La eliminación de los transposones promotores conduce a la muerte de las crías en ratones; En muchos mamíferos se encuentran estímulos similares.

Casi la mitad de nuestros ADN Descartado como basura, el desperdicio de la evolución: genes marginados o rotos, virus atrapados en nuestros genomas y pirateados o silenciados, ninguno de los cuales tiene nada que ver con el ser humano o la evolución humana.

Pero las investigaciones realizadas durante la última década han demostrado que parte de esta «materia oscura» genética tiene una función, principalmente en la regulación de la expresión de genes del huésped, un mero 2% de nuestro genoma total, que codifican proteínas. Sin embargo, los biólogos continúan debatiendo si estas secuencias reguladoras de ADN desempeñan funciones esenciales o perjudiciales en el cuerpo o si son solo un accidente, sin el cual el organismo puede sobrevivir.

Un nuevo estudio dirigido por investigadores en Universidad de California, Berkeleyy la Universidad de Washington ha explorado la función de un componente de este ADN no deseado, los transposones, que son secuencias de ADN egoístas capaces de invadir el genoma del huésped. El estudio muestra que al menos una familia de transposones, virus antiguos que han invadido nuestros genomas por millones, juega un papel importante en la viabilidad del ratón y posiblemente en todos los mamíferos. Cuando los investigadores eliminaron un transposón específico en ratones, la mitad de las crías de los ratones murieron antes de nacer.

Este es el primer ejemplo de un fragmento de «ADN basura» que es fundamental para la supervivencia de los mamíferos.

Los elementos virales llamados transposones han invadido los genomas de los mamíferos durante millones de años y actualmente constituyen casi la mitad del ADN en los genomas de todos los mamíferos vivos. La imagen muestra la integración de transposones específicos de especies como eventos únicos en la historia evolutiva de cada especie. Crédito: UC Berkeley foto de Keri Lane

En ratones, este transposón regula la proliferación celular en el embrión fecundado temprano y el momento de la implantación en el útero de la madre. Los investigadores observaron otras siete especies de mamíferos, incluidos los humanos, y también encontraron elementos reguladores derivados de virus relacionados con la proliferación celular y el momento de la implantación del embrión, lo que sugiere que el ADN viral antiguo puede haber sido domesticado de forma independiente para desempeñar un papel fundamental en el desarrollo embrionario temprano en todos. Mamíferos.

Según la autora principal Lynn He, profesora de biología molecular y celular en la Universidad de California, Berkeley, los hallazgos destacan un impulsor de la evolución que a menudo se pasa por alto: los virus que se integran en nuestros genomas y se reutilizan como reguladores de genes del huésped, lo que abre opciones evolutivas. que anteriormente no estaban disponibles.

«El ratón y los humanos comparten el 99% de los genes que codifican proteínas en sus genomas; somos muy similares entre nosotros», dijo. «Entonces, ¿cuál es la diferencia entre ratones y humanos? Una de las principales diferencias es la regulación genética: los ratones y los humanos tienen los mismos genes, pero pueden regularse de manera diferente. Los transposones tienen la capacidad de generar mucha diversidad genética reguladora y pueden ayúdanos a comprender las diferencias específicas de cada especie en el mundo ”.

El colega y coautor Ting Wang, profesor distinguido de medicina en Sanford y Karen Lowenthel en el Departamento de Genética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, están de acuerdo.

«El significado real de esta historia es que nos dice cómo funciona la evolución de las formas más inesperadas posibles», dijo Wang. Los transposones se han considerado durante mucho tiempo material genético inútil, pero constituyen una gran parte del genoma de los mamíferos. Numerosos estudios interesantes demuestran que los transposones son la fuerza impulsora de la evolución del genoma humano. Sin embargo, este es el primer ejemplo que conozco en el que la eliminación de un fragmento de ADN no deseado conduce a un fenotipo letal, lo que demuestra que la función de transposones específicos podría ser necesaria «.

Este hallazgo podría tener implicaciones para la esterilidad humana. Según el primer autor Andrew Modzelewski, becario postdoctoral en UC Berkeley, casi la mitad de los abortos espontáneos en humanos no se diagnostican o no tienen un componente genético claro. ¿Pueden los transposones estar involucrados de esta manera?

«Si el 50% de nuestro genoma no codifica o es repetitivo, esta materia oscura, es muy tentador preguntarse si la reproducción humana y las causas de la esterilidad humana pueden explicarse por una secuenciación de ADN no deseada», dijo.

Implantación de embriones

Él, el Profesor Distinguido de la Cátedra Thomas y Stacey Seibel en UC Berkeley, estudia el 98% o más de nuestro genoma que no codifica proteínas. Durante la mayor parte de su carrera, se ha centrado en microARN y piezas más largas de ARN no codificante, los cuales son poderosos reguladores genéticos. Hace cinco años, su equipo se topó con un regulador de microARN de transposón llamado MERVL (elementos virales endógenos de rata) que estaba involucrado en la determinación del destino celular de los primeros embriones de ratón. La abundancia inesperada de transcripciones de transposones en embriones de ratón llevó al equipo de He a investigar las funciones evolutivas de los transposones, que se han alojado en los genomas de casi todos los organismos de la Tierra.

En un papel que aparecerá esta semana en la revista celda de prisión, ella y su equipo identificaron el ADN regulador clave involucrado: una pieza de transposones, un promotor viral, que se ha reutilizado como promotor de un gen de ratón que produce una proteína involucrada en la proliferación celular en el embrión en desarrollo y en el momento de la implantación de embriones. Un promotor es una secuencia de ADN corta que es necesaria al comienzo de un gen para que el gen se transcriba y exprese.

Los ratones salvajes usan este promotor de transposones, llamado MT2B2, para iniciar específicamente la transcripción del gen Cdk2ap1 en embriones tempranos para producir una proteína «isoforma» corta que aumenta la proliferación celular en el embrión fertilizado y acelera su implantación en el útero. Usando CRISPR-EZ, una técnica simple y económica que Modzelewski y He desarrollaron hace varios años, inactivaron el promotor MT2B2 y encontraron que los ratones en cambio expresaban el gen Cdk2ap1 de su promotor predeterminado como una forma más larga de la proteína, una isoforma larga, que tuvo el efecto contrario: Disminución de la proliferación celular y retraso del trasplante.

El resultado de este nocaut fue que aproximadamente la mitad de los cachorros murieron al nacer.

Modzelewski dijo que la forma corta de la proteína parece producir muchos embriones de ratón implantados con un espaciado uniforme dentro del útero, evitando el apiñamiento. Cuando se expulsa el estimulador de modo que solo está presente la forma alargada, la implantación de los embriones parece aleatoria, algunos por encima del cuello uterino, impidiendo la salida del feto completamente desarrollado y en ocasiones matando a la madre durante el proceso de parto.

Descubrieron que dentro de las 24 horas previas a la implantación del embrión, el promotor MT2B2 aumenta tanto la expresión del gen Cdk2ap1 que la forma corta de la proteína constituye el 95% de las dos isoformas que se encuentran en los embriones. La isoforma larga generalmente se produce más tarde en el embarazo cuando el promotor hipotético corriente arriba del gen Cdk2ap1 se activa.

Trabajando con Wanqing Shao, coautor del estudio y becario postdoctoral en el grupo de Wang en la Universidad de Washington, el equipo examinó los datos publicados sobre embriones preimplantatorios de ocho especies de mamíferos: humanos, monos rhesus, simios, ratones, cabras, vaca, cerdo y zarigüeya: para ver si los transposones están activos durante un breve período antes de la implantación en otras especies. Estos datos provienen de una tecnología llamada Single Cell ARN La secuenciación, o scRNA-seq, registra los niveles de mRNA en células individuales y es un indicador de qué genes se activan y se transcriben. En todos los casos, tuvieron que recuperar datos sobre ADN no codificante porque generalmente se eliminan antes del análisis, asumiendo que no es importante.

Mientras que los transposones son generalmente específicos para especies individuales (los humanos y los ratones, por ejemplo, tienen poblaciones muy diferentes), los investigadores encontraron que las familias de transposones específicos para diferentes especies se activaron brevemente antes de la implantación en los ocho mamíferos, incluidas las zarigüeyas. en el grupo que no utilizó la placenta para la implantación de embriones en el útero.

«Sorprendentemente, las diferentes especies tienen transposones sustancialmente diferentes expresados ​​en embriones de preimplantación, pero los perfiles de expresión global de estos transposones son casi idénticos entre todas las especies de mamíferos», dijo.

Miembro y coautor David RissoY Un ex becario postdoctoral en UC Berkeley y profesor asociado de estadística en la Universidad de Padua en Italia ha desarrollado un método para vincular transposones específicos a genes de preimplantación con el fin de excluir las miles de copias de transposones relacionados presentes en el genoma. Este método es necesario para identificar elementos transposones individuales con importante actividad reguladora genética.

«Es interesante notar que los datos que usamos se basaron principalmente en una tecnología de secuenciación previa, llamada SMART-seq, que cubre la secuenciación completa de moléculas de ARN. La técnica común actual, la tecnología del genoma 10x, no era para mostrarnos el diferentes niveles de isoformas de proteínas … dijo Risso.

Los virus son el reservorio evolutivo

Los investigadores encontraron que en casi las ocho especies de mamíferos, ocurren isoformas cortas y largas de Cdk2ap1, pero que se activan en diferentes momentos y en diferentes proporciones que se correlacionan con si los embriones se implantan temprano, como en ratones, o más tarde, como en vacas. . y cerdos. Por tanto, a nivel de proteínas, las isoformas cortas y largas parecen conservadas, pero sus patrones de expresión son específicos de la especie.

«Si tienes muchas isoformas cortas de Cdk2ap1, como los ratones, siembras muy temprano, mientras que en especies como la vaca y el cerdo, que no tienen ninguna de las isoformas muy cortas, la implantación lleva hasta dos semanas o más «, Dijo Modzelewski.

Wang sospecha que el promotor que genera la forma larga de la proteína podría ser el promotor original del ratón, pero el virus que se integró en el genoma hace mucho tiempo se adaptó más tarde como componente regulador para producir la forma más corta y el efecto opuesto.

“Entonces, lo que sucedió aquí fue que apareció un virus específico de roedor, y luego el anfitrión decidió de alguna manera, ‘Está bien, voy a usarlo como promotor para expresar esta isoforma Cdk2ap1 más corta. “Vemos redundancia integrada en el sistema, donde podemos aprovechar cualquier cosa que nos depare la naturaleza y hacerla útil”, dijo. «Y luego, este nuevo promotor fue más fuerte que el anterior. Creo que eso cambió drásticamente el fenotipo de los roedores. Tal vez eso es lo que los hace crecer más rápido: el regalo de tener un tiempo más corto antes del trasplante. Entonces, tal vez obtuvieron algún beneficio de este virus para el fitness. «

«No importa cómo se mire en biología, verá los transposones utilizados, simplemente porque hay tantas secuencias», agregó Wang. «Básicamente, proporciona un depósito evolutivo de selección sobre el que trabajar».

Referencia: «Retrotransposón específico de ratón que impulsa una isoforma Cdk2ap1 conservada esencial para el desarrollo» por Andrew J. Terence B. Speed, Zinyu Xuan, Ting Wang, David Risso y Lin He, 12 de octubre de 2021, celda de prisión.
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.09.021

Otros coautores del estudio son Jingqi Chen, Angus Li, Shen Kee, Mackenzie Noon, Kristi Tjokro y Ann Peyton de la Universidad de California en Berkeley. Terry Spade del Instituto Walter y Elisa Hall de Investigación Médica en Melbourne, Australia; Aparna Anand de la Universidad de Washington y Gabriel Sells de la Universidad de Padua. El trabajo fue apoyado principalmente por un Scholar Award en el Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud.