La fusión del óvulo y el espermatozoide para dar origen a un nuevo individuo ha fascinado a la ciencia por más de 150 años. Cómo surge este proceso es solo una de las preguntas que se hacen los científicos. Ahora, un grupo de investigadores de centros internacionales, entre los que se encuentra el Institut Pasteur de Montevideo, determinó que la proteína responsable de esta fusión de células —una característica crucial de la reproducción sexual en plantas y animales— podría haber surgido en arqueas —microorganismos similares a bacterias— mucho antes que la propia célula eucariota y su vida sexual, hace unos 3.000 millones de años.
Foto: Héctor Romero, Martín Graña, Mauricio Langleib.
El trabajo fue publicado esta semana en la revista Nature Communications e ilustra cómo la Naturaleza obra frecuentemente como una “ingeniera/artesana chapucera”, comparó Martín Graña, investigador de la Unidad de Bioinformática del IP Montevideo que participó en la investigación.
“Efectivamente, la evolución opera con el material disponible en un momento dado. En biología, muchas innovaciones morfológicas y moleculares han sido combinaciones y/o reutilizaciones de piezas preexistentes, como cuando jugando al LEGO surgen diseños y funciones no pensadas para las formas originales”, agregó Graña. Del instituto, también participó el doctorando Mauricio Langleib, y Héctor Romero de Facultad de Ciencias (UdelaR). Completando el cuadro de expertos rioplatenses, desde el Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (IFIBYNE-CONICET) de Buenos Aires, participó Pablo Aguilar, quien fue líder de un laboratorio en el IP Montevideo entre 2008 y 2014.
Maquinaria de precisión
En la reproducción sexual, un nuevo individuo se construye a partir de la combinación de las dos mitades genéticas de madre y padre. Este proceso universal existe desde los albores de la vida eucariota, que hace referencia a organismos con células con núcleo definido, desde amebas hasta cebras, por ejemplo.
Pero la fusión, a diferencia de la división celular que sucede todo el tiempo para generar más células, solo se produce en ocasiones especiales. Esto ocurre durante el sexo (en la fertilización o el apareamiento) y también en la construcción de músculos y huesos en vertebrados, o la placenta humana. Una fusión celular descontrolada sería letal para cualquier organismo; basta imaginar células cerebrales fusionadas con las de la boca o las manos. Para evitar este descontrol, plantas y animales usan proteínas especiales llamadas fusógenos, que gestionan cuándo y dónde ocurre el proceso.
Se trata de pocas proteínas que hacen un trabajo monumental. Son quizás unas decenas o centenas de proteínas que fusionan células que son 10.000 veces más grandes, lo que explica por qué para la ciencia ha sido difícil su identificación. De hecho, aún no conocemos el fusógeno sexual de vertebrados, incluyendo al ser humano. Lo que sí se sabe es que en plantas, animales invertebrados y protozoarios, la proteína que fusiona gametas es la llamada HAP2.
Pero además, en los últimos cinco años, la ciencia también halló que HAP2 tiene la misma forma tridimensional que las proteínas utilizadas por algunos virus envueltos (por ejemplo Zika, Dengue, Rubeola), para meterse en el organismo que infectan. Bautizaron a esta familia ampliada de fusógenos: fusexinas. Esta doble pertenencia de las fusexinas a eucariotas y a virus instaló el dilema respecto su origen: ¿fueron una invención eucariota cooptada por los virus, o inversamente, una innovación viral capturada por una célula eucariota primitiva, con la que descubrió un truco de magia para inventar la reproducción sexual?
Un paso más
En un nuevo giro de tuerca, el equipo internacional demostró que criaturas tan antiguas como las arqueas contienen una proteína homóloga a HAP2, a la que llamaron Fusexin1. Su actividad fusogénica se demostró en células de riñón de hamsters bebés que, al producir Fusexin1, empezaron a fusionarse entre ellas. Esto implica que podría tratarse de la molécula ancestral: la madre de todas las “fusexinas”, tanto las virales como las sexuales, afirma Graña.
Además, los genes de Fusexin1 están incrustados en trozos de ADN que son móviles. Esto sugiere fuertemente que forman parte de elementos del genoma que pueden ser compartidos entre células. Es bien sabido que tanto las bacterias como las arqueas practican antiguas formas de sexo en las que se transfieren trozos discretos de ADN. «El hallazgo de una proteína que fusiona los gametos en las plantas y otros eucariotas, presumiblemente involucrada en los eventos sexuales de las arqueas, es extremadamente emocionante», dice Mauricio Langleib. «Este mecanismo podría ser el precursor del sexo eucariota tal y como lo conocemos actualmente«, explica el estudiante.
Este trabajo multidisciplinario implicó grupos de investigación —además del Institut Pasteur de Montevideo y de la Universidad de la República (Uruguay)— del Instituto Karolinska (Suecia), CONICET (Argentina), Technion – Instituto Tecnológico de Israel, Universidad de Lausana (Suiza) y del Laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón (Francia), así como DeepMind, empresa de Google dedicada al aprendizaje automático que ha sacudido el área de la inteligencia artificial con logros históricos (AlphaGo; AlphaFold). Para el estudio, los investigadores combinaron bioinformática, biología evolutiva computacional, predicción de dominios de proteínas con AlphaFold, cristalografía de rayos X, así como estudios funcionales demostrando que la antigua proteína Fusexin1 funciona como un fusógeno.
A futuro, los siguientes pasos serán comprender mejor el rol que cumple Fusexin1 en arqueas y establecer la historia evolutiva que conecta a la antigua Fusexin1 con la más reciente HAP2 eucariota. Asimismo, las fusexinas de arqueas y las proteínas de fusión ya descubiertas podrían ayudar a comprender cómo evolucionaron las células desde formas aparentemente simples hasta las formas de vida complejas que hoy se reproducen sexualmente.
