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El llamado ADN basura juega un papel fundamental en el desarrollo de los mamíferos

El llamado ADN basura juega un papel fundamental en el desarrollo de los mamíferos
Los elementos virales llamados transposones han invadido los genomas de los mamíferos durante millones de años y actualmente constituyen casi la mitad del ADN en los genomas de todos los mamíferos vivos. La imagen muestra integraciones de transposones específicas de especies como eventos únicos en la historia evolutiva de cada especie. Crédito: UC Berkeley / Kerry Lin

Casi la mitad de nuestro ADN ha sido descartado como basura, los descartes de la evolución: genes marginados o rotos, virus que se atascaron en nuestro genoma y fueron desmembrados o silenciados, ninguno de ellos relevante para el organismo humano o la evolución humana.


por la Universidad de California – Berkeley


Pero las investigaciones realizadas durante la última década han demostrado que parte de esta «materia oscura» genética tiene una función, principalmente en la regulación de la expresión de los genes del huésped, un mero 2% de nuestro genoma total, que codifican proteínas. Los biólogos continúan debatiendo, sin embargo, si estas secuencias reguladoras de ADN juegan un papel esencial o perjudicial en el cuerpo o son meramente incidentales, un accidente sin el cual el organismo puede vivir.

Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Washington exploró la función de un componente de este ADN basura, los transposones, que son secuencias de ADN egoístas capaces de invadir su genoma huésped. El estudio muestra que al menos una familia de transposones, virus antiguos que han invadido nuestro genoma por millones, desempeña un papel fundamental en la viabilidad del ratón y quizás de todos los mamíferos. Cuando los investigadores eliminaron un transposón específico en ratones, la mitad de sus crías murieron antes del nacimiento.

Este es el primer ejemplo de un fragmento de «ADN basura» que es fundamental para la supervivencia de los mamíferos.

En ratones, este transposón regula la proliferación de células en el embrión fecundado temprano y el momento de la implantación en el útero de la madre. Los investigadores observaron otras siete especies de mamíferos, incluidos los humanos, y también encontraron elementos reguladores derivados de virus relacionados con la proliferación celular y el momento de la implantación del embrión, lo que sugiere que el ADN viral antiguo se ha domesticado de forma independiente para desempeñar un papel crucial en el desarrollo embrionario temprano en todos. mamíferos.

Según el autor principal Lin He, profesor de biología molecular y celular de UC Berkeley, los hallazgos destacan un impulsor de la evolución a menudo ignorado: los virus que se integran en nuestro genoma y se reutilizan como reguladores de los genes del huésped, lo que abre opciones evolutivas que antes no estaban disponibles.

«El ratón y los humanos comparten el 99% de los genes que codifican proteínas en sus genomas; somos muy similares entre nosotros», dijo. «Entonces, ¿qué constituye las diferencias entre ratones y humanos? Una de las principales diferencias es la regulación genética: los ratones y los humanos tienen los mismos genes, pero pueden regularse de manera diferente. Los transposones tienen la capacidad de generar mucha diversidad de regulación genética y podrían ayúdanos a comprender las diferencias específicas de las especies en el mundo «.

El colega y coautor principal Ting Wang, profesor distinguido de medicina de Sanford y Karen Loewentheil en el Departamento de Genética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, está de acuerdo.

«El significado real de esta historia es que nos dice cómo funciona la evolución de la manera más inesperada posible», dijo Wang. «Los transposones se consideraron durante mucho tiempo material genético inútil, pero constituyen una gran parte del genoma de los mamíferos. Muchos estudios interesantes ilustran que los transposones son una fuerza impulsora de la evolución del genoma humano. Sin embargo, este es el primer ejemplo que conozco donde la eliminación de un fragmento de ADN basura conduce a un fenotipo letal, lo que demuestra que la función de transposones específicos puede ser esencial «.

El hallazgo podría tener implicaciones para la infertilidad humana. Según el primer autor Andrew Modzelewski, becario postdoctoral de UC Berkeley, casi la mitad de todos los abortos espontáneos en humanos no se diagnostican o no tienen un componente genético claro. ¿Podrían estar involucrados transposones como este?

«Si el 50% de nuestro genoma no codifica o es repetitivo, esta materia oscura, es muy tentador preguntarse si la reproducción humana y las causas de la infertilidad humana pueden explicarse por secuencias de ADN basura», dijo.

Implantación de embriones

Él, el Profesor Distinguido de la Cátedra Thomas y Stacey Siebel en UC Berkeley, estudia el 98% o más de nuestro genoma que no codifica proteínas. Durante la mayor parte de la carrera de He, se ha centrado en microARN y fragmentos más largos de ARN no codificantes, los cuales son potentes reguladores de genes. Sin embargo, hace cinco años, su equipo descubrió accidentalmente un regulador de microARN para una familia de transposones llamado MERVL (elementos retrovirales endógenos de ratón) que estaba involucrado en la determinación del destino celular de los embriones de ratón tempranos. La abundancia inesperada de la transcripción de transposones en embriones de ratón llevó al equipo de He a investigar las funciones de desarrollo de los transposones, que se han instalado en los genomas de casi todos los organismos de la Tierra.

En un artículo que aparece esta semana en la revista Cell , él y su equipo identifican el ADN regulador clave involucrado: una parte de un transposón, un promotor viral, que se ha reutilizado como promotor de un gen de ratón que produce una proteína involucrada en la célula. proliferación en el embrión en desarrollo y en el momento de la implantación del embrión. Un promotor es una secuencia corta de ADN que se necesita corriente arriba de un gen para que el gen se transcriba y exprese.

Los ratones salvajes usan este promotor de transposones, llamado MT2B2, para iniciar la transcripción del gen Cdk2ap1 específicamente en embriones tempranos para producir una «isoforma» de proteína corta que aumenta la proliferación celular en el embrión fertilizado y acelera su implantación en el útero. Usando CRISPR-EZ, una técnica simple y económica que Modzelewski y He desarrollaron hace varios años, deshabilitaron el promotor MT2B2 y encontraron que los ratones en cambio expresaban el gen Cdk2ap1 de su promotor predeterminado como una forma más larga de la proteína, una isoforma larga, que tuvo el efecto contrario: disminución de la proliferación celular y retraso en la implantación.

El resultado de este nocaut fue la muerte al nacer de aproximadamente la mitad de los cachorros.

Modzelewski dijo que la forma corta de la proteína parece producir muchos embriones del implante de ratón con un espacio regular dentro del útero, evitando el apiñamiento. Cuando se elimina el promotor de modo que solo está presente la forma larga, los embriones se implantan aparentemente al azar, algunos de ellos sobre el cuello uterino, lo que bloquea la salida del feto completamente desarrollado y, a veces, mata a la madre durante el proceso de parto.

Descubrieron que dentro de un período de 24 horas antes de la implantación del embrión, el promotor MT2B2 aumenta tanto la expresión del gen Cdk2ap1 que la forma corta de la proteína constituye el 95% de las dos isoformas presentes en los embriones. La isoforma larga se produce normalmente más tarde en la gestación cuando el promotor predeterminado corriente arriba del gen Cdk2ap1 se vuelve activo.

Trabajando con Wanqing Shao, co-primer autor del estudio y becario postdoctoral en el grupo de Wang en la Universidad de Washington, el equipo buscó a través de datos publicados sobre embriones preimplantatorios de ocho especies de mamíferos: humanos, mono rhesus, tití, ratón, cabra, vaca, cerdo y zarigüeya: para ver si los transposones se activan brevemente antes de la implantación en otras especies. Estos datos en línea provienen de una técnica llamada secuenciación de ARN de una sola célula, o scRNA-seq, que registra los niveles de ARN mensajero en células individuales, una indicación de qué genes se activan y se transcriben. En todos los casos, tuvieron que recuperar los datos sobre el ADN no codificante porque generalmente se eliminan antes del análisis, con la presunción de que no es importante.

Si bien los transposones son generalmente específicos de especies individuales (humanos y ratones, por ejemplo, tienen conjuntos muy diferentes), los investigadores encontraron que diferentes familias de transposones específicos de especies se activaron brevemente antes de la implantación en los ocho mamíferos, incluida la zarigüeya, el único mamífero en el grupo que no emplea placenta para implantar embriones en el útero.

«Lo sorprendente es que las diferentes especies tienen transposones en gran medida diferentes que se expresan en embriones de preimplantación, pero los perfiles de expresión global de estos transposones son casi idénticos entre todas las especies de mamíferos», dijo.

Su colega y coautor principal Davide Risso, ex becario postdoctoral de UC Berkeley y ahora profesor asociado de estadística en la Universidad de Padua en Italia, desarrolló un método para vincular transposones específicos a genes de preimplantación para eliminar las miles de copias de genes relacionados transposones que existen en el genoma. Este método es crucial para identificar elementos transposones individuales con importante actividad reguladora de genes.

«Es interesante notar que los datos que usamos se basaron principalmente en la tecnología de secuenciación anterior, llamada SMART-seq, que cubre la secuencia completa de las moléculas de ARN. La técnica popular actual, la tecnología genómica 10x, no nos habría mostrado el diferentes niveles de isoformas de proteínas. Son ciegos para ellos «, dijo Risso.

Los virus son reservorios evolutivos

Los investigadores encontraron que en casi todas las ocho especies de mamíferos , ocurren isoformas de Cdk2ap1 tanto cortas como largas, pero se encienden en diferentes momentos y en diferentes proporciones que se correlacionan con si los embriones se implantan temprano, como en ratones, o tarde, como en vacas. y cerdos. Por tanto, a nivel de proteínas, tanto las isoformas cortas como las largas parecen conservadas, pero sus patrones de expresión son específicos de la especie.

«Si tiene una gran cantidad de la isoforma Cdk2ap1 corta, como los ratones, se implanta muy temprano, mientras que en especies como la vaca y el cerdo, que no tienen nada o muy poco de la isoforma corta, es hasta dos semanas o más para la implantación, «Dijo Modzelewski.

Wang sospecha que el promotor que genera la forma larga de la proteína podría ser el promotor original del ratón, pero que un virus que se integró en el genoma hace mucho tiempo se adaptó más tarde como elemento regulador para producir la forma más corta y el efecto contrario.

«Entonces, lo que sucedió aquí es que entró un virus específico para roedores, y luego, de alguna manera, el anfitrión decidió,» Está bien, te usaré como mi promotor para expresar esta isoforma Cdk2ap1 más corta «. Vemos la redundancia que está incorporada en el sistema, donde podemos aprovechar cualquier cosa que nos depare la naturaleza y hacerla útil ”, dijo. «Y luego, este nuevo promotor resultó ser más fuerte que el antiguo. Creo que esto cambió fundamentalmente el fenotipo de los roedores; tal vez eso es lo que los hace crecer más rápido, un regalo de tener un tiempo de preimplantación más corto. algún beneficio físico de este virus «.

«Independientemente de lo que mires en biología, verás que se utilizan transposones, simplemente porque hay tantas secuencias», agregó Wang. «Básicamente, proporcionan un depósito evolutivo sobre el que actuar la selección».

Otros coautores del estudio son Jingqi Chen, Angus Lee, Xin Qi, Mackenzie Noon, Kristy Tjokro y Anne Biton de UC Berkeley; Terry Speed ​​del Instituto de Investigación Médica Walter y Eliza Hall en Melbourne, Australia; Aparna Anand de la Universidad de Washington y Gabriele Sales de la Universidad de Padua. El trabajo fue apoyado principalmente por el premio académico de la facultad del Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud.



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