Sistema de tres dominios

O sistema de tres dominios é unha clasificación biolóxica proposta por Carl Woese e colaboradores en 1977, que clasifica os seres vivos en tres grupos primarios: Bacteria, Archaea e EucaryaWoese escribiu con c este nome na súa publicación de 1990non respectando a etimoloxía (C. R. Woese, O. Kandler & M. L. Wheelis 1990. Towards a natural system of organisms: Proposal of the domains Archaea, Bacteria and Eucarya. Proc. Natl. Acad. Sci. USA  ). Porén en publicacións máis modedrnas aparece escrito con k, tal como aparece noutras referencias usadas nesta páxina.. Woese baseouse nas diferenzas encontradas na secuencia do ARN ribosómico da subunidade menor, para concluír que estes grupos se desenvolveron por separado a partir dun proxenitor común chamado proxenota.

Este sistema de tres dominios substitúe ao anteriormente usado sistema de dous imperios formado polos grupos Eukaryota e Prokaryota.

Para describir estas tres grandes ramas, Woese decidiu tratalas como dominios en 1990, sempre promovendo a separación dos dous grupos procariotas.

Aínda que a maioría dos sistemáticos moleculares aceptou rapidamente o sistema de tres dominios, algúns biólogos como Mayr criticárono por dar demasiada énfase á singularidade das arqueas e por ignorar as fortes similitudes entre os grupos procariotas. Porén, estudos posteriores confirmaron que a membrana das células das arqueas ten unha composición pouco usual, e igual ocorre coa estrutura dos seus flaxelos.Nikhil A Thomas€t al 2001, The archaeal flagellum: a different kind of prokaryotic motility structure FEMS Microbiology Reviews. Volume 25, Issue 2, pages 147–174, April 2001 Outras diferenzas significativas son os sistemas arqueanos para a replicación do ADN e a transcrición, que son bastante diferentes aos das bacterias. Por exemplo, as ARN polimerases das arqueas constan de ata 14 subunidades, mentres que as ARN polimerases das bacterias só teñen 4. As análises de ditas subunidades suxiren que están máis estreitamente relacionadas coas dos eucariotas. De igual xeito, as arqueas producen proteínas que se unen ao ADN similares ás histonas dos eucariotas.Malcolm F. White and Stephen D. Bell 2002, Holding it together: chromatin in the Archaea.  TRENDS in Genetics Vol.18 No.12

 Semellanzas e diferenzas 
A seguinte táboa comparativa relaciona as diferentes características eucariotas, bacterianas e arqueanas:
+ Dominios ARCHAEA BACTERIA EUCARYA Estrutura celular  procariota  procariota  eucariota Cromosomas  un circular con cromatina  un circular eespido  varios lineais concromatina Composición da parede celular  glicopéptidos, proteínasou glícidos  peptidoglicano  glícidos (celulosa, quitina) Enlace lipídico da membrana  éter  éster  éster Ácidos graxos da membrana  ramificados  lineais  lineais Flaxelo  arqueano  bacteriano  eucariótico Ribosoma  70S  70S  80S, pero 70S (ou 55S) enmitocondrias e cloroplastos Intróns  nos xenes de ARNt  Non  na maioría de xenes Operóns  Si  Si  Non Plásmidos  Si  Si  raros Cromatina con nucleosomas e histonas  Si  Non  Si Iniciador de ARNt  metionina  formil-metionina  metionina ARN polimerases  varias  unha  varias Subunidades da ARN polimerase  8-12  4-5  12-14 Estreptomicina e cloranfenicol  resistente  sensible  resistente Toxina diftérica  sensible  resistente  sensible

As principais características que levaron a recoñecer tres diferentes dominios foron as análises do ARN ribosómico da subunidade menor: en Bacteria hai unha secuencia particular entre as posicións 500-545 do ARNr 16S, en Archaea hai unha estrutura única entre as posicións 180-197 ou 405-498 do mesmo ARNr 16S e en Eucarya o ARNr da subunidade menor é 18S e difire dos procariotas entre as posicións 585-656.Helena Curtis, Sue Barnes, Adriana Schnek 2008, Biologia Cap.24 Bacteria y Archaea. Cadro 24-1, p.459

 Historia 

 Situación previa 
Durante os séculos XIX e XX fixéronse grandes avances no coñecemento microbiolóxico. Porén isto non supuxo avances en filoxenia e nas clasificacións naturais dos procariotas. A clasificación de plantas e animais baseábase na anatomía comparada e embrioloxía, pero as bacterias carecen de complexidade morfolóxica e teñen unha enorme diversidade fisiolóxica.

O manual de Bergey desde a década de 1960 á de 1980, optou por utilizar clasificacións non naturais, pero razoables, en lugar de especular filoxenias que cambiasen continuamente. Moitos especialistas (Stanier, van Niel, Winogradsky) resignáronse a aceptar que unha clasificación filoxenética procariota era imposible, a pesar da aceptación en xeral de que son un grupo monofilético que está relacionado coa orixe monofilética da vida.

 Descubrimento 
Un gran paso en bioloxía molecular dáse cando un equipo da Universidade de Illinois, realizou análises xenéticas na década de 1970 usando o método de secuenciación molecular do ARN ribosómico procariota de 16S. Ademais os ribosomas son abundantes en todas as células e doados de extraer, facendo deste orgánulo o favorito para a investigación. O resultado foi toda unha revolución na elaboración de árbores filoxenéticas, que fixo renacer a taxonomía microbiana, o que ata entón parecía imposible, e aparece un novo campo dentro do amplo estudo dos procariotas.

En 1977, identificouse un grupo peculiar de bacterias metanóxenas que aparecían nas probas de ARNr 16S afastadas das demais bacterias. Concluíuse que a maior diverxencia entre organismos procariotas se dá entre as arqueas metanóxenas e as demais bacterias.Balch WE, Magrum LJ, Fox GE, Wolfe RS, Woese CR. 1977, An ancient divergence among the bacteria. J Mol Evol. 1977 Aug 5;9(4):305-11.

Ese mesmo ano, Carl Woese e G. Fox, observan que os metanóxenos están tan distantes das bacterias coma dos eucariotas, declarando en consecuencia o descubrimento dunha “terceira forma de vida”. Asumindo que as condicións na Terra primitiva foron anaerobias, concluíuse que os metanóxenos serían unha liñaxe moi antiga e se lles chamou arqueobacterias (Archaebacteria). Deste modo determinouse que a categoría taxonómica máis alta non estaba na dicotomía procariota-eucariota, senón en tres reinos primarios que se chamaron urkingdoms: "eubacteria, archaebacteria e urkaryotes".C R Woese and G E Fox 1977, Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proc Natl Acad Sci U S A. 1977 November; 74(11): 5088–5090.

En 1990, Woese e colaboradores, usaron a mesma análise para a comparación con outros organismos. Observaron que os metanóxenos e un grupo importante de extremófilos (coñecidos como eocitos) eran un grupo coherente segundo os datos da proba de ARNr 16S, e postularon o sistema de tres dominios e renomearon os tres grupos: Archaea, Bacteria e Eucarya, os cales teñen diferenzas distintivas na subunidade menor do ARN ribosómico, e desestiman a Procaryotae ou Monera como taxons válidos. Os tres dominios terían unha antigüidade de 3 a 4 mil millóns de anos e descenden dun antepasado común denominado proxenota ou protobionte. Este mesmo estudo postula que as arqueas (Archaea) poden dividirse en dous reinos: o dos euriotas (Euryarchaeota) que son metanóxenos e o dos crenotas (Crenarchaeota) que son extremófilos.

 Análise proteica 
A análise de aliñamento de secuencias de proteínas produciu árbores filoxenéticas que avalan as investigacións previas baseadas no ARNr, apoiando fortemente a separación natural nos tres dominios descubertos.Brown JR et al 2001. Universal trees based on large combined protein sequence data sets. Nat Genet. 2001 Jul;28(3):281-5.

 Críticas 
Como en todo o referente á clasificación biolóxica, no concepto dos dominios non hai consenso, polo que hai varias hipóteses.

 Hipótese de catro dominios 
Ao analizar virus, algunhas proteínas virais específicas están presentes en virus que infectan aos distintos membros dos tres dominios da vida, o que suxire que os virus son en realidade moi antigos. En particular, as análises estruturais de proteínas da cápside revelaron que polo menos se orixinaron dous tipos de virións de maneira independente antes que LUCA (o último antepasado universal celular); desafiando así o sistema de clasificación actual dos organismos en tres dominios (Archaea, Bacteria e Eukarya), xa que algúns grupos de virus ao analizalos parecen apoiar a creación dun cuarto dominio.

 Hipótese de dous dominios 
Algúns autores non aceptan o sistema de 3 dominios, e incorporan a Archaea e Eubacteria como procariotas (A. H. G. Balows e outros).Balows, A. H. G. Trüper, M. Dworkin, W. Harder, and K. H. Schleifer (ed.) 1992. The prokaryotes, 2nd ed., vol. 1:, p. vii. Springer-Verlag, New York, N.Y.

Lynn Margulis tampouco o acepta e apoia a división en dous grandes grupos, definindo aos procariotas pola súa simplicidade e aos eucariotas pola súa evolución endosimbiótica. Sostén que a maior descontinuidade existente entre todas as formas de vida presentes na Terra, é a que hai entre procariotas e eucariotas, porque a especiación, no seu maior sentido, non era posible antes da orixe e evolución dos eucariotas por simbioxénese. Hai dous metabolismos eucariotas, o heterótrofo (animais, fungos) que depende das mitocondrias, e o autótrofo (plantas, algas) que depende dos cloroplastos (aínda que tamén teña mitocondrias). Polo contrario hai máis de 20 metabolismos procariotas. Non é comprensible a bioloxía eucariota sen recoñecer a orixe bacteriana de mitocondrias e cloroplastos. O sistema de tres dominios baséase nalgúns aspectos xenéticos, pero ignora os aspectos relativos á historia da vida, estrutura xenética, ecoloxía, relacións simbióticas, morfoloxía e desenvolvemento evolutivo.Lynn Margulis & Michael J Chapman, 1982-1998-2009, "Kingdoms and Domains: An Illustrated Guide to the Phyla of Life on Earth." p53

Ernst Mayr, en 1990 e 1998 defendeu a unidade do imperio Prokaryota e sostén que a carencia ou non posesión dunha característica é tan importante en calquera clasificación coma a súa posesión, agás nos casos en que a carencia está demostrada por unha perda secundaria. Critica o sistema de tres dominios porque pensa que a evolución non é só unha cuestión de fenotipos, e resalta a complexidade e tamaño dos eucariotas.Aharon Oren & R. Thane Papke
2010. Molecular Phylogeny of Microorganisms. Caister Academic Press. p 12

Tom Cavalier-Smith sostén que a orixe dos eucariotas foi o resultado dos cambios máis radicais en estrutura celular e mecanismos de división, na historia da vida. Eukaryota é o principal exemplo da complexidade do proceso evolutivo e, sobre todo, da masiva creación de novos xenes e proteínas. O sistema de tres dominios ignorou os datos fósiles, os cales dan 900 Ma (millóns de anos) de antigüidade aos eucariotas e 3.500 Ma aos procariotas.Thomas Cavalier-Smith 2006, Cell evolution and Earth history: stasis and revolution. Phil. Trans. R. Soc. B 29 June 2006 vol. 361 no. 1470 969-1006 Ao seren os eucariotas máis próximos evolutivamente ás arqueas, dedúcese que estas últimas non son moi antigas malia o seu nome, a súa orixe estaría relacionada coa adaptación a condicións anaerobias termoacidófilas, e os metanóxenos foron probablemente responsables das superglaciacións do Proterozoico porque alteraron o equilibrio atmosférico. Segundo Cavalier-Smith, esaxerouse a diferenza entre os ARNr procariotas; e nas demais características son maiores as homoloxías.

Un estudo de 2008 que analizou 53 xenes dos tres dominios no que se incluían compoñentes esenciais da replicación, transcrición e sistemas de tradución dos ácidos nucleicos eucariotas, utilizou modelos filoxenéticos que permiten cambiar as composicións de nucleótidos ou aminoácidos nas árbores elaboradas; dando como resultado o apoio á hipótese do eocito de James Lake que postula a orixe arqueana dos eucariotas, rexeitando tanto a monofilia do grupo Archaea (que é parafilético respecto a Eucarya), como a árbore dos tres dominios da vida.Cox, Cymon J. et al 2008, The archaebacterial origin of eukaryotes Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 December 23; 105(51): 20356–20361. doi: 10.1073/pnas.0810647105 En xeral pódese dicir que a gran maioría de teorías relacionadas coa orixe eucariota, tales como a endosimbiose seriada, a hipótese do hidróxeno, a hipótese fagotrófica e outras, son incompatibles co modelo de tres dominios, o cal tería errado principalmente polo factor da atracción de ramas longas.

A rivalidade entre o sistema de tres dominios e o de dous imperios chegou a provocar un vivo debate entre biólogos, no que Woese foi atacado mesmo con epítetos como "tolo chalado" e polo outro lado os seus defensores cualificaban aos tradicionalistas de "dogmáticos" e pechados aos novos descubrimentos.Jeffrey Marlow 2013, Carl Woese, (R)evolutionary Biologist The extremo files. En calquera caso, un grande mérito de Woese e os seus colaboradores foi o descubrimento da análise xenética ribosómica, a cal permitiu estudar máis a fondo a filoxenia procariota, ata entón escorregadiza; un método que se usa agora amplamente, mesmo ata polos críticos do -polo de agora vixente- sistema de tres dominios.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Ligazóns externas 

 Woese et al 1990. "Towards a natural system of organisms: Proposal of the domains Archaea, Bacteria and Eucarya"   No sitio web do PNAS

Categoría:Taxonomía
Categoría:Filoxenia