Un nuevo estudio revela que en levaduras fúngicas unicelulares, «al azar ADN«Es 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 que tienen un ancestro común hace mil millones de años y la misma maquinaria molecular básica.

El nuevo descubrimiento se centra en el proceso mediante el cual las instrucciones genéticas del ADN se convierten primero en un material relacionado llamado 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, ocurre cuando las “letras” moleculares del ADN (nucleobases) se leen en una dirección. Aunque el 80% del genoma humano (el conjunto completo de ADN de nuestras células) se decodifica activamente en ARN, menos del 2% codifica genes que dirigen la construcción de proteínas.

Un misterio de larga data en genómica es qué está haciendo toda esta transcripción no genética. ¿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 su código de ADN en el orden inverso al de su progenitor natural. Luego colocaron 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 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, dónde se unían y con qué frecuencia se repetían. Dado que el código invertido tenía 100.000 letras moleculares, el equipo descubrió que incluía aleatoriamente muchos pequeños fragmentos 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 estándar entre especies «Nos ayudará a comprender mejor qué partes del código genético tienen funciones y cuáles son accidentes de la evolución», dijo 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 medicamentos, crear nuevas terapias genéticas o incluso ayudarnos a encontrar nuevos genes enterrados en el vasto código».

El trabajo da peso a la teoría de que el estado transcripcional muy activo de la levadura se establece de modo que el ADN extraño, rara vez inyectado en la levadura, por ejemplo mediante 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 de un organismo unicelular en la levadura, que puede habilitar 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. Aunque técnicas famosas permiten realizar cambios letra por letra, algunas tareas de ingeniería son más eficientes si los investigadores construyen ADN desde cero, con cambios extensos 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 utilizaron células de levadura para ensamblar largas secuencias de ADN en un solo paso y luego introducirlas en células madre embrionarias de ratón.

Para el estudio actual, el equipo de investigación abordó la cuestión de qué tan extendida está la transcripción a lo largo de la evolución mediante la introducción de un tramo sintético de 101 kilobases de ADN modificado: 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 codificación sin sentido para los promotores, fragmentos de ADN que evolucionaron para señalar el inicio de la transcripción.

Además, el equipo identificó pequeñas secuencias en el código invertido, tramos repetidos de bloques de construcción de adenosina y timina que se sabe que son reconocidos por factores de transcripción, proteínas que se unen al ADN para iniciar la transcripción. Con sólo 5 a 15 letras, estas secuencias podrían ocurrir fácilmente de forma aleatoria y explicar parcialmente 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 estaba reprimida, aunque 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 del genoma de los mamíferos pueden restringir la transcripción mucho más que en la levadura, y tal vez reclutando directamente un grupo de proteínas (el complejo Polycomb) que se sabe que silencian genes.

«Cuanto más nos acerquemos a introducir un 'valor genómico' de ADN sin sentido 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 completos más grandes diseñados. «

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