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

La anulación del promotor del transposón provoca la muerte de las crías en los ratones; se encuentran promotores similares en muchos mamíferos

20.10.2021 - Estados Unidos

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

Pero las investigaciones de la última década han demostrado que parte de esta "materia oscura" genética sí tiene una función, principalmente la de regular la expresión de los genes del huésped -un mero 2% de nuestro genoma total- que codifican proteínas. Sin embargo, los biólogos siguen debatiendo si estas secuencias reguladoras del ADN desempeñan funciones esenciales o perjudiciales en el organismo o son meramente incidentales, un accidente del que el organismo puede prescindir.

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 demuestra que al menos una familia de transposones -antiguos virus que han invadido nuestro genoma por millones- desempeña un papel fundamental en la viabilidad del ratón, y quizá de todos los mamíferos. Cuando los investigadores eliminaron un transposón específico en ratones, la mitad de sus crías murieron antes de nacer.

Este es el primer ejemplo de una pieza de "ADN basura" que es crítica para la supervivencia en los mamíferos.

En los 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 buscaron en otras siete especies de mamíferos, incluidos los humanos, y también encontraron elementos reguladores derivados del virus vinculados a la proliferación celular y al momento de la implantación del embrión, lo que sugiere que el antiguo ADN viral 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 la UC Berkeley, los hallazgos ponen de relieve un motor de la evolución a menudo ignorado: 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 codificadores de proteínas en sus genomas: somos muy similares entre nosotros", dijo He. "Entonces, ¿cuáles son las diferencias entre los ratones y los humanos? Una de las principales diferencias es la regulación de los genes: los ratones y los humanos tienen los mismos genes, pero pueden regularse de forma diferente. Los transposones tienen la capacidad de generar mucha diversidad de regulación génica y podrían ayudarnos a entender las diferencias específicas de cada especie."

El colega y coautor Ting Wang, catedrático distinguido de medicina Sanford y Karen Loewentheil del Departamento de Genética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en San Luis (Misuri), está de acuerdo.

"La verdadera importancia de esta historia es que nos dice cómo funciona la evolución de la manera más inesperada posible", dijo Wang. "Durante mucho tiempo se consideró que los transposones eran material genético inútil, pero constituyen una parte tan grande del genoma de los mamíferos. Muchos estudios interesantes ilustran que los transposones son una fuerza motriz de la evolución del genoma humano. Sin embargo, éste es el primer ejemplo que conozco en el que la supresión de un trozo de ADN basura da lugar a un fenotipo letal, lo que demuestra que la función de determinados transposones puede ser esencial."

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

"Si el 50% de nuestro genoma es no codificante o repetitivo -esta materia oscura- resulta muy tentador plantearse la cuestión de si la reproducción humana y las causas de la infertilidad humana pueden explicarse por secuencias de ADN basura", dijo.

Implantación de embriones

He, profesor de la Cátedra Thomas y Stacey Siebel de la Universidad de Berkeley, estudia el 98% o más de nuestro genoma que no codifica para proteínas. Durante la mayor parte de su carrera, He se ha centrado en los microARN y los fragmentos más largos de ARN no codificante, ambos potentes reguladores de genes. Sin embargo, hace cinco años, su equipo descubrió por casualidad un microARN regulador de una familia de transposones llamada MERVL (elementos retrovirales endógenos de ratón) que participaba en la determinación del destino celular de los embriones tempranos de ratón. 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, He y su equipo identifican el ADN regulador clave implicado: un trozo de transposón -un promotor viral- que ha sido reutilizado como promotor de un gen de ratón que produce una proteína implicada en la proliferación celular 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 antes de un gen para que éste se transcriba y se exprese.

Los ratones silvestres utilizan este promotor de transposón, llamado MT2B2, para iniciar la transcripción del gen Cdk2ap1 específicamente en embriones tempranos para producir una "isoforma" corta de la proteína que aumenta la proliferación celular en el embrión fertilizado y acelera su implantación en el útero. Utilizando CRISPR-EZ, una técnica sencilla y barata que Modzelewski y He desarrollaron hace varios años, desactivaron el promotor MT2B2 y descubrieron que, en su lugar, los ratones expresaban el gen Cdk2ap1 desde su promotor por defecto 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 knockout fue la muerte al nacer de aproximadamente la mitad de las crías.

Modzelewski dijo que la forma corta de la proteína parece hacer que los numerosos embriones del ratón se implanten con un espacio regular dentro del útero, evitando el apiñamiento. Cuando se anula el promotor para que sólo esté presente la forma larga, los embriones se implantan de forma aparentemente aleatoria, 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 en un periodo 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 en una fase posterior de la gestación, cuando el promotor por defecto aguas arriba del gen Cdk2ap1 se activa.

En colaboración con Wanqing Shao, coprimera autora del estudio y becaria postdoctoral del grupo de Wang en la Universidad de Washington, el equipo buscó entre los datos publicados sobre embriones de preimplantación de 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 procedían de una técnica llamada secuenciación de ARN de células individuales, 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 del ADN no codificante porque suele eliminarse antes del análisis, con la presunción de que carece de importancia.

Aunque los transposones suelen ser específicos de cada especie -los humanos y los ratones, por ejemplo, tienen conjuntos muy diferentes-, los investigadores descubrieron que diferentes familias de transposones específicas de cada especie se activaban brevemente antes de la implantación en los ocho mamíferos, incluida la zarigüeya, el único mamífero del grupo que no emplea una placenta para implantar los embriones en el útero.

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

El colega y coautor Davide Risso, antiguo becario postdoctoral de la UC Berkeley y actual profesor asociado de estadística en la Universidad de Padua (Italia), desarrolló un método para vincular transposones específicos a genes de preimplantación con el fin de eliminar los miles de copias de transposones relacionados que existen en el genoma. Este método es crucial para identificar elementos transposones individuales con una importante actividad reguladora de los genes.

"Es interesante señalar que los datos que utilizamos se basaban en su mayor parte en la tecnología de secuenciación anterior, llamada SMART-seq, que cubre la secuencia completa de las moléculas de ARN. La técnica actual más popular, la tecnología de genómica 10x, no nos habría mostrado los diferentes niveles de isoformas de proteínas. Son ciegos a ellos", dijo Risso.

Los virus son un reservorio evolutivo

Los investigadores descubrieron que en casi todas las ocho especies de mamíferos se dan tanto las isoformas cortas como las largas de Cdk2ap1, pero se activan en momentos diferentes y en proporciones distintas que se correlacionan con el hecho de que los embriones se implanten pronto, como en los ratones, o tarde, como en las vacas y los cerdos. Así pues, a nivel proteico, tanto la isoforma corta como la larga parecen estar conservadas, pero sus patrones de expresión son específicos de cada especie.

"Si se tiene una gran cantidad de la isoforma corta de Cdk2ap1, como en los ratones, se implanta muy pronto, mientras que en especies como la vaca y el cerdo, que no tienen nada o muy poco de la isoforma corta, la implantación tarda hasta dos semanas o más", 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 posteriormente como elemento regulador para producir la forma más corta y el efecto contrario.

"Así que lo que ocurrió aquí es que entró un virus específico de roedores y luego, de alguna manera, el huésped decidió: 'Vale, voy a usarlo como promotor para expresar esta isoforma más corta de Cdk2ap1'. Vemos la redundancia que hay en el sistema, donde podemos aprovechar cualquier cosa que la naturaleza nos arroje y hacerla útil", dijo. "Y entonces, este nuevo promotor resultó ser más fuerte que el antiguo promotor. Creo que esto cambió fundamentalmente el fenotipo de los roedores; tal vez eso es lo que les hace crecer más rápido, un regalo de tener un tiempo de preimplantación más corto. Así que, probablemente obtuvieron algún beneficio de fitness de este virus".

"Sea cual sea el aspecto de la biología, se van a utilizar transposones, simplemente porque hay muchas secuencias", añadió Wang. "Esencialmente proporcionan una reserva evolutiva para que la selección actúe sobre ella".

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