El mecanismo oculto de la creación de genes.

Un nuevo estudio revela un mecanismo para generar palíndromos de ADN que podría conducir a nuevos genes de microARN, arrojando luz sobre los orígenes de los genes y potencialmente influyendo en nuestra comprensión de las estructuras del ARN.

Investigadores de la Universidad de Helsinki han descubierto un mecanismo que genera instantáneamente ADN palíndromos, lo que podría conducir a la creación de nuevos genes de microARN a partir de secuencias de ADN no codificantes. Este descubrimiento se realizó estudiando los errores de replicación del ADN y su impacto en el organismo. ARN estructuras moleculares, ofrece nuevos conocimientos sobre los orígenes de los genes.

La complejidad de los organismos vivos está codificada en sus genes, pero ¿de dónde vienen estos genes? Investigadores de la Universidad de Helsinki resolvieron cuestiones pendientes sobre el origen de pequeños genes reguladores y describieron el mecanismo que crea sus palíndromos de ADN. En circunstancias apropiadas, estos palíndromos evolucionan hacia genes de microARN.

Genes y proteínas: los componentes básicos de la vida

El genoma humano contiene aprox. Se utilizan 20.000 genes para construir proteínas. Las acciones de estos genes clásicos están coordinadas por miles de genes reguladores, el más pequeño de los cuales codifica moléculas de microARN de 22 pares de bases de largo. Aunque el número de genes permanece relativamente constante, ocasionalmente surgen nuevos genes durante la evolución. Al igual que la génesis de la vida biológica, el origen de nuevos genes ha seguido fascinando a los científicos.

Resuelve el rompecabezas palindrómico

Todas las moléculas de ARN requieren secuencias palindrómicas de bases que bloquean la molécula en su conformación funcional. Es importante destacar que las posibilidades de que mutaciones de bases aleatorias formen gradualmente tales secuencias palindrómicas son extremadamente pequeñas, incluso para genes de microARN simples. Por tanto, el origen de estas secuencias palindrómicas ha desconcertado a los investigadores. Los expertos del Instituto de Biotecnología de la Universidad de Helsinki en Finlandia han resuelto este misterio describiendo un mecanismo que puede generar instantáneamente palíndromos de ADN completos y luego crear nuevos genes de microARN a partir de secuencias de ADN que antes no codificaban.

Información sobre la replicación del ADN

En un proyecto financiado por la Academia finlandesa, los investigadores estudiaron los errores en la replicación del ADN. Ari Löytynoja, el líder del proyecto, compara la replicación del ADN con escribir texto.

“El ADN se copia una base a la vez y las mutaciones suelen ser bases únicas incorrectas, como errores tipográficos en el teclado de una computadora portátil. Estudiamos un mecanismo que crea errores mayores, como copiar y pegar texto de otro contexto. Estábamos particularmente interesados ​​en los casos que copiaban el texto al revés para crear un palíndromo”.

Los investigadores estudiaron un mecanismo de error en la replicación del ADN y notaron que algunos errores crean palíndromos que pueden plegarse en estructuras de horquilla. Crédito: Ari Löytynoja

Estructuras de ARN y errores de ADN.

Los investigadores reconocieron que los errores de replicación del ADN en ocasiones podrían resultar beneficiosos. Le describieron estos hallazgos a Mikko Frilander, experto en biología del ARN. Inmediatamente vio la conexión con la estructura de las moléculas de ARN.

“En una molécula de ARN, las bases de palíndromos adyacentes pueden emparejarse y formar estructuras en forma de horquilla. Estas estructuras son cruciales para el funcionamiento de las moléculas de ARN”, explica.

Los investigadores decidieron centrarse en los genes de microARN debido a su estructura simple: los genes son muy cortos (solo unas pocas docenas de bases) y deben plegarse en una estructura de horquilla para funcionar correctamente.

Una idea clave fue modelar la historia genética utilizando un algoritmo informático personalizado. Según el investigador postdoctoral Heli Mönttinen, esto permite hasta ahora un control más preciso del origen de los genes.

“Se conoce el genoma completo de decenas de primates y mamíferos. Una comparación de sus genomas revela cuáles especies tienen el par palindrómico de microARN y cuáles no lo tienen. Con un modelado detallado de la historia, pudimos ver que palíndromos completos se crean mediante eventos de mutación únicos”, dice Mönttinen.

Una idea clave fue modelar la historia genética utilizando información de especies relacionadas. El modelado demostró que los palíndromos de genes de microARN se generan mediante eventos de mutación única. Crédito: Ari Löytynoja

Implicaciones y universalidad

Centrándose en humanos y otros primates, los investigadores de Helsinki demostraron que el mecanismo recién descubierto puede explicar al menos una cuarta parte de los nuevos genes de microARN. Dado que se han encontrado casos similares en otros linajes evolutivos, el mecanismo de origen parece universal.

En principio, el nacimiento de genes de microARN es tan sencillo que nuevos genes podrían influir en la salud humana. Heli Mönttinen ve la importancia del trabajo en un sentido más amplio, por ejemplo para comprender los principios fundamentales de la vida biológica.

“La aparición de nuevos genes surgidos de la nada ha fascinado a los investigadores. Ahora disponemos de un modelo elegante para la evolución de los genes de ARN”, señala.

Aunque los hallazgos se basan en pequeños genes reguladores, los investigadores creen que pueden generalizarse a otros genes y moléculas de ARN. Por ejemplo, utilizando las materias primas generadas por el mecanismo recién descubierto, la selección natural puede crear estructuras y funciones de ARN mucho más complejas.

El estudio fue publicado en PNAS.

Referencia: “Generación de miARN de novo a partir del cambio de plantilla durante la replicación del ADN” por Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander y Ari Löytynoja, 29 de noviembre de 2023, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2310752120