Estudio revela cómo y dónde las células suprimen la transcripción en todo el genoma

Toda la vida depende de un genoma, que actúa como un manual de instrucciones para construir todos los productos esenciales para el desarrollo y la supervivencia. Pero saber cuáles de estas instrucciones individuales, o genes, deben leerse y cuándo es la clave para un organismo que funcione correctamente: entonces, ¿cómo hace la vida para que esto sea correcto?

En la imagen superior. En las plantas de tipo silvestre (superior), el ADN (hebras azules) está metilado (diamantes rojos) y bien empaquetado, por lo que los TSS crípticos son inaccesibles. En mutantes epigenéticos (inferior), el ADN está menos metilado y se vuelve accesible, permitiendo que se activen los TSS crípticos.

Entra la regulación epigenética: el proceso mediante el cual las células controlan la expresión o legibilidad de los genes. En organismos multicelulares, la epigenética es la razón por la cual cada tipo de célula varía en forma y función, y cada tipo de célula sigue un subconjunto diferente de instrucciones. Las células también usan la regulación epigenética como un 'sistema inmune', que suprime la actividad de los 'genes saltarines' disruptivos, llamados transposones, que de otro modo pueden saltar alrededor del genoma y amenazar su integridad.

A pesar de su importancia, los científicos aún luchan por desenredar las numerosas vías que usan las células para controlar con precisión la actividad de los genes. Ahora, los investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han descubierto una pista sobre este misterio, al observar cómo las células vegetales suprimen la transcripción, la primera etapa de cómo los genes fabrican sus productos. Sus hallazgos, publicados recientemente en Nature Communications, señalan secciones de ADN previamente desconocidas que son silenciadas por la regulación epigenética, muchas de las cuales se originan dentro de los transposones.

Durante la transcripción, la maquinaria celular copia una sección de ADN en ARN. Por lo general, estas transcripciones de ARN se utilizan para hacer proteínas. Las células pueden aumentar o suprimir la transcripción agregando etiquetas químicas al ADN o a las proteínas de histonas que empaquetan el ADN, que le indican a la maquinaria qué transcripciones de ARN, y en última instancia proteínas, producir y en qué cantidad.

Este nivel de control preciso es vital para gestionar los transposones. "Los transposones son parásitos de genomas que promueven su propia expresión a expensas del organismo", dijo el profesor Hidetoshi Saze, autor principal del estudio y jefe de la Unidad de Epigenética de las Plantas. "Cuando un transposón está activo, su secuencia genética se usa para fabricar una proteína que puede mover el transposón a una ubicación diferente en el genoma, como las funciones de la computadora de cortar y pegar o copiar y pegar".

Los transposones generalmente están silenciados, ya que su actividad puede desactivar genes importantes. Pero a veces, cuando están bajo estrés, las plantas reactivan los transposones, ya que son una fuente de variación genética, generando potenciales mutaciones beneficiosas que permiten que la planta se adapte al entorno cambiante.

"Nuestro laboratorio tiene como objetivo determinar exactamente cómo las células reconocen y regulan los transposones", agregó el Dr. Le. "Este trabajo es un primer paso importante hacia este objetivo".

En el estudio, los científicos utilizaron varias cepas mutantes de una planta llamada Arabidopsis thaliana, con una vía epigenética diferente desactivada en cada cepa.

El grupo de investigación utilizó una técnica de secuenciación para detectar secuencias de ADN específicas que actúan como sitios de partida para la maquinaria de transcripción del genoma. Revelaron miles de estos 'sitios de inicio de transcripción' (TSS) que solo estaban activos en los mutantes epigenéticos.

"Muchos de estos sitios no se habían detectado en estudios anteriores, porque están completamente silenciados en plantas de tipo silvestre. Nuestro descubrimiento de estos TSS ocultos o crípticos proporciona una fuente valiosa de datos para futuras investigaciones epigenéticas en plantas", dijo el profesor Saze.

Los científicos cultivaron las cepas mutantes en diferentes bandejas bajo luz artificial.

Los científicos identificaron una cepa mutante de la planta que activó un número especialmente alto de TSS crípticos. El gen que le faltaba a este mutante codifica una proteína clave que mantiene la metilación del ADN. Cuando se agregan grupos metilo al ADN, esta etiqueta epigenética desencadena una vía bioquímica que hace que las histonas empaqueten el ADN de manera más estrecha. Esto impide físicamente que la maquinaria de transcripción acceda a las regiones del genoma que contienen los TSS crípticos.

"La gran cantidad de TSS crípticos activados cuando se pierde la metilación del ADN muestra que es un método poderoso y frecuente en el silenciamiento", dijo el Dr. Le.

Otro hallazgo clave fue el vínculo entre transposones y TSS crípticos. Los científicos descubrieron que hasta el 65% de los TSS crípticos se originaron dentro de estos 'genes saltarines', que eran más largos y más metilados que los transposones sin TSS crípticos.

"Esto sugiere que los transposones con TSS crípticos son más jóvenes, intactos y aún capaces de saltar alrededor del genoma, por eso están silenciados", explicó el Dr. Le.

Sorprendentemente, los científicos notaron que cuando los TSS crípticos se activaron en los mutantes epigenéticos, esto cambió la actividad de los genes cercanos involucrados en el estrés y el desarrollo. Los científicos aún no comprenden completamente el mecanismo detrás de este impacto, pero las implicaciones son interesantes.

"Hay investigaciones previas que muestran que, con el tiempo, a medida que los transposones se degradan, las plantas pueden adaptar los TSS en los transposones para su propio uso, para regular la actividad de los genes cercanos", dijo el profesor Saze. "El efecto de los TSS crípticos activados en los genes de estrés y desarrollo sugiere que, en el futuro, las plantas podrían usar estos TSS para adaptarse a las condiciones cambiantes".

En futuras investigaciones, los científicos esperan aprender más sobre estos TSS crípticos y cómo afectan la actividad de los genes cercanos. "Este estudio podría ayudarnos a comprender mejor cómo las plantas responden a los cambios ambientales, como el calentamiento global, la sequía y la degradación de nutrientes en el suelo. Entonces podría ser posible desarrollar nuevos cultivos que sean resistentes a este tipo de estrés", dijo el profesor Saze.

Fuente: azolifesciences.com / Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST)