El genoma ancestral dels metazous: com el regne animal començà curull de novetats evolutives

El passat 30 d’abril, Nature Communications publicava un article de Jordi Paps i Peter W. H. Holland en el qual fan una reconstrucció del genoma del darrer ancestre comú de tots els grups actuals d’animals pluricel·lulars o metazous. El terme “metazou” és generà per contraposició a “protozou”, terme sota el qual s’assenyalen una diversitat d’animals unicel·lulars. No obstant, el concepte actual més habitual de Regne Animal exclou aquests protozous i és doncs equivalent al de Regne de Metazous. Val a dir que entre els “protozous” i els “metazous” trobem una sèrie de grups “de transició” que són de vegades denominats “parazous”. És a través de la genòmica comparada entre metazous i parazous, que Paps & Holland infereixen quin era el genoma del “primer metazou” (l’urmetazou) en termes de contingut mínim de gens codificadors de proteïnes. En comparar el genoma mínim de l’urmetazou amb el genoma mínim de diversos grups de “protozous”, Paps & Holland identifiquen les novetats genètiques associades a l’aparició del Regne Animal. La llista de Paps & Holland inclou 25 grups de gens específics de metazous. És una llista llarga que indica dues coses. La primera és que la novetat evolutiva associada al Regne Animal és més considerable que no pas es pensa habitualment. I la segona és que un 55% dels gens dels metazous actuals són compartits en termes generals amb aquell urmetazou.

Reconstrucció dels genomes ancestrals a partir dels genomes de tota una sèrie de metazous moderns

L’aparició del Regne Animal

Els tres dominis de la vida són el bacterià, l’arqueà i l’eucariòtic. Els dos primers dominis són organismes procariòtics. Els organismes eucariòtics, amb cèl·lules de major complexitat estructural (amb un nucli separat del citoplasma) són considerats en l’esquema evolutiu com un graó superior respecte dels procariòtics. El domini eucariòtic és classificat de vegades en un esquema de “quatre regnes”, amb un regne basal unicel·lular (el Regne dels Protoctistes) i tres regnes apicals: els Regnes de les Plantes, dels Fongs i dels Animals. El Regne dels Animals és anomenat de vegades Regne dels Metazous, ja que fora d’aquest regne trobem alguns grups classificats tradicionalment com a animals (i que ara, com a protozous o parazous, són comptats entre els protoctistes). En certa mesura, els tres regnes apicals eucariòtics poden ser considerats un graó superior en termes organitzatius, particularment pel que fa a la pluricel·lularitat. Ara bé, dels tres, són els animals metazous els més diversos en termes d’espècies descrites (1,6 milions).

Aquest esquema classificatori és essencialment un esquema evolutiu, una versió moderna de l’scala naturae aristotèlica. Si seguim però estrictament criteris de descendència, haurem d’adoptar una classificació cladística. En aquest esquema, el Domini Eucariòtic és subdividit en clades dicotòmics. Un d’aquests clades és el supergrup dels opistoconts (anomenats així pel flagel o cili posterior que trobem en algunes fases unicel·lulars). Dins dels opistoconts hi ha grups unicel·lulars a banda dels fongs (o eumicets) i dels animals (o metazous). Els grups unicel·lulars opistoconts més estretament relacionats amb els metazous serien els coanoflagelats, els filastereans i els ictiosporeans.

En qualsevol cas, però, els metazous constituirien un exemple de “salt evolutiu”. Aquest salt es produí en algun moment poc definit del Neoproterozoic (fa entre 1000 i 600 milions d’anys). Hi devien contribuir factors ambientals (les condicions del medi marí) i ecològics (la interacció entre organismes), però Paps & Holland també assenyalen el paper que jugarien funcions biològiques codificades en el genoma. El salt a la pluricel·lularitat exigí el paper de gens reguladors (factors de transcripció, vies de senyalització), de l’adhesió cel·lular (cadherines), de l’especialització cel·lular, del cicle cel·lular i de mecanismes immunitaris. Molts dels gens associats amb aquests funcions de pluricel·lularitat devien ésser recrutats de gens ja existents en els ancestres unicel·lulars. Però d’altres gens constituirien autèntiques novetats. Paps & Holland se centren en aquest segon aspecte, i pensen que les novetats genòmiques tingueren un impacte especial en la multicel·lularitat (regulació gènica, senyalització, adhesió intercel·lular, regulació del cicle cel·lular). Per investigar aquestes novetats empren eines de genòmica comparada per tal de reconstruir el genoma ancestral de darrer ancestre comú de tots els metazous actuals.

Metodologia

Les eines bioinformàtiques utilitzades per Paps & Holland són prou sofisticades. Entre els genomes comparats cerquen grups homòlegs de proteïnes i n’identifiquen les relacions filogenètiques.

El punt de partida són les seqüències teòriques de 1.494.207 proteïnes de 62 genomes eucariòtics diferents. Entre aquests 62 genomes hi ha 44 genomes de 14 divisions diferents de metazous i 18 fenomes de 8 llinatges no-metazoics.

Comparar totes aquestes seqüències proteiques suposa obtindre 2.232.654.558.849 comparacions. D’aquestes comparacions infereixen 268.440 grups amb homologia gènica.

Paps ha denominat PAPS el seu programa en Perl per gestionar aquests resultats (“Phyllogenetically-Aware Parsing Script“) i classificar-los en:
– grups d’homologia “ancestral” (és a dir grups d’homologia presents en el darrer ancestre comú de cada clade).
– grups d’homologia “nova” (grups d’homologia presents en el darrer ancestre comú d’un clade però absents en tot altre clade).

Aquests grups d’homologia són anotats funcionalment d’acord amb el genoma funcional de Drosophila melanogaster.

268.440 grups d’homologia

Les 1.494.207 proteïnes analitzades són agregades en 268.440 grups d’homologia. Per exemple, les proteïnes humanes analitzades s’agreguen en 9.451 grups d’homologia. En el cas de Drosophila melanogaster aquesta xifra baixa a 7.618. Les dades numèriques obtingudes per Paps & Holland segueixen malgrat tot un paral·lelisme amb la taxonomia clàssica de gens (famílies, classes, superfamílies) i d’organismes. Hi ha grups d’homologia que s’identifiquen amb una família de gens, amb una classe de gens o amb una superfamília de gens.

El genoma de l’urmetazou

Tècnicament, l’urmetazou seria el primer metazou o ancestre comú de tots els metazous. Ell mateix és un ancestre de l’anomena “darrer ancestre comú” de tots els metazous actualment existents. A efectes pràctics, però, els dos conceptes es poden considerar equivalents.

El genoma de l’urmetazou contindria 6331 grups ancestrals d’homologia. Aquest nombre, però, depèn del criteri filogenètic que es faci servir, i el nombre baixaria a 4929 si els ctenòfors fossin exclosos del grup de metazous.

Un ctenòfor del gènere “Beroe”

Si acceptem el nombre de 6331 grups d’homologia, això no vol dir que el genoma de l’urmetazou contingués tan sols 6331 gens codificants de proteïna. Alguns grups d’homologia podrien ser presents en forma de múltiples gens (famílies gèniques). Per exemple, els 6331 grups ancestrals metazoics descrits es corresponen a 8270 gens en Drosophila melanogaster i a 13.034 gens en Homo sapiens. Això vol dir que el 55-60% dels gens d’aquestes dues espècies deriven de grups d’homologia ja presents en l’urmetazou.

Aquests 6331 grups ancestrals no s’han conservats pas de manera igual en tots els grups de metazous. De fet, tals 922 grups ancestrals es troben en 43 o 44 dels 44 genomes metazoics analitzats. La pèrdua gènica i la divergència explicaria aquesta baixa xifra.

Pel que fa a funcionalitat, els 6331 grups ancestrals identificats inclouen especialment classes de proteïnes implicades en la regulació gènica (unió a àcids nucleics, factor de transcripció), en activitats catalítiques (hidrolases, transferades, oxidoreductases), en vies de senyalització (Wnt, TGF-beta, senyalització per cadherines i integrines).

En termes de classes funcionals, el proteoma de l’urmetazou no difereix gaire del proteoma dels metazous moderns o del proteoma dels ancestres holozous anteriors a l’urmetazou.

Les novetats genòmiques de l’urmetazou

Paps & Holland identifiquen 1189 grups d’homologia nous associats al genoma de l’urmetazou. És un nombre considerable si se’l compara amb les xifres de nodes més antics. De fet el 19% dels grups d’homologia del genoma de l’urmetazou són “nous”. Aquests grups d’homologia nous semblen dedicats especialment a funcions reguladores (unió a àcids nucleics, factors de transcripció, molècules de senyalització) i no pas tant a funcions enzimàtiques o metabòliques.

La transició als primers metazous s’acompanyà, doncs, un augment de la innovació genòmica. Aparegueren gens nous que codificaven funcions reguladores i que han tingut en els grups posteriors de metazous una gran diversificació i un rol ubicu associat a la multicel·lularitat.

Els 25 grups d’homologia sorgits en l’urmetazou i retinguts per gairebé tots els seus descendents

Són 25 els grups d’homologia que aparegueren en l’urmetazou i que són encara presents en 43 o 44 dels 44 genomes de metazous examinats. D’aquests 25, n’hi ha 8 que codifiquen components claus de dues vies de senyalització intracel·lular, Wnt i TGF-beta. Aquestes vies de senyalització foren cabdals en la transició a multicel·lularitat, probablement per fornir mecanismes de desenvolupament axial.

Uns altres 7 d’aquests 25 grups codifiquen factors de transcripció (NKL, SIX, POU, Hes bHLH, bHLH-PAS, bHLH-twist, ETS).

Un altre grup inclou les proteïnes CPEB, que s’uneixen a la cua poli-A dels ARNm i que, segons el context, activen o reprimeixen la traducció d’aquests ARNm.

Uns altres 3 grups són implicats en l’adhesió cel·lular.

Dos altres grups contenen gens implicats en la regulació del cicle cel·lular.

Quatre altres grups inclouen gens amb funcions vinculades amb el sistema nerviós. Val a dir que no tots els metazous tenen sistema nerviós, començant pel mateix urmetazou (esponges i placozous tampoc no en tenen).

Les pèrdues de gens com a motor de l’evolució

En els nodes evolutius estudiats per Paps & Holland, es reflecteix també la pèrdua de gens. Així, l’urmetazou va perdre respecte dels ancestres anteriors 503 grups d’homologia. L’urbilateri, al seu torn, en perdé 520.

Genomes ancestrals

Paps & Holland ens ofereixen dades de set nodes evolutius:- el primer holozou: ancestre comú de metazous, coanoflagelats, filasteris i ictiosporis.
– el node 1: ancestre comú de metazous, coanoflagelats i filasteris.
– el node 2: ancestre comú de metazous i coanoflagelats.
– el primer metazou: ancestre comú de tots els metazous.
– el primer eumetazou: ancestre comú dels eumetazous (tots els metazous excepte els porífers o esponges).
– el primer planulozou: ancestre comú dels planulozous (tots els eumetazous excloent-hi placozous i ctenòfors).
– el primer bilateri: ancestre comú dels metazous bilateris.

Les dades que ens ofereixen tenen una natura provisional, i pensen que la inclusió de nous genomes en l’anàlisi podrien canviar alguns valors. També ho podria fer un estudi més ampli que tingués en compte els gens no-codificants, regions reguladores i mecanismes epigenètics.

En qualsevol cas, és remarcable la novetat genòmica associada a l’urmetazou. Això es podria explicar pel que fet que el node evolutiu corresponent hauria seguit a una branca perllongada en el temps, durant la qual s’haurien aplegat els components moleculars de la “nova” biologia animal. Alternativament, podria ser que el node associat als primers metazous es caracteritzés per una ràpida evolució genòmica. Les causes subjacents a aquesta ràpida evolució genòmica podrien trobar-se en factors ambientals que promoguessin les taxes de mutació o a duplicacions de genoma sencer (poliploidies).

Lligams:

Reconstruction of the ancestral metazoan genome reveals an increase in genomic novelty. Jordi Paps, Peter W. H. Holland. Nature Communications 9: 1730 (2018).

Aquesta entrada ha esta publicada en 4. L'Animal. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.