La división celular es uno de los procesos más fundamentales de la vida. Desde las bacterias hasta las ballenas azules, todos los seres vivos de la Tierra dependen de la división celular para su crecimiento, reproducción y supervivencia de las especies. Sin embargo, existe una diversidad notable en la forma en que los diferentes organismos llevan a cabo este proceso universal. Un nuevo estudio del grupo Dey del EMBL Heidelberg y sus colaboradores, publicado recientemente en Naturalezaexplora cómo evolucionaron diferentes modos de división celular en parientes cercanos de hongos y animales, demostrando, por primera vez, el vínculo entre el ciclo de vida de un organismo y la forma en que se dividen sus células.
A pesar de que la última vez que compartieron un ancestro común fue hace más de mil millones de años, los animales y los hongos son similares en muchos aspectos. Ambos pertenecen a un grupo más amplio llamado «eucariotas», organismos cuyas células almacenan su material genético dentro de un compartimento cerrado llamado «núcleo». Sin embargo, los dos difieren en cómo llevan a cabo muchos procesos fisiológicos, incluido el tipo más común de división celular: la mitosis.
La mayoría de las células animales experimentan una mitosis «abierta», en la que la envoltura nuclear (la membrana de dos capas que separa el núcleo del resto de la célula) se rompe cuando comienza la división celular. Sin embargo, la mayoría de los hongos utilizan una forma diferente de división celular, llamada mitosis «cerrada», en la que la envoltura nuclear permanece intacta durante todo el proceso de división. Sin embargo, se sabe muy poco sobre por qué o cómo evolucionaron estos dos modos distintos de división celular y qué factores determinan qué modo seguiría predominantemente una especie en particular.
Esta cuestión captó la atención de los científicos del Grupo Dey del EMBL Heidelberg, que investigan los orígenes evolutivos del núcleo y la división celular. «Al estudiar la diversidad entre organismos y reconstruir cómo evolucionaron las cosas, podemos comenzar a preguntarnos si existen reglas universales que subyacen a cómo funcionan estos procesos biológicos fundamentales», dijo Gautam Dey, líder del grupo EMBL Heidelberg.
En 2020, durante el confinamiento por la COVID-19, surgió un camino inesperado para responder a esta pregunta a partir de las discusiones entre el grupo de Dey y el equipo de Omaya Dudin en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (EPFL), en Lausana. Dudin es experto en un grupo inusual de protistas marinos: las ictiosporeas. Las ictiosporeas están estrechamente relacionadas tanto con hongos como con animales, con diferentes especies más cercanas a uno u otro grupo en el árbol genealógico evolutivo.
Los grupos Dey y Dudin, en colaboración con el grupo de Yannick Schwab en el EMBL Heidelberg, decidieron investigar los orígenes de la mitosis abierta y cerrada utilizando la ictiospora como modelo. Curiosamente, los investigadores descubrieron que ciertas especies de Ichthyosporea experimentan mitosis cerrada mientras que otras experimentan mitosis abierta. Por lo tanto, al comparar y contrastar su biología, podrían obtener información sobre cómo los organismos se adaptan y utilizan estos dos modos de división celular.
Hiral Shah, miembro del EIPOD que trabaja en los tres grupos, dirigió el estudio. «Habiendo reconocido muy pronto que las ictiosporeas, con sus numerosos núcleos y su posición evolutiva clave entre animales y hongos, eran adecuadas para abordar esta cuestión, estaba claro que esto requeriría reunir la experiencia técnica y biológica celular de Dey, Dudin , y Schwab, y esto es exactamente lo que la beca EIPOD me permitió hacer», afirmó Shah.
Al investigar de cerca los mecanismos de división celular en dos especies de ictiosporas, los investigadores encontraron que una especie, S. Ártica, Favorece la mitosis cerrada, similar a los hongos. sur ártica también tiene un ciclo de vida con una etapa multinucleada, donde existen muchos núcleos dentro de la misma célula, otra característica compartida con muchas especies de hongos, así como con las etapas embrionarias de ciertos animales, como las moscas de la fruta. Otra especie, C. perkinsii, Resultó ser mucho más parecido a un animal y dependía de la mitosis abierta. Su ciclo de vida implica principalmente etapas mononucleadas, donde cada célula tiene un solo núcleo.
«Nuestros hallazgos llevaron a la inferencia clave de que la forma en que las células animales realizan la mitosis evolucionó cientos de millones de años antes que los animales. Por lo tanto, el trabajo tiene implicaciones directas para nuestra comprensión general de cómo los mecanismos de división de las células eucariotas evolucionan y se diversifican en el contexto de la vida diversa. ciclos y proporciona una pieza clave del rompecabezas de los orígenes animales», dijo Dey.
El estudio combinó experiencia en filogenética comparada, microscopía electrónica (del Grupo Schwab y la instalación central de microscopía electrónica (EMCF) en EMBL Heidelberg) y microscopía de expansión de ultraestructura, una técnica que implica incrustar muestras biológicas en un gel transparente y expandirlo físicamente. Además, Eelco Tromer, de la Universidad de Groningen en Holanda, e Iva Tolic, de la Universidad Ru?er Boškovi? El Instituto de Zagreb (Croacia) aportó conocimientos especializados en genómica comparada y geometría y biofísica del huso mitótico, respectivamente.
«La primera vez que vimos una ampliación sur ártica núcleo, sabíamos que esta técnica cambiaría la forma en que estudiamos la biología celular de organismos no modelo», dijo Shah, quien trajo la técnica de microscopía de expansión al EMBL Heidelberg después de una temporada en el laboratorio de Dudin. Dey está de acuerdo: «Un avance clave En este estudio surgió nuestra aplicación de microscopía de expansión de ultraestructura (U-ExM) al análisis del citoesqueleto de ictiosporas. Sin U-ExM, la inmunofluorescencia y la mayoría de los protocolos de etiquetado con tintes no funcionan en este grupo poco estudiado de holozoos marinos».
Este estudio también demuestra la importancia de ir más allá de la investigación tradicional de organismos modelo cuando se trata de responder preguntas biológicas amplias, y los conocimientos potenciales que podrían revelar una mayor investigación sobre los sistemas de ictiosporas. «El desarrollo de las ictiosporas muestra una diversidad notable», dijo Dudin. «Por un lado, varias especies exhiben patrones de desarrollo similares a los de los primeros embriones de insectos, con etapas multinucleadas y celularización sincronizada. Por otro lado, C. perkinsii sufre división, ruptura de simetría y forma colonias multicelulares con distintos tipos de células, similar a la «visión canónica» de los primeros embriones animales. Esta diversidad no sólo ayuda a comprender el camino hacia los animales, sino que también ofrece una oportunidad fascinante para la embriología comparada fuera de los animales, lo cual es, en sí mismo, muy emocionante».
La interdisciplinariedad inherente al proyecto sirvió no sólo como un buen banco de pruebas para este tipo de investigación colaborativa sino también para la formación postdoctoral única que se ofrece en el EMBL. «El proyecto de Hiral ilustra muy bien las virtudes del programa EIPOD: un proyecto verdaderamente interdisciplinario, que combina biología innovadora con métodos avanzados, todo lo cual contribuye a un desarrollo personal verdaderamente espectacular», afirmó Schwab. «Nosotros (como mentores) fuimos testigos del nacimiento de un científico fuerte, ¡y esto es realmente gratificante!»
Los grupos Dey, Dudin y Schwab también colaboran actualmente en el proyecto PlanExM, parte de la expedición TREC, una iniciativa liderada por el EMBL para explorar y tomar muestras de la biodiversidad a lo largo de las costas europeas. PlanExM tiene como objetivo aplicar microscopía de expansión para estudiar la diversidad ultraestructural de protistas marinos directamente en muestras ambientales. «El proyecto surgió al darse cuenta de que U-ExM cambiará las reglas del juego para la protistología y la microbiología marina», dijo Dey. Con este proyecto, así como otros actualmente en marcha, el equipo de investigación espera arrojar más luz sobre la diversidad de la vida en la Tierra y la evolución de los procesos biológicos fundamentales.
