Las variantes genéticas que pueden actuar como interruptores que dirigen los cambios estructurales en las moléculas de ARN que codifican las proteínas en las plantas se han validado experimentalmente en plantas por primera vez.
por Sam Sholtis, Universidad Estatal de Pensilvania
Los cambios en la estructura del ARN pueden afectar la estabilidad de la molécula, cómo interactúa con otras moléculas y qué tan eficientemente puede traducirse en proteína, todo lo cual puede afectar su función y las características de la planta. Estos cambios genéticos podrían ser un mecanismo genético importante que permitió que las plantas se adaptaran a sus microclimas en el pasado y podrían ser vitales para la adaptación futura y el desarrollo de cultivos resistentes a medida que los climas continúan cambiando.
Un artículo que describe la investigación, dirigido por científicos de Penn State, aparece en la revista Genome Biology .
«Las proteínas, que son una de las principales moléculas estructurales y funcionales de la vida, están codificadas por el ARN, que a su vez está codificado por el ADN», dijo Sarah M. Assmann, profesora de biología de Waller en Penn State y líder del equipo de investigación. . «Por lo tanto, los cambios en la secuencia de ADN pueden conducir a cambios en las proteínas a través de un intermediario de ARN, pero no todos los cambios de ADN afectan a la proteína. Recientemente, las variantes genéticas que no necesariamente cambian la proteína codificada, sino que alteran el plegamiento del ARN, se han asociado con enfermedad humana. Nos propusimos determinar si existían mecanismos similares en las plantas y si podrían depender de variables ambientales».
El ADN es una molécula de doble cadena: se asemeja a una escalera retorcida, con los rieles laterales que representan las dos cadenas y los peldaños que representan los enlaces que las mantienen unidas. El ARN, por otro lado, es monocatenario: imagina la escalera cortada por la mitad por la mitad de los peldaños. Sin embargo, el ARN monocatenario generalmente no es solo una molécula larga y lineal. Se pliega sobre sí mismo formando secciones cortas de doble cadena entre bucles y burbujas de ARN monocatenario. Esta estructura plegada secundaria está determinada por la secuencia de ARN junto con el microambiente celular y es importante para la función del ARN.
Por lo tanto, la estructura plegada de una molécula de ARN puede verse alterada por variantes genéticas conocidas como «polimorfismos de un solo nucleótido» o SNP, lugares en el genoma donde una sola letra en el alfabeto de ADN difiere entre dos o más individuos o grupos. Estos SNP que alteran la estructura del ARN se conocen como «riboSNitches», que combinan «ribo» de la R en el ARN, «SNP» e «interruptores».
«Estudiamos Arabidopsis, un organismo modelo para la biología vegetal», dijo Ángel Ferrero-Serrano, profesor asistente de investigación de biología en Penn State y primer autor del artículo. «Durante la última década, el advenimiento de tecnologías de alto rendimiento está generando grandes cantidades de datos genéticos y descripciones físicas de las variedades de Arabidopsis recolectadas en el área de distribución nativa de la especie. Se ha secuenciado el genoma completo de especímenes de Arabidopsis de lugares de todo el mundo. Recientemente, desarrollamos un conjunto de herramientas informáticas, CLIMtools, que nos permite determinar las asociaciones entre la variación genética en el ADN de las variedades de Arabidopsis recolectadas dentro de su rango nativo y un gran conjunto de variables climáticas que definen los entornos locales de esas variedades.
El equipo tomó el conjunto de SNP asociados con los cambios de temperatura y lo redujo aún más buscando SNP que también estuvieran asociados con cambios en la abundancia de ARN, que a menudo resultan de cambios en el plegamiento del ARN. Luego aplicaron un algoritmo de estructura de ARN para ver si se predijo que alguno de los SNP conduciría a cambios estructurales y eligieron dos genes para validarlos experimentalmente.
«Probamos la estabilidad de moléculas cortas de ARN sintético que incluyen los riboSNitches potenciales en comparación con la secuencia de referencia estándar de ese mismo tramo de ARN, en un rango de temperaturas», dijo Ferrero-Serrano. «Según nuestros experimentos, los SNP en ambos genes parecen actuar como riboSNitches, uno de los cuales altera en particular la estabilidad de la estructura del ARN de una manera dependiente de la temperatura. Sugerimos el término ‘riboSNitches condicionales’ para denotar riboSNitches que dependen de variables ambientales».
Habiendo demostrado experimentalmente la existencia de riboSNitches en Arabidopsis, el equipo realizó un estudio computacional masivo para predecir posibles riboSNitches en los genomas de cientos de diferentes variedades de Arabidopsis secuenciadas. De más de 3,8 millones de SNP que se evaluaron, más de un millón, o alrededor del 27 %, tienen el potencial de actuar como riboSNitches.
«Las plantas no pueden moverse, por lo que la adaptación a su entorno local promueve la supervivencia», dijo Assmann. «Ahora sabemos que los riboSNitches son otra flecha en el carcaj de las herramientas genéticas disponibles para las plantas para esa adaptación y que pueden estar condicionadas por variables ambientales».
Con CLIMtools, el equipo ha creado un conjunto de recursos para estudiar las relaciones entre la variación genética en Arabidopsis y el medio ambiente. Esperan que esto permita a la comunidad científica comprender mejor cómo las plantas se han adaptado a los entornos locales y cómo pueden seguir prosperando a medida que cambia el clima.
«El fácil acceso a los datos será fundamental para resolver los desafíos actuales de la agricultura de una manera sostenible», dijo la Dra. Doreen Ware, científica del USDA ARS en el Laboratorio Cold Spring Harbor. «Estamos entusiasmados de alojar CLIMtools dentro de Gramene, nuestro portal en línea para la genómica funcional comparativa, ya que contiene nuevos recursos para acceder a información sobre la variación genética permanente que será útil para la adaptación climática, así como información que se puede usar para la edición de genes. enfoques para crear nuevos alelos en cultivos importantes para la agricultura».
Las técnicas utilizadas para este estudio van desde la biofísica hasta la biología molecular y la ecología.
«Reunimos a un equipo diverso de investigadores en Penn State que iban desde estudiantes universitarios hasta estudiantes de posgrado y profesores de investigación, y fue un placer trabajar con ellos y el profesor Assmann, así como con nuestros colegas en el Laboratorio Cold Spring Harbor. ”, dijo Philip C. Bevilacqua, distinguido profesor de química y de bioquímica y biología molecular en Penn State. «El hallazgo de que la variación en la secuencia se puede manifestar en la variación en la estructura del ARN tiene implicaciones a largo plazo para la modulación del rendimiento de los cultivos frente a condiciones climáticas adversas».
Más información: Ángel Ferrero-Serrano et al, Demostración experimental y predicción panestructurama de riboSNitches asociadas al clima en Arabidopsis,
Genome Biology (2022). DOI: 10.1186/s13059-022-02656-4
