La controvertida hipótesis de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas
La ausencia de complejidad genómica en los procariotas, los precursores evolutivos de las células eucariotas que comprenden toda la vida compleja, es una cuestión de largo tiempo en la biología evolutiva. Un estudio anterior planteó la hipótesis de que la división entre procariotas y eucariotas existe porque el tamaño del genoma procariótico está limitado por la bioenergética. Sin embargo, esta hipótesis se evaluó utilizando un conjunto de datos relativamente pequeño y, por lo tanto, es controvertida. En este artículo, sus autores vuelven a poner a prueba la hipótesis de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas, ahora con más datos.
Presentación
“Revisando la hipótesis de una barrera energética a la complejidad del genoma entre eucariotas y procariotas” (“Revisiting the hypothesis of an energetic barrier to genome complexity between eukaryotes and prokaryotes”) es un artículo científico elaborado por Katsumi Chiyomaru y Kazuhiro Takemoto, y publicado en febrero de 2020 en la revista Royal Society, en el que dichos autores ponen a prueba la controvertida hipótesis de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas, con un conjunto de datos más grande de genomas, tasas metabólicas, tamaños de células y niveles de ploidía.
Las células eucariotas surgieron de las procariotas y forman parte y dan lugar a toda la vida compleja. Se cree que la complejidad biológica (complejidad del genoma, complejidad celular y multicelularidad) presenta varias ventajas. La complejidad celular puede mejorar la robustez biológica y los organismos multicelulares han desarrollado una funcionalidad sofisticada de alto nivel a través de la cooperación entre células componentes con comportamientos complementarios. Asimismo, el tamaño del genoma y el número de genes (es decir, la complejidad del genoma) aumentan con la variabilidad ambiental porque los organismos necesitan genes más funcionales (por ejemplo, metabólicos) para adaptarse a entornos cambiantes, como la variabilidad de nutrientes.
Sin embargo, sólo algunos procariotas han desarrollado complejidad biológica. La gran brecha entre procariotas y eucariotas (la división procariota-eucariota) es un misterio de largo tiempo en la biología evolutiva.
Un estudio anterior planteó la hipótesis de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas, indicando que la división procariota-eucariota existe porque el tamaño del genoma procariótico está limitado por la bioenergética (el poder procariótico por gen o genoma es significativamente menor que el de los eucariotas) (hipótesis de Lane-Martin).
No obstante, esta hipótesis se evaluó utilizando un conjunto de datos relativamente pequeño debido a la falta de disponibilidad de datos en ese momento y, por lo tanto, es controvertida. En concreto, utilizaron los datos sobre el tamaño del genoma, la tasa metabólica (tasa de consumo de oxígeno) y el nivel de ploidía de 12 eucariotas (celulares) y 55 procariotas, para demostrar la validez de su hipótesis.
Tras esto, Lane y Martin demostraron que la potencia (es decir, el oxígeno disponible) por gen y la potencia por genoma de los eucariotas, era significativamente mayor (aproximadamente 2000 veces) que la de los procariotas. Esto indicaba la presencia de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas. Así, concluyeron que los eucariotas han permitido la expansión del tamaño de su genoma mediante endosimbiosis, dando lugar a mitocondrias que les han proporcionado un impulso energético.
Sin embargo, la hipótesis de Lane-Martin es controvertida. Lynch señaló que el aumento de la complejidad del genoma puede explicarse mediante procesos evolutivos no adaptativos. Y Booth y Doolittle argumentaron que la eucariogénesis ––el cruce del profundo abismo entre procariotas y eucariotas–– carece de apoyo estadístico y probatorio riguroso. Además, la hipótesis se basó en una evaluación sesgada en un número limitado de especies debido a la falta de disponibilidad de datos en ese momento, así como en la tasa metabólica de los procariotas cultivados en presencia de diversos sustratos (es decir, en condiciones ricas en nutrientes), lo cual puede no ser informativo desde una perspectiva evolutiva. Asimismo, cabe indicar que los efectos de la masa celular no estaban controlados estadísticamente.
Por lo tanto, en este estudio se revisa la hipótesis de Lane-Martin, es decir, la hipótesis de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas. Para ello, los autores de este trabajo construyeron un conjunto de datos más amplio de genomas, tasas metabólicas, nivel de ploidía y tamaños de células (masas), e investigaron la contribución de los parámetros energéticos a la clasificación de procariotas/eucariotas, mientras se controlaba estadísticamente la posible confusión del tamaño de las células y las señales filogenéticas. Además, también realizaron análisis filogenéticos comparativos para evaluar los efectos de las señales filogenéticas sobre la contribución de los parámetros energéticos a la dicotomía procariota-eucariota.
Con esto, demostraron que las diferencias en bioenergética entre procariotas y eucariotas eran menos significativas que las informadas anteriormente, pero lo más importante fue que encontraron una contribución limitada de poder por genoma y poder por gen a la dicotomía procariota-eucariota. Por tanto, estos hallazgos indican que la división procariota-eucariota es difícil de explicar desde la perspectiva energética. Sin embargo, esto no descarta por completo la hipótesis tradicional, sino que indica la necesidad de un examen más cuidadoso.
Métodos
A continuación, se narran los métodos y procedimientos llevados a cabo por los autores de este estudio para trabajar sobre dicha hipótesis.
Obtención de datos de tasa metabólica y masa celular
En primer lugar, los científicos recopilaron información y datos sobre tasas metabólicas específicas de masa y masa celular de procariotas y eucariotas (protozoos) de la literatura. Además, utilizaron los conjuntos de datos de respaldo de procariotas heterótrofos, protozoos heterótrofos, cianobacterias) y microalgas eucarióticas, de un estudio anterior para obtener datos adicionales sobre tasas metabólicas específicas de masa (tasa de consumo de oxígeno) y masas celulares.
Para comparar con el estudio anterior, se utilizaron las tasas metabólicas específicas de masa máximas para estimar el suministro de energía; que corresponden principalmente a tasas metabólicas específicas de masa medidas en la fase de crecimiento exponencial o logarítmico y tasas metabólicas máximas. Además, se utilizó la masa celular asociada con la tasa metabólica.
Tamaño del genoma, número de genes y nivel de ploidía
Se seleccionaron especies procariotas y eucariotas cuyos genomas completos estaban disponibles en la base de datos de la Enciclopedia de Genes y Genomas de Kyoto (KEGG) y/o en la base de datos del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI). Sin embargo, no había datos disponibles para algunas especies y, en estos casos, se utilizó el tamaño del genoma y el número de genes de una especie diferente dentro del mismo género cuyo genoma estaba disponible en la base de datos.
Por otro lado, los niveles de ploidía se recuperaron de la literatura según los nombres de las especies; sin embargo, se asumió que los procariotas cuyo nivel de ploidía no se había informado en ningún estudio previo eran monoploides. Asimismo, para algunas especies, se utilizaron niveles de ploidía de una especie diferente dentro del mismo género porque los niveles de ploidía específicos de cada especie no estaban disponibles en el conjunto de datos.
Dado que, para una especie determinada, pueden estar disponibles múltiples valores de niveles de ploidía, en los análisis se utilizó el nivel máximo de ploidía, el cual corresponde principalmente al nivel de ploidía observado en la fase de crecimiento exponencial o logarítmico para cada especie.
Finalmente, obtuvieron un conjunto de datos más grande sobre genoma, potencia y tamaño de células para 36 eucariotas y 156 procariotas.
Cálculo de parámetros energéticos
Siguiendo un estudio previo, utilizaron los datos sobre la tasa metabólica específica de masa (Bc), la masa celular (M), el tamaño del genoma haploide (G), el número de genes haploides (Ng) y el nivel de ploidía (P), para calcular los siguientes parámetros energéticos: potencia por célula (Bc × M; fW), potencia por genoma haploide (1000 × potencia por célula/G/P; pW), potencia por gen (potencia por célula/Ng/P; fW) y potencia por genoma (potencia por gen × Ng = potencia por célula/P; fW), siendo el enfoque principal el poder por genoma y el poder por gen, para compararlos con el estudio anterior.
Análisis de datos
Para evaluar la contribución de los parámetros energéticos y el tamaño celular (masa) a la dicotomía (o división procariota-eucariota), se realizaron análisis de regresión logística utilizando el software R.
Para eliminar los efectos de las señales filogenéticas de los análisis de regresión, se realizaron análisis de regresión logística filogenética utilizando la función binariaPGLMM en el paquete R simio (versión 5.3). El árbol filogenético, necesario para la regresión filogenética, se construyó utilizando genes codificadores de proteínas conservados, tras un estudio previo, utilizando el software Molecular Evolutionary Genetics Analysis (MEGA; versión 7) y seleccionando antes 12 grupos conservados de estos organismos de la base de datos KEGG Orthology (KO).
Resultados
Antes de nada, los científicos confirmaron la mayor complejidad del genoma en eucariotas. Tanto el tamaño del genoma haploide como el número de genes haploide fue mayor en eucariotas que en procariotas.
Posteriormente, inspirándose en el estudio anterior de Lane & Martin, investigaron las diferencias en el poder metabólico entre procariotas y eucariotas y volvieron a confirmar que el poder metabólico de los eucariotas era mayor que el de los procariotas. Específicamente, la potencia por célula (4819 fW) de los eucariotas fue mayor que la de los procariotas (1,7 fW), así como la potencia por genoma (1850 fW vs1 fW), la potencia por tamaño del genoma haploide (3,7 × 10–2 pW vs 2,3 × 10–3 pW), y la potencia por gen (0,14 fW vs 0,0027 fW); tal y como puede verse en la figura 1b.
Sin embargo, aunque observaron que la masa celular de los eucariotas era mayor que la de los procariotas (57pg vs 0,7pg), la distribución de la masa celular de los procariotas se superpuso parcialmente con la de los eucariotas. Además, la potencia por genoma y la potencia por gen de los procariotas parecían ser similares a las de los eucariotas para una masa celular similar. Esto indica que las contribuciones de poder por genoma y poder por gen en la dicotomía procariota-eucariota dependen de la masa celular. En particular, la potencia por genoma (figura 1c) y la potencia por gen (figura 1d) estaban correlacionadas con la masa celular de forma lineal dentro y entre los grupos procarióticos y eucariotas.
Tras esto, realizaron un análisis de regresión logística estándar para controlar estadísticamente los efectos de la masa celular, donde vieron que la masa celular fue un indicador dominante de la dicotomía procariota-eucariota. A modo de comparación, también se realizaron análisis de regresión simple (tabla 1c-e), cuyo resultado también indica que la masa celular contribuye predominantemente a dicha dicotomía.
Sin embargo, dado que existe la posibilidad de que las señales filogenéticas afecten a las conclusiones obtenidas de los análisis de regresión, realizaron un análisis de regresión logística filogenética para eliminar los efectos filogenéticos. Ahora, la contribución de la masa celular no fue excesivamente significativa, aunque la de los eucariotas seguía siendo mayor que la de los procariotas. Asimismo, también construyeron modelos de regresión multivariada para controlar estadísticamente el efecto de la masa celular, donde, tras lo cual, observaron que ni el poder por genoma, ni el poder por gen, así como la masa celular, contribuyen de manera significativa en la hipótesis de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas.
Discusión sobre la hipótesis de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas
Los resultados de este estudio no indican diferencias en el poder por genoma ni en el poder por gen entre procariotas y eucariotas, lo que no es consistente con la conclusión de Lane y Martin de que el tamaño del genoma procariótico está limitado por la bioenergética.
El resultado de que el tamaño celular (masa) mostró una relación lineal con el poder por genoma (figura 1c) y el poder por gen (figura 1d), indica una falta de diferencia en el poder por genoma y el poder por gen entre procariotas y eucariotas para una masa celular similar. Además, no se observó ninguna diferencia en el poder por genoma (tabla 2c) y el poder por gen (tabla 2d) entre procariotas y eucariotas, cuando el efecto de la masa celular no estaba controlado estadísticamente y sin tener en cuenta los efectos de las señales filogenéticas.
Los resultados indican que existe una ligera diferencia en el poder por genoma y el poder por gen en la raíz del árbol filogenético que podrían ser explicadas por una evolución similar al movimiento browniano, es decir, al nivel de las hojas del árbol.
También cabe indicar que las diferencias observadas en potencia por genoma y potencia por gen entre eucariotas y procariotas, fueron menos significativas que las informadas anteriormente por Lane y Martin, lo cual puede deberse a diferencias en los conjuntos de datos y análisis de datos entre este estudio y el estudio anterior. En este sentido, es posible que se evalúe una comparación de conjuntos de datos en un futuro próximo.
Así pues, los hallazgos de este estudio son inconsistentes con la idea de que las células con mayor complejidad interna imponen un mayor suministro de energía (es decir, la hipótesis de Lane-Martin de una barrera energética en la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas). Los hallazgos indican que la división procariota-eucariota es más difícil de explicar de lo que se pensaba anteriormente, más bien, apoyan la hipótesis de la aparición pasiva de la complejidad del genoma mediante procesos no adaptativos, como una eficiencia de selección relativamente baja debido al pequeño tamaño efectivo de la población.
Por otro lado, cabe indicar que la definición de poder por genoma y poder por gen sigue siendo motivo de controversia, ya que el uso de la tasa metabólica puede no ser útil como medida de la producción de energía, ya que puede no distinguir entre la inversión en reproducción celular y la asociada con procesos no relacionados con el crecimiento. Para evitar esta disonancia, puede ser necesaria una definición más explícita y fácilmente evaluable de poder por gen.
Además, hay que tener en cuenta que para este estudio solo se consideraron los organismos para los cuales se disponía de secuencias genómicas completas, para estimar con precisión la potencia por genoma y la potencia por gen y para realizar el análisis comparativo filogenético, por lo que los hallazgos de este estudio dependen significativamente de la calidad de la anotación del genoma. Por tanto, se necesitan medidas más adecuadas para un examen más cuidadoso y continuar con la secuenciación de genomas de una amplia gama de organismos.
En conclusión, los hallazgos de este estudio indican que no existe una barrera energética a la complejidad del genoma entre procariotas y eucariotas, contrariamente a la hipótesis de Lane-Martin. Sin embargo, es posible que estos hallazgos no descarten por completo la hipótesis tradicional; en cambio, indican la necesidad de un examen más cuidadoso utilizando análisis más completos. En particular, este estudio enfatiza la importancia de un apoyo estadístico y probatorio riguroso para el debate en la división procariota-eucariota.
Fuente de este artículo
Este artículo fue publicado originalmente en la revista Royal Society bajo la referencia: Chiyomaru K. et Takemoto K. (2020) Revisiting the hypothesis of an energetic barrier to genome complexity between eukaryotes and prokaryotes. Royal Society Volume 7 Issue 2 https://doi.org/10.1098/rsos.191859; y el cual está disponible con acceso libre en la propia web de la Royal Society.
