In almost every human cell, two metres-long DNA has to fit within a nucleus that is just 8 millionths of a metre wide. Like wool around a spool, the extreme space challenge requires DNA to wrap around structural proteins called histones. This coiled genetic architecture, known as chromatin, protects DNA from damage and has a key role in gene regulation.

Histones are present in both eukaryotes, living organisms that have specialised cellular machinery such as nuclei and microtubules, and archaea, another branch of the tree of life consisting of single-celled microbes that are prokaryotic, meaning they lack a nucleus.

In eukaryotic cells, histones are modified by enzymes, continuously shapeshifting the genomic landscape to regulate gene expression and other genomic processes. Despite this fundamental role, the exact origin of chromatin has been shrouded in mystery.

Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) now reveal that nature’s storage solution first evolved in ancient microbes living on Earth between one and two billion years ago. The study is published today in the journal Nature Ecology and Evolution.

To go back in time, the researchers used information written in the genomes of modern organisms, organizing life forms according to the evolution of genes and proteins linked to chromatin. They studied thirty different species obtained from water samples in Canada and France. The microbes were identified thanks to modern gene-sequencing technologies that allow the identification of species by filtering DNA. They were subsequently grown in the lab for proteomic and genome sequencing.

The researchers found that prokaryotes lack the machinery necessary to modify histones, suggesting archaeal chromatin at the time could have played a basic structural role but did not regulate the genome. In contrast, researchers found ample evidence of proteins that read, write and erase histone modifications in early diverging eukaryotic lineages such as the malawimonad Gefionella okellyi, the ancyromonad Fabomonas tropica, or the discoban Naegleria gruberi, microbes that had not been sampled until now.

“Our results underscore that the structural and regulatory roles of chromatin are as old as eukaryotes themselves. These functions are essential for eukaryotic life — since chromatin first appeared, it’s never been lost again in any life form”, says Dr. Xavier Grau-Bové, a post-doctoral researcher at the CRG and first author of the study. “We are now a bit closer to understanding its origin, thanks to the power of comparative analyses to uncover evolutionary events that occurred billions of years ago”.

Using the sequence data, the researchers reconstructed the repertoire of genes held by the Last Eukaryotic Common Ancestor, the cell that gave rise to all eukaryotes. This living organism had dozens of histone-modifying genes and lived between one and two billion years ago on Earth, which is itself estimated to be 4.5 billion years old. The authors of the study hypothesise that chromatin evolved in this microbe as a result of selective pressures in the primordial environment of Earth.

Dr. Arnau Sebe-Pedrós, researcher at the CRG and senior author of the study, points out that “viruses and transposable elements are genome parasites that regularly attack DNA of single-celled organisms. This could have led to an evolutionary arms-race to protect the genome, resulting in the development of chromatin as a defensive mechanism in the cell that gave rise to all known eukaryotic life on Earth. Later on, these mechanisms were co-opted into elaborate gene regulation, as we observe in modern eukaryotes, particularly multicellular organisms”.

According to the authors of the study, future research could look at the evolution of histone-modifying enzymes in Asgardian archaea, microbes named after a mythological region inhabited by Norse gods that are often described as an evolutionary stepping stone between archaea and eukaryotes. The researchers found evidence that some species of Asgardian microbes, such as Lokiarchaeota, have histones with eukaryotic-like features, and could be the result of convergent evolution.

The study is the result of a research project that started eight years ago. Led by researchers at the CRG, the work counts on the collaboration of the CRG-UPF Proteomics Unit, the Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF), Université Paris-Saclay, Université de Montreal and the University of Vienna.

Reference

“A phylogenetic and proteomic reconstruction of eukaryotic chromatin evolution”. Nature Ecology and Evolution. DOI: https://doi.org/10.1038/s41559-022-01771-6. Once your paper has been published online, it will be available at the following URL: https://www.nature.com/articles/s41559-022-01771-6

Funding acknowledgements

This work was supported by the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme Grant Agreement (851647), the Spanish Ministry of Science and Innovation (PGC2018-098210-A-I00), the Centro de Excelencia Severo Ochoa scheme (SEV-2016-0571), and the Spanish Agencia Estatal de Investigacion.

EN ESPAÑOL

La cromatina se originó en antiguos microbios hace entre uno y dos mil millones de años

Los análisis de genómica y proteómica revelan que el rol regulatorio de la cromatina es una innovación eucariótica

En casi cada célula humana, los dos metros de ADN deben acomodarse en un núcleo que es sólo 8 millonésimas partes de un metro. Como la lana en una madeja, este reto extremo de espacio requiere que el ADN se envuelva alrededor de unas proteínas estructurales denominadas histonas. Esta arquitectura genética en espiral, conocida como cromatina, protege al ADN de potenciales daños y tiene un papel clave en la regulación génica.

Las histonas están presentes tanto en los eucariotas, organismos vivos que poseen una maquinaria celular especializada como núcleos y microtúbulos; y las arqueas, otra rama del árbol de la vida, compuestas de microbios unicelulares que son procarióticos, lo que implica que no tienen núcleo.

En las células eucarióticas, las histonas están modificadas por enzimas, que cambian continuamente el paisaje genómico para regular la expresión génica y otros procesos genómicos. A pesar de este rol fundamental, el origen exacto de la cromatina ha estado rodeado de misterio.

Un equipo científico en el Centro de Regulación Genómica (CRG) revela ahora que esta solución de almacenamiento de la naturaleza evolucionó primero en antiguos microbios que vivieron en la Tierra hace entre uno y dos mil millones de años. El estudio se publica hoy en la revista Nature Ecology and Evolution.

Para ir atrás en el tiempo, el equipo investigador usó información escrita en los genomas de organismos modernos, que organizan formas de vida según la evolución de genes y proteínas vinculadas a la cromatina. Estudiaron treinta especies diferentes obtenidas de muestras de agua en Canadá y Francia. Los microbios fueron identificados gracias a tecnologías modernas de secuenciación de genes que permiten la identificación de especies filtrando su ADN. A partir de ahí fueron cultivadas en el laboratorio para su secuenciación proteómica y genómica.

El equipo científico descubrió que los procariotas carecen de la maquinaria necesaria para modificar histonas, lo que sugiere que antiguamente la cromatina de las arqueas pudo haber jugado un papel estructural básico, aunque no regulaba el genoma. En contraste, los científicos descubrieron suficientes pruebas sobre proteínas que leían, escribían y borraban modificaciones de las histonas en linajes tempranos divergentes de eucariotas, tales como el Malawimonadea Gefionella okellyi, el Ancyromonadida Fabomonas tropica, o el Discoba Naegleria gruberi, microbios que no habían sido muestreados hasta ahora.

“Nuestros resultados enfatizan que los roles estructurales y regulatorios de la cromatina son tan antiguos como los propios eucariotas. Estas funciones son esenciales para la vida eucariótica –desde que apareció la cromatina por primera vez, nunca se ha vuelto a perder en ninguna forma de vida”, dice el Dr. Xavier Grau-Bové, investigador postdoctoral en el CRG y primer autor del estudio. “Ahora estamos un poquito más cerca de comprender su origen, gracias al poder de los análisis comparativos para descubrir episodios evolutivos que ocurrieron hace miles de millones de años”.

Mediante los datos secuenciados, el equipo científico reconstruyó el repertorio de genes del último ancestro común de los eucariotas (LECA, las siglas en inglés de Last Eukaryotic Common Ancestor), la célula que dio origen a todos los eucariotas. Este organismo vivo posee docenas de genes que modifican histonas y vivió hace entre uno y dos mil millones de años en la Tierra, la cual se estima que tiene unos 4.500 millones de años. Los autores del estudio sostienen la hipótesis que la cromatina evolucionó en este microbio como resultado de presiones selectivas en el entorno primordial de la Tierra.

El Dr. Arnau Sebé-Pedrós, investigador en el CRG y autor sénior del estudio, subraya que “los virus y elementos que pueden trasponerse son parásitos del genoma que atacan regularmente el ADN de organismos unicelulares. Esto pudo haber llevado a una carrera armamentística evolutiva para proteger el genoma, lo que resultó en el desarrollo de la cromatina como un mecanismo de defensa en la célula que dio origen a toda la vida eucariótica conocida en la Tierra. Más tarde, estos mecanismos fueron incorporados en la regulación génica compleja, tal y como observamos en los eucariotas modernos, especialmente en organismos multicelulares”.

Según los autores del estudio, los próximos estudios podrían investigar sobre la evolución de las enzimas que modifican histonas en arqueas Asgardianas, microbios que reciben su nombre por la región mitológica habitada por los dioses Norse, y que a menudo son descritos como un trampolín evolutivo entre las arqueas y los eucariotas. Los investigadores encontraron pruebas de que algunas especies de microbios Asgardianos, como el Lokiarchaeota, poseen histonas con rasgos similares a los eucariotas, lo que podría ser el resultado de la evolución convergente.

El estudio es el resultado de un proyecto de investigación que comenzó hace ocho años. Liderado por un equipo científico en el CRG, el trabajo cuenta con la colaboración de la Unidad de Proteómica CRG/UPF, el Instituto de Biología Evolutiva (CSIC-UPF), la Universidad Paris-Saclay, la Universidad de Montreal y la Universidad de Viena.

Referencia

“A phylogenetic and proteomic reconstruction of eukaryotic chromatin evolution”. Nature Ecology and Evolution. DOI: https://doi.org/10.1038/s41559-022-01771-6. Una vez se haya publicado el artículo online, estará disponible en esta URL: https://www.nature.com/articles/s41559-022-01771-6

Financiación

Este estudio está financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), bajo el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (convenio de la ayuda 851647), el Ministerio de Ciencia e Innovación (PGC2018-098210-A-I00), el esquema Centro de Excelencia Severo Ochoa (SEV-2016-0571), y la Agencia Estatal de Investigación.

EN CATALÀ

La cromatina s’originà en antics microbis fa entre un i dos mil milions d’anys

Les anàlisis de genòmica i proteòmica revelen que el rol regulador de la cromatina és una innovació eucariòtica

En gairebé cada cèl·lula humana, els dos metres d’ADN han d’acomodar-se en un nucli que és només 8 milionèsimes parts d’un metre. Com la llana en un cabdell, aquest repte extrem d’espai requereix que l’ADN s’emboliqui al voltant d’unes proteïnes estructurals denominades histones. Aquesta arquitectura genètica en espiral, coneguda com a cromatina, protegeix l’ADN de potencials danys i té un paper clau en la regulació gènica.

Les histones estan presents tant en els eucariotes, organismes vius que posseeixen una maquinària especialitzada com ara nuclis i microtúbuls; i els arqueus, una altra branca de l’arbre de la vida, compostos de microbis unicel·lulars que són procariòtics, fet que implica que no tenen nucli.

En les cèl·lules eucariòtiques, les histones estan modificades per enzims, que canvien contínuament el paisatge genòmic per a regular l’expressió gènica i d’altres processos genòmics. Tot i aquest rol fonamental, l’origen exacte de la cromatina ha estat rodejat de misteri.

Un equip científic al Centre de Regulació Genòmica (CRG) revela ara que aquesta solució d’emmagatzematge de la natura evolucionà primer en antics microbis que visqueren a la Terra fa entre un i dos mil milions d’anys. L’estudi es publica avui a la revista Nature Ecology and Evolution.

Per anar enrere en el temps, l’equip investigador emprà informació escrita en els genomes d’organismes moderns, que organitzen formes de vida segons l’evolució de gens i proteïnes vinculades a la cromatina. Estudiaren trenta espècies diferents obtingudes de mostres d’aigua a Canadà i França. Els microbis foren identificats gràcies a tecnologies modernes de seqüenciació de gens que permeten la identificació d’espècies filtrant el seu ADN. A partir d’aquí, es van cultivar al laboratori per a la seva seqüenciació proteòmica i genòmica.

L’equip científic descobrí que als procariotes els manca la maquinària necessària per a modificar histones, el que suggereix que antigament la cromatina dels arqueus podria haver jugat un paper estructural bàsic, tot i que no regulava el genoma. En  contrast, els científics descobriren proves suficients sobre proteïnes que llegien, escrivien i esborraven modificacions de les histones en llinatges primerencs divergents d’eucariotes, tals com el  Malawimonadea Gefionella okellyi, l’Ancyromonadida
Fabomonas tropica, o el Discoba Naegleria gruberi, microbis que no havien estat mostrejats fins ara.

“Els nostres resultats emfatitzen que els rols estructurals i reguladors de la cromatina són tan antics com els propis eucariotes. Aquestes funcions són essencials per a la vida eucariòtica –des de que aparegué la cromatina per primer cop, mai s’ha tornat a perdre en cap forma de vida”, diu el Dr. Xavier Grau-Bové, investigador postdoctoral al CRG i primer autor de l’estudi. “ara estem una miqueta més a prop de comprendre el seu origen, gràcies al poder de les anàlisis comparatives per a descobrir episodis evolutius que ocorregueren fa milers de milions d’anys”.

Mitjançant les dades seqüenciades, l’equip científic reconstruí el repertori de gens del darrer ancestre comú dels eucariotes (LECA, les sigles en anglès de Last Eukaryotic Common Ancestor), la cèl·lula que donà origen a tots els eucariotes. Aquest organisme viu posseeix dotzenes de gens que modifiquen histones i visqué fa entre un i dos mil milions d’any a la Terra, la qual s’estima que té uns 4.500 milions d’anys. Els autors de l’estudi sostenen la hipòtesi que la cromatina evolucionà en aquest microbi com a resultat de pressions selectives en l’entorn primordial de la Terra.

El Dr. Arnau Sebé-Pedrós, investigador al CRG i autor sènior de l’estudi, subratlla que “els virus i elements que puguin transposar-se són paràsits del genoma que ataquen regularment l’ADN d’organismes unicel·lulars. Això podria haver conduït a una carrera armamentista evolutiva per a protegir el genoma, fet que resultà en el desenvolupament de la cromatina com a un mecanisme de defensa a la cèl·lula que originà tota la vida eucariòtica coneguda a la Terra. Més tard, aquests mecanismes foren incorporats en la regulació gènica complexa, tal i com observem en els eucariotes moderns, especialment en organismes multicel·lulars”.

Segons els autors de l’estudi, els propers estudis podrien investigar sobre l’evolució dels enzims que modifiquen histones en arqueus Asgardians, microbis que reben el seu nom per la regió mitològica habitada pels deus Norse, i que sovint són descrits com a trampolí evolutiu entre els arqueus i els eucariotes. Els investigadors trobaren proves que mostren que algunes espècies de microbis Asgardians, com el Lokiarchaeota, posseeixen histones amb trets similars als eucariotes, el que podria ser el resultat de l’evolució convergent.

L’estudi és el resultat d’un projecte de recerca que començà fa vuit anys. Liderat per un equip científic al CRG, el treball compta amb la col·laboració de la Unitat de Proteòmica CRG/UPF, l’Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF), la Universitat Paris-Saclay, la Universitat de Montreal i la Universitat de Viena.

Referència

“A phylogenetic and proteomic reconstruction of eukaryotic chromatin evolution”. Nature Ecology and Evolution. DOI: https://doi.org/10.1038/s41559-022-01771-6. Un cop s’hagi publicat l’article online, estarà publicat en aquesta URL: https://www.nature.com/articles/s41559-022-01771-6

Finançament

Aquest estudi està finançat pel Consell Europeu de Recerca (ERC), sota el Programa de Recerca i Innovació Horitzó 2020 de la Unió Europea (conveni de l’ajut 851647), el Ministerio de Ciencia e Innovación (PGC2018-098210-A-I00), l’esquema Centro de Excelencia Severo Ochoa (SEV-2016-0571), i la Agencia Estatal de Investigación.