La transición de procariotas a eucariotas ha sido uno de los hitos más importante en la evolución de los seres vivos. En la comprensión de cómo se produjo dicha transición han sido importantísimas las aportaciones conceptuales de Lynn Margulis, y en especial su audaz propuesta, hoy generalmente aceptada, de que mitocondrias y cloroplastos derivan de procariotas endosimbióticos que se asociaron a otros procariotas. La formación de un compartimento nuclear diferenciado del citoplasma y el desarrollo de un citosqueleto son otras dos marcas características de los eucariotas.

Hoy vamos a tratar del citosqueleto y su origen. Como es sabido, los filamentos de actina, junto con toda una serie de proteínas que modulan su funcionalidad, forman un entramado que no sólo es fundamental para dar forma y soporte mecánico a la célula, sino para procesos tales como la migración celular, la fagocitosis, la división celular, el movimiento de proteínas motoras que la utilizan como guía, etc. La actina es muy abundante, alcanzando el 5% de la proteína total en una célula animal típica. Otros elementos del citosqueleto son los filamentos intermedios, de diferentes tipos según la clase de célula, y los microtúbulos de tubulina.

El origen del citosqueleto se relaciona, como ya hemos dicho, con la transición procariota/eucariota, del mismo modo que el núcleo celular o las mitocondrias. La cuestión es cómo se produjo dicho origen. Esta cuestión ha recibido una sorprendente respuesta gracias a dos trabajos publicados en los últimos meses en una competencia que emula a la de las famosas regatas en el Támesis. Por un lado, el grupo de Jeffery Errington, en la Universidad de Oxford, ha descubierto que filamentos muy similares a los de actina, formados por las proteínas MreB y Mbl, controlan la forma de las bacterias [Jones et al., Cell 104:913-922 (2001)]. Por otro, el equipo de Jan Löwe en Cambridge ha demostrado que la proteína MreB polimeriza en filamentos estructuralmente muy similares a los de la F-actina [van den Ent et al., Nature 413:39-44 (2001)]. Vamos a intentar explicar el alcance de estos dos sorprendentes descubrimientos, que se unen a la constatación, hecha hace algunos años, de que las bacterias tienen una proteína similar a la tubulina, denominada FtsZ, que forma filamentos implicados en la división celular.

El estudio de estos grupos se ha centrado básicamente en dos proteínas que ya se conocían en bacterias, denominadas MreB y Mbl. Ambas presentan similaridades superficiales con las proteínas pertenecientes a la superfamilia de la actina, aunque esto, en principio, no quería decir nada. A esta superfamilia pertenecen también enzimas como la hexosaquinasa (que fosforila azúcares) o chaperonas como la DnaK/Hsp70 (por heat shock protein). Estas proteínas no tienen nada que ver con el citosqueleto. Lo que hizo el grupo de Oxford fue generar anticuerpos policlonales contra las dos proteínas, MreB y Mbl e intentar localizarlas por inmunofluorescencia al microscopio confocal en la bacteria Bacillus subtilis, que normalmente tiene forma de bastoncillo, es decir, alargada. Para su sorpresa observaron que las proteínas parecían disponerse en una estructura en forma de hélice dextrógira que recorría la bacteria inmediatamente por debajo de la membrana plasmática, en un plano transversal al eje mayor. Dicha estructura daba entre una vuelta y una vuelta y cuarto a la periferia celular. Por otro lado el número de bandas fluorescentes parecía pasar de una a dos o incluso más en los momentos previos a la división celular, sugiriendo algún proceso, acoplado al ciclo celular, de replicación o síntesis de la estructura. Por otro lado, procedieron a generar cepas mutantes inducibles de Bacillus subtilis que dejaban de expresar mreB cuando se retiraba un componente del medio de cultivo. Las bacterias morían al cabo de un tiempo, pero resultó interesante que antes de morir sufrieran espectaculares cambios en su forma. Se inflaban y redondeaban, perdiendo su aspecto alargado. La disrupción del gen mreB, por tanto, resultaba en una pérdida de control del diámetro celular.

En cuanto a la proteína Mbl, también aparecía en forma de estructuras filamentosas y helicoidales dextrógiras, pero situadas a lo largo de la bacteria, en lugar de transversalmente a ella. Esto le da a la estructura una forma de 8.

Los autores calcularon el número de moléculas de MreB y Mbl por bacteria, y obtuvieron una cifra de 8000 y 12000-14000, respectivamente. Esta cantidad es más que suficiente para justificar una estructura microscópica del tamaño observado.

Quizá uno de los resultados más llamativos obtenidos por estos investigadores fue el obtenido mediante la búsqueda de genes similares a mreB en distintas bacterias. Después de un exhaustivo recorrido por las bases de datos, pudieron establecer dos grupos de procariotas, según tuvieran o no genes similares a mreB. En el primer apartado se agrupaban bacterias alargadas como Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas fluorescens, Haemophilus influenzae y la arquea Methanobacterium thermoautotrophicum. También tienen genes mreB bacterias filamentosas como Streptomyces coelicolor y helicoidales como Treponema pallidum o Helicobacter pylori. En cambio, bacterias esféricas (cocos) como Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Synechocystis sp o las arqueas Pyrococcus horikoshii y Methanococcus janaschii, no tienen genes parecidos a mreB.

Varias consecuencias se pueden extraer de esta observación. Por otro lado parece que la presencia o ausencia de MreB está perfectamente correlacionada con la morfología de la bacteria. A menos que exista esta proteína, la bacteria adopta una forma esférica. Por otro lado, los genes que controlan la forma bacteriana mediante la síntesis de estas estructuras helicoidales, se distribuyen por los dos grandes grupos de procariotas, Eubacterias y Arqueas. Hubiera sido un hallazgo de gran interés filogenético que uno de los dos grupos compartiera con los Eucariotas un carácter derivado como son las proteínas citosqueléticas, pero no es así. Dichas proteínas debieron estar ya presentes en los antepasados comunes de los tres grandes grupos de seres vivos, Eubacterias, Arqueas y Eucariotas.

La comparación de la secuencia de MreB con la de la actina de los eucariotas revela un porcentaje total de homología muy bajo, pero con interesantes coincidencias en zonas especialmente importantes. Dichas zonas parecen estar bien conservadas, y probablemente son claves para la función de la proteína, ya que mutaciones puntuales, con sustitución de un sólo aminoácido, la convierten en no funcional. Por otra parte el alineamiento de las secuencias requiere muy pocos "gaps" o espacios, lo que indica no sólo un tamaño similar de ambas proteínas, lo que ya se sabía, sino además un espaciamiento similar de las zonas conservadas.

Los autores del artículo de Cell concluyen que MreB y Mbl forman estructuras filamentosas, probablemente por ensamblaje de los monómeros proteicos en polímeros. Dichas estructuras se dispondrían según el modelo representado en la figura, lo que explicaría que MreB y Mbl controlen, respectivamente, la anchura y la longitud de la célula.

La polimerización de MreB es exactamente lo que han demostrado los autores del segundo artículo. El grupo de Cambridge ha purificado la proteína MreB de la bacteria Thermotoga maritima y la ha sometido a ensayos de polimerización in vitro. Así han demostrado que MreB forma polímeros sólo si se encuentra en presencia de ATP o GTP. Es importante recordar que la polimerización de la actina también es dependiente de la hidrólisis de ATP. Los polímeros de MreB, observados al microscopio electrónico, recuerdan a los filamentos de actina, con una diferencia importante. Los protofilamentos de actina, formados por un alineamiento de monómeros, suelen asociarse por pares girando uno alrededor del otro, en forma de doble hélice. Los protofilamentos de MreB también están asociados por pares, pero dispuestos paralelamente. La distancia entre monómeros en los protofilamentos es de 51Å, ligeramente inferior a los 55 Å de la actina. Los autores del artículo de Nature lograron cristalizar MreB y determinar su estructura atómica mediante difracción de rayos X. La estructura tridimensional resultó ser casi idéntica a la de la actina, con dos dominios divididos cada uno en dos subdominios. Es decir, que a pesar de las grandes diferencias en estructura primaria, en la secuencia de aminoácidos, de las que hablábamos antes, las regiones conservadas parecen determinar una estructura terciaria muy similar en MreB y en actina.

A partir de ahora se abren interesantes interrogantes. Por ejemplo, ¿existe un mecanismo regulador de la polimerización y despolimerización en MreB y Mbl, igual al existente en actina? Este mecanismo es fundamental para la motilidad de las células eucariotas, y quizá su precursor estuviera ya presente en procariotas. Por otro lado, puesto que en procariotas se han descubierto ya precursores de los filamentos de actina y de los microtúbulos, ¿que sucederá con los filamentos intermedios? ¿Serán los únicos elementos citosqueléticos realmente eucariotas?

Ramón Muñoz-Chápuli es Catedrático de Biología Animal en la UMA