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El viaje de algunas proteínas a lo largo de la evolución

30 julio, 2009

VIaje
Las bacterias, pese a su simplicidad, no dejan de sorprendernos. Y lo seguirán haciendo en el futuro próximo, sin duda. Ya contamos en las bases de datos con la secuencia de los genomas de 2416 bacterias y 142 arqueas. Se estima que alrededor del 60% de las secuencias obtenidas codifican para proteínas de función desconocida, con lo que estamos ante un inmenso campo por explorar.

Y ese campo, en ocasiones nos da sorpresas muy interesantes. Ese el caso de la publicación obtenida por un grupo español que muestra como algunas proteínas bacterianas presentan una elevada conservación funcional con proteínas humanas. Así en un estudio realizado por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Murcia ha descubierto que las semejanzas entre las proteínas HMGA e histona H1 de humanos, y la proteína CarD bacterianas. Todas ellas realizan funciones relacionadas con la formación del ADN y la expresión de los genes. La investigación aparece publicada en la revista PNAS.

Tanto HMGA como H1 son proteínas muy abundantes en el núcleo celular. Tienen pequeño tamaño y pese a no considerarse verdaderas histonas, se asocian a la cromatina, jugando un importante papel tanto en la topología y compactación de la molécula de ADN como en la regulación de la expresión de numerosos genes.
H1+HMG
Esquema de la estructura tridimensional de la proteína HMGA unida al ADN y de la proteína H1 de Neurospora crasa fusiona a la GFP, para poder ser visualizada una vez unida a la cromatina.

Ya se había descubierto con anterioridad una proteína bacteriana similar a la HMGA humana, que fue denominada CarD. Esta proteína se descubrió en la bacteria Myxococcus xanthus, y ella es responsable de la regulación de distintos procesos celulares, como por ejemplo la producción de carotenoides.

Esta semana se informa de la identificación en la bacteria Anaeromyxobacter dehalogenans de otra proteína funcionalmente equivalente a CarD que, guarda elevada identidad con la histona H1 de eucariotas. Mediante el empleo de técnicas genéticas de reemplazamiento génico y de biología molecular, se ha descubierto que ambas proteínas, sean tipo HMGA o H1, son intercambiables en los diversos procesos celulares en los que participa la proteína CarD.

El investigador Subramanian Padmanabhan, que trabaja en el Instituto de Química Física Rocasolano (CSIC), destaca: Hemos comprobado que incluso las proteínas humanas HMGA y H1 pueden sustituir a la proteína de la bacteria y mantener su actividad normal. Esto demuestra una equivalencia funcional de las proteínas tipo HMGA y tipo histona H1, y aporta nuevas claves sobre el juego funcional entre ambas proteínas, algo importante en la regulación de muchos procesos de células superiores.
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La conservación génica a lo largo de la evolución no es nada sorprendente, cada vez se encuentran más ejemplos. Uno de ellos ha sido estudiado en nuestro laboratorio (y que por tanto personalmente considero muy interesante 😀 ): es el caso de la gluratil-CoA deshidrogenasa. Esta enzima cataliza la transformación del glutaril-CoA hasta crotonil-CoA, y forma parte de la ruta de degradación de aminoácidos tales como la lisina, la hidroxilina o el triptófano. También participa en la beta-oxidación que degrada ácidos de cadena corta, tales como el hidroxipimelil-CoA, formados en la degradación de compuestos aromáticos.
ruta baja
Esquema que muestra los compuestos que son degradados hasta glutaril-CoA, compuesto que es sustrato de la glutaril-CoA deshidrogenasa

El estudio de esta enzima cobró un gran interés desde que su déficit acarreaba una gravísima enfermedad neurológica. Los portadores de la variante mutada del gen que codifica la glutaril-CoA deshidrogenasa acumulan intermediarios de la degradación de la lisina y el triptófano en sus neuronas, lo que provoca malformaciones neuronales que suele acarrear fuerte retraso en el desarrollo cerebral y en la mayoría de las ocasiones la muerte a temprana edad.

Hasta el año pasado no se había identificado ningún gen bacteriano que codificase esa función, a pesar de que sí se había hipotetizado su existencia a partir de las secuencias depositadas en los bancos de datos. En un trabajo realizado en mi grupo del Centro de Investigaciones Biológicas-CSIC demostramos genética y bioquímicamente la existencia de un gen que codifica la enzima glutaril-CoA deshidrogenasa en la beta-proteobacteria Azoarcus sp. CIB. La secuencia de la GcdH de Azoarcus sp. CIB posee una identidad de secuencia del 66% con la humana.

La secuencia de aminoácidos de la GCDH humana puede ser empleada para ver cuáles son las más parecidas entre los organismos cuyos genomas han sido secuenciados en la actualidad. Los resultados nos muestran:

Orangután….. 98%
Macaco Rhesus…..98%
Chimpancé…. 97%
Macaco cangrejero…..96%
Caballo….. 90%
Perro….. 89%
Toro….. 87%
Rata….. 87%
Ratón….. 86%
Ornitorrinco….. 83%
Rana africana….. 74%
Salmón…… 72%
Pez cebra….. 72%
Pez globo….. 71%
Mosquito…… 70%
Mosca del vinagre….. 69%

Como podéis ver viajar entre las identidades de secuencia de esta proteína parece un viaje en el tiempo, de rama en rama, por los árboles filogenéticos. Creo que la interpretación es bien sencilla.

Lo que no deja de sorprenderme es que la conservación funcional, que en muchas proteínas se da a lo largo de la evolución, también se mantenga en proteínas nucleares, dado que los aspectos de regulación en procariotas y eucariotas parecen diferir tanto. A pesar de esta sorpresa no hay dudas de que el núcleo eucariota parece conservar, al menos funcionalmente, algunas de las características de los organismos más primitivos del planeta.

Referencias:

1. García-Heras,F. Padmanabhan, S: Murillo, F.J., and Elías-Arnanz, M. (2009). Functional equivalente of HMGA- and histone H1- like domains in a bacterial transcriptional factor. PNAS Early Edition. DOI: 10.1073/pnas.0902233106.

2. Blázquez B, Carmona M, García JL, and Díaz E.(2008) Identification and analysis of a glutaryl-CoA dehydrogenase-encoding gene and its cognate transcriptional regulator from Azoarcus sp. CIB. Environ. Microbiol. 10:474-482.

3. Gabinete de Prensa del CSIC


  1. 30 julio, 2009 de 23:23

    ¡La leche! Enhorabuena Manuel, me has dejado con la boca abierta.
    Y vaya pasada 😀

    En definitiva, las bacterias ya lo tenían casi todo inventado, el resto de seres vivos se encargaron de recopilar de aquí y de allá. Y bueno, tampoco me extraña, entre la rapidez de sus generaciones, su capacidad de cambio, la transferencia horizontal de genes, los chutes de virus que se pegan y las mil cosas más… con razón son las reinas del planeta.

    Es muy interesante también la alta conservación de las proteínas, y también de su función, a pesar de todos los cambios que llegan a acumular. Y a la inversa, que pocos cambios permitan funciones diametralmente opuestas.

    Jeje, la genética y la microbiología forman un coctel explosivo 😀

    pD. Jejeje ¡Y arriba la Universidad de Murcia! :mrgreen:

  2. 30 julio, 2009 de 23:33

    Gracias Cnidus, En definitiva, las bacterias ya lo tenían casi todo inventado, el resto de seres vivos se encargaron de recopilar de aquí y de allá.

    No me atrevería a decir tanto, pero la evolución se parece a un puzzle gigante donde la piezas son de diferente tamaño en forman muchos dibujos diferentes. Las bacterias tienen muchísimas de esas piezas. Son muy diversas genéticamente, por lo que hay mucha información que ha pasado a formar parte de estructuras eucariotas, y ni lo sospechamos. ¿Sabías que hay GCDH de bacterias que son idénticas sólo en un 65%?. ¡Mayor diferencia que entre humanos e insectos?.

    Cuanto nos queda por aprender…… 😀

    No sé si conoces el grupo de Murcia responsable de estos trabajos, es muy bueno.

  3. 30 julio, 2009 de 23:39

    Pues no se, antes tendría que ver las referencias para ver si los conozco 😉

    Este año el departamento de Micro también sacó unos carteles muy guapos sobre bacterias estrechamente asociadas a Posidonia oceanica. Merecía la pena verlo, sino recuerdo mal describían nueva especie y todo 😀

  4. 30 julio, 2009 de 23:55

    Cnidus, olvidé las referencias, la primera publicación es de los de Murcia.

  5. 31 julio, 2009 de 1:26

    Buenísimo el post, Manuel. :mrgreen:

    Lo primero que me viene a la cabeza es lo que siempre decís, que aunque no existieran fósiles, la historia de la evolución que han seguido los seres vivos se podría deducir en laboratorio.

    Ese arból evolutivo que saldría de comparar de las semejanzas en la secuenciación del gen en las distintas especies me ha dejado asombrado.

    Como sigáis así, va a ver que ir pensando en serio lo de poner copyright en los posts. 😀

  6. 31 julio, 2009 de 3:01

    Me parece que entre todos me vais a sacar la carrera casi sin que tenga que hacer nada 😆

    Tremenda entrada, cada día apunto algo nuevo.

    Saludos 😉

  7. 31 julio, 2009 de 9:20

    Ahora sí que sí, ya caigo. Son gente del departamento de Genética 😆

    Gracias por las referencias, Manuel 🙂

  8. 31 julio, 2009 de 16:57

    Otra pequeña maravilla en este blog. Empieza a ser costumbre.

    Parece que algunas funciones son tan importantes que no se puede vivir sin ellas, luego no cambian. Cambian un poco aquí, un poco allí… pero no en lo importante, son casi idénticas e intercambiables funcionalmente. Pero claro, las funciones (no los genes) son lo imprescindible.

    Por otro lado, me parece normal que las diferencias entre unas bacterias y otras puedan ser incluso superiores a las diferencias entre algunas bacterias y nosotros. Probablemente también són más lejanas filogenéticamente entre ellas, que algunas de ellas con nosotros. Al fin y al cabo, las bacterias no son “las reinas” de la vida, sino que, bien mirado, son “la vida”, con algunos pequeños “detalles” por alrededor…

    Lo bueno de las bacterias es que nos aportan otro punto de vista, otra perspectiva. Vemos la evolución como pocos cambios en el tiempo en organismos muy complejos, mientras que con las bacterias es al revés: muchos cambios en el tiempo, por su rápida sucesión generacional, en organismos mucho más sencillos. Por tanto, observando las bacterias, seguramente podremos verificar qué cosas son más “comunes” entre ellas, y descubriremos así seguramente las más importantes para la vida.

    Una cosilla, Manuel, y sólo por si algún despistado se copia el texto para estudiar: las primera vez que la citas, dices «es el caso de la gluratil-CoA deshidrogenasa», y eso todavía le puede hacer “daño” a algún listillo chuletero…

    Un saludo.

  9. 31 julio, 2009 de 19:50

    Otro aspecto muy interesante de este tema (aunque sobradamente probado por la universalidad del ADN), es el hecho de que la vida surgió una única vez o, si ha habido más, bien solo ha prosperado un intento, bien ha habido una fusión indiscutible.

    El que todas las especies actuales provenimos de los mismos organismos primigenios es algo universalmente aceptado, pero no deja de sorprender que sigamos compartiendo tantas cosas.

    Saludos.

    P.D. Me quedo con esta cita de Aureus: “las bacterias no son “las reinas” de la vida, sino que, bien mirado, son “la vida”“.

  10. 31 julio, 2009 de 20:13

    Margulis lo lleva un poco más lejos al decir que somos bacterias 😀

  11. 31 julio, 2009 de 20:25

    Joer, vaya nivelazo de posts que os estais marcando, casi parece que esteis compitiendo… a un aficionadillo como yo le cuesta un poco seguiros… pero bueno, así mejor, que aprendo más cosas. 🙂

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