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 representa las integraciones de transposones específicas de cada especie como eventos únicos en la historia evolutiva de cada especie. Crédito: Kerry Lin
El ADN basura juega un papel crítico en el desarrollo de los mamíferos
19 de octubre de 2021 | Historia original de la Universidad de California, Berkeley
Casi la mitad de nuestro ADN ha sido considerada como basura, 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 o la evolución humanos.
Pero las investigacionesde la última década han demostrado que parte de esta “materia genética oscura” 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. Sin embargo, los biólogos continúan debatiendo, si estas secuencias reguladoras del ADN juegan un papel esencial o perjudicial en el organismo o son meramente incidentales, un accidente sin el que 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 denominadas “genes egoístas” capaces de invadir el genoma huésped. El estudio muestra que al menos una familia de transposones, virus antiguos quehan invadido nuestro genoma por millones, juega un papel crítico en la viabilidad en el ratón, y tal vez en todos los mamíferos. Cuando los investigadores eliminaron un transposón específico en ratones, la mitad de sus cachorros de ratón murieron antes del nacimiento.
Este es el primer ejemplo de una pieza de “ADN basura” que es crítica para la supervivencia en los mamíferos.
En ratones, este transposón regula la proliferación de células en el embrión tempranoy 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 los 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 lo que a su vez se ignora: los virus que se integran en nuestro genoma y se reutilizan como reguladores de los genes del huésped, abriendo opciones evolutivas que antes no estaban disponibles.
El ratón y los humanos comparten el 99% de sus genes codificantes de proteínas en sus genomas, “somos muy similares”, dijo. “Entonces, ¿qué constituye la diferencia entre ratones y humanos? Una de las principales diferencias es la regulación génica: los ratones y los humanos tienen los mismos genes, pero pueden regularse de manera diferente. Los transposones tienen la capacidad de generar una gran diversidad reguladora de genes y podrían ayudarnos 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 verdadero significado 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 de donde la eliminación de un pedazo de ADN basura conduce a un fenotipo letal, demostrando 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 están diagnosticados o no tienen un componente genético claro. ¿Podrían estar involucrados transposones como este?
“Si el 50% de nuestro genoma no es codificante o repetitivo, es muy tentador preguntarse si la reproducción humana y las causas de la infertilidad humana pueden explicarse por secuencias de ADN basura”, dijo.
Implantación embrionaria
El profesor 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 su carrera, se ha centrado en microARNs y piezas más largas de ARN no codificantes, los cuales son potentes reguladores genéticos. Sin embargo, hace cinco años, su equipo descubrió accidentalmente un regulador de microARN para una familia de transposones llamada MERVL (elementos retrovirales endógenos de ratón) que estaba involucrado en la determinación del destino celular de embriones de ratón tempranos. La inesperada abundancia de 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 pieza de un transposón, un promotor viral, que ha sido reutilizado como promotor de un gen de ratón que produce una proteína. Participa en la proliferación celular en el embrión en desarrollo y en el momento de la implantación del embrión. El promotor es una secuencia corta de ADN que se necesita aguas arriba de un gen para que el gen sea transcrito y expresado.
Los ratones salvajes utilizan 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, desactivaron 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 tenía el efecto contrario: disminución de la proliferación celular y retraso de 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 provocar que muchos de los embriones del implante de ratón con un espaciado regular dentro del útero, evitando el apiñamiento. Cuando el promotor es noqueado y sólo se expresa 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 tantola 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 normalmente se produce más tarde en la gestación cuando el promotor predeterminado aguas arriba del gen Cdk2ap1 se activa.
Trabajando con WanqingShao, coautor del estudio y becario postdoctoral en el grupo de Wang en la Universidad de Washington, el equipo buscó en los datos publicados sobre embriones preimplantacionales para ocho especies de mamíferos (humano, 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 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 (los humanos y los ratones, por ejemplo, tienen conjuntos en gran medida diferentes), los investigadores encontraron que las diferentes familias de transposones específicos de la especie se activaron brevemente antes de la implantación en los ocho mamíferos, incluida la zarigüeya, el único mamífero del grupo que no emplea una 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 preimplantacionales, 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 preimplantacionales para eliminar las miles de copias de transposones relacionados que existen en el genoma. Este método es crucial para identificar elementos de transposón individuales con una importante actividad reguladora de genes".
“Es interesante notar que los datos que utilizamos 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 los diferentes niveles de isoformas de proteínas.Están ciegos a ellos”, dijo Risso.
Los virus son reservorios evolutivos
Los investigadores encontraron que en casi todas las ocho especies de mamíferos, se producen isoformas Cdk2ap1 cortas y 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 lo tanto, a nivel de proteína, tanto las isoformas cortas como las largas aparecen conservadas, pero sus patrones de expresión son específicos de la especie.
“Si tienes mucha de la isoforma corta de Cdk2ap1, como los ratones, te implantas muy temprano, mientras que en especies como la vaca y el cerdo, que no tienen nada o muy poco de la isoforma corta, esta se demora 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 un elemento regulador para producir la forma más corta y el efecto contrario.
“Entonces, lo que habría sucedido aquí es que entró un virus específico de roedores, y luego de alguna manera el anfitrión decidió: ‘Ok, te voy a usar como mi promotor para expresar esta isoforma Cdk2ap1 más corta’. Vemos la redundancia que está incorporada en el sistema, donde podemos aprovechar lo que la naturaleza nos arroja y hacerlo útil”, dijo. “Y luego, este nuevo promotor resultó ser más fuerte que el viejo promotor. 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 preimplantativo más corto. Por lo tanto, probablemente obtuvieron algún beneficio de aptitud física de este virus”.
“En biología, mires lo que mires, verás que se usan transposones, simplemente porque hay tantas secuencias”, agregó Wang. “Esencialmente proporcionan un reservorio evolutivo para que la selección actúe”.
Referencia
Modzelewski AJ, Shao W, Chen J, et al. A mouse-specific retrotransposon drives a conserved Cdk2ap1 isoform essential for development. Cell. 2021;0(0). doi: 10.1016/j.cell.2021.09.021
Este artículo ha sido republicar a partir de los siguientes materiales. Nota: el material puede haber sido editado por su longitud y contenido. Para obtener más información, ver la fuente citada.
