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, realizado durante el estudio de los errores de replicación del ADN y su impacto en 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 un mecanismo que crea sus palíndromos de ADN. En circunstancias adecuadas, estos palíndromos evolucionan hacia genes de microARN.

Genes y proteínas: los componentes básicos de la vida

El genoma humano contiene ca. 20.000 genes que se utilizan 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.

Resolviendo el rompecabezas palindrómico

Todas las moléculas de ARN requieren secuencias de bases palindrómicas que bloquean la molécula en su conformación funcional. Es importante destacar que las posibilidades de que mutaciones de bases aleatorias formen gradualmente tales ejecuciones palindrómicas son extremadamente pequeñas, incluso para genes de microARN simples. En consecuencia, el origen de estas secuencias palindrómicas ha desconcertado a los investigadores. Los expertos del Instituto de Biotecnología de la Universidad de Helsinki (Finlandia) han resuelto este misterio describiendo un mecanismo que puede generar instantáneamente palíndromos de ADN completos y así 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 de Finlandia, 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, por lo general, las mutaciones son bases individuales incorrectas, como golpes incorrectos en el teclado de una computadora portátil. Estudiamos un mecanismo que crea errores mayores, como copiar y pegar texto de otro contexto. Estábamos especialmente interesados ​​en los casos que copiaban texto al revés, creando 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 han reconocido que los errores de replicación del ADN a veces pueden 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 tienen que plegarse en una estructura de horquilla para funcionar correctamente.

Una idea central fue modelar la historia de los genes utilizando un algoritmo informático personalizado. Según el investigador postdoctoral Heli Mönttinen, esto permite un examen más detallado del origen de los genes hasta la fecha.

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

Una idea central fue modelar la historia de los genes 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, investigadores de Helsinki han demostrado que el mecanismo recién descubierto puede explicar al menos una cuarta parte de los nuevos genes de microARN. Como se han encontrado casos similares en otros linajes evolutivos, el mecanismo de origen parece universal.

En principio, la aparición de genes de microARN es tan fácil que nuevos genes podrían afectar la salud humana. Heli Mönttinen ve la importancia del trabajo en un sentido más amplio, por ejemplo en la comprensión de los principios básicos de la vida biológica.

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

Aunque los resultados se basan en pequeños genes reguladores, los investigadores creen que los hallazgos pueden generalizarse a otros genes y moléculas de ARN. Por ejemplo, al utilizar 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