¿Es necesario que un material genético permanezca confinado dentro del núcleo?

Para todas las formas de vida celular que no sean Bacteria y Archaea, claramente lo es. Con la excepción de esos dos grupos, cuyas células individuales son simples sin compartimentos internos, todas las células confinan su material genético dentro de un núcleo. El nombre colectivo para estas formas de vida es Eukarya, un nombre derivado del griego karyon , que significa “nuez” o “corazón”. Este grupo, que contiene todos los organismos multicelulares y todas las formas de vida unicelulares con las excepciones mencionadas anteriormente, es monofilético. Esto significa que evolucionó a partir de un único antepasado, probablemente hace más de 2 mil millones de años. En todo ese tiempo, ningún organismo ha perdido este rasgo de confinamiento del material genético en el núcleo, por lo que el rasgo es claramente esencial.

La pregunta entonces es: ¿por qué es este rasgo esencial? No soy microbiólogo, pero tengo un interés aficionado en el campo y mi mejor entendimiento es el siguiente:

Todas las formas de vida celular son atacadas constantemente por virus. Los virus son formas de vida no celulares (o no viven en absoluto, según su definición) que existen en dos estados diferentes. Cuando están fuera de las células, existen como partículas individuales llamadas viriones que consisten en material genético (ADN o ARN) empaquetado dentro de una cubierta de proteína llamada cápside. Cuando un virus choca contra una célula de una especie que puede infectar, se introduce dentro de la célula mediante uno de una variedad de mecanismos, y luego hace una de dos cosas. O inmediatamente secuestra la maquinaria bioquímica de la célula para producir muchas copias de su material genético y ensamblarlas en más viriones, que luego pueden atacar a otras células, o se sienta dentro de la célula silenciosamente y deja que la célula copie sus genes junto con con los genes de la célula cada vez que la célula se divide. De cualquier forma, el virus se reproduce utilizando los recursos de la célula, porque el virus no tiene forma de reproducirse por sí mismo.

Si el virus toma la vía de reproducción inmediata, mata a la célula en el proceso. Si solo funciona junto con la célula, sigue siendo un drenaje en los recursos de la célula y tenderá a reducir la capacidad de la célula para sobrevivir en condiciones adversas. Obviamente, lo mejor para la célula es protegerse de la invasión de virus lo mejor que pueda. Las Bacterias y las Arqueas (que colectivamente se llaman procariotas ), que son células muy simples con capacidades limitadas, han adoptado un enfoque evolutivo para este problema, mientras que los Eukarya han adoptado un enfoque muy diferente.

Los procariotas han tomado la senda evolutiva de mantenerse simples y concentrarse en reproducirse lo más rápido posible. Una célula bacteriana se puede dividir cada 20 minutos y puede mantenerla así mientras haya alimentos en la vecindad que pueda absorber. ¡A este ritmo, en 12 horas, una sola célula puede crecer teóricamente en una colonia de 70 mil millones! No tienen mucha capacidad para protegerse de los virus, porque sus genomas son cortos y sus células son pequeñas y simplemente no tienen espacio para mecanismos de protección extravagantes. Pero no les importa, porque cada vez que tienen suficiente comida pueden reproducirse más rápido de lo que los virus pueden matarlos.

Las bacterias tienen una defensa simple que consiste en enzimas que pueden reconocer secuencias genéticas particulares que ocurren solo en virus y cortar esas secuencias separadas. Pero esto solo conduce a una carrera de armamentos ya que los virus evolucionan en diferentes secuencias y las bacterias tienen que desarrollar sus enzimas de protección para ponerse al día. Entonces, en su mayor parte, las bacterias simplemente se dan por vencidas y dejan que los virus se salgan con la suya. Si una bacteria se infecta con un virus y sus enzimas de protección no funcionan, o bien muere muy rápido o el virus la acompaña durante tantas generaciones como lo desee. Mientras tanto, otras bacterias no infectadas en las cercanías se están dividiendo furiosamente para mantener a su población en alto.

Si un virus viaja en silencio dentro de una bacteria, esto no siempre es terrible para la célula. Está en el mejor interés del virus mantener viva la célula, porque si la célula muere también muere. Por lo tanto, los virus que muestran este comportamiento generalmente protegen las células infectadas de la infección por cualquier otro virus. Aún más, muchos virus han evolucionado para llevar consigo genes que protegen a sus bacterias hospedadoras de los antibióticos, o producen antibióticos para matar a las bacterias competidoras, o producen toxinas que ayudan a las bacterias a infectar con éxito animales o plantas. Entonces, la célula obtiene un beneficio del virus, para compensar los recursos adicionales que debe gastar para copiar el genoma viral, así como el riesgo de morir si el virus decide matarlo más adelante. En general, las bacterias y las arqueas, y los virus que las aprovechan y las protegen, forman un ecosistema complejo en el que cada organismo tiene un papel.

Eukarya son diferentes. Han tomado la vía evolutiva de la complejidad , que es lo que ha permitido a algunos de ellos desarrollarse en organismos multicelulares macroscópicos. Incluso la célula eucariota más pequeña es 10 veces más grande y mucho más complicada que una bacteria o archaean. La división celular en eukarya es un proceso mucho más complejo e intensivo en recursos, por lo que ocurre mucho más lentamente. Como resultado, eukarya no puede esperar reproducir en exceso los virus. Además, debido a esta tasa de reproducción más lenta, es mucho menos beneficioso para un virus andar silenciosamente en una célula eucariótica y dejarse reproducir junto con la célula. Su mejor estrategia para reproducirse rápidamente es hacer cientos de copias inmediatamente y matar a la célula en el proceso. En consecuencia, para sobrevivir, los eukarya han tenido que desarrollar mecanismos sofisticados para protegerse. Afortunadamente, su tamaño de célula y genoma mucho mayor les da la capacidad de practicar una amplia variedad de estrategias de protección que están simplemente más allá de la capacidad de los procariotas.

Una de las estrategias más importantes que utiliza eukarya para protegerse de los virus es crear enzimas que busquen cualquier ADN que no sea el suyo y descomponerlo inmediatamente antes de que pueda reproducirse. ¿Cómo pueden saber cuál es su propio ADN y cuál no? ¡Ahí es donde entra el núcleo! Estas enzimas solo se activan fuera del núcleo, en el compartimento celular principal llamado citoplasma. Cualquier virus que ingrese a la célula debe atravesar primero el citoplasma, y ​​estas enzimas pueden atacarlo allí. Mientras el propio ADN de la célula permanezca en el núcleo, se mantiene a salvo de este importante mecanismo de protección. Esta es una de las razones para el almacenamiento universal de ADN en un núcleo, pero no el único.

Los virus han podido desarrollar muchas formas de evadir los mecanismos de protección de las células, y algunos de ellos pueden llevar su ADN hasta el núcleo a pesar de los mejores esfuerzos de la célula para detenerlos. Las células a su vez han desarrollado otros mecanismos para reconocer y destruir el ADN viral, pero luego los virus juegan una última carta de triunfo: ¡muchos de ellos han desarrollado la capacidad de pegarse directamente en uno de los cromosomas de la célula! Una vez que un virus ha hecho esto, la célula no tiene forma de extraerlo, y desde ese momento reproducirá el virus cada vez que se reproduzca. Esto significa que el virus tiene que renunciar a la estrategia de reproducción rápida y matar a la célula, pero siempre conserva la opción de cambiar a ese modo más adelante después de que la célula se haya reproducido varias veces.

A veces, un error de copia durante la reproducción celular dejará una copia incorrecta del virus en el medio del genoma de la célula, que ha perdido su capacidad de reactivarse y producir más viriones para infectar a otras células. Este virus degenerado no puede matar a la célula y la célula no puede extraerla. ¡Así que permanece como una parte permanente del genoma de todos los descendientes de la célula! Además de eso, ¡algunas de estas secuencias genéticas restantes retienen la capacidad de separarse de donde están y pegarse al azar en otro lugar! Esto no ocurre a menudo, pero con el tiempo (2 mil millones de años) estos agregan uno tras otro detritus genéticos al genoma de la célula y sus descendientes. Todos los organismos eucariotas conocidos (incluidos los humanos) tienen miles de piezas de virus antiguos degenerados diseminados por todo su genoma .

Como resultado de todo este detritus genético vírico, los organismos eucariotas no pueden simplemente transcribir sus genes para usarlos. Cuando un eucariota realiza una transcripción (copia) a corto plazo de uno de sus genes (utilizando ARN) para producir una proteína o realizar alguna otra acción, la parte funcional del gen seguramente será interrumpida por una o más secuencias de basura. llamados intrones . Estos tienen que ser empalmados fuera de la transcripción de ARN antes de que el gen pueda ser realmente utilizado. Como resultado, los eucariotas han desarrollado un complicado conjunto de enzimas para hacer esto. Este empalme tiene que hacerse antes de que la transcripción llegue a su sitio de trabajo, o de lo contrario las transcripciones contendrán las instrucciones genéticas incorrectas y podrían causar daños. Esto es especialmente cierto porque las mayores secuencias de basura son virus no muy activos. Esta es la otra gran razón por la cual el ADN eucariótico está confinado al núcleo. Al separar el compartimiento celular para almacenar ADN (el núcleo) del compartimiento celular donde se interpretan y utilizan los transcritos de ADN (el citoplasma), la célula puede separar adecuadamente la basura de las transcripciones para que no contengan instrucciones incorrectas. .

TL; DR: ¡ todo es culpa de los virus!

Notas adicionales:

1. En caso de que se pregunte si los procariotas también realizan un empalme genético, ocasionalmente tienen intrones que deben ser empalmados de sus transcripciones de ARN. Pero debido a que sus genomas son tan pequeños, simplemente no tienen la capacidad de hacer mucho empalme. Si un virus se copia en un cromosoma bacteriano e interrumpe un gen vital, la bacteria simplemente muere. Otras bacterias no infectadas en las cercanías continúan reproduciéndose para compensar el muerto. Eukarya, con sus genomas mucho más grandes y más complicados (y por lo tanto más redundantes), tienen menos puntos vitales en su genoma y una posibilidad mucho mayor de sobrevivir (aunque menos saludable) si una secuencia viral se ha pegado en el medio de uno de sus genes. El primer eucariota para desarrollar una capacidad de empalme de transcripción fue capaz de compensar este daño genético y, supuestamente, compitió con todos los demás eucariotas, para convertirse en el antepasado de la vida compleja de hoy.
2. Las consecuencias de los ataques virales a las células no son del todo malas . De hecho, los virus y el caos genético que causan son uno de los principales motores de la evolución. Los genes virales degenerados pueden, de hecho, ser reutilizados por la evolución. Por ejemplo, las proteínas que unen la placenta de mamífero a la pared uterina están hechas por genes que se derivan inequívocamente de un virus. Las proteínas que originalmente permitieron que los viriones antiguos se adhirieran a las células que infectaban han evolucionado y han sido reutilizadas para permitir que las células de la placenta se adhieran a las del útero. Entonces, si no fuera por el hecho de que uno de nuestros ancestros antiguos tuvo una infección viral desagradable que logró copiarse a sí misma en su ADN, ¡los mamíferos placentarios (y nosotros mismos) podrían ni siquiera existir en absoluto!
3. Virus: ¡no puedo vivir con ellos, no puedo vivir sin ellos!