En gairebé cada cèl·lula humana, els dos metres d’ADN han d’acomodar-se en un nucli que és només 8 milionèsimes parts d’un metre. Com la llana en un cabdell, aquest repte extrem d’espai requereix que l’ADN s’emboliqui al voltant d’unes proteïnes estructurals denominades histones. Aquesta arquitectura genètica en espiral, coneguda com a cromatina, protegeix l’ADN de potencials danys i té un paper clau en la regulació gènica.

Les histones estan presents tant en els eucariotes, organismes vius que posseeixen una maquinària especialitzada com ara nuclis i microtúbuls; i els arqueus, una altra branca de l’arbre de la vida, compostos de microbis unicel·lulars que són procariòtics, fet que implica que no tenen nucli.

En les cèl·lules eucariòtiques, les histones estan modificades per enzims, que canvien contínuament el paisatge genòmic per a regular l’expressió gènica i d’altres processos genòmics. Tot i aquest rol fonamental, l’origen exacte de la cromatina ha estat rodejat de misteri.

Un equip científic al Centre de Regulació Genòmica (CRG) revela ara que aquesta solució d’emmagatzematge de la natura evolucionà primer en antics microbis que visqueren a la Terra fa entre un i dos mil milions d’anys. L’estudi es publica avui a la revista Nature Ecology and Evolution. L’estudi és el resultat d’un projecte de recerca que començà fa vuit anys. Liderat per un equip científic al CRG, el treball compta amb la col·laboració de la Unitat de Proteòmica CRG/UPF, l’Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF), la Universitat Paris-Saclay, la Universitat de Montreal i la Universitat de Viena.

Per anar enrere en el temps, l’equip investigador emprà informació escrita en els genomes d’organismes moderns, que organitzen formes de vida segons l’evolució de gens i proteïnes vinculades a la cromatina. Estudiaren trenta espècies diferents obtingudes de mostres d’aigua a Canadà i França. Els microbis foren identificats gràcies a tecnologies modernes de seqüenciació de gens que permeten la identificació d’espècies filtrant el seu ADN. A partir d’aquí, es van cultivar al laboratori per a la seva seqüenciació proteòmica i genòmica.

L’equip científic descobrí que als procariotes els manca la maquinària necessària per a modificar histones, el que suggereix que antigament la cromatina dels arqueus podria haver jugat un paper estructural bàsic, tot i que no regulava el genoma. En  contrast, els científics descobriren proves suficients sobre proteïnes que llegien, escrivien i esborraven modificacions de les histones en llinatges primerencs divergents d’eucariotes, tals com el  Malawimonadea Gefionella okellyi, l’Ancyromonadida

“Els nostres resultats emfatitzen que els rols estructurals i reguladors de la cromatina són tan antics com els propis eucariotes. Aquestes funcions són essencials per a la vida eucariòtica –des de que aparegué la cromatina per primer cop, mai s’ha tornat a perdre en cap forma de vida”, diu el Dr. Xavier Grau-Bové, investigador postdoctoral al CRG i primer autor de l’estudi. “ara estem una miqueta més a prop de comprendre el seu origen, gràcies al poder de les anàlisis comparatives per a descobrir episodis evolutius que ocorregueren fa milers de milions d’anys”.

Mitjançant les dades seqüenciades, l’equip científic reconstruí el repertori de gens del darrer ancestre comú dels eucariotes, la cèl·lula que donà origen a tots els eucariotes

Mitjançant les dades seqüenciades, l’equip científic reconstruí el repertori de gens del darrer ancestre comú dels eucariotes (LECA, les sigles en anglès de Last Eukaryotic Common Ancestor), la cèl·lula que donà origen a tots els eucariotes. Aquest organisme viu posseeix dotzenes de gens que modifiquen histones i visqué fa entre un i dos mil milions d’any a la Terra, la qual s’estima que té uns 4.500 milions d’anys. Els autors de l’estudi sostenen la hipòtesi que la cromatina evolucionà en aquest microbi com a resultat de pressions selectives en l’entorn primordial de la Terra.

El Dr. Arnau Sebé-Pedrós, investigador al CRG i autor sènior de l’estudi, subratlla que “els virus i elements que puguin transposar-se són paràsits del genoma que ataquen regularment l’ADN d’organismes unicel·lulars. Això podria haver conduït a una carrera armamentista evolutiva per a protegir el genoma, fet que resultà en el desenvolupament de la cromatina com a un mecanisme de defensa a la cèl·lula que originà tota la vida eucariòtica coneguda a la Terra. Més tard, aquests mecanismes foren incorporats en la regulació gènica complexa, tal i com observem en els eucariotes moderns, especialment en organismes multicel·lulars”.

Segons els autors de l’estudi, els propers estudis podrien investigar sobre l’evolució dels enzims que modifiquen histones en arqueus Asgardians, microbis que reben el seu nom per la regió mitològica habitada pels deus Norse, i que sovint són descrits com a trampolí evolutiu entre els arqueus i els eucariotes. Els investigadors trobaren proves que mostren que algunes espècies de microbis Asgardians, com el Lokiarchaeota, posseeixen histones amb trets similars als eucariotes, el que podria ser el resultat de l’evolució convergent.

Article de referència:

“A phylogenetic and proteomic reconstruction of eukaryotic chromatin evolution”. Nature Ecology and Evolution. DOI: https://doi.org/10.1038/s41559-022-01771-6. Un cop s’hagi publicat l’article online, estarà publicat en aquesta URL: https://www.nature.com/articles/s41559-022-01771-6