Teórica Porifera

EL ORIGEN DE LA MULTICELULARIDAD
Cristian A Solari
Investigador Adjunto, Laboratorio de Biología Comparada de Protistas,
IBBEA-CONICET, FCEN, UBA
Unicell
First cell
groups
The formation of a
coherent extra-cellular
matrix
Cellular
differentiation
La evolución no solo ocurre debido a cambios geneticos, sino tambien en las
transiciones evolutivas: cuando una unidad mas compleja se convierte en una nueva
unidad de selección
Tema General: Investigar el surgimiento de nuevos niveles de individualidad y
complejidad a medida que el tamaño de los organismos se incrementa.
Interés Específico: La transición unicelular-multicelular
Es la transicion a la multicelularidad dificil?
Grosberg & Strathmann (2007)
- No, ocurrio en forma independiente muchas veces.
- Pero, solo cinco linajes produjeron organismos complejos: Plantas,
Animales, Hongos, Algas Marrones y Rojas
The evolution of multicellularity
Nescent meeting (2013)
Hongos
Algas marrones
Animales
Plantas
Procariotas multicelulares actuales
Streptomyces
Methanospirillum
Merismopedia
Lyngbya
Proterozoic stromatolite
Cylindrospermum
Neoproterozoic (850 Ma)
multicellular ‘cyanobacteria’
Proterozoic stromatolite
Early Archean (3500 Ma)
multicellular ‘fossils’
Proterozoic Eukaryotes
(2500-500 MYA)
Desarrollo Clonal de una celula o zigota
Este es el desarrollo de todos los linajes
multicelulares
Desarrollo por agregacion
Dycstostelium (amebas)
Mixobacteria
Sistemas modelo para el estudio del origen de la multicelularidad
• Procariotas filamentosas: Cianobacterias
• Algas verdes: ej., Volvocales
• Hongos: ej., Levaduras
Beneficios de la multicelularidad
Tamaño
Chara sp.
- Disminucion de la depredacion
- Almacenamiento de nutrientes
- Ventajas para conseguir recursos
Acetabullaria sp. (hasta 10cm)
- Generar un medio ambiente interno protegido: Homeostasis
- Mas mobilidad para dispersion y conseguir recursos
- Mayor eficiencia para diferentes procesos debido a la especializacion
celular
Las algas verdes Volvocales son un grupo de algas muy conveniente para el
estudio de la transición hacia la multicelularidad
First cell groups
The formation of a coherent
extra-cellular matrix
germ-soma differentiation
Germ line
Soma
A: Chlamydomonas reinhardtii
B: Gonium pectorale (8 cells)
C: Eudorina elegans (16-64 cells)
D: Pleodorina californica (128 cells)
E: Volvox carteri (1000 cells)
F: Volvox aureus (2000 cells)
La especialización en funciones reproductivas y vegetativas se da en
los Volvocales de mayor tamaño
Este grupo monofilético ha sufrido importantes transiciones
evolutivas en repetidas ocasiones, lo que sugiere que han sido
marcadas presiones selectivas las que han provocado varias de
estas transiciones (Coleman 1999; Nozaki 2003, 2006; Herron et al
2008)
Chlamydomonas reinhardtii
Unicell
Gonium
Eudorina
Eudorina
Volvox
Volvox
Volvox
First cell
groups
The formation of a
coherent extracellular matrix
Cellular
differentiation
En las Volvocales la transición hacia la multicelularidad involucra pocos
cambios genéticos
Working hypothesis of how cellular differentiation
works in V. Carteri (Kirk 1998)
RegA mutant
Las presiones selectivas de los primeros grupos de celulas en
Volvocales
Swimming
Sedimenting
MOVILIDAD
Unicell
Solari et al. (2015). Chapter in Evolutionary Transitions to
Multicellular Life
First cell
groups
Eudorina elegans
El Batido Flagelar y el Transporte Molecular de los Primeros Grupos
• La movilidad puede estar asociada a la mejora del transporte molecular,
ayudando a la absorción de nutrientes y a la dispersión de productos de
desecho.
• El mezclado del medio realizado por el batido colectivo de los flagelos puede
incrementar la tasa del transporte molecular.
• El número de Peclet, Pe, es una proporción de tiempos característicos para
la difusión y la advección del transporte molecular. Si Pe>1, la advección
adquiere importancia para la toma de nutrientes.
tdiff
tadv
L2
D
L
V
P
tdiff
tadv
LV
D
Chlamydomonas
L = 0.0005 cm
V = 0.005 cm/sec
P = 0.25
Difusion domina
L = longitud característica (radio de la colonia)
V = velocidad característica (velocidad de natación)
D = coeficiente de difusión ~ 10-5 cm2/sec de O2
Volvox
L = 0.02 cm
V = 0.02 cm/sec
P = 40
Adveccion domina
Short et al. (2006) PNAS
Solari et al. (2006) PNAS
La transicion de los primeros grupos de celulas en Volvocales
Transporte molecular
P
tdiff
tadv
LV
D
Gonium
L = 0.001 cm
V = 0.005 cm/sec
P = 0.5
Diffussion dominates
L = characteristic length (colony radius)
V = characteristic velocity (swimming speed)
D = diffusion coefficient ~ 10-5 cm2/sec for O2
Volvox
L = 0.02 cm
V = 0.02 cm/sec
P = 40
Advection dominates
Short et al. (2006) PNAS
Solari et al. (2006) PNAS
Las transicion de los primeros grupos
de celulas en Volvocales
DEPREDACION
Solari et al. (2015). Chapter in Evolutionary Transitions to Multicellular Life
Conclusiones del beneficio del tamaño en los primeros
grupos de celulas en Volvocales
1. Nuestro analisis da soporte a la hipotesis que la depredacion fue una
presion selectiva importante para el origen de la multicelularidad
(Boraas et al. 1998; Lurling & Van Donk 2000; Solari et al. 2015,
Ratcliff & Herron not published)
2. La matriz extracelular necesaria para formar grupos potencialmente
puede ser coptada para el almacenamiento de nutrientes
3. No hemos encontrado evidencias que los primeros grupos de celulas
en Volvocales hayan podido incrementar su movilidad o el transporte
de nutrientes.
Solari et al. (2015). Chapter in Evolutionary Transitions to Multicellular Life
La Diferenciacion Celular en Volvocales
W=LxV
Fitness = tasa de reproduccion x probabilidad de superviviencia
• El fitness de una unidad evolutiva puede entenderse en términos de sus
dos componentes básicos:
Fecundidad (tasa de reproducción) y viabilidad (tasa de supervivencia)
Un organismo unicelular tiene que ocuparse en los dos componentes.
Pero, en un organismo multicelular las células pueden potencialmente
especializarse en uno de los dos componentes.
Solari et al (2013) AmNat
W=LxV
Fitness = tasa de reproduccion x probabilidad de superviviencia
Células somáticas estériles especializadas en funciones
Viabilidad
vegetativas:
Fecundidad
Células germinales especializadas en funciones
reproductivas:
Viabilidad
Fecundidad
El incremento en tamaño puede ser beneficioso para el fitness de la colonia,
pero también costoso en términos de viabilidad y fecundidad.
Beneficios del incremento en tamaño
• viabilidad (Ej. disminución de la depredación)
• fecundidad (Ej. incremento en la calidad de la descendencia)
Costos del incremento en tamaño
• viabilidad (Ej. mayor necesidad de flujo de nutrientes)
• fecundidad (Ej. mayor tiempo de generación)
Compensaciones Especificas (Trade-offs) Investigadas
W=LxV
Fitness = tasa de reproduccion x probabilidad de superviviencia
Reproducción (Fecundidad) vs Movilidad (Viabilidad) a medida que el
tamaño de la colonia se incrementa
Células Somáticas con flagelos:
Viabilidad
Células Germinales sin flagelos:
Fecundidad
Fecundidad
Viabilidad
1. A medida que el tamaño de la colonia se incrementa, es necesario la
evolución de células somáticas especializadas en mobilidad
2. Como las colonias de mayor tamaño tienen mayores requisitos
metabólicos, el batido colectivo de los flagelos ayuda también a la
absorción de nutrientes.
Solari et al (2006) AmNat
Modelo Hidrodinámico Para Entender la Movilidad Por Flagelos en las
Volvocales
• Las Volvocales forman esferas pequeñas que se mueven a velocidades bajas.
• Estos microorganismos viven en condiciones de flujos de bajo número de Reynolds
(numero adimensional).
Re = RV / <1
R = radio de la colonia
V = velocidad
= densidad del agua
= viscosidad del agua
e.g. Volvox  Re = .25
R = .05 cm
V = .05 cm/sec
= 1 g/cm3
= .01 g/sec cm
En este régimen donde no hay inercia y el flujo es laminar, la
relación entre la fuerza y la velocidad es lineal
Bajo Re
Alto Re
Solari et al (2006) AmNat
El batido de los flagelos de las células somáticas en cámara lenta
Velocidad de batido: 25-30 Hz
• En el numero bajo de Reynolds, una esfera en proceso de sedimentación llega a una
velocidad que esta dada por el equilibrio entre la fuerza de fricción (drag) y la fuerza de
la gravedad (ley de Stokes).
R
V
= radio de la colonia
= velocidad
sed
= viscosidad del agua
g = aceleración de la gravedad
M = la diferencia en masa entre la colonia y el volumen de agua que esta desplaza
6
RV
Mg
• Usando este mismo esquema, la fuerza usada por una colonia para la natación vertical
es la suma de las fuerzas para vencer la fricción y la fuerza de la gravedad.
Nf
Resolviendo
para Vup
6
Vup
RVup
Nf
6
Mg
Mg
R
N = numero de células
f = fuerza/célula
Vup = velocidad de natación
Solari et al (2006) AmNat
Las algas fueron sincronizadas bajo condiciones estándar y la velocidad de
natación y de sedimentación de las colonias fueron medidas en diferentes
etapas de su desarrollo
6
RVsed
RVup
Mg
Nf
6
Mg
Nf
6πηR(Vsed Vup )
•En la oscuridad las algas nadan hacia arriba (gravitaxis). Fueron filmadas en la
oscuridad usando una luz con filtro infrarrojo.
•Velocidades eran calculadas mediante un software diseñado para seguir el
movimiento de las partículas y medir su velocidad
Las velocidades de natación de
las colonias a medida que estas
se desarrollan
• La colonias mas grandes tienen mayor
velocidades que las mas chicas
• A medida que la masa de las colonias se
incrementa, la velocidad de natación
disminuye
• V. rousseletii es la que tiene mayor
velocidad; nada en promedio 10 veces
mas rápido que Chlamydomonas
La Diferenciacion Celular en Volvocales
Expected if f is constant: Vup
N 1/2
Nf
6
Vup
Nf
M
R
Mg
R
f
N -0.21
N 0.79
N 1.08
N 0.47
Solari et al (2006) AmNat
La Movilidad por Flagelos es también importante para la absorción de
nutrientes
tdiff
tadv
L2
D
L
V
P
tdiff
tadv
LV
D
Chlamydomonas
L = 0.0005 cm
V = 0.005 cm/sec
P = 0.25
Difusion domina
Volvox
L = 0.02 cm
V = 0.02 cm/sec
P = 40
Adveccion domina
Para caracterizar el fluido se utilizó software de velocimetría de partículas
(particle imaging velocimetry PIV).
Solari et al (2006) PNAS
Pseudo-darkfield (4x objective, Ph4 ring)
Stirring by Volvox carteri
micropipette
Conclusiones
1. Nuestros estudios muestran que la transición unicelular-multicelular
puede explicarse como consecuencia de las restricciones y las
oportunidades dadas por el aumento de tamaño.
2. El incremento en los costos para reproducir un organismo de mayor
tamaño es compensado en parte por el incremento en la especialización
celular.
Solari et al. (2013) AmNat
Transición evolutiva
UNICELULARES
MULTICELULARES
 Físicamente conectadas
 Interdependencia entre células (comunicación)
 Diferenciación y epecialización de funciones
 Coordinación e integración
Maynard Smith J. & Szathmáry E. 1995. The major transitions in evolution.
Oxford, U.K: Freeman. +346 p.
¿Cómo surgió la multicelularidad?
¿Agente selectivo?
Ej. Cultivos de eucariotas unicelulares
Flagelado (Ochromonas vallescia)
Alga (Chlorella vulgaris, normalmente unicelular).
Boraas et. al 1998, Evol. Ecol.
¿Agente selectivo?
ORIGEN DE LA PREDACIÓN (habilidad para fagocitar)
llevó a que la multicelularidad sea seleccionada
+ células > Tamaño = > Ventaja
(Escape a la predación)
Evolución y complejidad morfológica
¿Complejidad?
Mínima cantidad de información para describir un objeto
(Hinegardner & Engleberg, 1983)
• El aumento de tamaño va acompañado de un incremento de los
elementos componentes + un aumento de sus iteraciones
•Un objeto + complejo es aquel que ofrece más dificultad para
describirlo
• >dificultad = >nro de componentes + > nro de iteraciones
(Ej., comparemos un diblástico con un triblástico)
Cuantificación de la complejidad morfológica
• Nro. de tipos morfológicos celulares
Ej. Animales
Origen de Metazoa
Evidencias morfológicas y moleculares
Probablemente, los metazoos descienden de ancestros
protistas coloniales (semejantes a Phylum Choanoflagellata).
Derivan de una colonia esférica de células flageladas
Proterospongia sp.
Coanoflagelado
Phylum Porifera (8300 sps.) : Generalidades






Acuáticas marinas; pocas
de agua dulce (150 sps.).
Asimétricas o simetría
superficialmente radial.
Adultos sésiles.
Metazoos, con células
especializadas
NO organizadas en tejidos
ni órganos.
En gral. NO presentan
membrana basal.
Phylum Porifera: Estructura gral. del cuerpo
Cuerpo cubierto por poros (ostíolos y ósculos),
Salida del agua
con un sistema exclusivo de canales y
cámaras (S. acuífero) por donde circulan
corrientes de agua.
Entrada
del agua
Poros
(= ostíolos)
Canales
Cámaras
Atrio
Ósculo
Phylum Porifera: Estructura del cuerpo
Capas celulares
• Pinacodermo (pinacocitos, miocitos)
• Mesohilo (matriz proteica, elementos esqueletales,
arqueocitos o amebocitos y colenocitos,)
• Coanodermo (coanocitos)
Arqueocitos
Pinacocitos
Colenocitos
Pinacodermo
Mesohilo
Coanodermo Coanocitos
Espículas
Phylum Porifera: Soporte y sostén
Esqueleto
 unidades cristalinas (espículas): calcáreas o silíceas
y/o
 fibras proteicas: colágeno fibrilar y/o espongina.
Espículas silíceas
Espongina
Espículas calcáreas
Phylum Porifera: Función de tipos celulares
Fibras de
colágeno
Espícula
Esclerocitos
Esclerocitos: secretan espículas
Lofocito
Espongina
Espongocito
Lofocitos (móviles): secretan colágeno
Colenocitos (fijos): secretan colágeno
Espongocitos: secretan fibras de espongina
Phylum Porifera: Función de tipos celulares
Coanocito: alimentación (digestión parcial)
Flujo del H2O
Flagelo
Dirección del
Alimento
Espongocele o atrio
Partícula de
alimento
Vacuola digestiva
Núcleo
FILTRADORES
Mesohilo
Detalle de coana
Flagelo
Microvellosidades
(verticales)
Microfibrillas
 Intercambio de gases respiratorios
 Eliminación de deshechos
 Reproducción.
DIGESTIÓN INTRACELULAR
(Fagocitosis y pinocitosis)
Alimentación: detritos, plancton, bacterias (50-0,1 µm)
Detalle gral. del sistema acuífero
Canal exhalante
Flujo de H2O
Pinacocito
Dirección del
alimento
Apopilo
Canal inhalante
Arqueocito
(Digestión final)
Coanocito
Colenocito
Espícula
Prosopilo
Phylum Porifera: Función de tipos celulares
Arqueocitos o amebocitos
• Indiferenciadas y totipotentes.
•Se trasladan a través del mesohilo
•Recepción de alimento desde coanocitos o en pinacodermo
(Digestión)
• Transporte y excreción
Arqueocito o
amebocito
Poro u
ostíolo
• Reproducción asexual
Porocitos
• Forman parte de los ostíolos
Porocito
• Son contráctiles
Miocitos
• Contráctiles
• Regulan la apertura de poros y ósculos
Miocitos
Phylum Porifera: Función de tipos celulares
Todos los tipos celulares
Intercambio
Excreción
gaseoso
Vacuolas contráctiles
(arqueocitos y coanocitos)
Difusión simple
Phylum Porifera: Respuestas coordinadas
Sin células nerviosas
Cierre de ósculo y poros
Coordinación a través de compuestos químicos en corriente de H2O?
Defensa: tóxicos
Diseños estructurales
 Ubicación de coanocitos
 Eficacia y complejidad del sistema de bombeo
 ASCONOIDE
 SICONOIDE
 LEUCONOIDE
Phylum Porifera: Complejidad estructural
Ósculo
ASCONOIDE
Pinacocito
+ simple
Coanocito
Pequeñas y tubulares
Ostíolo
Captura de alimento en
espongocele
Espícula
Porocito
Espongocele
= Atrio
Ruta del agua: Ostíolos, Espongocele (con
coanodermo), Ósculo.
Phylum Porifera: Complejidad estructural
SICONOIDE
Ruta del agua: Canal inhalante, Prosopilo,
Canal radial, Apopilo, Atrio, Ósculo.
Prosopilo
Ósculo
Canal
inhalante
• Pared del cuerpo plegada
formando canales radiales.
• Aumento de superficie
•>ría del agua contenida en
canales es accesible a
coanocitos.
• Tubulares.
Captura de alimento
en canales radiales.
Apopilo
Atrio
Canal radial
Coanocitos
Sycon ciliatum
Phylum Porifera: Complejidad estructural
LEUCONOIDE
+ compleja
Aumento del nro. de cámaras y
disminución de su tamaño.
Mejor regulación del flujo de
agua. Aumento de tamaño
corporal.
Ej. Leuconia tiene 2 millones
de cámaras flageladas.
Bombea 22,5 L x día. En c.
inhalantes flujo = 0,1 cm/s. En
cámaras flageladas flujo =
0,001 cm/s.
Velocidad en ósculo: 8,5 cm/s.
>ría de las esponjas son
leuconoides.
Ruta del agua: Poros, Canal inhalante,
Prosopilo, C. de coanocitos, Apopilo,
canal exhalante, Ósculo.
Phylum Porifera: Complejidad estructural
Grado creciente de
complejidad
morfológica
asconoide
siconoide
leuconoide
Phylum Porifera: Reproducción asexual
• Embriogénesis somática x fragmentación (reorganización estructural)
• Gemación (poco común)
Yemas externas
• Gemulación
Yemas internas o gémulas
Drulia sp.
Gémulas
Gemulación
Membrana
externa
Micropilo
Membrana
interna
Arqueocitos
Membrana
interna
Pinacodermo en
desarrollo
Espículas
Arqueocitos
Espongina
Arqueocitos saliendo por
el micropilo
• Adaptación a cambios estacionales
• Colonización de nuevos hábitat
Phylum Porifera: Reproducción sexual
 Sin gónadas
 >ría monoicas
Fecundación cruzada
Oocito
Folículo
espermático
Cél. nodriza
Cél. nodriza
Núcleo
 espermatozoides (a
partir de coanocitos)
 oocitos (a partir de
coanocitos o de
arqueocitos)
Ovíparas (pocas)
(fecundación externa)
Vivíparas (captura de
espermatozoides por
coanocitos)
 Larva nadadora
(parenquímula,
anfiblástula)
Phylum Porifera: Reproducción sexual y desarrollo
Vivíparas
• captura de
espermatozoide
por coanocito
• pérdida de
flagelo
(amebocito;
coanocito de
transferencia)
Phylum Porifera: Reproducción sexual y desarrollo
 larva hueca con células flageladas
internas
Micrómero
 inversión
Macrómero
 la anfiblástula se fija por el polo
flagelado
 macrómeros crecen sobre los
micrómeros que forman coanocitos,
arqueocitos y colenocitos
Cigota
16 células
Blástula
Inversión
Anfiblástula
Gástrula
 los macrómeros forman esclerocitos
y pinacodermo
Esponja
Calcárea
Phylum Porifera: Reproducción sexual y desarrollo
 larva sólida con flagelos (Parenquímula)
Larva
parenquímula
Abertura
exhalante
Abertura
inhalante
Desarrollo de una demosponja
Clasificación de las esponjas
• Reino Animalia
–
–
–
–
Clase Calcarea
Clase Hexactinellida
Clase Demospongiae
Clase Homoscleromorpha
Agelas conifera
Neoesperiopsis rigida
Haliclona
Microciona
Clase Calcarea
• espículas CO3Ca
• espículas de 1, 3 ó 4
radios
• Sin espongina
• todas marinas
costeras
• asconoides
siconoides
leuconoides
• Sycon, Leucosolenia
Clase Demospongiae (95%)
• espículas de sílice (NO de 6
radios) y/o espongina o sin
espículas
• leuconoides
• casi todas marinas
agua dulce (gémulas)
• esponjas de baño (Spongia
e Hippospongia)
Clase Homoscleromorpha
• espículas de sílice (de 4
radios) o sin espículas
• leuconoides
• casi todas marinas
• Con m. basal
Oscarella lobularis
Clase Hexactinellida
Fagocitosis
• Espículas de sílice de 6 radios
• Simetría radial
• Cuerpo formado por un sincicio
continuo: red trabecular
• Marinas de aguas profundas
• Siconoides o leuconoides
• Euplectella, Hexactinella
Ruta del agua: poros, canal incurrente, coanas, canal
excurrente, atrio, ósculo
Hexactinella
Euplectella
Filogenia de Porifera
Evidencia morfológica (coanocitos – coanoflagelados)
Evidencia molecular (ARNr) (grupo hermano de coanoflagelados)
Semejanzas con protistas
• totipotencia celular
• estrategias excretoras, respiratorias y de osmoregulación
• digestión totalmente intracelular
Semejanza con eumetazoos
Síntesis de colágeno, principal proteína estructural del Reino Animal.
Ancestro común que sintetiza colágeno para todos los animales.
Diferencias con eumetazoos
• totipotencia celular
• ausencia de tejidos verdaderos (sin membrana basal)
• ausencia de órganos.
Sinapomorfía del Phylum: sistema acuífero (independiente del resto de los metazoos)
Filogenia en Porifera
Calcarea, Demospongia y Homoscleromorpha más
estrechamente relacionadas entre sí que con las
Hexactinélidas
Subphylum Cellularia: células
Clase Calcarea (espículas calcáreas)
Clase Demospongia (espículas silíceas)
Clase Homoscleromorpha
Subphylum Symplasma: sinciciales
Clase Hexactinellida (espículas silíceas)
Tree of life
Eukaryotes
Animals
(Metazoa)