Enzima bacteriana mantiene rotíferos’ Transposable Elements in Check
ARRIBA: El rotífero bdelloidea Adineta vaga bajo un microscopio de polarización policromática Cortesía de Michael Shribak, Irina Yushenova
Rotíferos bdeloideos, animales microscópicos que se encuentran casi todos en Los ecosistemas de agua dulce de todo el mundo carecen de las enzimas que la mayoría de los animales utilizan para silenciar regiones de su genoma mediante la unión de etiquetas químicas llamadas grupos metilo. En cambio, su sistema de silenciamiento de metilo emplea una enzima bacteriana que llegó a los animales hace unos 60 millones de años, informaron los investigadores el lunes (28 de febrero) en Nature Communications.
Emmelien Vancaester, bioinformática del Instituto Wellcome Sanger en el Reino Unido que no participó en el estudio, dice que encuentra el estudio bastante convincente.
Creo que está muy claro que se trata de un [sistema epigenético] funcional. . . una forma novedosa de regulación en rotíferos que no se había visto antes en metazoos, dice, y señala que la novedad del sistema respalda la hipótesis de que el gen que codifica la enzima se originó en una bacteria y se integró en el genoma del rotífero. Que un gen transferido horizontalmente tiene la capacidad de influir en la transcripción de un genoma. . . Creo que eso es bastante novedoso.
La enzima ha remodelado por completo el sistema epigenético de los rotíferos, dice la coautora del estudio Irina Arkhipova, genetista evolutiva molecular del Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts. Actualmente, se sabe poco sobre los sistemas epigenéticos en los rotíferos, dice Jae-Seong Lee, biólogo molecular de rotíferos de la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur que no participó en el nuevo estudio a pesar de la importancia ecológica de los animales. Los rotíferos cumplen funciones ecológicas importantes en muchas aguas continentales, tanto dulces como saladas. Por lo tanto, es muy importante comprender sus mecanismos de adaptación evolutiva, escribe Lee en un correo electrónico a The Scientist.
Además de proporcionar información sobre los rotíferos, la enzima proporciona un vistazo, dice Arkhipova, en la secuencia de eventos que tuvieron que ocurrir en la evolución temprana de plantas y animales, cuando los sistemas de regulación de genes eucariotas evolucionaron inicialmente.
Reprogramación de la epigenética
Poco después de que evolucionaran los eucariotas, obtuvo enzimas de bacterias llamadas C5-metiltransferasas que unen grupos metilo a residuos de citosina en ácidos nucleicos, regulando efectivamente la expresión génica. Entre otras cosas, esta regulación permite que las células dentro del cuerpo asuman diferentes roles y evita que los elementos transponibles (TE) salten excesivamente y causen estragos genómicos en la mayoría de los animales. Los rotíferos bdeloides carecen de las metiltransferasas de muchos de sus parientes metazoarios.
Arkhipova y sus colegas no se propusieron encontrar tal metiltransferasa, pero la encontraron mientras examinaban el impresionante repertorio de genes de los animales que habían adquirido de otros organismos. Los bdelloides son actualmente los poseedores del récord en la cantidad de genes transferidos horizontalmente, explica. Como ella y sus colegas informaron inicialmente en 2008, hasta el 10 por ciento de los genomas de los animales provienen de otras especies, incluidas plantas, hongos y bacterias, al menos un orden de magnitud mayor que el observado en otros animales.
Son un escándalo evolutivo.
Chiara Boschetti, Universidad de Plymouth, haciéndose eco de John Maynard Smith
Mientras anotaba estos genes robados en el bdeloide Adineta vaga, el equipo marcó uno porque era una metiltransferasa, dice Arkhipova, uno relativamente nuevo en el genoma de Adineta vaga. Se cree que las ADN metiltransferasas de los eucariotas evolucionaron cerca del origen del grupo, antes de que las plantas, los hongos y los animales se separaran unos de otros. La enzima que encontró el grupo Arkhipovas parecía ser una que se pensaba que era exclusiva de las bacterias, una llamada N4C-metiltransferasa que agrega grupos metilo a una parte diferente de las bases de citosina que las metiltransferasas en otros animales. De hecho, la enzima era más similar a las enzimas de modificación de restricción bacteriana, que las bacterias usaban para defenderse de las infecciones por fagos, pero en este caso, no estaba asociada con ningún tipo de sistema de modificación de restricción, explica Arkhipova.
Las comparaciones genómicas pronto revelaron que la enzima estaba presente en representantes de cada una de las principales familias de la clase Bdelloidea, por lo que el equipo decidió investigar qué podría estar haciendo en los animales. Una pista fue que la supuesta enzima bacteriana estaba unida a un motivo eucariota común a las proteínas de unión a la cromatina que se une a ciertas histonas metiladas. Al escanear el genoma del rotífero en busca del tipo de marcas de metilación que se sabe que produce esta enzima en las bacterias, el miembro del equipo Fernando Rodríguez, que se encuentra en el laboratorio de Arkhipovas, descubrió que los animales sí tienen estas marcas epigenéticas, y que se concentran en gran medida en secuencias de elementos transponibles. , así como algunas repeticiones en tándem.
La bioquímica y colaboradora Irina Yushenova luego tomó el gen de la enzima y lo expresó en E. coli, demostrando que, de hecho, genera marcas de 4mC que podrían detectarse usando anticuerpos específicos. Yushenova demostró además que los bdelloides poseen una histona metiltransferasa que reconoce preferentemente las marcas de 4 mC en el ADN, usándolas para dirigir la metilación de las histonas. Por lo tanto, es probable que las dos metiltransferasas trabajen en conjunto para reforzar el silenciamiento génico, concluye el equipo, con la metilación de histonas provocando la metilación del ADN y viceversa.
En muchos sentidos, es similar al sistema de metilación utilizado por otros animales, pero es una adquisición mucho más reciente, dice Arkhipova. La metiltransferasa derivada de bacterias se encontraba en todos los bdeloides examinados, pero faltaba en los genomas de los rotíferos de la clase Monogononta, lo que sugiere que la transferencia se produjo después de que los bdelloides se dividieran en su propio grupo hace unos 60 millones de años. Por el contrario, se cree que los sistemas de metiltransferasa en otros animales evolucionaron repetidamente antes de la división principal entre los reinos eucariotas hace más de mil millones de años. La adquisición de la enzima de los rotíferos es una especie de recapitulación de este proceso que ocurrió muy temprano en la evolución, pero con una enzima diferente, dice ella.
Agregando a la colección de peculiaridades de los bdelloides
Rotíferos bdelloides ya se consideraban rarezas biológicas. Además de su alto porcentaje de ADN sustraído de otros organismos, parecen haber eludido la reproducción sexual durante la mayor parte de los 60 millones de años, lo que los convierte en un curioso caso de estudio para comprender el propósito del sexo. En resumen, son un escándalo evolutivo, dice Chiara Boschetti, bióloga molecular evolutiva de la Universidad de Plymouth en el Reino Unido que estudia rotíferos, haciéndose eco de las palabras del biólogo evolutivo John Maynard Smith.
La enzima bacteriana reutilizada puede ayudar a explicar cómo los animales son capaces de persistir como organismos predominantemente asexuales. Arkhipova señala que los rotíferos no pueden aprovechar la recombinación sexual frecuente como medio para deshacerse de las inserciones de elementos transponibles nocivos. Sin embargo, estos TE, también conocidos como genes saltadores, solo representan un pequeño porcentaje de los genomas de animales microscópicos, mucho menos que en muchos otros animales. El hecho de que las marcas de 4mC se concentraran en los TE la llevó a postular que la enzima podría haber sido una adaptación para ayudarlos a mantener bajo control sus elementos transponibles. A la luz de la extrañeza de los rotíferos, la propuesta de nuevos estudios de que el sistema epigenético de los animales es único entre los metazoos puede no ser tan sorprendente. Sin embargo, el estudio ayuda a confirmar aspectos de la biología de los animales que han sido algo cuestionados, como el volumen de genes transferidos horizontalmente, y lo hace de manera sólida, con múltiples experimentos de refuerzo, dice Boschetti.
Realmente han demostrado en este artículo que esta forma alternativa de metilación ocurre en los rotíferos, dice Vancaester.
Lee dice que encontró el artículo especialmente fascinante porque los mecanismos epigenéticos pueden contribuir a la adaptación y plasticidad en especies asexuales, aumentando su capacidad para responder a cambios ambientales rápidos que las alteraciones en el propio genoma podrían. Él y sus colegas han sugerido, por ejemplo, que la metilación de histonas en el rotífero asexual no bdeloide Brachionus koreanus puede ayudar a la especie a adaptarse a la acidificación del océano.
Arkhipova dice que ella y su equipo también está intrigado por las marcas de metilación en las repeticiones en tándem y está interesado en descubrir su propósito. Y les gustaría estudiar funciones potencialmente inusuales de otros genes extraños detectados en rotíferos, dice.
Vancaester dice que es un momento emocionante para estudiar la transferencia horizontal de genes (HGT). Este y muchos otros artículos muestran que la HGT en eucariotas no solo ocurre, sino que puede tener un efecto en la evolución, señala. Simplemente creo que encaja en toda una burbuja de artículos en este momento que muestra que la HGT es relevante.
Aclaración (4 de marzo): el texto se ha actualizado para señalar la fuente original del término evolutivo escándalo.