Guillardia

Guillardia
Guillardia theta . Imágenes de tinción DAPI que muestran las células representativas de las etapas del ciclo celular en función de la localización del núcleo y la forma del cloroplasto . DIC, imágenes de contacto de interferencia diferencial ; Chl, autofluorescencia del cloroplasto ; Chl/DAPI, imágenes fusionadas de Chl y DAPI. La doble punta de flecha indica la constricción del sitio de división del cloroplasto. Barra de escala = 5 µm
Clasificación científica
Filo:	Criptista
Clase:	Criptofíceas
Orden:	Pirenomonadales
Familia:	Geminigeráceas
Género:	Guillardia D. RA Hill y R. Wetherbee
Especies:	G. theta
Nombre binomial
Guillardia theta Dra. Hill y R. Wetherbee

Guillardia es un género de algas criptomónadas marinas biflageladas con un plástido obtenido a través de la endosimbiosis secundaria de un alga roja. ^[1]

Identificada originalmente en Connecticut por Richard Guillard en la década de 1960, Guillardia solo tiene una especie descrita. ^[2] El género es raro en la naturaleza, pero se cultiva bien y ha sido estudiado con frecuencia desde su descubrimiento original. La morfología general de la célula pequeña está bien descrita y comparte muchas similitudes con otras criptomonas , aunque contiene una organización única del periplasma . ^[2] Guillardia es la única criptomona que tiene secuenciado todo su núcleo , nucleomorfo y genoma del plástido . ^{[2] [3] [4]} Este conocimiento ha impulsado más estudios sobre la transferencia de genes entre el cloroplasto, el nucleomorfo ancestral del alga roja y el núcleo, ^[5] así como la regulación de la expresión de genes fotosintéticos ^[6] y del ciclo celular dentro del plástido. ^[7] El género también es importante en la investigación en todas las disciplinas biológicas; Guillardia sirve como organismo modelo en el estudio de la endosimbiosis secundaria y la fotosíntesis en criptomonas debido a su facilidad de cultivo y genoma secuenciado . ^[8] También se han aislado dos canalrodopsinas aniónicas de Guillardia theta para aplicaciones de investigación neurobiológica como inhibidores optogenéticos . ^[9]

Originalmente, este género se conocía como “especie Cryptomonas theta” o “Flagellate theta”. ^{[2] [4]} Luego, Hill y Weatherbee lo llamaron Guillardia en honor al Dr. Robert Guillard, el investigador que originalmente aisló el género. ^[2]

Especie tipo : Guillardia theta . ^[10]

La criptomonad Guillardia theta fue aislada por primera vez por el Dr. Robert Guillard en Connecticut en 1963, donde la definió como "theta flagelada" en un simposio sobre las fuentes orgánicas de nitrógeno en diatomeas marinas. ^[2] Desde entonces, el organismo ha sido cultivado con éxito muchas veces. Cuando se lo denominó Cryptomonas theta a principios de la década de 1980, se describieron los flagelos y un periplasto único. ^{[11] [12]} Después de estos estudios, se cartografió el genoma del plástido ^[13] y Hill y Weatherbee nombraron y caracterizaron el género en 1990, ^[2] antes de que el genoma del plástido se secuenciara por completo en 1999, ^[3] confirmando la ascendencia común del plástido con las algas rojas . Desde estos estudios originales, se han identificado muchos otros aspectos de este organismo, incluidos los mecanismos de división de nucleomorfos y plástidos y su regulación, ^[14] y pigmentos fotosintéticos , ^[15] mecanismos y regulación. ^[6] Debido a que crece tan bien en cultivo, Guillardia theta también se utiliza con frecuencia como organismo modelo en estudios modernos que investigan las características de las criptomonas .

En la naturaleza, Guillardia theta es un organismo marino planctónico poco común , y la mayoría de los estudios se han realizado a partir de cultivos. El género se aisló originalmente en Milford Harbor en Connecticut, y solo se ha encontrado en otra ubicación en Dinamarca desde su descubrimiento original. ^[2] Milford Harbor incluye muchas áreas discretas como estuarios , marismas , cuencas marinas, puertos deportivos, playas, pantanos y costas que brindan hábitats a una variedad de organismos diferentes. ^[16] Aunque no se registró la ubicación precisa del aislamiento, se cree que el género prolifera como fitoplancton en las aguas tranquilas de la cuenca marina. ^[1]

A. Larsen es el único otro investigador que ha identificado Guillardia en estado salvaje en el mar de Wadden, en Dinamarca. Sin embargo, esto solo se reveló a través de un comunicado personal con Hill y Weatherbee, y nunca se publicó. ^[2]   Otro hábitat marino del norte, el mar de Wadden, consiste en una aglomeración de bancos de arena que proporcionan hábitats de estuario , agua abierta, pantanos y playas de arena a los ecosistemas locales. ^[17]

Como el género es relativamente raro en la naturaleza, su papel en los ecosistemas no se entiende bien. Guillardia es un fitoplancton fotosintético con dos plástidos , lo que indica un papel en la producción primaria dentro del sistema. ^[1] Además, los ciliados son depredadores conocidos del género en cultivo, lo que sugiere el papel de Guillardia como presa dentro de los sistemas acuáticos. Mesodinium pulex , un ciliado fagotrófico bien estudiado común en ambientes marinos, salobres y de agua dulce , ingirió y creció en cultivos de Guillardia theta . ^[18]

La morfología del género Guillardia está bien descrita. La célula es aplanada dorsoventralmente y mide aproximadamente 7-11 μm de largo. ^[2] Como miembro de las criptomonas , tiene un esófago anterior y contiene un núcleo con nucléolo , un plástido de doble lóbulo y cuatro membranas con pirenoide , un nucleomorfo estrechamente asociado con el plástido, mitocondrias , aparato de Golgi asociado con dos flagelos , depósitos de almidón y eyectosomas en el esófago y el periplasto . ^[1] La estructura del periplasma , una capa de láminas delgadas compuestas de placas irregulares hechas de subunidades cristalinas, es una característica definitoria del género. El periplasma interno de Guillardia consiste en una sola lámina adyacente a la membrana plasmática, mientras que el periplasma interno de otras criptomonas está hecho de placas de forma uniforme. ^[1] En ambos tipos de periplasma, los eyectosomas periféricos se encuentran debajo del periplasma en vesículas y un material no cristalino separa el periplasma de la membrana plasmática. ^{[1] [2]}

Los eyectosomas en Guillardia y otras criptomonas se utilizan principalmente para la defensa y la evasión, y recubren el esófago de la célula. En Guillardia , hebras alargadas desiguales se encuentran dentro de vesículas , mientras que la longitud de las hebras varía entre otros géneros de criptomonas. La longitud de las hebras varía de 200 nm a 3,6 μm. En respuesta a factores estresantes externos como cambios rápidos de pH , cambios de osmolaridad o cambios de intensidad de la luz , las espirales salen disparadas de sus vesículas en el entorno circundante. El impacto de las hebras de eyectosomas con un objeto, como otro organismo, provoca el movimiento desigual hacia atrás de Guillardia para evadir a los depredadores. ^[8]

El plástido en Guillardia surgió de un evento de endosimbiosis secundaria de una célula de alga roja . Al igual que otras criptomonas, Guillardia es clave para comprender la endosimbiosis secundaria, ya que retiene el núcleo del endosimbionte de algas en forma de nucleomorfo dentro de un compartimento periplastidial y cuatro membranas que rodean el complejo plastidial. ^[1] Se plantea la hipótesis de que la membrana más externa es un remanente de la vesícula fagocítica ancestral y es continua con el retículo endoplasmático de Guillardia . También se plantea la hipótesis de que el pequeño citoplasma periplastidial retiene componentes de su citoesqueleto , debido a los genes de tubulina localizados en el nucleomorfo . ^[19] Si bien muchas proteínas plastidiales permanecen en el nucleomorfo, las que experimentaron una transferencia de genes endosimbióticos al núcleo del huésped se dirigen de regreso a través de la membrana más externa mediante una translocación cotraduccional con una secuencia de señal N-terminal bipartita . ^{[2] [7]} Cada membrana posterior que atraviesa la proteína conserva mecanismos de translocación únicos. También se encuentran dentro del plástido ribosomas eucariotas y un pirenoide lleno de gránulos de almidón, donde se produce la fijación de CO ₂ a través de la enzima RUBISCO . ^[1]

Al igual que otras criptomonas, los pigmentos de recolección de luz de los cloroplastos plastidiales son ficobiliproteínas y proteínas de unión a la clorofila a/c , homólogas a las que se encuentran en los linajes de algas rojas. A diferencia de las algas rojas, la antena de ficobiliproteína en Guillardia se localiza en los lúmenes tilacoides como pequeños complejos proteicos solubles, en lugar de la gran antena asociada con las membranas tilacoides características de la fotosíntesis de las algas . ^[15] Los mecanismos utilizados para controlar los pigmentos fotosintéticos en Guillardia varían según la etapa de crecimiento. En las etapas de crecimiento logarítmico, Guillardia utiliza transiciones de estado para modular las entradas de energía, mientras que en la fase de crecimiento estacionario, la célula utiliza un apagado no fotoquímico , un mecanismo para proteger a las plantas y algas de la alta intensidad de la luz. ^[7] No está claro por qué los dos mecanismos de regulación de la entrada de energía se diferencian en las diferentes fases de crecimiento de Guillardia .

La motilidad se produce principalmente a través de dos flagelos asimétricos , el más largo sobresale anteriormente del esófago, mientras que el flagelo más corto apunta a la parte posterior de la célula. ^[1] Un sistema de rizostilo y raicillas también contribuyen a la motilidad de Guillardia . ^[11] Curiosamente, los mecanismos de fotaxis de Guillardia theta que incorporan canalrodopsinas aniónicas para iniciar una respuesta de movimiento se han utilizado en aplicaciones de neurociencia como inhibidores optogenéticos . ^[9]

Para dividirse asexualmente de forma adecuada , Guillardia debe replicar su célula, así como el nucleomorfo y el cloroplasto del plástido. ^[1] El género se divide a través de la mitosis y nunca se ha observado que se divida sexualmente ; sin embargo, se han encontrado genes relacionados con la meiosis en el núcleo, lo que sugiere que tiene la capacidad de hacerlo. ^[5] La mitosis en Guillardia comienza después de la división del plástido, con la formación de husos mitóticos y el inicio de la división del cuerpo basal y los flagelos . Como muchos otros protistos flagelados, ambos flagelos preexistentes se convierten en el flagelo de locomoción hijo, mientras que los nuevos cuerpos basales se convierten en el flagelo posterior a través de la transformación flagelar. A través de la metafase , una placa de cromatina con túneles resulta de la disolución de la membrana nuclear. Durante la anafase , los husos de microtúbulos pasan a través de los túneles de la placa y se adhieren a la cromatina, dividiendo la placa en dos. ^[1] Los restos de la membrana nuclear también parecen bordear el huso mitótico y permanecer en contacto con el retículo endoplásmico durante toda la mitosis. ^[14] La citocinesis ocurre en Guillardia durante la metafase y la anafase, con una fina capa de materiales amorfos en lugar de estructuras de microtúbulos. ^[1]

La división plastidial ocurre antes de la división flagelar en la preprofase , y tanto la división del nucleomorfo como la del cloroplasto ocurren una vez por ciclo celular de Guillardia . ^[1] La división del plastidio ocurre a través de la constricción del puente dorsal que conecta los dos lóbulos del plastidio. Antes de completar la división del cloroplasto, el nucleomorfo se divide invaginando las membranas interna y externa del nucleomorfo. ^[14] La sincronización de la división del cloroplasto, el nucleomorfo y la célula huésped es vital para la evolución del endosimbionte de algas rojas en un orgánulo. El ARNm HISTONE H2A del nucleomorfo codificado por el núcleo se acumula durante la fase S, mientras que los genes codificados por el nucleomorfo que regulan la replicación y la división del nucleomorfo se expresan constantemente. ^[6] Esto sugiere que el endosimbionte perdió la capacidad de regular la transcripción dependiente del ciclo de replicación , pero el control de los genes dependientes del ciclo celular del núcleo del huésped regula la replicación y la división del nucleomorfo y el cloroplasto.

Guillardia theta fue la primera criptomona con un genoma secuenciado completo . Su núcleo es haploide , con un nucleomorfo tetraploide y mitocondrias y plástidos con un alto número de copias. ^[20] Desde la secuenciación original, el genoma del plástido y del nucleomorfo también se ha secuenciado y mapeado para comprender mejor la ascendencia algal del plástido y la historia taxonómica del género. ^[1]   El genoma nuclear tiene un tamaño aproximado de 87 mega pares de bases y codifica 21 000 proteínas predichas, de las cuales el 57 % es completamente único y no se conocen homólogos en otros organismos. ^{[1] [5]} El genoma contiene casi todas las características distintivas de la complejidad eucariota , incluido el sistema de endomembranas , la transcripción , el procesamiento y la traducción del ARN , la modificación postraduccional, el recambio de proteínas y los genes del citoesqueleto . También se descubrió que el genoma nuclear de Guillardia tenía muchos intrones espliceosomales y una gran familia de supuestas tirosina quinasas . De los 7451 genes del núcleo de Guillardia , se determinó que 508 se originaron en linajes de algas. ^[5] A pesar de que los datos sugieren que la mayoría de estos genes se originan en linajes de algas verdes , esta comparación no es confiable ya que muchas bases de datos del genoma tienden a estar sesgadas hacia los genes de las algas verdes. ^{[1] [5]}

La secuenciación del nucleomorfo revela un genoma relativamente pequeño con 487 genes proteicos, pocos genes de mantenimiento y solo 31 genes dirigidos al plástido. ^[5] Está claro que el nucleomorfo se ha reducido significativamente en tamaño y depende casi por completo de la orientación de las proteínas al complejo periplastidial. El genoma nuclear del huésped codifica proteínas asociadas a la transcripción que presumiblemente actúan para regular la expresión génica en el nucleomorfo, así como proteínas de replicación de ADN y proteínas quinasas asociadas con la replicación celular . ^{[1] [5] [8]} La transferencia de estos genes al genoma del huésped muestra claramente la pérdida de autosuficiencia del endosimbionte del plástido. Sin embargo, la secuenciación completa de los genomas nucleares y nucleomorfos indica que a lo largo de la transferencia de genes del endosimbionte, las proteínas a menudo asumen nuevas funciones y ocupan diferentes compartimentos, por lo que la función no se puede determinar en función de la historia evolutiva. El genoma de Guillardia contiene un alto nivel de mosaicismo con genes derivados del núcleo huésped, nucleomorfos, plástidos y otras proteínas derivadas de algas extrañas. ^[5]

El genoma del plástido de Guillardia theta también fue el primer plástido de un organismo que contiene nucleomorfos en ser mapeado físicamente y secuenciado para dilucidar el origen endosimbiótico del plástido. ^{[5] [1]} El genoma consta de 121 pares de bases kilo, de los cuales 4 kbp codifican los dos cistrones de ARNr para la producción ribosomal. En las regiones codificantes, 46 genes son para la fotosíntesis, 10 genes son genes biosintéticos, de replicación y división, 44 codifican  proteínas ribosomales y 7 están involucrados en la transcripción y traducción. ^[3] Algunos genes se superponen y no hay intrones contenidos dentro del genoma, lo que lo hace bastante compacto. ^[13] Además, hay muchos genes policistrónicos que son idénticos a los identificados en el plástido de un alga roja, Porphyra purpurea . ^[3] Esto sugiere la ascendencia común del plástido tanto en Guillardia como en Porphyra .

Guillardia se ha utilizado con frecuencia como criptomonas modelo para la genómica de endosimbiontes de algas y muchos otros estudios sobre criptomonas. Debido a que el género se cultiva tan bien, fue la primera criptomona en tener su genoma nuclear, nucleomorfo y plástido secuenciado en su totalidad. ^[1] La información obtenida de estos datos ayudó a dilucidar los mecanismos de endosimbiosis secundaria presentes en linajes de protistas que contienen plástidos de algas rojas endosimbióticos . ^[3] Además de la secuenciación molecular, los mecanismos de replicación y los mecanismos fotosintéticos incorporados en el plástido de los organismos Guillardia se han estudiado en profundidad como modelo para otras especies de criptofitas. El género también se utilizó como modelo para estudiar la síntesis de almidón del periplasto en criptofitas, demostrando que el periplasto de Guillardia theta utiliza una vía basada en UDP-glucosa para sintetizar almidón. ^[21]

Además, se ha descubierto que las proteínas canalrodopsina aniónica de Guillardia theta inducen la hiperpolarización neuronal en ensayos optogenéticos . ^[9] Las canalrodopsinas son canales aniónicos controlados por luz que inducen el movimiento flagelar hacia fuentes de luz en algas. En estudios humanos, las canalrodopsinas aniónicas se pueden utilizar para inducir la hiperpolarización impulsada por cloruro, silenciando neuronas específicas en puntos de tiempo específicos. ^[22] Esto permite a los neurocientíficos estudiar los circuitos neuronales mediante la fotosupresión de neuronas específicas. Antes del descubrimiento de las canalrodopsinas aniónicas en Guillardia , los métodos para el silenciamiento optogenético de neuronas eran menos efectivos y precisos. Si bien este descubrimiento sigue siendo increíblemente útil para la investigación en neurociencia, investigaciones posteriores demostraron que una canalrodopsina aniónica de Rhodomonas salina tiene un tiempo de respuesta reducido entre la estimulación y la apertura del canal. ^[22] Como tal, las canalrodopsinas de Guillardia ya no se utilizan con tanta frecuencia para ensayos de neurociencia.

Además, se ha utilizado como presa para el cultivo y estudio de otros organismos, como los ciliados de Mesodinium . ^{[8] [18]}