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lunes, 1 de abril de 2013

Researchers discover how model organism Tetrahymena plays roulette with seven sexes

ORIGINAL: Physorg

Scanning electron microscope view of two mating Tetrahymena cells. Credit: The ASSET (Advancing Secondary Science Education with Tetrahymena) Program at Cornell University
It's been more than fifty years since scientists discovered that the single-celled organism Tetrahymena thermophila has seven sexes. But in all that time, they've never known how each cell's sex, or "mating type," is determined; now they do. The new findings are published 26 March in the open access journal PLOS Biology

By identifying Tetrahymena's long-unknown mating-type genes, a team of UC Santa Barbara biologists, with research colleagues in the Institute of Hydrobiology of the Chinese Academy of Sciences, and in the J. Craig Venter Institute, also uncovered the unusual process of DNA rearrangements needed for sex determination in this organism. The discovery has potential human health implications ranging from tissue transplantation to cancer, including allorecognition—the ability of an organism to distinguish its own tissues from those of another—which can be a first line of defense against infection and illness.

In the study, the scientists show that in this multi-sexed, single-celled organism, the sex of the progeny is randomly determined by a series of "cut and paste" genomic recombination events that assemble one complete gene pair and delete all others.

"We found a pair of genes that have a specific sequence which is different for each mating type," said Eduardo Orias, a research professor emeritus and part of the UCSB team. "They are very similar genes—clearly related to one another, going back probably to a common ancestor—but they have become different. And each is different in a specific way that determines the mating type of the cell."

Each unicellular Tetrahymena boasts two nuclei: the 'germline nucleus' and the 'somatic nucleus'. Genetic information for progeny cells is stored in the former, analogous to ovaries or testes in humans, while genes are actively transcribed in the latter, the "working copy" nucleus. The sex of the progeny is determined during mating, when fertilization results in new germline and somatic nuclei that are made using contributions from the germline nucleus of each parent.

The authors found that the germline nucleus contains a tandem array of similarly organized but incomplete gene pairs—one for each mating type (although Tetrahymena have seven sexes, the particular cell line used in this study has just six). In the new somatic nucleus, a single complete gene pair is assembled when DNA segments from each end of this array are fused to one of the six incomplete pairs, and the remaining five are deleted. This precise but random rearrangement leaves the new cell with exactly one gene pair—and one mating type.

"The mating type of the 'parents' has no influence whatsoever on the sex of the progeny," Orias said. "It's completely random, as if they had roulette wheel with six numbers and wherever the marble ends up is what they get. By chance they may have same mating type as the parents—but it's only by chance. It's a fascinating system."

"By understanding this process better in Tetrahymena, what we learn ultimately may be of use in medicine," Orias said. "Tetrahymena has about as many genes as the human genome. For thousands of those genes you can recognize the sequence similarity to corresponding genes in the human genome with the same biological function. That's what makes it a valuable organism to investigate important biological questions."



More information: Cervantes MD, Hamilton EP, Xiong J, Lawson MJ, Yuan D, et al. (2013) Selecting One of Several Mating Types through Gene Segment Joining and Deletion in Tetrahymena thermophila. PLoS Biol 11(3): e1001518. doi:10.1371/journal.pbio.1001518

Journal reference: PLoS Biology

miércoles, 18 de enero de 2012

Biólogos logran replicar un paso evolutivo clave

ORIGINAL: ScienceDaily


Levadura.
(Crédito: © Dmitry Knorre / Fotolia)
ScienceDaily (17 de enero de 2012) - Hace más de 500 millones de años, los organismos unicelulares en la superficie de la Tierra comenzaron a formar grupos multicelulares que finalmente se convirtieron en plantas y animales. Sólo que la forma en que ésto ocurrió es una pregunta que ha eludido a los biólogos evolutivos.

Pero los científicos de la Universidad de Minnesota - Escuela de Ciencias Biológicas  han replicado este paso clave en el laboratorio mediante la selección natural y la levadura de cerveza común, que son organismos unicelulares. 
La levadura ha "evolucionado" en grupos multicelulares que colaborar entre sí, se reproducen y se adaptan a su medio ambiente - en esencia, precursores de la vida en la Tierra como lo es hoy.

Su logro se publica en el número de enero edición del 16 de Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Todo comenzó hace unos dos años con un comentario casual tomando café sobre que para cerrar la brecha de la famosa multi-celularidad sería "casi mejor que la pudiésemos hacer", recuerda el investigador postdoctoral Ratcliff y profesor asociado Michael Travisano, ambos del Departamento de Ecología, Evolución y Comportamiento.
Por lo que decidieron darle una oportunidad. Luego vino la gran sorpresa. No era en realidad tan difícil. Usando células de levadura, medios de cultivo y una centrífuga, sólo fué necesario un experimento llevado a cabo durante aproximadamente 60 días, dice Travisano, quien es el autor principal del artículo de PNAS.
"Yo no creo que nadie nunca lo había intentado antes", dice Ratcliff autor principal. "No hay muchos científicos haciendo una evolución experimental, y que están tratando de responder a las preguntas acerca de la evolución, no crearla."

A pesar de su modestia, el logro se ha ganado elogios y la admiración de los biólogos evolutivos en todo el mundo.
"Para entender por qué el mundo está lleno de plantas y animales, incluyendo seres humanos, tenemos que saber cómo organismos unicelulares hecho el cambio a la vida en grupo, como los organismos multicelulares", dijo Sam Scheiner, director del programa  de la División de Biología Ambiental de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). "Este estudio es el primero en observar experimentalmente que la transición, que ofrece una mirada a un evento que tuvo lugar cientos de millones de años atrás".

La financiación de la investigación se obtuvo en febrero de 2011, con los coautores R. Ford Denison y Borrello Marcos, profesores adjuntos y asociados, respectivamente, en el Departamento de Ecología, Evolución y Comportamiento.

Ratcliff y Travisano dieron a la comunidad científica una nuestra de su descubrimiento en una conferencia el pasado verano y posteriormente han sido invitados a hablar de ello en otras reuniones. El artículo de PNAS representa la primera vez detalles sobre la investigación han sido revelados. "El artículo nos proporciona la primera oportunidad para mostrar la amplitud de los cambios evolutivos que hemos observado", dice Travisano.

En esencia, así es como los experimentos funcionaron. 
  • Los dos eligieron la levadura de cerveza o Saccharomyces cerevisiae, una especie de levadura que se usa desde la antigüedad para hacer pan y cerveza, ya que es abundante en la naturaleza y crece con facilidad. 
  • Se agregó a un medio de cultivo rico en nutrientes y permite que las células crezcan de un día en tubos de ensayo. 
  • Luego se utiliza una centrífuga para estratificar el contenido en peso. 
  • A medida que en la mezcla se asentaban, algunos grupos de células se depositaron en la parte inferior de los tubos más rápido por ser más pesados. 
  • Se quitaron los grupos de células, 
  • los transfirieron a medio fresco, 
  • los cultivaron nuevamente. 
  • Sesenta ciclos más tarde, los grupos - ahora cientos de células - parecía más o menos como los copos de nieve esférica.

El análisis mostró que los grupos no eran sólo grupos de células al azar que se adhirieron a las otras, sino células relacionadas que parmanecían unidas luego de división celular. Eso fue importante, ya que significaba que eran genéticamente similares, que promueve la cooperación. Cuando los grupos llegaron a un tamaño crítico, algunas células esencialmente se suicidaron (apoptosis) para permitir que la descendencia se separase. Las crías reproducidas sólo después de alcanzado el tamaño de sus padres.

"Un grupo solo no es multiellular", dijo Ratcliff. "Pero cuando las células de un clúster cooperan, y hacer sacrificios por el bien común, y adaptarse al cambio, esto es una transición evolutiva a la multicelularidad".

Para que los organismos multicelulares adquieran forma, la mayoría de las células necesitan sacrificar su capacidad de reproducirse, una acción altruista que favorece el todo, pero no el individuo, dijo Ratcliff. Por ejemplo, todas las células del cuerpo humano son esencialmente un sistema de apoyo que permite a los espermatozoides y los óvulos pasar el ADN a la próxima generación. Por lo tanto, la multicelularidad es por su naturaleza extremadamente cooperativa. "Algunos de los mejores competidores en la naturaleza son los que se dedican a la cooperación, y en nuestra experiencia se muestra", dijo Travisano.

Los biólogos evolutivos han estimado que la multicelularidad ha evolucionado de forma independiente en unos 25 grupos. Travisano Ratcliff y se preguntan ¿por qué no se desarrolló con mayor frecuencia en la naturaleza, ya que no es tan difícil de recrear en un laboratorio?. Teniendo en cuenta que miles de millones de organismos unicelulares vivido en la Tierra durante millones de años, parece que debería haber sido posible, Ratcliff, dijo.

Tal vez esa es una pregunta que responderá en el futuro, utilizando el registro fósil durante miles de generaciones de sus grupos multicelulares, que se almacena en un congelador en el laboratorio de Travisano. Dado que las muestras congeladas contienen múltiples líneas que se convirtió en multicelulares independientes, que se pueden comparar para saber si mecanismos similares o diferentes y genes eran los responsables en cada caso, Travisano dijo.

Los próximos pasos del dúo de investigación consistirá en examinar el papel de la multicelularidad en el cáncer, el envejecimiento y otras áreas críticas de la biología.

"Nuestra levadura multicelulares son un recurso valioso para la investigación de una amplia variedad de temas médicos y biológicamente importantes", dijo Travisano. "El cáncer se ha descrito recientemente como un fósil del origen de la multicelularidad, que puede ser investigado directamente con el sistema de levadura. Del mismo modo los orígenes del envejecimiento, el desarrollo y la evolución de las morfologías complejas están abiertas para dirigir la investigación experimental que de otra manera sería difícil o imposible ".