CnpíruLo 26

Anúonio l;azeánoAraqfo 'r Artum B[cemdBracho

Hace apenas medio siglo que se propuso el modelo de la doble hélice de

DNA y, en estas pocas décadas, la biología molecular se ha convertido enuno de los campos más provocadores de la investigación científica, ya que

su rápido desarrollo ha permitido no sólo describir procesos celulares iné-ditos, sino que también ha provocado verdaderas revoluciones conceptualesdentro de las ciencias naturales. Sin duda alguna, la biología evolutiva hasido una de las áreas más beneficiadas, ya que pudo implementar nuevas he-rramientas que permiten escudriñar en lo más íntimo de las relaciones fi-logenéticas, generando hipótesis que hubieran sido imposibles con los mé-todos convencionales.

En realidad, la aplicación de las técnicas moleculares al estudio de pro-blemas evolutivos data de hace 100 años. En 1904 el fisiólogo George H.Nuttall publicó un libro donde resumía los resultados obtenidos de la com-paración de sueros sanguíneos entre diferentes animales, con la intenciónde reconstruir las relaciones evolutivas que dichos organismos guardaban

entre sí. "Cuando no se dispone de evidencia paleontológica", escribió Nuttall,"la relación filogenética entre los animales puede ser deducida basándose enla similitud de las estructuras de las formas actuales". Sin embargo, no fuesino hasta 1965 cuando Emile Zuckerkandly Linus Pauling publicaron untrabajo en donde mostraban cómo la comparación de secuencias de ami-noácidos o de nucleótidos permitía no sólo la construcción de filogeniasmoleculares, sino también, en algunos casos, datar los procesos de especia-

ción, incluso cuando se carecía de información paleontológica. Durantecerca de 10 años, este enfoque permitió no solamente comparar proteínascomo las hemoglobinas, el citocromo c, las ferrodoxinas y otras más, sinotambién construir árboles evolutivos que podían incluir organismos tandistintos entre sí como las bacterias y los hongos, lo cual hubiera sido im-posible con los criterios morfológicos tradicionales.

I lntroducción: la biología molecular

U y la reconstrucción filógenética

Fuerhd§ia '1965 cuan-do Emile Zuckerkandly Linus Pauling publi-(aron un trabajo endoade mo¡traban c6má la comparación des¿cüencias de aminoá-cidos o de nucleótidospermitia no sólo lacoristrucción de fllo-genias meleculates,sino también, en aFgunos caros, datar lo§:proce.§gs da,cspesia-.ció-n, inclu¡o euando,

tse careE{a de informa-.ción pelaonrolgica.

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796 PARTE VII EL ORIGEN DE LAS CÉLULAS

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Sin embargo, estos cambios han abierto nuevos debates, sobre todo enIa apreciación del alcance y los límites de las metodologías moleculares.Algunos ejemplos de esta controversia se dan en la caracterización de lasprimeras células, el origen de los diferentes componentes de la célula euca-rionte, y en la validez de los sistemas taxonómicos tradicionales. Es claroque el desarrollo pleno del potencial de las filosenias moleculares depende-rá no sólo de refinamientos metodológicos que permitan mejorar los algo-ritmos que se usan para reconstruir la historia evolutiva con datos molecu-lares, sino también del análisis crítico de su armazón teórico, que incluyevarios conceptos centrales adoptados directamente por la biología molecu-lar de la teoría evolutiva clásica.

El reconocimiento de que los genomas son documentos históricos ex-tremadamente ricos de los cuales se puede extraer información evolutiva haincrementado el rango de estudios filogenéticos a niveles insospechados. Eldesarrollo de las técnicas de análisis de los ácidos nucleicos, que ha per-mitido la secuenciación de genomas completos, combinado con el rápidodesarrollo de la informática, ha llevado no sólo a un crecimiento explosivode información en los bancos de datos y nuevas herramientas sofisticadaspara su análisis, sino también al reconocimiento (e que diferentes macn>moléculas pueden funcionar como cronómetros moleculares en la recons-trucción de filogenias universales.

El trabajo de este tipo más destacado ha sido la comparación evolutinde las subunidades pequeñas del RNA ribosomal (rRNA), que permitió hconstrucción de un árbol trifurcado sinraíz en el que todos los organismcconocidos quedaron agrupados en uno de los tres linajes celulares: Bacferio, Archaea y Eucarya (Woese y cols., 1990). Aunque este tipo de análisbse puede criticar por su carácter reduccionista, es evidente que la identifi-cación de estos tres linajes no es una ilusión provocada por el uso de urnsola molécula como marcador evolutivo (figura 26-1). Por ejemplo, en 1999tres §rupos de trabajo demostraron, en forma independiente, que la representación §ráfica del contenido total de secuencias (es decir, fenograrnr

Archaea Eucarya

Genomas de DNA

Mundo de RNA

Origen de la vida

Figura 26-1, Reconstruc-ción filogenética de lostres dominios celulares,basada en 165 rRNA y suextrapolación al pasadoprebiótico.

cApíTULo 26 LA BrolocÍA MoLEcULAR y LA EVoLUctóru crruraR TEMpRANA 797

del contenido de secuencias) en los genomas completos secuenciados,mostró cómo no sólo los tres dominios, sino incluso las distintas líneasbiológicas que las constituyen, se pueden identificar sin problemas (Snel ycols., 1999; Tekaia y cols., 1999a; Fitz-Gibbon y House, 1999). Por otrolado, también es cierto que la consruencia entre los árboles de rRNA yotras moléculas no siempre es ideal, ya que se han encontrado topolosíasque se escapan de lo esperado (Rivera y Lake, 1992; Gupta y Golding, 1993).Sin embargo, una variedad importante de árboles filogenéticos construidoscon las DNA- y RNA-polimerasas, los factores de elongación, las subunida-des hidrofílicas de MPasas, las proteínas ribosomales y un número cada

vez más grande de enzimas biosintéticas, ha confirmado una y otra vez laexistencia de los tres principales linajes celulares (Doolittle y Brown, 1994;Doolittle, 1999).

El cenancestro o el último ancestro comúnde los linajes celulares

Aunque los tres linajes celulares están separados por una enorme distan-cia evolutiva, es evidente que todos ellos provienen de un ancestro común.Sin embargo, tanto la distancia filogenética que existe entre los tres lina-jes, como las diferencias moleculares que los separan, llevaron a Woese yFox (1977) a sugerir que el ancestro común era una entidad mucho mássimple que cualquier procarionte, en donde operaba una versión aún ru-dimentaria de la expresión de la información genética. Es decir, Woese y

Fox supusieron que en el punto de la trifurcación de los tres linajes celu-lares había existido una entidad biológica hipotética a la que llamaronprogenote y en la cual, a diferencia de lo que ocurre con los orgianismoscontemporáneos, la separación entre genotipo y fenotipo aún no se habíacompletado del todo.

No era fácil aceptar esta idea. Es evidente que los orgianismos contem-poráneos debieron haber sido precedidos por sistemas mucho más simples,pero la probabilidad de que el último ancestro común de las eubacterias, las

arqueobacterias y el nucleocitoplasma de los eucariontes fuera un progeno-te resultaba difícil de conciliar con la similitud y la complejidad de los pro-cesos moleculares básicos de cada uno de los linajes. Por otra parte, aunquese pueden proponer esquemas evolutivos que conduzcan a la separación si-multánea de tres o más linajes, los procesos de especiación suelen ser dico-tómicos, es decir, de un §rupo ancestral se derivan dos. Por último, el gru-po de Wolfram Zillig, un biólo§o molecular alemán, demostró mediantereacciones inmunológicas cruzadas que las subunidades de las RNA-poli-merasas DNA-dependientes de los eucariontes eran más parecidas en núme-ro y estructura a las de las arqueobacterias, que cualquiera de ellas a la de

las eubacterias. Ello sugería la existencia de una afinidad evolutiva entre lasarqueobacterias y el nucleocitoplasma, es decir, que ambos tenían un ori-gen común. Sin embargo, el árbol de los 16/185 rRNA obtenido por Woe-se y Fox carece de raí2, es decir, no posee una polaridad que nos indiqueel orden temporal en que divergieron los tres linajes. En otras palabras,

Una variedad impor-tante de árboles filo-genéticos construidoscon l9s DNA- y RNA-pólimerara¡, los faetores de elongación, lassubunidade¡ hidroflti-cas de ATPasat las pro-teínas ribosomales yun número cada vezmás grande de en-eimas biosintéticas, haqcnfirmado una y otra,,,vez, la existencia de los.,tre§ pr¡nc¡pales linajescelulares.

Aunque los tres linajescelulares están separa-dos por una enormedistancia evolutiva, esevidente que todo§etlos provienen de unancestro común.

Woese y Fox supusie-ron que en el puntode la trifurcación delos tres linajes celula-res habla existido unaentidad biológica hi-potética a la que lla-maron progenote.

798 PARTE VII EL ORIGEN DE LAS CÉLULAS

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Figwa 26-2. Los genes del cenances-tro se pueden definir por el conjun-to de secuencias presentes en laintersección de los conjuntos querepresentan los genomas de lasArchaea, las Bacteria y las Eucarya.

la representación gráfica de las relaciones entre las secuencias de los rRNAno permite deducir cuál de Ios tres fenotipos es el más antiguo.

La comparación de las diferencias y similitudes que existen entre lostres linajes permite, en principio, conocer no sólo Ia relación evolutivaque guardan entre ellos, sino también las características de su ancestro,al que Walter Fitch designó como cenancestro. Aunque hace una década

Ias bases de datos no poseían lariquezade nuestros días, tenían la informa-ción suficiente para intentar asomarse a los rasgos del último ancestro. Apesar de las limitaciones de esta metodología (que incluyen, en forma des-

tacada, el problema del transporte horizontal de genes), los resultadosfueron notables: todo indicaba que el cenancestro poseía, entre otros, a) unsistema de transcripción y traducción de tipo moderno, que incluía riboso-mas con proteínas, factores de transcripción y una RNA-polimerasa DNA-dependiente oligomérica; b) metabolismo energético dependiente de MPasasasociadas a membranas; c) biosíntesis de aminoácidos, nucleótidos y coen-zimas, y d) presencia de un genoma de DNA (Lazcano y cols., 1992). Es de-

cir, todo indica que el último ancestro común a los tres linajes celulares(y, por lo tanto, a todos los seres vivos) tenía la complejidad equivalente a

Ia de cualquier procarionte contemporáneo y no era un progenote (Lazca-

no, 1995).La reconstrucción de estadios ancestrales ha adquirido una perspectiva

totalmente novedosa gracias a la disponibilidad, a partir de 1995, de un nú-mero creciente de genomas celulares completamente secuenciados. Comohabían afirmado desde 1965 Zuckerkandl y Pauling, la historia evolutiva de

un orsanismo está contenida en su genoma. Sin embargo, a menudo esta

información es difícil de interpretar, debido a una serie de fenómenos bio-lógicos que van desde la falta de preservación de la estructura primaria de

los §enes, hasta Ia existencia de niveles de redundancia de las secuencias cu-ya naturaleza no entendemos del todo, pasando por el transporte horizon-tal, una de las peores pesadillas que tienen que enfrentar los biólogos evo-lutivos.

Como se muestra en la figura 26-2, en principio sería fácil detectarel conjunto de genes del cenancestro, ya que éste estaría definido por el

Bacter¡a Archaea

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CAPITULO 26 LA BIoLoGíA MOLECULAR Y LA EVoLUCIÓN CELULAR TEMPRANA 799

conjunto de secuencias presentes en la intersección de los conjuntos que

representan los genomas de las Archaea,las Bacteria y los Eucory¿. Sinembargo, en Ia práctica esta reconstrucción se ha visto limitada por, a) eIhecho de que los genomas secuenciados no reflejan a la diversidad bioló-gica real; b) los distintos niveles de conservación de los genes, que distanmucho de ser los mismos para todas las secuencias; c) los problemas enla anotación e identificación de las secuencias presentes en las bases de

datos; d) la presencia de secuencias altamente conservadas cuya funciónes aún completamente desconocida por no disponer de datos experimen-tales; e) la pérdida polifilética, es decir, independiente, de secuencias,funciones y rutas metabólicas que han sufrido diversos organismos, sobretodo parásitos y simbiontes, y fl el transporte lateral de los genes, que enalgunos casos pueden traspasar las fronteras que separan a los srandesdominios.

Ante un inventario de dificultades como éste, parecería ser imposibledefinir con precisión los rasgos del último ancestro común; sin embargo,los resultados son alentadores. Por ejemplo, el transporte horizontal de

secuencias es un fenómeno real (que subyace, por ejemplo, en Ia bien cono-cida resistencia a antibióticos que se observa con una frecuencia cadavezmás alarmante entre muchos patógenos de humanos y animales) quepuede oscurecer la reconstrucción del pasado evolutivo. Sabemos, porejemplo, que incluso los operones del rRNA pueden llegar a sufrir este fe-nómeno, pero el hecho de que se mantenga la identidad de los srupos de

microorganismos sugiere que existen limitaciones biológicas al inter-cambio de genes. A pesar de la promiscuidad con la que los seres vivos hanintercambiado genes a lo largo de la evolución, la reconstrucción del pa-

sado es posible (Snel y cols., 1999; Tekaia y cols., 1999a; Fitz-Gibbon yHouse, 1999).

La descripción tripartita del mundo viviente desarrollada por Woese ysus colaboradores ha sido rcchazada por varios investigadores, que ale-gan que los dos grupos procariontes (es decir, las eubacterias y las ar-queobacterias) son en realidad uno solo, ya que, independientemente delas diferencias al nivel molecular, ambos son procariontes (Mayr, 1990;Margulis y Guerrero, 1991; Cavalier-Smith, 7992). Además, debido a sunaturaleza cladista, los árboles filogenéticos moleculares no permitenrepresentar los procesos de anastomosis que se dieron entre los linajesdurante la formación de los diferentes componentes de la célula euca-rionte. Así, Margulis y Guerrero (1991) han argumentado que, si bien lacladística molecular es la principal herramienta en la reconstrucción fi-lo§enética, las clasificaciones taxonómicas no se pueden basar única-mente en la comparación evolutiva de macromoléculas, sino tambiénen la información que brindan las rutas metabólicas, la citología, lamorfología ultraestructural, los datos bioquímicos, los ciclos de vida y,

800 PARTE VtI EL ORIGEN DE LAS CELULAS

cuando estén disponibles, el re§istro paleontológico y la evidencia §eo-química.

En 1967, Lynn Margulis propuso que las células eucariontes eran enrealidad minúsculas comunidades microbianas que habían resultado de unaserie de procesos endosimbióticos, es decir, que las células nucleadas habían

sido precedidas por procariontes que luego se asociaron simbióticamente.Aunque la idea de que mitocondrias y cloroplastos eran descendientes de

bacterias de vida libre había circulado en algunos medios científicos desde

finales del siglo XIX, Margulis (1967) no sólo revivió en forma indepen-diente la teoría endosimbiótica, sino que la articuló y apoyó con una serie

de evidencias morfológicas, bioquímicas, genéticas e incluso geológicas tancontundentes que sus puntos de vista terminaron por ser aceptados inclu-so por sus críticos más severos.

Cuando Marsulis propuso por primera vez su teoría endosimbiótica,no estaba clara la naturaleza biológica del hospedero que había alojadoa las bacterias que luego se convirtieron en mitocondrias, cloroplastos yundulipodia, es decir, no se tenía una idea precisa sobre el origen del nu-cleocitoplasma. Los micoplasmas, parásitos intracelulares que carecende pared celular, parecían ser buenos candidatos, debido a su metabolismoestrictamente fermentativo (como el del citoplasma eucarionte) y a que

la ausencia de pared hubiera facilitado la entrada de los endosimbiotes. Laidea de la endosimbiosis fue ganando cada vez más adeptos y pronto se

convirtió en una de las bases de la clasificación de los seres vivos en cincoreinos. Así, a pesar de que para entonces era cada vez más evidente laexistencia de algunas diferencias en los procesos de replicación y expre-sión genética entre los procariontes y los eucariontes, hacia mediados de

la década de 1970 la mayoría de los biólogos consideraban que todos loscomponentes de las células nucleadas provenían de un mismo linajebacteriano.

Las filogenias moleculares han determinado, sin lusar a dudas, el ori-gen endosimbiótico de los plástidos y la mitocondria. Sin embargo, unnúmero importante de árboles filogenéticos sugiere que buena parte delnucleocitoplasma eucarionte se originó de una célula arqueobacteriana(y no de una bacteria tipo micoplasma) cuyos descendientes conformanal grupo monofilético de los eucariontes (GoÉarten-Boekels y Gogiarten,1994). Como afirmaron Woese y cols., aunque la presencia de endosim-biontes es de importancia central para los eucariontes, es innegable que

éstos tienen una única filogenia principal (Wheelis y cols., L992). Mien-tras este punto de vista asume una continuidad absoluta entre el nucleo-citoplasma y su antepasado directo, los argumentos holistas de Margulisy Guerrero (1991), Cavalier-Smith (1992) y otros más, ponen énfasis enla emergencia evolutiva de un nuevo tipo de célula como un resultadode procesos endosimbióticos. Por lo tanto, el proceso principal de transi-ción a eucariontes fue la adquisición evolutiva de simbiontes intracelula-res y, en consecuencia, se puede afirmar que la rama de los eucariontesde los tres linajes celulares propuesta por Woese no representa a las cé-

O,fN,TO 26 LA BIoLoGíA MoLECULAR Y LA EVOLUcIÓru ceIumR TEMPRANA 801

H¡s eucariontes en su conjunto, sino únicamente parte de su complejaSstoria.

Aunque en los últimos años la relación entre la biología molecular y el es-

ürdio de las filogenias celulares ha enfrentado un número enorme de crí-ticas y conflictos, el rápido desarrollo de las bases de datos de secuenciasmoleculares ha proporcionado una visión única de la evolución de las cé-

lulas procariontes y eucariontes, abriendo nuevas perspectivas en varioscampos de las ciencias naturales. La evolución molecular resultó original-mente de la unión de la biología molecular con las ideas neodarwinistas,pero actualmente se ha transformado en un campo con vida e identidadpropias. Sin embargo, su desarrollo pleno requiere no sólo del desarrollode técnicas de secuenciación macromolecular menos caras y más rápidasy de algoritmos y computadoras más poderosas para la reconstrucción de

hipótesis filogenéticas, sino, sobre todo, del incremento del conocimien-to de su objeto de estudio, así como definiciones más precisas de su arma-zón conceptual.

Al igual que ocurre en otras áreas del conocimiento, pocas tareas resul-tan tan complejas y difíciles como la reconstrucción del pasado biológico.Si bien es cierto que en el marco de la teoría evolutiva es fácil aceptar laexistencia de sistemas ancestrales más simples de los cuales descendemoslos organismos actuales, su estudio no es una tarea fácil, sobre todo si,como ocurre en el caso del cenancestro, hay que remontarse a épocasprecámbricas. La reconstrucción de estadios ancestrales es una tareamulti e interdisciplinaria que tiene que recurrir a actitudes eclécticas que

apelen a metodologías que van desde las discusiones sobre el medio ambien-te primitivo, hasta la anotación automatizada de las secuencias de glenomas

completos.Los resultados pueden ser confusos. Por ejemplo, la conservación de

las secuencias de las ATPasas implica la existencia de membranas de lípi-dos y fosfolípidos, aunque no podemos saber cuál era la naturaleza quími-ca de estas últimas. A pesar de estas dificultades, resulta asombroso que

existan secuencias, estructuras y funciones, como las que participan en laexpresión de la información genética, que se han conservado a lo largo de

miles de millones de años. La lectura de estas crónicas moleculares que se

han mantenido desde épocas precámbricas nos permite asomarnos, aun-que sea en forma limitada, al interior de los procesos biológicos de las cé-

lulas que antecedieron a todas las formas de vida que existen hoy en nues-tro planeta.

Cavalier-Smith, T., "The number of symbiotic origins of organelles", Biosgstems,28(r-3):91-106, 1992.