Un nuevo estudio revela que algunos canales iónicos existieron antes que el ancestro común más antiguo de los animales.

Un estudio reciente ha reescrito la historia evolutiva tradicionalmente entendida de las proteínas básicas necesarias para la señalización eléctrica en el sistema nervioso. El estudio fue realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania y reveló que la conocida familia de proteínas (los canales iónicos de potasio de la familia Shaker) existía en organismos microscópicos unicelulares mucho antes que el ancestro común de todos los animales.

Esto sugiere que, en lugar de evolucionar junto con el sistema nervioso como se pensaba anteriormente, estos canales iónicos existían antes de que surgiera el sistema nervioso.

El estudio apareció en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

«Tendemos a pensar en la evolución como una marcha unidireccional hacia una complejidad cada vez mayor, pero eso a menudo no sucede en el mundo natural», dijo Timothy Gigala, profesor asistente de biología en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y líder de el equipo de investigación. “Por ejemplo, se pensaba que a medida que evolucionaban diferentes tipos de animales y aumentaba la complejidad del sistema nervioso, surgían y se diversificaban canales iónicos para igualar esta complejidad, pero nuestra investigación sugiere que este no es el caso. animales vivos más antiguos, aquellos con redes «Las neuronas simples tienen la mayor diversidad de canales iónicos. Este nuevo descubrimiento se suma a la creciente evidencia de que muchos de los componentes básicos del sistema nervioso ya estaban presentes en nuestros ancestros protozoarios, antes de que existiera el sistema nervioso. «

Comprender los canales iónicos

Los canales iónicos se encuentran en las membranas celulares y regulan cómo las partículas cargadas llamadas iones entran y salen de la célula, un proceso que conduce a señales eléctricas que forman la base de la comunicación en el sistema nervioso. La familia Shaker de canales iónicos se encuentra en una amplia gama de animales, desde humanos hasta ratones y moscas de la fruta, y regula específicamente cómo los iones de potasio fluyen fuera de la célula para terminar las señales eléctricas llamadas potenciales de acción. Estos canales pueden abrirse o cerrarse según los cambios en el campo eléctrico, al igual que los transistores en los chips de computadora.

«Gran parte de lo que sabemos sobre cómo funcionan los canales iónicos a nivel molecular proviene de estudios mecanicistas de la familia de canales iónicos Shaker», dijo Gigala. “Anteriormente pensábamos que la familia Shaker de canales de potasio dependientes de voltaje existía sólo en animales, pero ahora vemos que los genes que codifican esta familia de canales iónicos estaban presentes en muchos Clasificar Los parientes vivos más cercanos de los animales son un grupo de organismos unicelulares llamados roedores.

Los investigadores habían buscado previamente estos genes en dos especies de algas marinas, pero no pudieron encontrarlos. En el estudio actual, ampliaron su búsqueda para incluir 21 especies de algas marinas y encontraron evidencia de genes de la familia Shaker en tres de estas especies.

Evolución de los tipos de canales iónicos.

Existen varias subfamilias o tipos de canales iónicos dentro de la familia Shaker en todo el reino animal. El equipo de investigación descubrió previamente que las medusas peine (animales con “redes nerviosas” relativamente simples (que se cree que son) similares a los primeros sistemas nerviosos animales) tienen solo un tipo de ese tipo, llamado Kv1. Esto llevó al equipo a creer que el ancestro común de los animales podría haber tenido solo Kv1, y que otras especies evolucionaron más tarde. Sin embargo, Gigala y sus colegas descubrieron que los genes de la familia Shaker en roedores estaban más estrechamente relacionados con los tipos Kv2, Kv3 y Kv4.

«Solíamos pensar que los tipos 2 a 4 evolucionaron en una línea de tiempo más reciente, pero nuestro nuevo trabajo sugiere que los conductos similares a Kv2-4 que se encuentran en las bandas coanas son en realidad el subtipo más antiguo», dijo Gigala.

Además, este descubrimiento sugiere la existencia de múltiples subespecies en la base del árbol genealógico de los animales, incluido Kv1, que se encuentra en las medusas, y canales similares a Kv2-4, que se encuentran en los parásitos chupadores.

«Los genes similares a Kv2-4 se han perdido en los descendientes de los grupos de animales más antiguos, como las medusas y las esponjas, por lo que la única razón por la que sabemos de su presencia en los animales más antiguos es gracias a los coanoflagelados», añadió Gigala. «Es realmente común en la evolución, y es común». Como la evolución de nuevos genes, aunque puede ser difícil de detectar ahora que la secuenciación genética es lo suficientemente barata como para que los científicos puedan tomar muestras de especies amplias, en lugar de observar unas pocas especies representativas. , podemos detectar más de estas pérdidas. «Esto cambiaría nuestra opinión sobre cuántas de nuestras familias de genes evolucionaron primero».

Este trabajo también se suma a la creciente evidencia de que muchos elementos del sistema nervioso existían antes de que evolucionara el sistema nervioso en su conjunto, señaló Gegal.

«La mayoría de las proteínas funcionalmente importantes que utilizamos para las señales eléctricas y que subyacen a la comunicación neuronal y al movimiento neuromuscular se basan en proteínas que existían antes que los animales», dice Gigala. «Parece que los animales fueron capaces de montar un sistema nervioso funcional. muy temprano en su evolución simplemente porque «la mayoría de las proteínas necesarias ya estaban presentes».

«Comprender cómo se desarrollan estos canales iónicos nos ayuda a comprender cómo funcionan, lo que a su vez puede tener implicaciones para el tratamiento de trastornos asociados con la disfunción de los canales iónicos, como la arritmia y la epilepsia», añadió Gigal.

Referencia: “Un estudio a gran escala de coanoflagelados refina la historia evolutiva de la familia Shaker de potasio dependiente del voltaje⁺ “Canales en los animales” de Timothy Gigala y Benjamin T. Simonson y J. David Spafford, 17 de julio de 2024, Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2407461121

Además de Gigala, el equipo de investigación incluye a Benjamin Simonson, un estudiante de posgrado en el programa de Biociencias Moleculares, Celulares e Integrativas de los Institutos Hooke para las Ciencias de la Vida y la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State, que recientemente defendió su tesis, y David Spafford. , profesor asociado de biología en Penn State. Universidad de Waterloo Quién se especializa en fisiología de roedores. Este trabajo fue apoyado por fondos del Departamento de Biología de la Universidad Estatal de Pensilvania y los Institutos Hooke de Ciencias de la Vida.