Los científicos descifran las misteriosas reglas ocultas del ADN en varias especies

Un nuevo estudio revela que en los hongos unicelulares, la levadura “al azar” ADN» está naturalmente activo, mientras que en las células de los mamíferos este ADN está desactivado como en su estado natural en las células de los mamíferos, a pesar de tener un ancestro común hace mil millones de años y el mismo mecanismo molecular básico.

El nuevo descubrimiento gira en torno al proceso mediante el cual las instrucciones genéticas del ADN se convierten primero en un material relacionado llamado ARN y luego en las proteínas que forman las estructuras y señales del cuerpo. En levaduras, ratones y humanos, el primer paso en la expresión de un gen, la transcripción, se produce cuando las “letras” moleculares del ADN (nucleobases) se leen en una dirección. Mientras que el 80% del genoma humano (el conjunto completo de ADN de nuestras células) se descodifica activamente en ARN, menos del 2% en realidad codifica los genes que dirigen la construcción de proteínas.

Entonces, un misterio de larga data en genómica es qué se 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 la pregunta creando un gen sintético de gran tamaño, con el código de ADN en orden inverso al de su padre natural. Luego insertaron genes sintéticos en células madre de levadura y ratón y observaron los niveles de transcripción en cada una. Publicado en la revista Naturaleza, El nuevo estudio revela que en la levadura el sistema genético está configurado de tal manera que casi todos los genes se transcriben continuamente, mientras que el mismo «estado predeterminado» en las células de mamíferos es que la transcripción está desactivada.

Metodología y resultados

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 reflejaba algunos patrones básicos observados en el código natural en términos de la frecuencia con la que estaban presentes las letras del ADN, a qué se aproximaban y con qué frecuencia se repetían. Con el código invertido de 100.000 letras moleculares de largo, el equipo descubrió que incluía aleatoriamente muchos pequeños tramos de código previamente desconocido que probablemente iniciaban la transcripción con mucha más frecuencia en levaduras y la detenían en células de mamíferos.

“Comprender las diferencias de transcripción predeterminadas especies Nos ayudará a comprender mejor qué partes del código genético tienen funciones y cuáles son accidentes de la evolución”, dijeron el autor correspondiente Jef Boeke, PhD, Sol y Judith Bergstein, directora del Instituto de Genética de Sistemas de NYU Langone Health. «Esto, a su vez, promete guiar la ingeniería de levaduras para producir nuevos fármacos, crear nuevas terapias genéticas o incluso ayudarnos a encontrar nuevos genes enterrados en el vasto código».

El trabajo refuerza la teoría de que el estado transcripcional muy activo de la levadura se establece de tal manera que el ADN extraño, rara vez inyectado en la levadura, por ejemplo de un virus a medida que se copia, es probable que se transcriba en ARN. Si ese ARN construye una proteína con una función útil, el código será preservado por la evolución como un nuevo gen. A diferencia del organismo unicelular de la levadura, que puede permitirse nuevos genes riesgosos que impulsan una evolución más rápida, las células de los mamíferos, como parte de cuerpos con millones de células cooperantes, tienen menos libertad para incorporar nuevo ADN cada vez que una célula encuentra un virus. Muchos mecanismos regulatorios protegen el código delicadamente equilibrado tal como está.

Gran ADN

El nuevo estudio tuvo que tener en cuenta el tamaño de las cadenas de ADN, con 3 mil millones de «letras» incluidas en el genoma humano y algunos genes con 2 millones de letras de largo. Si bien las técnicas más famosas permiten cambios letra por letra, algunas tareas de ingeniería son más eficientes si los investigadores construyen ADN desde cero, con cambios de gran alcance realizados en grandes fragmentos de código preensamblado intercambiados en una célula en lugar de su contraparte natural. . Debido a que los genes humanos son tan complejos, el laboratorio de Boeke desarrolló primero su método de «escritura del genoma» en levaduras, pero luego lo adaptó recientemente 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 transferirlas a células madre embrionarias de ratón.

Para el estudio actual, el equipo de investigación abordó la cuestión de cuán generalizada es la transcripción 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 fosforribosil transferasa 1 (HPRT1) en orden de codificación inverso. Observaron una actividad genética generalizada en la levadura a pesar de la falta de promotores del código sin sentido, fragmentos de ADN que han evolucionado para señalar el inicio de la transcripción.

Además, el equipo identificó pequeñas secuencias en el código invertido, que repiten tramos de componentes básicos de adenosina y timina, que se sabe que son reconocidos por factores de transcripción, proteínas que se unen al ADN para iniciar la transcripción. Estas secuencias, que tienen sólo entre 5 y 15 letras de largo, podrían ocurrir fácilmente de forma aleatoria y podrían explicar en parte el estado predeterminado muy activo de la levadura, dijeron los autores.

Por el contrario, el mismo código invertido, insertado en el genoma de células madre embrionarias de ratón, no provocó una transcripción generalizada. En este escenario, la transcripción fue reprimida a pesar de que los dinucleótidos CpG evolucionados, conocidos por desactivar (silenciar) genes activamente, no eran funcionales en el código inverso. El equipo plantea la hipótesis de que otros elementos básicos en el genoma de los mamíferos pueden limitar la transcripción mucho más que en la levadura, y tal vez reclutando directamente un grupo de proteínas (el complejo Polycomb) que se sabe que silencia los genes.

«Cuanto más nos acerquemos a introducir ADN sin sentido 'con valor genómico' en células vivas, mejor podrán compararlo con el genoma real y evolucionado», dijo el primer autor Brendan Camellato, estudiante de posgrado en el laboratorio de Boeke. “Esto podría llevarnos a una nueva frontera de las terapias celulares diseñadas, ya que la capacidad de insertar ADN sintético cada vez más largo permite comprender mejor qué inserciones tolerarán los genomas y tal vez la inclusión de uno o más genes diseñados completos y más grandes. «

Referencia: “Las secuencias invertidas sintéticas revelan estados genómicos predeterminados” por Brendan R. Camellato, Ran Brosh, Hannah J. Ashe, Matthew T. Maurano y Jef D. Boeke, 6 de marzo de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07128-2