La matanza del promotor de transposones conduce a la asesinato de las crías en ratones; promotores similares encontrados en muchos mamíferos – ScienceDaily

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Casi la mitad de nuestro ADN se ha borrado como basura, los restos de la evolución: genes apartados o rotos, virus que se han atascado en nuestro genoma y han sido desmembrados o silenciados, ninguno de estos es relevante para el organismo humano o la evolución humana.

Pero las investigaciones realizadas durante la última década han demostrado que parte de esta «materia oscura» genética tiene una función, principalmente en la regulación de la expresión de genes del huésped, solo el 2% de nuestro genoma total, que codifican proteínas. Sin embargo, los biólogos continúan debatiendo si estas secuencias reguladoras de ADN desempeñan funciones esenciales o dañinas en el cuerpo o si son simplemente accidentales, un accidente sin el cual el cuerpo puede vivir.

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Washington ha explorado la función de un componente de este ADN basura, los transposones, que son secuencias de ADN egoístas capaces de invadir el genoma de su huésped. El estudio muestra que al menos una familia de transposones, virus antiguos que han invadido nuestro genoma por millones, juega un papel vital en la viabilidad de los ratones y posiblemente de todos los mamíferos. Cuando los investigadores eliminaron un transposón específico en los ratones, la mitad de sus crías murieron antes de nacer.

Este es el primer ejemplo de un fragmento de «ADN basura» que es fundamental para la supervivencia de los mamíferos.

En ratones, este transposón regula la proliferación celular en el embrión fecundado temprano y 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 fue 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 en UC Berkeley, los hallazgos destacan un impulsor de la evolución que a menudo se pasa por alto: los virus que se integran en nuestro genoma y se reutilizan como reguladores de genes del huésped, lo que abre opciones evolutivas no disponibles.

«Los ratones y los humanos comparten el 99 por ciento de sus genes que codifican proteínas en sus genomas; somos muy similares entre sí», dijo. «Entonces, ¿qué constituye las diferencias entre ratones y humanos? Una diferencia importante es la regulación genética: 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 de regulación genética y podrían ayudarnos comprender las diferencias específicas de las especies en el mundo «.

El colega y coautor principal Ting Wang, profesor 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 significado real de esta historia es que nos dice cómo funciona la evolución de la manera más inesperada posible», dijo Wang. «Los transposones se han considerado durante mucho tiempo material genético inútil, pero constituyen una gran parte del genoma de los mamíferos. Muchos estudios interesantes muestran que los transposones son una fuerza impulsora detrás de la evolución del genoma humano. Sin embargo, este es el primer ejemplo que conozco de. donde la eliminación de un fragmento de ADN basura conduce a un fenotipo letal, lo que demuestra que la función de transposones específicos puede ser esencial «.

El descubrimiento podría tener implicaciones para la infertilidad humana. Según el primer autor Andrew Modzelewski, becario postdoctoral en 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 codifica o es repetitivo, esta materia oscura, es muy tentador preguntarse si la reproducción humana y las causas de la infertilidad humana pueden explicarse por secuencias de ADN basura», dijo. .

Implantación de embriones

Él, el profesor Thomas y Stacey Siebel Distinguished Chair en UC Berkeley, estudia el 98% o más de nuestro genoma que no codifica proteínas. Durante la mayor parte de la carrera de He, se ha centrado en microARN y fragmentos más largos de ARN no codificante, los cuales son potentes reguladores de genes. Sin embargo, hace cinco años, su equipo descubrió accidentalmente un regulador de microARN para una familia de transposones llamados MERVL (elementos retrovirales endógenos de ratón) que participaba en la determinación del destino celular de los primeros embriones de ratón. La abundancia inesperada de transcripción de transposones en embriones de ratón llevó al equipo de He a estudiar 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 apareció esta semana en la revista Celda, Él y su equipo identifican el ADN regulador clave involucrado: una parte de un transposón, un promotor viral, que ha sido reutilizado como promotor de un gen de ratón que produce una proteína involucrada en la proliferación celular en el embrión en desarrollo y en el momento de la implantación del embrión. Un promotor es una secuencia de ADN corta que se requiere corriente arriba de un gen para que el gen se transcriba y exprese.

Los ratones salvajes usan 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, deshabilitaron 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 larga. isoforma, que tuvo el efecto contrario: disminución de la proliferación celular y retraso en 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 implantar los numerosos embriones de ratón a una distancia regular dentro del útero, evitando el apiñamiento. Cuando se elimina el promotor de manera que solo está presente la forma larga, los embriones se implantan de manera aparentemente aleatoria, algunos de ellos por encima del cuello uterino, lo que bloquea la salida del feto completamente desarrollado y en ocasiones 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 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 más tarde en la gestación cuando el promotor predeterminado corriente arriba del gen Cdk2ap1 se vuelve activo.

Trabajando con Wanqing Shao, coautor del estudio y becario postdoctoral en el grupo de Wang en la Universidad de Washington, el equipo buscó datos publicados sobre embriones de preimplantación para ocho especies de mamíferos: humanos, monos rhesus, titíes, ratones, cabras, vacas. , 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 unicelular, o scRNA-seq, que registra los niveles de ARN mensajero en células individuales, una indicación de qué genes se activan y se transcriben. En todos los casos, tuvieron que recuperar los datos de ADN no codificantes porque generalmente se eliminan antes del análisis, con la presunción de que no son importantes.

Si bien los transposones son generalmente específicos para especies individuales (los humanos y los ratones, por ejemplo, tienen conjuntos muy diferentes), los investigadores encontraron que varias familias de transposones específicos de la especie se activaron brevemente antes de la implantación en los ocho mamíferos, incluida la zarigüeya, el único mamífero en el mundo. grupo que no usa placenta para implantar embriones en el útero.

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

Colega principal y coautor Davide Risso, un ex becario postdoctoral de UC Berkeley y ahora profesor asociado de estadística en la Universidad de Padua en Italia, ha desarrollado un método para vincular transposones específicos a genes de preimplantación con el fin de eliminar las miles de copias de transposones relacionados que existen en el genoma. Este método es fundamental para identificar elementos transposones individuales con una importante actividad reguladora de genes.

«Curiosamente, los datos que usamos se basaron principalmente en la tecnología de secuenciación anterior, llamada SMART-seq, que cubre la secuencia completa de moléculas de ARN. La técnica popular actual, la tecnología genómica 10x, no nos permite. Mostraría los diferentes niveles de isoformas de proteínas. Son ciegos para ellos «, dijo Risso.

Los virus son un reservorio evolutivo

Los investigadores encontraron que en casi las ocho especies de mamíferos, ocurren isoformas de Cdk2ap1 tanto cortas como largas, pero se activan en diferentes momentos y en diferentes proporciones que están relacionadas con la implantación temprana de embriones, como en ratones, o tardía, como en vacas. y cerdos. Por tanto, a nivel de proteínas, las isoformas largas y cortas parecen conservadas, pero sus patrones de expresión son específicos de la especie.

«Si tiene una gran cantidad de la isoforma corta Cdk2ap1, como los ratones, se implanta muy temprano, mientras que en especies como la vaca y el cerdo, que tienen muy poca o ninguna isoforma corta, se necesitan hasta dos semanas o más para el implante «, dijo Modzelewski.

Wang sospecha que el promotor que genera la forma larga de la proteína puede ser el promotor original del ratón, pero que un virus que se integró en el genoma hace mucho tiempo se adaptó más tarde como elemento regulador para producir la forma y el efecto más cortos. .

«Entonces, lo que sucedió aquí es que apareció un virus específico para roedores, y luego, de alguna manera, el anfitrión decidió, ‘Está bien, te usaré como promotor para expresar esta isoforma Cdk2ap1 más corta'». Vemos redundancia integrada en el sistema, donde podemos tomar lo que la naturaleza nos ofrece y hacerlo útil «, dijo. «Además, este nuevo promotor era más fuerte que el antiguo. Creo que esto cambió radicalmente el fenotipo de los roedores; tal vez eso es lo que los hace crecer más rápido, un regalo de tener un tiempo de preimplantación más corto. Entonces, probablemente. se beneficia de este virus «.

«Independientemente de lo que mires en biología, verás que se usan transposones, simplemente porque hay tantas secuencias», agregó Wang. «Básicamente, proporcionan un depósito evolutivo sobre el que puede actuar la selección».

Otros coautores del estudio son Jingqi Chen, Angus Lee, Xin Qi, Mackenzie Noon, Kristy Tjokro y Anne Biton de UC Berkeley; Terry Speed ​​del Instituto de Investigación Médica Walter y Eliza Hall en Melbourne, Australia; Aparna Anand de la Universidad de Washington y Gabriele Sales de la Universidad de Padua. El trabajo fue apoyado principalmente por el Premio Académico de la Facultad del Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud.

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