Primera instantánea del retrotransposón en acción

En nuestras células se está desarrollando una carrera armamentística: Los transposones, también conocidos como genes saltarines o elementos genéticos móviles, ya que pueden replicarse y reinsertarse en el genoma, amenazan la integridad del genoma celular desencadenando reordenamientos del ADN y provocando mutaciones. Las células huésped, por su parte, protegen su genoma mediante intrincados mecanismos de defensa que impiden el salto de los transposones. Ahora, por primera vez, un retrotransposón ha sido capturado en acción dentro de una célula: Perfeccionando las técnicas de criotomografía electrónica (crioET), los científicos han obtenido imágenes del retrotransposón copia en las cámaras de huevos de la mosca del vinagre Drosophila melanogaster con una resolución subnanométrica. Entre el equipo internacional de científicos que ha logrado esta detallada visualización se encuentran tres científicos vinculados al BioCentro de Viena: Sven Klumpe, actualmente en el laboratorio de Jürgen Plitzko en el Instituto Max Planck de Bioquímica de Martinsried, que se unirá al IMBA y al IMP para crear un grupo como Joint Fellow; Julius Brennecke, jefe de grupo senior en el IMBA, el Instituto de Biotecnología Molecular de la Academia Austriaca de Ciencias; y Kirsten Senti, científica en plantilla del grupo de Brennecke. También participa en esta colaboración el grupo de Martin Beck, del Instituto Max Planck de Biofísica de Fráncfort. El artículo se publica en la revista Cell el 5 de marzo.

La criotomografía de electrones es una técnica de imagen utilizada para visualizar paisajes celulares en tres dimensiones con resolución molecular. En la crioET, se capturan una serie de imágenes 2D desde varios ángulos de la muestra, que luego se combinan para formar una reconstrucción 3D detallada. La crioET ha proporcionado a los investigadores una visión sin precedentes de la ultraestructura de las células. Hasta ahora, sin embargo, la crioET se ha utilizado sobre todo para obtener imágenes de organismos unicelulares, ya que las muestras crioET deben congelarse rápidamente en un proceso conocido como "vitrificación" para evitar la formación de cristales de hielo. Los tejidos multicelulares, que requieren congelación a alta presión para la vitrificación, suelen ser demasiado gruesos para prepararlos para la obtención de imágenes por crio-ET con los métodos habituales.

La cápside se parece a las cápsides retrovirales

En el nuevo estudio, los investigadores emplearon el criolift-out, una técnica que permite preparar tejidos complejos para crioET combinando haces de iones focalizados y técnicas avanzadas de micromanipulación a temperaturas criogénicas. Trabajando con cámaras de huevos de Drosophila melanogaster y células aisladas de ellas, los investigadores resolvieron la estructura de la cápside del retrotransposón copia con una resolución de 7,7 Å, la primera estructura de un retrotransposón con resolución subnanométrica en su entorno celular nativo.

Empleando los últimos avances en predicción de estructuras basadas en IA, el equipo generó un modelo integrador del ensamblaje de la cápside utilizando AlphaFold 2, lo que permitió a los investigadores diseñar posteriormente experimentos guiados por la estructura. Gracias a ello, pudieron demostrar que el retrotransposón copia adopta un plegamiento de la cápside similar al de la cápside madura del VIH-1, confirmando observaciones previas de las estructuras de elementos transponibles a partir de muestras purificadas.

El ciclo vital de los retrovirus

Klumpe y sus colegas también proporcionaron instantáneas del ciclo de replicación de la copia en cámaras de huevos intactas. Al igual que los retrovirus, los retrotransposones se transcriben a partir del genoma, la transcripción se exporta y se traduce en el citoplasma, donde se forman partículas similares a virus. Por último, su genoma de ARN se transcribe inversamente. Sin embargo, un problema importante en la investigación de retrotransposones se resuelve en torno a la cuestión de cómo un retrotransposón vuelve al núcleo, donde una nueva copia del retrotransposón se integra en el genoma del huésped. Observando las cápsides de copia en el interior de la célula, los investigadores descubrieron que las partículas víricas en el citoplasma están al alcance de los poros nucleares, que conectan el citoplasma y el núcleo. Al igual que el VIH-1, un virus evolutivamente emparentado, es probable que la copia entre en el núcleo como partícula intacta atravesando los poros nucleares. En este caso, el complejo de poros nucleares parece actuar como un tamiz molecular: sólo las partículas víricas de cierto tamaño se observan en el núcleo y, por tanto, entran en él. Además, la manipulación genética que perturba el transporte activo a través de los poros nucleares, hace que las partículas copia queden retenidas en el citoplasma.

Aunque en el genoma de Drosophila se encuentran muchos retrotransposones, copia es, con diferencia, el que se expresa con mayor frecuencia. Investigaciones anteriores han demostrado que copia se dirige predominantemente a la línea germinal masculina. En el nuevo estudio, los investigadores también analizaron cómo el sistema de represión de transposones de Drosophila, la vía PIWI-piRNA, silencia copia. En los testículos de la mosca, los ARNip antisentido dirigidos a copia resultaron ser muy abundantes. Al observar las moscas de la fruta en las que la vía del piARN está inactiva y, por tanto, los transposones se expresan libremente, los científicos encontraron copia en las moscas hembra en un lugar aparentemente sin salida, a saber, los abundantes núcleos de la línea germinal que no se convertirán en el material genético del ovocito y, por tanto, están destinados a sufrir una muerte celular programada. En las moscas macho, sin embargo, los retrotransposones copia se desplazan del citoplasma al núcleo del gameto durante la espermatogénesis, lo que indica que la entrada nuclear podría ser una parte esencial de su ciclo de replicación adaptado al nicho del elemento: los testículos masculinos.

"Los transposones han sido considerados durante mucho tiempo ADN basura, pero tienen una gran repercusión en la biología y la evolución de sus huéspedes. Nuestro estudio demuestra el poder de la crioET para estudiar la biología estructural celular de los transposones y obtener información detallada sobre los mecanismos biológicos celulares que subyacen a sus ciclos de replicación", afirma Klumpe. Julius Brennecke, jefe de grupo del IMBA, espera con impaciencia las nuevas posibilidades que ofrece la incorporación de Klumpe al IMBA y al IMP. "La tomografía crioelectrónica es ampliamente aplicable a muchas cuestiones, y Sven encontrará amplias oportunidades de colaboración en todo el BioCentro de Viena".