Estructura del genoma del dinoflagelado como ninguna otra conocida
ARRIBA: Especies de dinoflagelado KAUST
Un equipo internacional de investigadores ha generado el genoma más sólido hasta la fecha del dinoflagelado Symbiodinium microadriaticum, una especie involucrada en una simbiosis de soporte vital con los corales. Si bien el genoma actualizado confirma algo de lo sugerido por trabajos anteriores, una relación inusual entre la transcripción del ADN y la forma y organización de sus cromosomas revela que los dinoflagelados albergan algunos de los genomas más extraños del mundo eucariótico, según los hallazgos publicados el 29 de abril en Nature Genetics.
En lugar de los cromosomas flexibles en forma de X que son familiares para los humanos, los dinoflagelados organizan su material genético en bloques ordenados a lo largo de cromosomas rígidos en forma de varilla. Los genes dentro de los bloques se transcriben consistentemente en una dirección y rara vez interactúan con otros fuera de su vecindad inmediata. Esta extraña disposición, según descubrieron los autores, influye en la estructura tridimensional de todo el cromosoma.
Este es definitivamente un gran avance en el campo. Llevamos unos años generando ensamblajes para estas microalgas. . . pero la calidad de esos genomas ha hecho que sea muy difícil trabajar con ellos, dice Ral Gonzlez-Pech, biólogo computacional y posdoctorado en la Universidad del Sur de Florida que no participó en el trabajo. Este ensamblaje del genoma es particularmente bueno porque ha incorporado nuevas tecnologías de secuenciación para obtener una resolución más alta, lo que nos permitirá profundizar en los análisis de diferentes aspectos de la biología y la evolución [de los dinoflagelados].
Nosotros Normalmente pienso en los genomas como algo muy estático, pero los dinoflagelados me han demostrado que son increíblemente plásticos.
Ral Gonzlez-Pech, Universidad del Sur de Florida
Los dinoflagelados son mejor conocidos por su relación con los corales. A cambio de un hogar seguro, las microalgas unicelulares proporcionan al coral nutrientes fotosintéticos. Cuando los corales se blanquean, es porque están expulsando a sus simbiontes en respuesta al estrés. Pero los dinoflagelados como grupo son diversos, con algunas especies no simbióticas que causan mareas rojas prolíficas, mientras que otras son parásitos comunes de los crustáceos.
Al menos parte de esta diversidad está ligada a su extraña composición genética. Sus genomas, por ejemplo, son masivos. S. El genoma del microadriaticum es relativamente pequeño entre los dinoflaggelados, pero sigue siendo un tercio del tamaño del genoma humano. Y en lugar de regular la expresión génica solo a través de la transcripción, los dinoflagelados también participan en la duplicación desenfrenada de genes y cromosomas, lo que hace que el ensamblaje del genoma sea un esfuerzo de pesadilla para los genetistas. Armar el rompecabezas es más difícil cuando muchas de las piezas parecen idénticas.
Hasta hace muy poco, también se pensaba que los dinoflagelados carecían de las histonas que condensan y empaquetan el ADN y que están presentes en todos los demás eucariotas. Si bien estudios recientes han encontrado que, de hecho, tienen histonas, es probable que no tengan el mismo propósito. Por lo general, las histonas funcionan como carretes, lo que permite que el ADN se enrolle y se desenrolle para volverse más o menos accesible a la maquinaria transcripcional según sea necesario. Por el contrario, los cromosomas de los dinoflagelados parecen estar perpetuamente condensados en una estructura cristalina, lo que deja preguntas sin respuesta sobre cómo se organiza su ADN y cómo se puede acceder a él para la transcripción.
No encajan con todo lo demás que sabemos. sobre los eucariotas, cómo estructuran sus cromosomas, cómo estructuran sus genomas, cómo regulan la transcripción, Manuel Aranda, genetista funcional de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah en Arabia Saudita y autor del nuevo estudio.
El mismo día que se publicó el artículo de Arandas, otro estudio, dirigido por un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford, informó un análisis similar del genoma del dinoflagelado estrechamente relacionado Breviolum minutum. Ambos equipos se basaron en enfoques de secuenciación que generan lecturas más largas y utilizaron un análisis llamado Hi-C para ensamblar y estudiar sus genomas. Hi-C infiere la frecuencia con la que dos secuencias interactúan entre sí. En teoría, cuanto más cerca estén dos loci en un cromosoma, más probable es que interactúen, mientras que las secuencias que están más alejadas, o en cromosomas completamente diferentes, podrían no interactuar nunca. Con base en estos mapas de frecuencia de interacción, los investigadores pueden reconstruir el genoma y hacer conjeturas informadas sobre la forma y la estructura tridimensional de los cromosomas.
El análisis Hi-C de Arandas concluyó que S . microadriaticum tiene aproximadamente 94 cromosomas rígidos en forma de bastón que incluyen más de 600 millones de pares de bases. La densidad de genes aumentó cerca de los telómeros en las puntas de los cromosomas, y algunos cromosomas se enriquecieron con genes relacionados con funciones o vías específicas. Este hallazgo respalda la idea de larga data de que los dinoflagelados pueden organizar sus genes como operones bacterianos, grupos de genes relacionados que están bajo el control de la misma maquinaria reguladora y, por lo tanto, se expresan juntos.
En al menos dos especies de dinoflagelados, dos los bloques dentro de un dominio de ADN se transcriben en direcciones opuestas (arriba), creando giros únicos que están separados por límites aún no caracterizados (abajo). nat genet, 53:61317, 2021
El equipo también identificó un patrón inusual dentro de cada cromosoma de bloques de genes unidireccionales alternos, escriben los autores en el artículo. Dos bloques ubicados uno al lado del otro en un cromosoma forman lo que los investigadores llamaron un dominio, y los genes dentro de un dominio interactúan con frecuencia entre sí y rara vez con los de otros dominios. En los extremos de cada dominio, supusieron los investigadores, hay una especie de límites físicos que actúan como sujetalibros, aunque no está claro qué crea estos límites. Si bien la orientación de los genes en un cromosoma suele ser aleatoria, en el caso del dinoflagelado, un bloque en el dominio se transcribió de manera consistente en una dirección mientras que el otro bloque se transcribió en la dirección opuesta.
Se desconoce qué impulsó la evolución de este patrón único, aunque no es un hallazgo completamente novedoso, dice Senjie Lin, ecologista de fitoplancton de la Universidad de Connecticut que estudia la genómica de los dinoflagelados pero que no participó en el trabajo actual. Investigaciones anteriores que usaron microscopía para visualizar los cromosomas de dinoflagelados notaron que estos bloques a menudo aparecían como barras oscuras espaciadas uniformemente. Lo bueno de este artículo es que ahora lo ves desde la perspectiva de la secuencia, mientras que antes era más una perspectiva estructural, dice Lin a The Scientist. El equipo que estudió el genoma de B. minutum notó el mismo patrón organizativo, refiriéndose a los bloques emparejados como dominios de asociación topológica de dinoflagelados, o dinoTADs.  ;
Algo que es nuevo, coinciden Lin y Gonzlez-Pech, es el vínculo correlacional entre la transcripción génica y la estructura cromosómica y el plegamiento encontrado en el estudio de Arandas. A medida que los dos bloques de cada dominio se desenroscaron durante la transcripción, el ADN fuera de los límites permaneció fijo. Esto provocó una acumulación de torsión en esos límites. Imagínese separando hebras de hilo o hilo de bordar desde el medio, mientras mantiene los extremos en su lugar; los lados se torcerán más apretados a medida que se desenrolla el centro. En consecuencia, dice Aranda, terminas con estos dos giros opuestos dentro del dominio que crean la estructura, que luego crea los límites del dominio.
Cuando el equipo trató a los dinoflagelados con un inhibidor para bloquear la transcripción, los límites entre los dominios desaparecieron, lo que sugiere que para los dinoflagelados, la transcripción y la estructura cromosómica están íntimamente ligadas. Lo que sea que esté sucediendo en esos límites debe ser algo realmente importante en la organización del cromosoma, dice Lin, y puede ser importante en la regulación de la expresión génica.
El misterio de los límites del dominio es solo una de muchas preguntas nuevas. a los investigadores les gustaría responder utilizando estos nuevos genomas de alta calidad. Simbiodinio
Normalmente pensamos en los genomas como algo muy estático, pero los dinoflagelados me han demostrado que son increíblemente plásticos, que realmente representan los límites de esa plasticidad en los eucariotas, dice González-Pech a The Scientist. Ya estábamos empujando los límites aquí dentro de la familia, por lo que ahora podemos comenzar a buscar genomas de dinoflagelados más grandes y complejos. Creo que se acerca.
A. Nand et al., Organización genética y espacial de los cromosomas inusuales del dinoflagelado Symbiodinium microadriaticum, Nat Genet, 53:61829, 2021.