Un nuevo estudio encuentra que el «ADN aleatorio» está naturalmente activo en las levaduras unicelulares, mientras que este ADN está desactivado en su estado natural en las células de los mamíferos, a pesar de un ancestro común hace mil millones de años y la misma maquinaria molecular básica. .
El nuevo descubrimiento trata sobre el proceso mediante el cual las instrucciones genéticas del ADN se convierten primero en una sustancia relacionada llamada ARN y luego en proteínas que forman las estructuras y señales del cuerpo. En levaduras, ratones y humanos, el primer paso en la expresión genética, la transcripción, tiene lugar en el que las «letras» moleculares del ADN (nucleobases) se leen en una dirección. Si bien el 80% del genoma humano (el conjunto completo de ADN de nuestras células) se decodifica activamente en ARN, menos del 2% codifica los genes que dirigen la construcción de proteínas.
Un misterio de larga data en genómica es qué logra toda esta transcripción no relacionada con genes. ¿Es sólo ruido, un efecto secundario de la evolución, o tiene funciones?
Un equipo de investigación de Langone Health de la Universidad de Nueva York intentó responder a esta pregunta creando un gen sintético de gran tamaño, con su código de ADN en orden inverso al de su padre natural. Luego colocaron el gen sintético en células madre de levadura y de ratón, y controlaron los niveles de transcripción en cada una. Publicado online el 6 de marzo en la revista naturaleza, El nuevo estudio revela que en la levadura el sistema genético está sintonizado de modo que casi todos los genes se transcriben continuamente, mientras que en las células de mamíferos el mismo «estado predeterminado» es desactivar la transcripción.
Curiosamente, dicen los autores del estudio, el orden inverso del código significaba que todos los mecanismos que evolucionaron en levaduras y células de mamíferos para activar o desactivar la transcripción estaban ausentes porque el código inverso no tenía sentido. Sin embargo, como una imagen especular, el código invertido refleja algunos de los patrones básicos que aparecen en el código natural en términos de la frecuencia con la que están presentes las letras del ADN, a qué se parecen y con qué frecuencia se repiten. Debido a que el código inverso tiene una longitud de 100.000 letras moleculares, el equipo descubrió que incluía aleatoriamente muchos pequeños tramos de código previamente desconocido que probablemente iniciaban la transcripción con mayor frecuencia en levaduras y la detenían en células de mamíferos.
«Comprender las supuestas variaciones del transcriptoma entre especies nos ayudará a comprender mejor qué partes del código genético tienen qué funciones y qué accidentes evolutivos son», dijo el autor correspondiente Jeff Buckey, Ph.D., director del Instituto de Sistemas Sol y Judith Bergstein. Genética. En NYU Langone Health. «Esto, a su vez, promete guiar la ingeniería de levaduras para fabricar nuevos medicamentos, crear nuevas terapias genéticas o incluso ayudarnos a encontrar nuevos genes enterrados en el código masivo».
Este trabajo da peso a la teoría de que el estado transcripcional altamente activo de la levadura está ajustado de modo que el ADN extraño, que rara vez sería inyectado en la levadura, por ejemplo, por un virus mientras se copia a sí mismo, se transcribe en ARN. Si este ARN construye una proteína con una función útil, el código se conservará a lo largo de la evolución como un nuevo gen. A diferencia del organismo unicelular de la levadura, que puede permitirse nuevos genes riesgosos que impulsan la evolución más rápidamente, las células de los mamíferos, como parte de cuerpos que contienen millones de células cooperantes, tienen menos libertad para incorporar nuevo ADN cada vez que la célula se encuentra con un virus. Varios mecanismos regulatorios protegen el código cuidadosamente equilibrado tal como está.
Gran ADN
El nuevo estudio tuvo que tener en cuenta el tamaño de las cadenas de ADN, ya que en el genoma humano hay 3 mil millones de «letras» y algunos genes tienen 2 millones de letras. Si bien las técnicas populares permiten realizar cambios letra por letra, algunas tareas de ingeniería son más eficientes si los investigadores construyen ADN desde cero, realizando cambios de gran alcance en grandes franjas de código precompilado y reemplazándolo en una célula en lugar de su contraparte natural. Debido a que los genes humanos son tan complejos, el laboratorio de Bucky desarrolló por primera vez el método de «tipificación del genoma» en levaduras, pero recientemente lo adaptó al código genético de los mamíferos. Los autores del estudio utilizan células de levadura para ensamblar largas secuencias de ADN en un solo paso y luego las introducen en células madre embrionarias de ratón.
Para el estudio actual, el equipo de investigación abordó la cuestión del alcance de la prevalencia transcripcional a lo largo de la evolución mediante la introducción de un tramo sintético de 101 kilobases de ADN diseñado: el gen humano de la hipoxantina fosforribosiltransferasa 1 (HPRT1) en orden de codificación inverso. Observaron una actividad generalizada del gen en la levadura, a pesar de la falta de un código sin sentido para los promotores, que son fragmentos de ADN que han evolucionado para señalar el inicio de la transcripción.
Además, el equipo identificó pequeñas secuencias en código inverso, tramos repetitivos de bloques de construcción de adenosina y timina, que se sabe que son reconocidos por factores de transcripción, que son proteínas que se unen al ADN para iniciar la transcripción. Tales secuencias, que tienen sólo de 5 a 15 letras de largo, pueden ocurrir fácilmente de forma aleatoria y pueden explicar en parte el estado predeterminado altamente activo de la levadura, dijeron los autores.
Por el contrario, el mismo símbolo está invertido., insertado en el genoma de células madre embrionarias de ratón, no provocó una transcripción extensa. En este escenario, la transcripción fue reprimida a pesar de que los dinucleótidos CpG avanzados, conocidos por detener (silenciar) genes, no fueron efectivos en el código inverso. El equipo cree que otros elementos esenciales en el genoma de los mamíferos pueden restringir la transcripción mucho más que en la levadura, tal vez reclutando directamente un complejo proteico (el complejo multi-CD) conocido por el silenciamiento de genes.
«Cuanto más nos acercamos a introducir el 'valor genómico' del ADN sin sentido en células vivas, mejor se puede comparar con el genoma real en evolución», dijo el primer autor Brendan Camillato, estudiante de posgrado en el laboratorio de Buckey. “Esto puede llevarnos a nuevas fronteras de las terapias celulares diseñadas, ya que la capacidad de crear ADN sintético más largo que nunca nos permite comprender mejor lo que tolerarán los genomas insertados, y tal vez la inclusión de uno o más genes diseñados más grandes y completos. .”
Junto con Bucky y Camillato, los autores del estudio Langone de la Universidad de Nueva York fueron Ran Brosh, Hannah Ash y Matthew Morano. El estudio fue financiado por la subvención nº 1RM1HG009491 del Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU. y del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano (NHGRI).