida

Tanto la hipótesis de los tres dominios como la del eocito contemplan el cómo la endosimbiosis y los procesos HGT han influido en la evolución y en la aparición del linaje eucariota, pero se diferencian en el cuándo han sucedido. Lo que parece claro es que los genes involucrados en procesos de transcripción y traducción (core-genes) no se han visto afectados por procesos HGT tan frecuentemente como genes involucrados en procesos metabólicos, así que el estudio de cómo se heredaron de manera vertical nos debe de dar información sobre cuándo aparecieron los distintos linajes. Para la hipótesis de los tres dominios, la aparición de los eucariotas fue algo que sucedió muy tempranamente y por ello dicho linaje celular está al mismo nivel que el dominio Arquea. En cambio, según la hipótesis del eocito los eucariotas son un grupo relativamente joven ya que sus "core-genes" se originaron dentro del linaje Arquea.

En cuanto a la endosimbiosis que dio lugar a las mitocondrias y a los cloroplastos, parece claro que debió suceder después de que hubieran aparecido las alfaproteobacterias y las proclorofitas. Se ha llegado a postular que la endosimbiosis que dio lugar a las mitocondrias fue anterior a la aparición del núcleo, y que fue precisamente ese evento lo que originó la aparición del linaje eucariota. En ese caso, dicho evento tuvo que suceder mucho después de lo que indica el árbol con tres dominios, algo que se contempla en la hipótesis del eocito.


Registro fósil y aparición de los eucariotas

El primer fósil que es indiscutiblemente eucariota es un alga roja de las bangiophytas que ha sido datada entre los 1200 y los 720 millones de años. Hay sin embargo otros candidatos que aparecen en rocas con 1800 millones de años de edad. Esto es consistente con los datos de biología molecular que señalan que el último ancestro común de los eucariotas apareció entre los 1900 y los 1700 millones de años. Sin embargo, sabemos que los procariotas fotosintéticos que formaron los primeros estromatolitos aparecieron hace 3400 millones de años, y las primeras arqueas metanógenas (Euryarchaetoa) produjeron metano que quedó en el registro fósil hace ya 3500 millones de años. Esto indica que los dos linajes procariotas aparecieron casi dos mil millones de años antes de que aparecieran los eucariotas. De nuevo, este dato parece apuntar a la hipótesis del eocito más que a la de los tres dominios.

Moraleja, no te tatúes un árbol filogenético. Origen de la imagen: The Genealogical World


Membranas celulares

Este es el único aspecto que parece mejor explicado por el árbol de los tres dominios que por la hipótesis del eocito. Las bacterias y los eucariotas tienen en común que los fosfolípidos de sus membranas celulares presentan enlaces éster, mientras que los fosfolípidos de todas las arqueas contienen enlaces éter. Lo cierto es que la aparición de las membranas biológicas en la historia de la vida es un asunto que no está aún muy claro, y de hecho se ha llegado a proponer que la vida apareció en estructuras de origen mineral y que luego se formaron las membranas dando lugar a las células modernas. En el caso de la hipótesis del eocito habría que explicar como una arquea del grupo TACK que realiza una endosimbiosis con una alfaproteobacteria, cambió su sistema de membranas biológicas del "estilo arquea" al "estilo bacteria".


Conclusiones

Si el árbol del eocito es correcto, entonces el grupo TACK de las arqueas contiene las pistas para explicar el origen de los eucariotas y de las complejas estructuras intracelulares que contienen. Al mismo tiempo, permite rechazar la hipótesis de que los eucariotas son un linaje celular primordial, dejando tan solo dos dominios primarios: Archaea y Bacteria.


. ¡Que tengáis un feliz 2014!
Origen de la imagen: Zazzle


Esta entrada participa en el XXVII carnaval de la Biología alojado en el blog La aventura de la ciencia

ResearchBlogging.org

Woese CR, & Fox GE (1977). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 74 (11), 5088-90 PMID: 270744

Williams TA, Foster PG, Cox CJ, & Embley TM (2013). An archaeal origin of eukaryotes supports only two primary domains of life. Nature, 504 (7479), 231-6 PMID: 24336283

Cox CJ, Foster PG, Hirt RP, Harris SR, & Embley TM (2008). The archaebacterial origin of eukaryotes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105 (51), 20356-61 PMID: 19073919

Lake JA, Henderson E, Oakes M, & Clark MW (1984). Eocytes: a new ribosome structure indicates a kingdom with a close relationship to eukaryotes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 81 (12), 3786-90 PMID: 6587394

5 comentarios:

JM dijo...

Muy buen post, Manuel. Lo usaré en el Máster de Profesor de 2aria.
Saludos y FAN2014
José Manuel

Manuel Sánchez dijo...

Me alegra que te haya gustado JM. Feliz año para ti también

pablo nart dijo...

Muy interesante y completa la nota sobre un tema que une temas tan interesantes como evolución y el concepto de especie procariotica.

Desde mi desconocimiento de la materia, me surgen dos dudas tras su lectura:

¿No existe ningún tipo de reloj molecular que pueda fechar el origen de la rama eucariota o procariota en términos de miles de millones de años?

¿En que grado piensa el autor que coincide la topografia del arbol filogenetico del ribosoma con la de las especies bacterianas definidas por nicho ecologico?

Manuel Sánchez dijo...

Hola

Gracias por comentar. Con respecto a las preguntas

Sí y no. Lo malo es ajustar el cronómetro molecular con el registro fósil. Necesitas primero un registro que esté bien datado, entonces ajustas el reloj con un gen (o varios). Lo malo es que cuanto más abajo te vas en el registro, más difícil es hacer esa extrapolación.

Sobre la pregunta 2. Ahhhh! la eterna cuestión de cómo definimos a una especie bacteriana. Quizás este post que escribí hace tiempo te aclare algo el asunto, pero en realidad la cosa no está tan clara ni mucho menos.


http://curiosidadesdelamicrobiologia.blogspot.com.es/2009/01/una-bacteria-es-una-bacteria-es-una.html

Saludos



pablo nart dijo...

Gracias Manuel. He leído tus anotaciones sobre las especies microbianas y el experimento de Leski y las he encontrado muy interesantes.

El ejemplo del genero _Burkholderia_ me es, como veterinario, familiar y me ha ilustrado con claridad las diferentes técnicas genéticas y sus implicaciones a la hora de establecer relaciones filogenéticas, fenotípicas y ecológicas.

En los últimos años, gracias a la secuenciación genética y el esfuerzo de muestreo en los lugares mas recónditos del planeta, estamos viendo como el mundo microbiano esta siendo incorporando por primera vez en la teoría de la evolución con voz propia.

¡Es fascinante y tendrá sin duda un gran impacto en nuestra comprensión de la vida!