Learning how to live together: genomic insights into prokariote animal simbiosis

Cuando escuchamos la palabra simbiosis pensamos en dos organismos, dos seres vivos, que comparten un ecosistema, o un mismo nicho ecológico y cuya presencia facilita la obtención de beneficios por ambas partes, es decir se obtiene un beneficio mutuo.

 

Si hablamos de simbiosis entre eucariotas y procariotas la definición propuesta en la parte superior se queda un poco corta. Los organismos procariotas tienen la capacidad de vivir en todas partes, incluso en los ambientes más extremo, como es el caso de Thermus aquaticus, capaz de sobrevivir en las fumarolas volcánicas y soportar temperaturas de hasta 90ºC, recordemos que la polimerasa de este procariota es la que se utiliza en los laboratorios de molecular y genética para la PCR (reacción de polimerización en cadena) y que nos permite amplificar el DNA mediante termocicladores, aumentando la temperatura para separar las hebras sin que la polimerasa se desnaturalice.

 

Por tanto no es difícil aceptar que si “casi” son poseedoras del “don de la ubicuidad” sean capaces de vivir dentro de otras células eucariotas y endosimbiontes de organismos superiores en la escala evolutiva.

 

El ejemplo de endosimbiosis más conocido es el que propuso Lynn Margulis a final de los años 60 en la teoría endosimbióntica. En ella proponía que el origen de las mitocondria y del cloroplasto era endosimbionte. Una simbiosis entre un procariota capaz de oxidar la materia orgánica, en el caso de la mitocondria, o de realizar la fotofosforilación oxidativa en el caso del cloroplasto. Esta simbiosis se produjo hace tantos millones de años que las relaciones entre ambas son tan estrechas que de alguna manera se ha “camuflado” cómo eran estas células antes de la simbiosis, pero no podemos dejar de lado muchas de las características que tienen en común las mitocondrias y los cloroplastos con otros procariotas, como es una doble membrana, DNA libre de núcleo e incluso se especula la posibilidad de que el origen de la bomba ATPasa situada en la matriz mitocondrial sea algún tipo de vestigio de los flagelos del procariota pre-simbionte.

 

Este es el ejemplo más conocido, pero nos sorprendería saber la cantidad de seres vivos que poseen simbiontes que permiten el aporte de nutrientes que el organismo no puede obtener por sí mismo de forma natural.

 

Los simbiontes se pueden clasificar, según la edad evolutiva estimada de la relación con el hospedador y el grado de dependencia que pueden tener, en endosimbiontes primarios y endosimbiontes secundarios.

 

Los primarios son fruto de una asociación antigua y especializada, entre 30 y 270 millones de años, con lo cual muchas de las relaciones simbióticas de los insectos son anteriores a la aparición de algunos grupos hoy dominantes. En estos casos como el periodo de asociación muy largo y la evolución de ambas especies ha sido dependiente aparecen numerosas alteraciones tanto en el genoma como en la estructura poblacional. Estos simbiontes son transmitidos generación tras generación por la vía vertical que casi siempre está mediada por la vía materna, tal y como ocurre con las mitocondrias en el caso de los eucariotas, que siempre son de origen materno, en nuestro caso las mitocondrias que poseen las células de nuestro cuerpo son de origen exclusivamente materno, ya que las mitocondrias situadas en el cuello del espermatozoide son degradadas y no forman parte del zigoto.

 

Un ejemplo de este tipo de asociación es el de γ-proteobacteria, que vive en asociación obligada con insectos aprovisionándolos de aminoácidos esenciales, vitaminas y cofactores que están ausentes en su dieta, además contribuyen al reciclaje del nitrógeno y los provisionan de factores metabólicos que son requeridos para la supervivencia y para la fertilidad. La mayoría de estos simbiontes son heterótrofos pero también se han encontrado quimicolitoautotróficos en el océano del genero Ruthia magnífica, oxida azufre y proporciona energía a su hospedador C. magnífica.

 

Los simbiontes secundarios, que a diferencia de los primarios, no son indispensables para la supervivencia del hospedador ni están restringidos a órganos especializados. Además estos pueden colonizar nuevas especies mediante la transmisión horizontal, es decir mediante el típico proceso infeccioso donde el simbionte se adquiere desde el ambiente externo.

En muchas ocasiones diversos endosimbiontes conviven en un mismo hospedador, y establecen complejas relaciones entre ellos. Uno de estos casos es el de la bacteria Buchnera aphidicola y Serratia symbiotica, que coexisten en el bacterioma (órgano formado por células que contienen las bacterias endosimbiontes) del áfido Cinara cedri, en este caso se ha visto que S. symbiotica por el tiempo acabará sustituyendo a B.aphidicola. Este ejemplo es uno de los posibles finales que puede tener la convivencia de dos endosimbiontes, que uno predomine sobre el otro y este desaparezca.

 

La otra opción es la que ocurre con Sulcia muelleri y Homalodisca coagulata, en el hospedador Baumania cicadellinicola. En este caso el análisis genómico ha demostrado que hay una serie de complementaciones metabólicas entre ambos simbiontes, de alguna manera se distribuyen el trabajo para aportar al hospedador los nutrientes que necesiten, ellos a cambio obtienen el beneficio de estar en un entorno estable como es el interior de un organismo, y no en un entorno cambiante y agresivo como es el medio externo.

 

Estas simbiosis dan lugar a que haya un conjunto de genes redundantes en las bacterias endosimbiontes. Es decir, genes que se repiten en el hospedador y la bacteria, o entre las bacterias y por ello va a darse una serie de cambios genómicos en la evolución del endosimbionte a partir de esta relación mutualista. La mayor parte de veces va a haber una reducción del genoma para optimizar al máximo los recursos, no tendría sentido poseer dos juegos de genes para metabolizar la glucosa, y por tanto el conjunto de genes dedicado a esta acción en la bacteria se pierde, además se van a acumular las mutaciones ya que la transmisión es por vía vertical. No todas las bacterias que posee el individuo parental van a pasar a la F1 por tanto se generan continuos cuellos de botella favoreciendo un flujo arbitrario genético de generación en generación. Otra característica es que en esta reducción del genoma se produce un incremento de la cantidad de adeninas y timinas en el genoma, a causa de la perdida de los genes de los mecanismos de reparación, recordemos que las bases nitrogenadas poseen. Recordemos que en ocasiones se pueden dar emparejamientos erróneos a causa de las formas tautoméricas de las bases nitrogenadas. Podemos tener emparejamientos C*-A o T-G*que si no son corregidos por los mecanismos pertinentes, por ejemplo MutL, MutS y MutH (etc) porque se han visto afectados por la reducción de genoma, pasaran de generación en generación, y esto explicaría el aumento de contenido en A-T del genoma. Se ha propuesto que la sobreexpresión de GroEl en B.aphidicola es causa del aumento de proteínas con dificultades para plegarse a causa de estas mutaciones AT. GroEl es una carabina molecular que interviene en el plegamiento postraduccional de aquellas proteínas que se han quedado “atascadas” en una conformación que no puede ser resuelta de forma espontánea y requiere de un apoyo para poder plegrase.

Imágen de la chaperonina GroEl

 

Para entender las reducciones que se han producido en el genoma es necesario comparar las secuencias de los simbiontes con el genoma de bacterias evolutivamente relacionadas y que sean de vida libre. Este análisis de comparación podría realizarse por ejemplo mediante chips de DNA. Podríamos coger el genoma de la bacteria de vida libre, extenderlo en un chip de DNA y posteriormente extraer el DNA de la bacteria endosimbionte y marcarlo radiactivamente. Una vez marcado hibridaríamos este DNA con el chip y cuantificaríamos la cantidad de radiactividad que ha incorporado, averiguando así la cantidad de genoma reducido. Después podrían secuenciarse esos genes marcados o averiguar el producto de esos genes para saber que funciones se han degradado en las bacterias a causa de la endosimbiosis. Lo que si se conoce es que la pedida masiva de genes ocurre cuando se establece una simbiosis de tipo obligado.

 

En un proceso de endosimbiosis ambos organismos deben adaptarse mutuamente y como ya hemos dicho por parte de la bacteria se pierden aquellos genes que ya no son necesarios en el nuevo entorno, pero sí que debe retener un conjunto de genes que le permita la supervivencia en el hospedador. Sin embargo todavía no se entiende a qué nivel genético puede afectar al hospedador la presencia de un endosimbionte, pero sí que se sabe que el hospedador se adapta al endosimbionte proporcionándole unas células específicas para que estas se sitúen y una modificación del sistema inmunitario para que no detecte estas bacterias como agentes patógenos. Además se ha dado a entender que estos bacteriocitos (células que contienen a las bacterias simbiontes) son un tipo más de célula del organismo hospedador y que no dependen de la presencia de las bacterias, ya que al eliminar mediante antibióticos los simbiontes se pudo ver que los bacteriocitos se conservaban y además se mantenían, por tanto evolutivamente los bacteriocitos representan un nuevo tipo celular.

 

Para analizar los mecanismos de respuesta inmunitaria se utilizan bacterias que todavía estén en fases tempranas de endosimbiosis como es el caso de los endosimbiontes del género Sitophilus, que expresa un peptidoglicano de reconocimiento homólogo a otra proteína de D.melanogaster, de esta manera el sistema inmunitario reconoce a la bacteria como propia.

 

Por tanto la simbiosis no es algo estático, sino dinámico. Los simbiontes y los hospedadores van adaptándose mutuamente entre sí y van cambiando progresivo, en la mayoría de casos en los que convive un endosimbionte primario, y otro secundario el secundario acabará sustituyendo el primario y se adaptarán el uno al otro sufriendo una evolución conjunta. Además el campo de la biología sintética se ha interesado mucho en los aspectos de la endosimbiosis por el interés que despierta el llamado genoma mínimo, ya que en muchos casos los endosimbiontes reducen su genoma hasta el punto que sólo conservan los genes que benefician de alguna manera al hospedador y los genes mínimos para la supervivencia de este. Una vez conocido este genoma mínimo se puede construir un cromosoma artificial, y por tanto un organismo, a partir del endosimbionte además de determinar qué genes son los necesarios para la perpetuación de este podemos averiguar que regiones del genoma actúan como reguladores y con qué grado porque un gen no incluye tan sólo el promotor basal, las secuencias codificantes y la región terminadora, incluye todos aquellos elementos que marcan su correcto funcionamiento, desde los genes que codifican las proteínas reguladoras, a los enhancers e incluso los RNAs pequeños. El estudio de este genoma mínimo nos va a permitir averiguar con un grado mayor de precisión el significado concreto de gen.