LOKIARCHAEOTA – A ARCHAEA FILOGENETICAMENTE MAIS PRÓXIMA DOS EUCARIOTOS

A maioria dos livros didáticos do mundo divide a vida em três grandes domínios celulares: os eucariontes (Eukarya) e dois grupos de procariotos (Prokarya), as bactérias e as arqueias (Archaea). E agora, a ciência vem descobrindo que há um profundo relacionamento evolutivo entre a complexidade das células eucariotas e as arqueias.

Lokiarchaeota são procariotas mais próximos dos conhecidos eucariotas. As árvores filogenéticas apresentados por Spang et al coloca eucariotas dentro do grupo Lokiarchaeota - um novo grupo de Archaea descrito pelos autores. Os genomas destas Archaeas contêm mais genes eucarióticos semelhantes do que outros conhecidos Archaea. Esta constatação implica que algumas das características definidoras do eucariontes - incluindo um citoesqueleto, a remodelação da membrana, modificação ubiquitina ea capacidade de endocitose e/ou fagocitose - já pode ter evoluído no último ancestral comum de eucariotos e Archaea. Os achados de Spang e colegas sugerem que é provável que outras novas linhagens serão encontradas para fechar ainda mais o fosso evolutivo entre Archaea e eucariotas, aumentando a precisão com que podemos identificar quando inovações celulares chave, tais como o núcleo, mitocôndria e retículo endoplasmático evoluíram.

Lokiarchaeota são procariotas mais próximos dos conhecidos eucariotas. As árvores filogenéticas apresentados por Spang et al coloca eucariotas dentro do grupo Lokiarchaeota – um novo grupo de Archaea descrito pelos autores. Os genomas destas Archaeas contêm mais genes eucarióticos semelhantes do que outros conhecidos Archaea. Esta constatação implica que algumas das características definidoras do eucariontes – incluindo um citoesqueleto, a remodelação da membrana, modificação ubiquitina ea capacidade de endocitose e/ou fagocitose – já pode ter evoluído no último ancestral comum de eucariotos e Archaea. Os achados de Spang e colegas sugerem que é provável que outras novas linhagens serão encontradas para fechar ainda mais o fosso evolutivo entre Archaea e eucariotas, aumentando a precisão com que podemos identificar quando inovações celulares chave, tais como o núcleo, mitocôndria e retículo endoplasmático evoluíram.

Uma proposta alternativa de classificação ofertada por Lake (1984), divide os domínios da vida em somente duas categorias (Bactérias e Arqueias) tomando a linhagem eucariótica como pertencente ao domínio archaeal. Recentes análises filogenéticas (McInerney et al, 2014) tem posto em dúvida a classificação com base em 3 grandes domínios, favorecendo a hipótese eócito.

Nesta árvore (vista acima), os eucariontes estão relacionados a um grupo diverso de Archaeas, o superfilo TACK (siga de Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota, Korarchaeota) (Guy & Ettema, 2011). Assim, ao contrário da árvore de três domínios, a presente proposta inclui uma previsão explícita sobre onde devemos olhar para conseguir estabelecer quais são os grupos biológicos evolutivamente mais próximos da linhagem ancestral eucariótica (Embley & Williams, 2015).

Spang e colaboradores reconstruíram grande parte de dois genomas de membros estreitamente relacionados do grupo Arqueal que vivem em regiões profundas de oceanos e encontraram um novo grupo de Archaea nomeado de Lokiarchaeota.

Este grupo foi coletado em sedimento mesoceânica. A amostra adquirida perto de uma fonte hidrotermal em um local conhecido como Castelo de Loki em Gakkel Ridge, no Oceano Ártico (Spang et al, 2015).

Os sedimentos de um núcleo no Vale do Rift, no cume Knipovich no Oceano Ártico, perto do chamado Castelo de Loki (na fonte hidrotermal de Loki), foram analisados. Horizontes de sedimentos específicos, previamente mostrados como dotados de novas linhagens de archaea (Jørgensen et al, 2012 & Jørgensen et al, 2013) foram submetidos a análise metagenômica. Essa análise considera a baixa densidade de células no sedimento, e usa a sequência genética do que estava concentrado no sedimento como referência. Desta forma, o resultante da análise não provém de uma célula isolada, como seria o caso em análise convencional, mas sim, de uma combinação de fragmentos genéticos (Rincon, 2015). O resultado foi  que o genoma de Lokiarchaota é composto por 5.381 genes que codificam proteínas (Spang et al, 2015).

Localização do Castelo de Loki

Localização do Castelo de Loki

Os autores deste estudo sequenciaram genomas combinados (metagenomas) a partir de amostras de sedimentos marinhos que eram enriquecidos com membros deste grupo e compararam com a linhagem filogeneticamente mais próxima, as Archaea do grupo TACK.

Assim, conseguiram construir árvores filogenéticas que coloca eucariotas dentro do grupo Lokiarchaeota, na base do superfilo TACK, sugerindo que ele seja o procarioto mais próximo de eucariotas já descoberto.

O genoma de Lokiarchaeota contém mais genes com assinaturas eucarióticas do que os outros procariotas, incluindo genes que codificam as proteínas actina, componentes do complexo que esta associado a vesículas primordiais, um sistema de ubiquitina-modificadora e um conjunto diversificado de pequenas enzimas GTPases pertencentes à superfamília Ras. Com base nesses dados os pesquisadores concluíram que a divisão entre eucariontes e Lokiarchaeota pode ter ocorrido mais de 2 bilhões de anos atrás (Embley & Williams, 2015).).

Segundo as análises, o citoesqueleto baseado em proteínas de actina deste organismo ancestral era bem dinâmica. Tal complexo era responsável pelo tráfego vesicular e tinha a capacidade de remodelar a membrana celular, além de fazer a captação de materiais do ambiente por citose/fagocitose. Estas são todas as características que poderiam ter levado o ancestral comum de todos os eucariontes (sigla em ingles LECA) a engolfar o simbionte bacteriano que se tornou o progenitor da mitocôndria (uma α-proteobacteria), organela de vital importância para os eucariotos modernos (Embley & Williams, 2015).).

A descoberta de Lokiarchaeota fornece fortes evidências filogenéticas que podem ser usadas para inferir relações antigas e, em combinação com uma única célula e com o sequenciamento metagenômico, fornece um poderoso conjunto de ferramentas para testar idéias sobre as origens dos componentes celulares eucarióticos (McInerney et al, 2014). As mesmas técnicas podem ser aplicadas em futuros estudos para identificar a fonte da endosimbionte mitocondrial (Embley & Williams, 2015). Por exemplo, sequências dos genes que codificam as moléculas de RNA ribossomal, que são vulgarmente utilizadas para a classificação taxonômica, podem ajudar a identificar amostras ambientais enriquecidas em Lokiarchaeota e os seus parentes.

Preenchendo a lacuna entre procariotas e eucariotas

Parece particularmente difícil explicar a presença do sistema endomembranar, poros nucleares, spliceossoma, o sistema ubiquitina, a maquinaria de RNAi (um mecanismo exercido por moléculas de RNA complementares a RNAs mensageiros, o qual inibe a expressão gênica na fase de tradução ou dificulta a transcrição de genes específicos), os motores do citoesqueleto e a maquinaria fagocítica no último ancestral comum eucariótico. Mas a luz dos dados genômicos e evidências científicas muito a respeito da eucariogênese esta sendo esclarecido.

A ligação evolutiva entre Archaea e eucariotas foi reforçada através de estudos das maquinarias de transcrição (Puhler, et al, 1989) e pelo o primeiro genoma archeal sequenciado (Bult et al, 1996) revelando que muitos genes, incluindo o núcleo das máquinas de processamento de informação genética de Archaea eram mais semelhantes aos de eucariotos do que de bactérias (Rivera et al, 1998)

Nas fases iniciais da era genômica, tornou-se evidente que os genomas eucarióticos eram quiméricos por natureza (Rivera et al, 1998 & McInerney et al, 2014) compreendendo genes de ambos os grupos: Archaeas e bactérias, indo muito além de genes específicos de eucariotas. No entanto, enquanto muitos dos genes de bactérias poderiam ser rastreados das mitocôndrias até seu progenitor α-proteobacteria, a natureza da linhagem a partir do qual o hospedeira eucariótica evoluiu permaneceu obscura (Embley & Martin, 2006 e Gribaldo et al, 2010 e Thiergart et al, 2012).

É evidente que os genomas eucarióticos foram forjados por processos quiméricos naturais (Rivera et al, 1998 & McInerney et al, 2014) e então, esta linhagem descende de um ancestral comum compartilhado com Archaea (seguindo a clássica árvore de Woese), ou surgiram a partir de um domínio de Archaea (o chamado cenário archaeal, ou hipotese eocítica)( Embley & Martin, 2006 e Henderson et al, 1984 e Williams et al, 2013). As análises filogenéticas recentes de conjuntos de dados de proteínas universais ter fornecido apoio crescente para os modelos em que eucariotas emergem como um grupo irmão, ou a partir de archaeas TACK.

Diversas proteínas dão apoio a esta relação e análises genômicas comparativas revelaram assinaturas claramente eucarióticas (ESPs) em linhagens TACK (Hartman & Fedoro, 2002). Isso inclui homólogos archaeais de actina, tubulina (Yutin & Koonin, 2012), proteínas de divisão celular archaeal relacionadas com o complexo endosomal eucariótico para o transporte (ESCRT)-III (Lindas et al, 2008) e várias proteínas de processamento de informação envolvidas na transcrição e tradução de proteinas (Koonin & Yutin 2014 e Williams et al, 2013 e Guy & Ettema, 2011). Aqui veremos os detalhes de cada um desses complexos.

Isso quer dizer que o ancestral archaeal de eucariotas poderia ter sido muito mais complexo do que as linhagens archaeais identificadas (Koonin & Yutin 2014).

De fato, o genoma de Lokiarchaeota codifica muitas características moleculares específicas de eucariotas, proporcionando uma visão única sobre a emergência da complexidade celular em eucariotos. Essas análises filogenéticas suportam fortemente um ancestral comum de Lokiarchaeota e eucariotas. Por exemplo, uma avaliação comparativa taxonômica do proteoma de Lokiarchaeota revelou que grande parte (32%) das suas proteínas não apresentaram nenhuma semelhança significativa com qualquer proteína conhecida, e que muitas proteínas exibem maior semelhança com as proteínas bacterianas e de Archaea (26% e 29% ). Isso significa que, uma parte significativa do proteoma previsto (175 proteínas ou 3,3%) é mais semelhante às proteínas eucarióticas (Embley & Williams, 2015).

Esta situação é consistente com 2 premissas básicas: proteínas de um novo filos são de difícil atribuição ao seu domínio correto, sejam elas de grupos biológicos próximos ou não; as pesquisas sugerem que houve significativa transferência de genes entre os domínios de bactérias e Archaea.

Várias linhas de evidência dão suporte a presença destas proteínas e que elas não são resultado de contaminação de dados de sequências eucarióticas. Isso porque os genes que codificam a ESPs de Lokiarchaeota e outras proteínas semelhantes a de eucariotas foram sempre ladeadas por genes procariotas, e a maioria que foi codificada continha assinaturas genéticas claramente de Archaea.

As actinas do citoesqueleto (e sua dinâmica) representam as principais proteínas estruturais de células eucarióticas e compreendem filamentos que são cruciais para vários processos celulares, incluindo a divisão celular, motilidade, tráfego de vesículas e fagocitose (Pollard & Cooper, 2009). O genoma de Lokiarchaeota codifica cinco homólogos de actina que exibem maior semelhança com as versões eucariotas e outras relacionadas a ela do que para as crenactinas, um grupo de homólogos de actina de Archaea que foram recentemente relacionadas a forma celular (Ettema et al, 2011).

Esta observação foi confirmada na análise filogenética das actinas de Lokiarchaeota que apresentou homólogos, incluindo os identificados em uma metagenoma (Kawai et al, 2014) de sedimento marinho recentemente publicado.

Em eucariotas, estes domínios de proteína são parte da superfamília de proteínas vilina/gelsolina, as quais compreendem vários reguladores-chave do conjunto de filamentos de actina (Pollard et al, 2003). Embora a função destas proteínas precisem ser elucidadas, acredita-se que Lokiarchaeota tem um citoesqueleto de actina bastante dinâmico.

Enzimas GTPases pertencentes na superfamília Ras compreendem uma das maiores famílias de proteínas de eucariotas, onde estão envolvidas em vários processos regulamentares da célula, incluindo; remodelação do citoesqueleto, transdução de sinal, transporte nucleocitoplasmático e deslocamento vesicular. Sendo reguladores-chave, e portanto,  dinâmicos do citoesqueleto a partir da actina, essas pequenas GTPases representam componentes essenciais para o processo de fagocitose em eucariotos. Curiosamente, a análise de assinaturas proteicas de Lokiarchaeal revelou uma multiplicidade de GTPases da superfamília Ras que compreende cerca de 2% do proteoma Lokiarchaeal. A quantidade relativa de pequenas GTPases neles é comparável ao observado em vários eucariotas unicelulares, sendo apenas superado pelo protista Naegleria gruberi. Em contraste, os genomas bacterianos e archaeais codificam apenas poucas das pequenas e homólogas GTPases da superfamília Ras.

A estrutura PDB 121p da proteina H-Ras (fitas roxas), hélices em azul e loops em cinza. Também são mostrados os análogos de GTP e de íons de magnésio.

A estrutura PDB 121p da proteina H-Ras (fitas roxas), hélices em azul e loops em cinza. Também são mostrados os análogos de GTP e de íons de magnésio.

As análises filogenéticas das pequenas GTPases de Lokiarchaeota revelaram que elas representam vários grupos distintos, cada um dos quais compreendendo várias sequências de GTPases compartilhadas entre vários eucariotas e famílias de GTPase que parecem derivar de um ancestral comum. Isso sugere uma origem específica de subgrupos das GTPases eucarióticas, seguido por expansões independentes em eucariotas e Lokiarchaeota.

Outras evidências metabólicas também podem ser vistas quando observamos o complexo ESCRT primordial.

Em eucariotas, a maquinário ESCRT representa um componente essencial da via de degradação de proteínas lisossomais danificadas ou supérfulas, e desempenham um papel importante em diversos processos celulares, como a citocinese ou a autofagia (Hurley, 2010).

Ela é composta por subcomplexos ESCRT-I-III, bem como subunidades associadas (Field & Dack, 2009). A análise do genoma de Lokiarchaeota revelou a presença do agrupamento de genes na ESCRT, bem como de várias proteínas homólogas adicionais aos componentes da via eucariótica.

Lokiarchaota também codifica proteínas com domínio SNF7 do complexo eucariótica ESCRT-III, que representa diversas familias proteicas (Vps2 / Vps24 / Vps46 / Vps20 / Vps32 e Vps60).

A análise filogenética das proteínas de domínio SNF7 em Lokiarchaeota revelou que este ramo esta na base das duas famílias de ESCRT-III encontradas em celulas eucarióticas e  representam cópias ancestrais  de SNF7 e sugere que o último ancestral comum eucariótica já tinha herdado dois genes que codificam o domínio SNF7. Esses domínios eram divergentes de seu ancestral archaeal em vez de ser um único gene (Leung et al, 2008). Além disso, o grupo de genes codifica uma ATPase que apresenta maior semelhança com a versão eucariótica do tipo VPS4, incluindo proteínas kataninas e as proteinas Spastin de membrana (Embley & Williams, 2015)

Em eucariotas algumas famílias proteicas (Vps22, Vps25 e Vps36) formam componentes do complexo ESCRT-II, que compreende duas ou três proteínas dependendo da célula eucariota (Leung et al, 2008). Além disso, uma análise no domínio proteíco e do proteoma de Lokiarchaeota indicaram uma proteína semelhante a da família Vps28, que é um componente do subcomplexo eucariótico ESCRT-I. Este complexo liga a via da ubiquitina de transporte vesicular e além de compreender também outras famílias proteicas (Vps23 e Vps37). As diferentes subunidades do complexo ESCRT-I de eucariotas compartilha domínios fundamentais de duas hélice semelhantes, indicando ter evoluído a partir de uma única sequencia ancestral (Kostelansky et al, 2006), que agora vemos ser de origem archaeal.

Lokiarchaeota também contém uma versão primordial do complexo ESCRT eucariótico. Em eucariotas, a ubiquitinação de proteínas-alvo representa um passo crítico na degradação de proteínas mediada por esse complexo ESCRT através do endossoma multivesicular (Hurley, 2010).

E Lokiarchaeota contém clusters de genes homólogos a enzima de ativação de ubiquitina-E1, uma enzima de conjugação de ubiquitina-E2 e a proteassoma 26S com a subunidade reguladora RPN11. Um alto grau de homologia que também fortalece a relação evolutiva entre eucariotos e archaea (Embley & Williams, 2015).

O conteúdo do genoma de Lokiarchaeota detém pistas valiosas sobre a natureza do ancestral archaeal de eucariontes, e sobre a eucariogênese. Muitas das assinaturas eucarióticas anteriormente identificadas em diferentes linhagens TACK estão unidas em Lokiarchaeota, indicando que a distribuição desigual delas em archaea é provavelmente o resultado de perdas específicas (Koonin & Yutin 2014) da linhagem. Além disso, o genoma de Lokiarchaeota expande significativamente o número total de assinatura eucarióticas em Archaea, apoiando a afiliação filogenética observada em Lokiarchaeota e eucariotas.

Lokiarchaeota codifica o ribossomo filogeneticamente mais semelhante aos eucariotos identificado em Archaeas até agora, incluindo um homólogo da proteína ribossômica eucariótica L22 e descobriu-se que o ancestral archaeal de eucariotas foi ainda mais complexo do que anteriormente inferido (Koonin & Yutin 2014). Isso nos permite especular sobre o calendário e a ordem em que os eventos biologicos significativos ocorrem, momentos-chave durante a eucariogênese. Por exemplo, a identificação de genes envolvidos na remodelação da membrana de Archaea e processos de deslocamento vesicular indica que a emergência da complexidade celular já estava em vias de ocorrência antes da aquisição do endossimbionte mitocondrial, e veio a se tornar uma característica universal de todos eucariotos (Martijn & Ettema, 2013).

Em resumo, a análise comparativa do genoma de Lokiarchaeota comparada com genomas conhecidos resultou em uma árvore filogenética que mostrava um grupo monofilético, um novo filo,  composto pelo Lokiarchaeota e os eucariotas, apoiando o cenários da hipótese eocítica revelando passos específicos da eucariogênese (Embley et al, 2006).

Isso nos leva a pensar que a diferença existente entre procariotas e eucariotas pode ser resultado da falta de amostragem da diversidade de archaeas existentes.

O que fica claro é que a origem da complexidade celular em eucariotos esta se tornando cada vez mais clara com o avanço das tecnicas de analises filogenéticas. A origem e evolução das células eucariotas nunca foi tão bem iluminada pela ciência como nos dias de hoje.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Lokiarchaeota, TACK, GTPase, ESCRT, Eucariogênese.

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Referências

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