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Cómo las diferencias de proteínas entre especies impulsan la diversidad biológica

11 de septiembre de 2022 | Historia original de la Universidad de Yale
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Para comprender mejor lo que impulsa la diversidad biológica en la Tierra, los científicos han analizado históricamente las diferencias genéticas entre las especies. Pero esto solo proporciona una parte de la imagen. Los rasgos de una especie en particular no son simplemente el resultado de sus genes, sino también las proteínas que esos genes codifican.
Comprender las diferencias entre los proteomas de las especies, o todas las proteínas que se pueden expresar, es, por lo tanto, tan importante como comprender las diferencias entre los genomas.

En un nuevo estudio, los investigadores de Yale han comparado los proteomas de las células de la piel de 11 mamíferos, lo que, dicen, ayudará a los científicos a comprender los impulsores moleculares de la biodiversidad y cómo estos factores han evolucionado con el tiempo.

Descubrieron que, si bien muchas proteínas son igualmente variables tanto a través como dentro de las especies, algunas son más variables entre especies, proporcionando pistas sobre qué proteínas podrían ser más importantes en la evolución de los mamíferos. El trabajo también puede ayudar a los investigadores a comprender por qué algunas especies son más resistentes al cáncer.

Sus hallazgos fueron publicados el 9 de septiembre en Science Advances.

“Para comprender la diversidad biológica, junto con saber cómo el ADN es diferente entre las especies, es posible que también desee saber cómo se comportan, desarrollan y se ven las especies de manera diferente”, explicó Günter Wagner, profesor emérito de Ecología y Biología Evolutiva de Alison Richard.

Y se cree que estos atributos, cómo se ve, se comporta y se desarrolla una especie, están más estrechamente relacionados con los niveles de proteínas que con el ADN, explicó Yansheng Liu, profesor asistente de farmacología en la Escuela de Medicina de Yale.

Sin embargo, comparar las cantidades de proteínas entre especies ha sido difícil, ya que la tecnología para realizar análisis a gran escala no existía. Pero Liu ha aplicado un método llamado espectrometría de masas de adquisición independiente de datos que ahora permite a los investigadores hacer este tipo de trabajo.

“Es un avance conceptual y técnico que nos permite trabajar en este nivel más alto y funcionalmente más relevante”, dijo Wagner.

Liu es miembro del Instituto de Biología del Cáncer de Yale y Wagner es miembro del Instituto de Biología de Sistemas, ambos ubicados en el Campus Oeste de Yale. Fue allí, durante un simposio de biología de sistemas de cáncer al que ambos asistieron, donde comenzó su colaboración.
Para el estudio, los investigadores cuantificaron todas las proteínas expresadas en las células de la piel de 11 especies de mamíferos: conejos, ratas, monos, humanos, ovejas, vacas, cerdos, perros, gatos, caballos y zarigüeyas.

El análisis, proporcionó información que no se podía obtener a través de otras técnicas. Por ejemplo, aunque investigaciones anteriores han analizado las diferencias en el ARNm, el material genético utilizado para crear proteínas, encontraron que la medición de proteínas proporcionaba información adicional que no podía capturarse analizando el ARNm solo, ya que el ARNm es solo una medida indirecta de la abundancia de proteínas.

Una hebra de ARNm lleva el código para crear una proteína. Mientras que las proteínas individuales pueden tener una función particular, las proteínas también pueden interactuar entre sí y actuar como grupos, explicó Liu. Sólo estudiar los niveles del ARNm no proporcionará esa información.

"Encontramos que, particularmente para ciertas clases de proteínas, la relación de las proteínas con el ARNm es muy baja", dijo Liu. "Eso significa que el perfil de ARNm por sí solo sería engañoso".

Luego, el equipo analizó la variación de proteínas tanto entre especies como entre individuos dentro de la misma especie, encontrando que, para la mayoría de las proteínas, los niveles que eran más variables entre individuos también eran más variables entre especies. Pero había algunas proteínas que no se ajustaban a esa tendencia. Por ejemplo, las proteínas relacionadas con la división celular y el metabolismo del ARN fueron más variables entre especies que entre individuos de una especie (humanos, en este caso). Esto sugiere que esas funciones juegan un papel particularmente importante en la evolución de los mamíferos, dijeron los investigadores.

“Las diferencias entreespecies e interindividuales son muy interesantes desde un punto de vista evolutivo”, explicó Wagner. “Comparar los dos parámetros nos da una idea de cuánta variación se tolera dentro de una especie y podemos usar esa información para predecir la capacidad de evolución”.

Por último, los investigadores compararon los sistemas de eliminación de proteínas entre especies. Hay dos sistemas principales responsables de eliminar las proteínas en las células, y encontraron que uno era similar en todas las especies, mientras que el otro exhibía bastante variación entre los diferentes mamíferos.

Esta renovación de proteínas determina qué tan rápido una célula puede cambiar su estado, agregó Wagner. “Si entra una nueva señal, la célula necesita desechar las proteínas que eran necesarias para su estado anterior y crear otras nuevas”, explicó.

La rapidez con la que una célula cambia de estado podría ser relevante para el cáncer.

“Las células sanas pueden ser influenciadas por las células cancerosas cercanas”, sostiene Wagner. “Será importante entender si las tasas de renovación de proteínas están relacionadas con la resistencia de las células a las influencias de las células tumorales. Tal vez las especies que son más resistentes al cáncer, como los animales con pezuñas como las vacas y los cerdos, tienen células que son menos capaces de cambiar de estado y menos susceptibles a las señales de las células cancerosas”.

Y comprender la vulnerabilidad al cáncer es solo una aplicación potencial de este trabajo, dijeron los investigadores. Por ejemplo, pueden comenzar a correlacionar las diferencias de proteínas con cualquier otro rasgo que difiera entre las especies, dice Liu.

Las proteínas están sujetas a modificaciones químicas, que ocurren cuando otras moléculas se unen a una proteína y la activan o desactivan. Y estas modificaciones contribuyen a rasgos que difieren entre y dentro de las especies, ya que juegan un papel importante en la función de las proteínas. Los investigadores evaluaron un tipo de modificación en este estudio, la fosforilación, encontrando que las variaciones en los niveles de fosforilación no estaban, en su mayor parte, relacionadas con las variaciones en la abundancia de proteínas, proporcionando otra capa de comprensión sobre lo que impulsa la biodiversidad.

Los investigadores continuarán evaluando otras modificaciones en futuros trabajos.

Liu cree que estos estudios “proporcionarán una imagen más completa”, y agregó que las variabilidades biológicas entre especies e individuos son las que dan forma a la diversidad biológica en la Tierra. "Medir las diferencias tanto en proteínas como en proteínas modificadas entre especies nos permitirá avanzar en nuestra comprensión de la biodiversidad a nivel molecular".

Referencia:

Ba Q, Hei Y, Dighe A, et al. Proteotype coevolution and quantitative diversity across 11 mammalian species. Sci Adv. 8(36): eabn0756. doi: 10.1126/sciadv.abn0756.

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