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La cromatina se originó en antiguos microbios hace entre uno y dos mil millones de años

Un estudio realizado por investigadores del CRG de Barcelona revela que la estructura de almacenaje del ADN en las células de los organismos superiores evolucionó en un antiguo microbio, ancestro común de todos los eucariotas, como resultado de presiones selectivas en el entorno primordial de la Tierra.

Ancyromonas sigmoides, un microbio poco estudiado que tiene un potencial enorme para investigar sobre el origen de los eucariotas. / Naoji Yubuki, Universidad Paris-Saclay

En casi cada célula humana, dos metros de ADN deben acomodarse en un núcleo que mide solo unas pocas 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 denominadas histonas.

Esta arquitectura genética en espiral, conocida como cromatina, protege al ADN de potenciales daños y tiene un papel clave en regular la expresión de los genes. A pesar de su rol fundamental, el origen exacto de esta estructura genética ha estado rodeado de misterio.

Los virus son parásitos del genoma y atacan regularmente el ADN. Esto pudo haber llevado a una carrera armamentística evolutiva para protegerlo, lo que resultó en el desarrollo de la cromatina

Sebé-Pedrós, jefe de grupo en el CRG

La cromatina es característica de los organismos superiores, denominados eucariotas, que poseen núcleo. Las bacterias unicelulares, en cambio, no tienen núcleo ni cromatina. Sin embargo, hay otro gran grupo de microbios unicelulares primitivos, denominados arqueas, que poseían histonas y también una estructura de almacenamiento del ADN parecida a la de los eucariotas.

Un grupo de investigación del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona revela ahora que la cromatina evolucionó primero en antiguos microbios que vivieron en la Tierra hace entre uno y dos mil millones de años. El estudio ha sido fruto de la colaboración con el Instituto de Biología Evolutiva (CSIC-UPF), la Universidad Paris-Saclay, la Universidad de Montreal y la Universidad de Viena, y se publica hoy en la revista Nature Ecology and Evolution.

La cromatina es tan antigua como los propios eucariotas

Para ir atrás en el tiempo, el equipo investigador usó información escrita en los genomas de organismos modernos. Los investigadores analizaron 30 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.

El equipo descubrió que los procariotas carecen de las enzimas necesarias para modificar histonas, lo que sugiere que antiguamente la cromatina de las arqueas pudo haber desempeñado un papel estructural básico, aunque no regulaba el genoma.

En contraste, los científicos encontraron pruebas de la existencia de proteínas que modifican las histonas en linajes tempranos que se separaron de los eucariotas, tales como el Ancyromonadida Fabomonas tropica o el Discoba Naegleria gruberi, microbios que no habían sido muestreados hasta ahora.

Los procariotas carecen de las enzimas necesarias para modificar histonas, lo que sugiere que antiguamente la cromatina de las arqueas pudo haber desempeñado un papel estructural básico

“Nuestros resultados enfatizan que los roles estructurales y regulatorios de la cromatina son tan antiguos como los propios eucariotas. Estas funciones son esenciales, de hecho, desde que apareció la cromatina por primera vez nunca se ha vuelto a perder en ninguna forma de vida”, explica 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 que permiten descubrir episodios evolutivos que ocurrieron hace miles de millones de años”.

Mediante los datos secuenciados, el grupo reconstruyó el repertorio de genes del último ancestro común de los eucariotas (denominado LECA por las siglas en inglés de Last Eukaryotic Common Ancestor), o sea, la célula que dio origen a todos ellos.

Este organismo posee docenas de genes que modifican histonas y vivió hace entre uno y dos mil millones de años en la Tierra. Los autores del estudio sostienen la hipótesis de que la cromatina evolucionó en este microbio como resultado de presiones selectivas en el entorno primordial de la Tierra.

Una carrera armamentística evolutiva

Arnau Sebé-Pedrós, investigador en el CRG y autor sénior del estudio, subraya que “los virus 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”.

Nuestros resultados enfatizan que los roles estructurales y regulatorios de la cromatina son tan antiguos como los propios eucariotas

Xavier Grau-Bové, investigador postdoctoral en el CRG

Según los autores, los próximos estudios podrían investigar sobre la evolución de las enzimas que modifican histonas en las arqueas Asgardianas: microbios que reciben su nombre de la mitología nórdica, 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 poseen histonas con rasgos similares a los eucariotas, lo que podría ser el resultado de una evolución convergente.

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