Los investigadores de Salk han mapeado los genomas y epigenomas de líneas de plantas modificadas genéticamente con la resolución más alta para revelar exactamente lo que sucede a un nivel molecular cuando se inserta un fragmento de ADN extraño.
Instituto Salk.
Sus hallazgos, publicados en la revista PLOS Genetics el 15 de enero de 2019, dilucidan los métodos de rutina utilizados para modificar las plantas y ofrecen nuevas formas de minimizar de manera más efectiva los posibles efectos fuera del objetivo.
«Este fue realmente un punto de partida para demostrar que es posible usar las últimas tecnologías de mapeo y secuenciación para observar el impacto de la inserción de genes en el genoma de la planta «, dice el investigador del Instituto Médico Howard Hughes, Joseph Ecker, profesor de Plant Molecular and Salk. Laboratorio de biología celular y responsable del laboratorio de análisis genómico.
Cuando un científico quiere poner un nuevo gen en una planta, con fines de investigación básica o para mejorar la salud o la nutrición de un cultivo alimenticio, por lo general confían en Agrobacterium tumefaciens para realizar el trabajo. Agrobacterium es la bacteria que causa tumores de la vesícula coronaria, grandes protuberancias en los troncos de los árboles. Hace décadas, los científicos descubrieron que cuando la bacteria infectaba un árbol, transfería parte de su ADN al genoma del árbol. Desde entonces, los investigadores han optado por esta capacidad de transferencia de Agrobacterium para sus propios fines, utilizando su transferencia de ADN (T-ADN) para mover un gen deseado a una planta.
Recientemente, las tecnologías de secuenciación de ADN comenzaron a insinuar que cuando se usa Agrobacterium T-DNA para insertar nuevos genes en una planta, puede causar cambios adicionales en las propiedades químicas y estructurales del ADN nativo.
«Las compañías de biotecnología dedican mucho tiempo y esfuerzo para caracterizar las plantas transgénicas y descartar a los candidatos con cambios no deseados sin comprender, desde una perspectiva biológica básica, por qué pueden haber ocurrido estos cambios», dice Ecker. «Nuestro nuevo enfoque ofrece una manera de comprender mejor estos efectos y puede ayudar a acelerar el proceso».
«La mayor incógnita fue si, y cuántas copias de, se insertó el T-ADN al mismo tiempo que la pieza que querías», dice Florian Jupe, ex investigador asociado de Salk que ahora trabaja en Bayer Crop Science. Jupe, el investigador del personal de Salk Mark Zander y la asistente de investigación Angeline Rivkin son co-primeros autores del nuevo artículo, junto con Todd Michael del J. Craig Venter Institute.
Dado que el enfoque de T-ADN puede llevar a una integración de muchas copias de un gen deseado en una planta, puede ser difícil estudiar el resultado final con la secuenciación de ADN estándar, ya que la mayoría de las tecnologías luchan por secuenciar tramos de ADN altamente repetitivos. Pero Ecker y sus colegas recurrieron a una nueva combinación de enfoques, que incluyen mapeo óptico y secuenciación de nanoporos, para observar estos largos tramos en alta resolución. Aplicaron las tecnologías a cuatro líneas de ADN-T seleccionadas al azar de Arabidopsis thaliana , una planta modelo utilizada comúnmente en biología. (Estas plantas se derivan de una gran población de mutantes de inserción de T-ADN que se crearon utilizando un método de transformación de Arabidopsis , llamado inmersión floral, para estudiar la función de los genes).
El mapeo óptico reveló que las plantas tenían entre una y siete inserciones o reordenamientos distintos en sus genomas, con un tamaño de casi diez veces mayor. La secuenciación de nanoporos y la reconstrucción de los genomas de dos líneas confirmaron las inserciones a una resolución de una sola letra, incluidos segmentos completos de ADN que se habían intercambiado (o se habían translocado) entre los cromosomas en una de las líneas seleccionadas. Las inserciones genéticas en sí mismas mostraron una variedad de patrones, con el fragmento de ADN insertado a veces mezclado, invertido o incluso silenciado.
«Este estudio no fue posible ni hace un año», dice Michael. «La secuenciación de nanoporos, a la que algunos se refieren como el ‘santo grial’ de la secuenciación de ADN, ha revolucionado la lectura de incluso las regiones más complejas del genoma que eran completamente inaccesibles y desconocidas hasta ahora».
Finalmente, cuando los investigadores estudiaron paquetes de material genético llamados histonas, encontraron cambios adicionales. Las proteínas de las histonas empaquetan el ADN en unidades estructurales, y las modificaciones de estas histonas determinan si se puede acceder a un gen para que lo utilice una célula (un nivel de regulación llamado epigenética). Dependiendo de donde se integró el T-ADN, ciertas modificaciones de histonas cercanas aparecieron o desaparecieron, lo que podría cambiar la regulación o activación de otros genes cercanos.
«Ahora tenemos la primera información de alta resolución sobre cómo las inserciones de T-ADN pueden moldear el entorno del epigenoma local», dice Zander.
En un mundo ideal, dicen los investigadores, el T-ADN insertaría una única copia funcional de un gen deseado sin efectos secundarios cercanos en el genoma de una planta. Si bien sus hallazgos muestran que esto rara vez es el caso en Arabidopsis, sus métodos ofrecen un camino para una mejor comprensión y vigilancia de los efectos.
«Esta tecnología es emocionante porque nos da una visión mucho más clara de lo que está sucediendo en algunas de estas líneas transgénicas de Arabidopsis «, dice Rivkin.
«Con Arabidopsis , es relativamente fácil porque tiene un genoma tan pequeño, pero debido a las mejoras continuas en la tecnología de secuenciación de ADN, esperamos que este enfoque también sea posible para las plantas de cultivo «, agrega Ecker, quien es el Presidente del Consejo Internacional de Salk en Genética. . «Los métodos actuales requieren la selección de cientos de líneas transgénicas para encontrar aquellas con buen rendimiento, como aquellas sin inserciones adicionales, por lo que esta tecnología podría proporcionar un enfoque más eficiente».
Más información: Florian Jupe et al, La arquitectura compleja y el impacto epigenómico de las inserciones de T-ADN de plantas, PLOS Genetics (2019). DOI: 10.1371 / journal.pgen.1007819
Referencia del diario: PLoS Genetics
Proporcionado por: Instituto Salk
Información de: phys.org
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