Tetrahymena

Tetrahymena, un eucariota unicelular, es un género de ciliados de vida libre. El género Tetrahymena es el miembro más estudiado de su filo. Puede producir, almacenar y reaccionar con diferentes tipos de hormonas. Las células de Tetrahymena pueden reconocer tanto células relacionadas como hostiles.

También pueden cambiar de modos de supervivencia comensales a patógenos. Son comunes en lagos, estanques y arroyos de agua dulce.

Tetrahymena especies utilizadas como organismos modelo en la investigación biomédica son T. thermophila y T. piriforme.

T. thermophila: un organismo modelo en biología experimental

β-tubulina en Tetrahymena.

Como protozoario ciliado, Tetrahymena thermophila exhibe dimorfismo nuclear: dos tipos de núcleos celulares. Tienen un macronúcleo no germinal más grande y un micronúcleo germinal pequeño en cada célula al mismo tiempo y estos dos llevan a cabo funciones diferentes con propiedades citológicas y biológicas distintas. Esta versatilidad única permite a los científicos utilizar Tetrahymena para identificar varios factores clave relacionados con la expresión génica y la integridad del genoma. Además, Tetrahymena posee cientos de cilios y tiene estructuras de microtúbulos complicadas, lo que lo convierte en un modelo óptimo para ilustrar la diversidad y las funciones de las matrices de microtúbulos.

Debido a que Tetrahymena se puede cultivar en grandes cantidades en el laboratorio con facilidad, ha sido una gran fuente para análisis bioquímicos durante años, específicamente para actividades enzimáticas y purificación de componentes subcelulares. Además, con el avance de las técnicas genéticas se ha convertido en un excelente modelo para estudiar la función génica in vivo. La secuenciación reciente del genoma del macronúcleo debería garantizar que Tetrahymena se utilice continuamente como sistema modelo.

Tetrahymena thermophila existe en 7 sexos diferentes (tipos de apareamiento) que pueden reproducirse en 21 combinaciones diferentes, y una sola tetrahymena no puede reproducirse sexualmente consigo misma. Cada organismo "decide" en qué sexo se convertirá durante el apareamiento, a través de un proceso estocástico.

Los estudios sobre Tetrahymena han contribuido a varios hitos científicos, entre ellos:

1. Primera célula que mostró división sincronizada, que llevó a las primeras percepciones sobre la existencia de mecanismos que controlan el ciclo celular.
2. Identificación y purificación de la primera proteína motora basada en el citoesqueleto, como dynein.
3. Ayuda en el descubrimiento de lysosomes y peroxisomes.
4. Identificación molecular temprana de reorganización del genoma somático.
5. Descubrimiento de la estructura molecular telomeres, telomerase enzima, el papel tentador del ARN telomerasa y sus roles en la senecencia celular y la curación del cromosoma (para el cual se ganó un Premio Nobel).
6. Co-descubrimiento ganador del Premio Nobel (1989, en química) del ARN catalíticoribozyme).
7. Descubrimiento de la función de la acetilación de piedra.
8. Demostración de los roles de modificación posttranslacional tales como acetilación y glicilación en tubulinas y descubrimiento de las enzimas responsables de algunas de estas modificaciones (glutamylation)
9. Estructura de cristal de 40S ribososome en complejo con su factor de iniciación eIF1
10. Primera demostración de que dos de los codones "universales" paran, UAA y UAG, código para el glutamina aminoácido en algunos eucariotas, dejando UGA como el único codón de terminación en estos organismos.

Principales campos de investigación biomédica donde Tetrahymena las células se utilizan como modelos

Ciclo de vida

Tetrahymena Conjugación. Cuando los nutrientes son escasos, dos individuos (A) se unen entre sí y comienzan la reproducción sexual (conjugación). (B) El micronucleus diploid en cada individuo sufre meiosis para formar cuatro núcleos haploides, y tres de ellos se degradan. (C) El núcleo haploide restante divide mitéticamente para formar dos pronuclei en cada célula. (D) One of the two pronuclei in each cell is exchanged with the mating partner, and merger leads to the formation of the diploid zygotic nucleus. (E) The zygotic nucleus divide dos mitotically para formar cuatro núcleos. (F) Two nuclei become micronuclei, and the other two differentiate to become macronuclei; the original parental macronucleus is degraded. (G) La división celular ocurre y los núcleos se distribuyen a las células hijas para que cada progenie reciba un micronucleus y un macronucleus.

El ciclo de vida de T. thermophila consiste en una alternancia entre las etapas asexual y sexual. En medios ricos en nutrientes durante el crecimiento vegetativo, las células se reproducen asexualmente por fisión binaria. Este tipo de división celular ocurre por una secuencia de eventos morfogenéticos que resultan en el desarrollo de conjuntos duplicados de estructuras celulares, uno para cada célula hija. Solo durante las condiciones de inanición, las células se comprometerán a la conjugación sexual, apareándose y fusionándose con una célula de tipo de apareamiento opuesto. Tetrahymena tiene siete tipos de apareamiento; cada uno de los cuales puede aparearse con cualquiera de los otros seis sin preferencia, pero no con el suyo propio.

Típico de los ciliados, T. thermophila diferencia su genoma en dos tipos de núcleos funcionalmente distintos, cada uno utilizado específicamente durante las dos etapas diferentes del ciclo de vida. El micronúcleo diploide de la línea germinal es transcripcionalmente silencioso y solo juega un papel durante las etapas de la vida sexual. El núcleo de la línea germinal contiene 5 pares de cromosomas que codifican la información hereditaria que se transmite de una generación sexual a la siguiente. Durante la conjugación sexual, los productos meióticos micronucleares haploides de ambas células parentales se fusionan, lo que conduce a la creación de un nuevo micronúcleo y macronúcleo en las células de la progenie. La conjugación sexual ocurre cuando las células que pasan hambre durante al menos 2 horas en un medio pobre en nutrientes se encuentran con una célula del tipo de apareamiento complementario. Después de un breve período de coestimulación (~1 h), las células privadas de alimento comienzan a emparejarse en sus extremos anteriores para formar una región especializada de la membrana llamada unión de conjugación.

Dos. Tetrahymena células de tipos complementarios de apareamiento pareja para intercambiar núcleos durante la conjugación sexual.

Es en esta zona de unión donde se forman varios cientos de poros de fusión, lo que permite el intercambio mutuo de proteínas, ARN y, finalmente, un producto meiótico de su micronúcleo. Todo este proceso lleva unas 12 horas a 30 °C, pero incluso más tiempo a temperaturas más frías. La secuencia de eventos durante la conjugación se describe en la figura adjunta.

El macronúcleo poliploide más grande es transcripcionalmente activo, lo que significa que sus genes se expresan activamente y, por lo tanto, controla las funciones de las células somáticas durante el crecimiento vegetativo. La naturaleza poliploide del macronúcleo se refiere al hecho de que contiene aproximadamente 200-300 minicromosomas de ADN lineales que se replican de forma autónoma. Estos minicromosomas tienen sus propios telómeros y se derivan de la fragmentación específica del sitio de los cinco cromosomas micronucleares originales durante el desarrollo sexual. En T. thermophila, cada uno de estos minicromosomas codifica múltiples genes y existe en un número de copias de aproximadamente 45-50 dentro del macronúcleo. La excepción a esto es el minicromosoma que codifica el rDNA, que está enormemente regulado y existe en un número de copias de aproximadamente 10.000 dentro del macronúcleo. Debido a que el macronúcleo se divide amitóticamente durante la fisión binaria, estos minicromosomas se dividen de manera desigual entre las células hijas clonales. A través de la selección natural o artificial, este método de partición del ADN en el genoma somático puede dar lugar a líneas celulares clonales con diferentes fenotipos macronucleares fijados para un rasgo particular, en un proceso llamado variedad fenotípica. De esta manera, el genoma poliploide puede afinar su adaptación a las condiciones ambientales a través de la ganancia de mutaciones beneficiosas en cualquier minicromosoma dado cuya replicación luego se selecciona para, o por el contrario, la pérdida de un minicromosoma que acumula una mutación negativa. Sin embargo, el macronúcleo solo se propaga de una célula a la siguiente durante la etapa vegetativa asexual del ciclo de vida, por lo que nunca es heredado directamente por la progenie sexual. Solo las mutaciones beneficiosas que ocurren en el micronúcleo de la línea germinal de T. thermophila se transmiten entre generaciones, pero estas mutaciones nunca serían seleccionadas ambientalmente en las células parentales porque no se expresan.

Comportamiento

Las células de natación libre de Tetrahymena son atraídas por ciertas sustancias químicas mediante la quimiocinesis. Los principales quimioatrayentes son péptidos y/o proteínas.

Un estudio de 2016 encontró que los Tetrahymena cultivados tienen la capacidad de 'aprender' la forma y el tamaño de su espacio de natación. Se encontró que las células confinadas en una gota de agua por un corto tiempo, al ser liberadas, repetían las trayectorias circulares de natación 'aprendidas'; en la gota. El diámetro y la duración de estos caminos de natación reflejaron el tamaño de la gota y el tiempo permitido para adaptarse.

Reparación de ADN

Es común entre los protistas que el ciclo sexual sea inducible por condiciones estresantes como la inanición. Tales condiciones a menudo causan daño en el ADN. Una característica central de la meiosis es la recombinación homóloga entre cromosomas no hermanos. En T. thermophila este proceso de recombinación meiótica puede ser beneficioso para reparar los daños en el ADN causados por la inanición.

Exposición de T. thermophila a la luz ultravioleta resultó en un aumento de más de 100 veces en la expresión del gen Rad51. El tratamiento con el agente alquilante de ADN metanosulfonato de metilo también resultó en niveles de proteína Rad 51 sustancialmente elevados. Estos hallazgos sugieren que los ciliados como T. thermophila utilizan una ruta de recombinación dependiente de Rad51 para reparar el ADN dañado.

La recombinasa Rad51 de T. thermophila es un homólogo de la recombinasa RecA de Escherichia coli. En T. thermophila, Rad51 participa en la recombinación homóloga durante la mitosis, la meiosis y en la reparación de roturas de doble cadena. Durante la conjugación, Rad51 es necesario para completar la meiosis. Meiosis en T. thermophila parece emplear una vía dependiente de Mus81 que no utiliza un complejo sinaptonémico y se considera secundaria en la mayoría de los otros eucariotas modelo. Esta vía incluye la resolvasa Mus81 y la helicasa Sgs1. La helicasa Sgs1 parece promover el resultado no cruzado de la reparación recombinatoria meiótica del ADN, una vía que genera poca variación genética.

Plasticidad fenotípica y genotípica

Se sabe que muchas especies de Tetrahymena muestran mecanismos de respuesta únicos al estrés y diversas presiones ambientales. La arquitectura genómica única de los ciliados (presencia de un MIC, alta ploidía, gran número de cromosomas, etc.) permite la expresión génica diferencial, así como una mayor flexibilidad genómica. La siguiente es una lista no exhaustiva de ejemplos de plasticidad fenotípica y genotípica en el género Tetrahymena.

Polimorfismos tróficos inducibles

T. vorax es conocido por sus polimorfismos tróficos inducibles, una táctica ecológicamente ofensiva que le permite cambiar su estrategia de alimentación y dieta alterando su morfología. Normalmente, T. vorax es un microstoma bacterivoro de alrededor de 60 μm de longitud. Sin embargo, tiene la capacidad de convertirse en un macróstomo carnívoro de alrededor de 200 μm de longitud que puede alimentarse de competidores más grandes. Si las células de T. vorax están demasiado hambrientas de nutrientes para emprender la transformación, también se ha registrado que se transforman en un tercer morfo de microstoma de "cola", que se cree que es un mecanismo de defensa en respuesta a la presión caníbal. Si bien T. vorax es la Tetrahymena mejor estudiada que exhibe polimorfismos tróficos inducibles, muchas especies menos conocidas también pueden realizar transformaciones, incluidas T. paulina y T. paravorax. Sin embargo, solo se ha registrado que T. vorax tiene una forma de macrostoma y microstoma de cola.

Estos cambios morfológicos se desencadenan por la abundancia de estomatina en el medio ambiente, una mezcla de compuestos metabólicos liberados por especies competidoras, como Paramecium, Colpidium y otras Tetrahymena. Específicamente, el análisis cromatográfico ha revelado que el hierro ferroso, la hipoxantina y el uracilo son las sustancias químicas de la estomatina responsables de desencadenar el cambio morfológico. Muchos investigadores citan las "condiciones de inanición" como inductoras de la transformación, ya que en la naturaleza, los inductores compuestos se encuentran en la concentración más alta después de que los ciliados microstomales han rozado las poblaciones bacterianas y las poblaciones de ciliados son altas. Cuando los inductores químicos están en alta concentración, las células de T. vorax se transformarán a tasas más altas, lo que les permitirá aprovecharse de sus antiguos competidores tróficos.

Se desconocen los mecanismos genéticos y estructurales exactos que subyacen a la transformación de T. vorax. Sin embargo, se han logrado algunos avances en la identificación de genes candidatos. Investigadores de la Universidad de Alabama han utilizado la sustracción de ADNc para eliminar el ADN transcrito activamente de células de microstoma y macrostoma T. vorax, dejando solo moléculas de ADNc transcritas diferencialmente. Si bien se encontraron nueve genes específicos de diferenciación, el gen candidato expresado con mayor frecuencia se identificó como una secuencia nueva, SUBII-TG.

La región secuenciada de SUBII-TG tenía una longitud de 912 pb y consta de tres marcos abiertos de lectura de 105 pb, en gran parte idénticos. Un análisis de transferencia Northern reveló que se detectan niveles bajos de transcripción en las células del microstoma, mientras que se producen niveles altos de transcripción en las células del macrostoma. Además, cuando los investigadores limitaron la expresión de SUBII-TG en presencia de estomatina (usando métodos de oligonucleótidos antisentido), una reducción del 55 % en el ARNm de SUBII-TG se correlacionó con un 51 % disminución en la transformación, apoyando la idea de que el gen es al menos parcialmente responsable de controlar la transformación en T. vorax. Sin embargo, se sabe muy poco sobre el gen SUBII-TG. Los investigadores solo pudieron secuenciar una parte del marco de lectura abierto completo, y otros genes candidatos no se han investigado a fondo. La secuenciación de ARNm y aminoácidos indica que la ubiquitina puede desempeñar un papel crucial para permitir que también se produzca la transformación. Sin embargo, no se han identificado genes conocidos en la familia de las ubiquitinas en T. vorax. Finalmente, los mecanismos genéticos de la forma microstoma "con cola" son completamente desconocidos.

Resistencia a metales, gen y amp; Amplificación del genoma

Otras especies relacionadas exhiben sus propias respuestas únicas a varios factores estresantes. En T. thermophila, la amplificación de cromosomas y la expansión de genes son respuestas inducibles a contaminantes organometálicos comunes como el cadmio, el cobre y el plomo. Se descubrió que las cepas de T. thermophila que estuvieron expuestas a grandes cantidades de Cd²⁺ a lo largo del tiempo tenían un aumento de 5 veces de MTT1 y MTT3 (genes de metalotioneína que codifican proteínas de unión de cadmio y plomo), así como CNBDP, un gen no relacionado que se encuentra justo antes de MTT1 en el mismo cromosoma. El hecho de que un gen que no sea de metalotioneína en el mismo locus que MTT1 y MTT3 aumente el número de copias indica que se ha amplificado todo el cromosoma, a diferencia de genes específicos. Las especies de Tetrahymena tienen 45 ploides para su macronúcleo, lo que significa que el tipo salvaje de T. thermophila normalmente contiene 45 copias de cada cromosoma. Si bien se desconoce el número real de cromosomas únicos, se cree que el número es de alrededor de 187 en el MAC y 5 en el MIC. Por tanto, la cepa adaptada a Ca²⁺ contenía 225 copias del cromosoma específico en cuestión. Esto resultó en un aumento de casi 28 veces en los niveles de expresión detectados de MTT1, y un poco menos en MTT3.

Curiosamente, cuando los investigadores cultivaron una muestra de la población de T. thermophila en un medio de crecimiento normal (sin Cd2+) durante 1 mes, la cantidad de MTT1, MTT3 y Los genes CNBDP disminuyeron a un promedio de 3 copias (135C). A los 7 meses en un medio de crecimiento normal, se encontró que las células de T. thermophila estaban reducidas a solo el número de copias de tipo salvaje (45C). Cuando los investigadores devolvieron células de la misma colonia al medio Cd²⁺, en una semana MTT1, MTT3 y CNBDP genes aumentados a 3 copias una vez más (135C). Por lo tanto, los autores argumentan que la amplificación cromosómica es un mecanismo inducible y reversible en la respuesta genética de Tetrahymena al estrés por metales.

Los investigadores también utilizaron experimentos de eliminación de genes, en los que el número de copias de otro gen de metalotioneína en un cromosoma diferente, MTT5, se redujo drásticamente. En una semana, se descubrió que la nueva cepa había desarrollado 4 genes nuevos a partir de al menos 1 duplicación de MTT1. Sin embargo, la duplicación cromosómica no había tenido lugar, como lo indica la ploidía de tipo salvaje y la cantidad normal de otros genes en los mismos cromosomas. Más bien, los investigadores creen que la duplicación resultó de eventos de recombinación homóloga, que produjeron genes transcripcionalmente activos y regulados positivamente que transportan MTT1 repetidos.

Motilidad y dispersión mejoradas

T. thermophila también sufre cambios fenotípicos cuando se enfrenta a una disponibilidad limitada de recursos. Las células son capaces de cambiar su forma y tamaño, junto con estrategias de comportamiento de natación en respuesta al hambre. Las células más móviles que cambian en respuesta al hambre se conocen como dispersores o células dispersoras. Si bien las tasas y los niveles de cambio fenotípico difieren entre las cepas, las células dispersoras se forman en casi todas las cepas de T. thermophila cuando se enfrentan a la inanición. Las células dispersoras y no dispersoras se vuelven dramáticamente más delgadas y pequeñas, lo que aumenta la densidad del cuerpo basal y los cilios, lo que les permite nadar entre 2 y 3 veces más rápido que las células normales. También se ha descubierto que algunas cepas de T. thermophila desarrollan un único cilio agrandado que no late y que ayuda a la célula a controlar o dirigir el movimiento. Si bien se ha demostrado que el comportamiento se correlaciona con una dispersión más rápida y se forma como un rasgo reversible en las células de Tetrahymena, se sabe poco sobre los mecanismos genéticos o celulares que permiten su desarrollo. Además, otros estudios muestran que cuando las poblaciones genéticamente variables de T. thermophila pasaron hambre, las células de dispersión en realidad aumentaron en longitud celular, a pesar de que aún se volvían más delgadas. Se necesita más investigación para determinar los mecanismos genéticos que subyacen a la formación de dispersores.

Especies en género

Las especies de este género incluyen.

• Tetrahymena americanis
• Tetrahymena asiatica
• Tetrahymena australis
• Tetrahymena bergeri
• Tetrahymena borealis
• Tetrahymena canadensis
• Tetrahymena capricornis
• Tetrahymena caudata
• Tetrahymena chironomi
• Tetrahymena corlissi
• Tetrahymena cosmopolitanis
• Tetrahymena dimorpha
• Tetrahymena edaphoni
• Tetrahymena elliotti
• Tetrahymena empidokyrea
• Tetrahymena farahensis
• Tetrahymena farley i
• Tetrahymena furgasoni
• Tetrahymena glochidiophila
• Tetrahymena hegewischi
• Tetrahymena hyperangularis
• Tetrahymena leucophrys
• Tetrahymena limacis
• Tetrahymena lwoffi
• Tetrahymena malaccensis
• Tetrahymena mimbres
• Tetrahymena mobilis
• Tetrahymena nanneyi
• Tetrahymena nipissingi
• Tetrahymena paravorax
• Tetrahymena patula
• Tetrahymena pigmentosa
• Tetrahymena pyriformis
• Tetrahymena rostrata
• Tetrahymena rotunda
• Tetrahymena setifera
• Tetrahymena setigera
• Tetrahymena setosa
• Tetrahymena shanghaiensis
• Tetrahymena sialidos
• Tetrahymena silvana
• Tetrahymena skappus
• Tetrahymena sonneborni
• Tetrahymena stegomyiae
• Tetrahymena thermophila
• Tetrahymena tropicalis
• Tetrahymena vorax

En educación

La Universidad de Cornell ofrece un programa financiado por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) a través del Programa del Premio de la Asociación de Educación Científica (SEPA) llamado Avance de la Educación Científica Secundaria a través de Tetrahymena (ASSET). El grupo desarrolla laboratorios independientes o lecciones usando Tetrahymena como módulos de capacitación que los maestros pueden usar en las clases.