Los reguladores de la actividad génica en los animales se conservan profundamente

ARRIBA: Los investigadores utilizaron una proteína fluorescente para explorar patrones de expresión génica específicos de células en peces cebra que contenían un potenciador derivado de una esponja.DAVID ZHENG VICTOR CHANG CARDIAC RESEARCH INSTITUTE

La funcionalidad de los elementos reguladores genéticos conocidos como potenciadores está ampliamente conservada entre las especies de animales distribuidas a lo largo del árbol evolutivo. Cuando los investigadores insertaron una secuencia potenciadora de una esponja en peces cebra y ratones, ambos vertebrados pudieron interpretar la información genética e impulsar la expresión celular específica de un gen de desarrollo, incluso dentro de los tipos de células que una esponja no tiene.

Los resultados del nuevo estudio, publicado el 5 de noviembre en Science, muestran que, al menos en algunos casos, la función potenciadora persiste en especies que compartieron por última vez un ancestro común desde hace 700 millones de años.

Una vez unidos por proteínas, los potenciadores controlan dónde, cuándo y cómo se regulan los genes, y son en gran parte responsables de la diferenciación celular durante el desarrollo. La razón por la que una célula muscular es diferente de una célula de la piel se debe a cómo se regulan los genes. Es por eso que es realmente importante comprender estas regiones, dice a The Scientist Emily Wong, investigadora de genómica computacional en el Instituto de Investigación Cardíaca Victor Chang en Australia y autora principal del nuevo estudio. Nuestro descubrimiento es emocionante porque sabemos que estas regiones evolucionan muy rápido, lo que las hace más difíciles de encontrar.

Amphimedon queenslandica fue la primera esponja cuyo genoma fue secuenciado y desde entonces se ha utilizado para estudiar el desarrollo y la evolución de la complejidad en los metazoos. Universidad de Queensland

Muchos potenciadores se encuentran en regiones no codificantes del genoma, porciones a las que Wong se refiere como materia oscura porque la mayor parte de la investigación genómica se centra en los exones, que codifican proteínas. Pero la creciente evidencia sugiere que el genoma humano puede tener cientos de miles de potenciadores, superando con creces nuestros aproximadamente 20,000 genes codificadores de proteínas. Los potenciadores también evolucionan rápidamente en comparación con los factores de transcripción con los que interactúan y los genes que regulan, lo que significa que es posible que los potenciadores no conserven su fidelidad de secuencia a lo largo del tiempo.

El método convencional de comparar genomas alineándolos y buscando por lo tanto, para secuencias similares es ineficaz para los potenciadores, cuyos motivos de repeticiones cortas de ADN pueden cambiar tanto que ya no son reconocibles. De hecho, no se ha demostrado que un solo potenciador se conserve en todo el reino animal.

Wong y sus colegas sospecharon, sin embargo, que los potenciadores pueden ser flexibles en su gramática reguladora, lo que significa que pueden conservar su funcionan incluso cuando se barajan el número, la disposición o el tipo de motivos que componen el potenciador. Si esto fuera cierto, los potenciadores podrían, en teoría, mantener su función en diferentes especies.

Para probar esta hipótesis, el equipo buscó potenciadores putativos en la esponja Amphimedon queenslandica, una especie australiana utilizada frecuentemente para estudiar la evolución de los metazoos. Se dirigieron a pares de genes microsintéticos, en los que un gen (el objetivo) está regulado por un potenciador dentro de otro gen (el espectador). Debido a que el gen objetivo suele ser fundamental para el desarrollo adecuado, los investigadores razonaron que la selección mantendría los genes más estables con el tiempo.

Aunque identificaron 60 de estos pares de genes, los investigadores se centraron más en uno solo par con un papel regulador conocido, Islet-Scaper, en el que el gen Islet  es el objetivo y el gen Scaper  es el espectador. El potenciador, llamado eISL, está ubicado en el intrón de  Scaper. En los vertebrados, Islet está involucrado en el sistema nervioso y el desarrollo del corazón, entre otras funciones.

El equipo primero insertó todo el par Islet-Scaper  en un embrión de pez cebra transgénico que aún contenía su propio Islet genes (el pez cebra tiene tres parálogos) y potenciadores. Si la maquinaria reguladora de los peces hubiera perdido la capacidad de reconocer los sitios de unión en el potenciador de la esponja, los investigadores no habrían visto ninguna expresión del gen Islet  de la esponja. Sin embargo, Wong y sus colegas detectaron transcripciones de la esponja Islet además de las propias versiones del pez, lo que significa que los factores de transcripción del pez cebra todavía podían leer los sitios de unión de las esponjas incluso después de cientos de millones de años de evolución.

A continuación, insertaron el potenciador de esponja aguas arriba de una proteína fluorescente verde que hizo que el pez brillara en tipos de células específicas donde el potenciador estaba activo. Aunque las esponjas carecen de cerebro, ojos y corazones, los peces mostraron patrones de expresión específicos de células consistentes con un pez cebra de tipo salvaje, hallazgos que fueron respaldados por un experimento posterior con ratones. La actividad potenciadora derivada de la esponja hizo que los peces brillaran más intensamente en sus sistemas nerviosos, oídos y piel, mientras que los ratones también mostraron expresión en sus ojos. Hay una conservación funcional a pesar de la secuencia en sí. . . no se reconoce».

Cuando colocamos estas secuencias en animales completamente diferentes que son muy divergentes, vemos que es capaz de impulsar la expresión específica del tipo de célula, dice Wong, hallazgos que sugieren que existe una función conservación a pesar de que la secuencia en sí… no se reconoce.

Si bien el equipo no es el primero en confirmar que las secuencias no necesitan parecerse para traducirse entre animales, Flvio SJ de Souza, biólogo del desarrollo en el Universidad de Buenos Aires, que ha trabajado con potenciadores e Islet  y no participó en la investigación actual, se sorprendió de cuán profunda fue esta conservación. Estamos tratando con una esponja, la distancia filogenética más extrema que puedes obtener en el reino animal, de Souza le dice a The Scientist. Creo que esto apunta a un fenómeno más general.

Hay una conservación funcional incluso aunque la secuencia en sí… no se reconoce.

Emily Wong, Victor Chang Cardiac Instituto de Investigación

Después de haber demostrado que eISL se conserva funcionalmente, Wong luego desarrolló una herramienta computacional para escanear regiones microsintéticas de genomas de varias bases de datos en función de las características de los motivos de unión de los potenciadores, su número, ubicación y el tipo de secuencia, en lugar de las secuencias completas en sí mismas, para encontrar ortólogos potenciadores en esponjas, peces cebra, ratones y humanos. Cuando crearon peces transgénicos con sus supuestos candidatos potenciadores de ratón y humano eISL, encontraron patrones de expresión de Islet específicos de células similares a los que habían visto en sus experimentos anteriores usando la esponja versión.

Está claro, y este estudio lo refuerza, que no requiere que mantenga los sitios de unión en el mismo lugar, en el mismo número, en la misma orientación, Michael Eisen, un molecular biólogo de la Universidad de California, Berkeley, que no formó parte del estudio actual, le dice a The Scientist. Puede lograr el mismo patrón de entrada-salida de diferentes maneras».

De Souza dice que le gustaría saber más sobre lo que hace el potenciador Islet  en la propia esponja. Si bien el artículo ha demostrado que la sección de ADN puede funcionar como un potenciador, la realización de estos experimentos transgénicos la saca de su contexto genómico nativo, dice de Souza. em>A. queenslandica requeriría manipulaciones genómicas tales como experimentos de desactivación de genes que son comunes en organismos modelo, pero pueden ser difíciles en especies más exóticas.

Eisen dice que quiere ver el El mismo rigor que el equipo aportó al par Islet-Scaper  se aplicó a cientos, si no miles, de potenciadores putativos adicionales en todas las especies. Con tan poco conocimiento sobre los potenciadores en general, es difícil decir si los equipos Los hallazgos tocan un valor atípico en la forma en que estos elementos reguladores se conservan con el tiempo.

Todavía creo que pe La gente no aprecia lo extraña que es la evolución de los potenciadores, dice Eisen. Es bueno que la gente recuerde periódicamente con nuevos ejemplos, porque creo que el fenómeno que describe este documento todavía no es muy apreciado, incluso por personas en el campo de la transcripción.