BIOGENIC Biólogos Genetistas Colombianos

Los intrincados movimientos del ADN

Por: Leonardo Galindo


¿Por qué estudiar elementos transponibles?

Hace unos años tuve la suerte de hacer mi tesis de pregrado en el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), ubicado en Cali, Colombia. Al llegar allí tuve una primera reunión con quien sería mi supervisor durante los siguientes cinco años, un investigador dedicado y visionario. En la conversación que sostuvimos, me ofreció varias opciones para enfocar mi tesis, y entre ellas una capturó de inmediato mi atención. Se trataba de un proyecto en el que se buscaba identificar secuencias de retrotransposones (un tipo de elementos transponibles) en el fríjol común (Phaseolus vulgaris), con el propósito de implementar nuevas técnicas para identificar diferencias entre variedades de esta especie. Tengo que confesar que aunque no entendí muchas de las cosas de las que mi supervisor habló ese día, pero si recuerdo que cuando mencionó la palabra “retrotransposones”, inmediatamente lo relacioné con lo que había escuchado de los retrovirus, especialmente del virus que produce el SIDA (Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida). El tema de los retrovirus siempre me había cautivado y me preguntaba si los retrotransposones tenían algo que ver evolutivamente con ellos. Aunque mi tesis no se basaba en una pregunta evolutiva, mi interés en la relación de estos elementos transponibles con los retrovirus terminó llevándome a investigar sobre dicho tema y a aprendí sobre la influencia que estos elementos tenían, no solo en el genoma del fríjol, sino en la mayoría de los organismos. Una vez terminé mi tesis de pregrado trabaje por varios años en muchos otros temas, pero siempre pensando que algún día quería volver a seguir investigando como estos elementos transponibles se mueven en el genoma, influyen en la regulación de genes y cual es su historia evolutiva. Hace dos años tuve una nueva oportunidad de reiniciar mi investigación en transposones. He aquí una corta reseña de lo que ha ocurrido hasta ahora con estos interesantes elementos del genoma.

El descubrimiento


A finales de los años 40’s y principios de los 50’s Barbara McClintock publicó una serie de artículos en los que propuso que regiones específicas en el ADN del maíz no sólo cambiaban de lugar, sino que producían alteraciones en los cromosomas y en las regiones génicas adyacentes a donde se movían [1], [2], [3], [4]; dichas regiones móviles fueron llamadas transposones o elementos transponibles. Pionera en estudios de citogenética, pero sin las herramientas que se utilizan en genómica hoy en día, McClintock logró concluir a partir de cruces entre líneas de maíz y de la observación de los cambios cromosómicos y también en la apariencia de los granos de maíz, que dos locus genéticos (regiones en el genoma) a las que llamo Disociador (Ds) y Activador (Ac), eran responsables de que algunos granos de maíz tuvieran regiones oscuras (el transposon se moviliza y separa de la región génica) mientras otros granos no tenían ningún tipo de coloración oscura (transposon insertado en la región génica - Figura 1).

Figura 1. Los colores en los granos de maíz están controlados por transposones. En el grano totalmente oscuro un transposon (Ds), que se encontraba insertado cerca de un gen relacionado con la coloración del grano, se separó de dicha región en una etapa temprana de crecimiento del grano, restableciendo la función génica que permite dar color oscuro al grano. En otros granos el transposon se separó de la región génica en algunas de las células y en otras no, dando origen a un patrón de color moteado. En granos sin pigmento oscuro el transposon no se separó de la región génica en ninguna célula lo cual impidió que el gen adyacente cumpliera su función de coloración oscura del grano [Figura tomada de [5]].

Durante la época en que Barbara McClintock hizo sus estudios en transposones, sus conclusiones fueron tomadas con escepticismo en una comunidad científica en la que aún el liderazgo de una mujer científica era tomado con reserva. Pensando en que la gente parecía no estar preparada para aceptar que el genoma de los organismos no era algo estático, y que su carrera podría ponerse en peligro por los cuestionamientos presentados por otros científicos, Barbara decidió parar su investigación en transposones.

Los transposones desde entonces

Luego de que las herramientas en el campo de la genética fueron mejorando, fue posible clonar e identificar las inserciones de los transpones junto a los genes tal como lo había predicho McClintock [6]. Experimentos hechos en bacterias y en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), durante los 70’s y a principios de los 80’s, también mostraron la presencia de elementos móviles en otras especies [ver resumen en [7]], lo cual mostraba no solo que las teorías de McClintock eran ciertas, sino que probablemente estos elementos tenían un amplio espectro de acción y al estar en especies tan disímiles, su origen debería remontarse a hace miles de millones de años.

Sin embargo, a medida que surgían nuevos estudios en transposones, estos elementos parecían ser más un problema para los genomas. Los transposones no solo parecían asociarse con los genes ocasionando percances funcionales, sino que también ocupaban porcentajes significativos en varios genomas. En 1980 dos artículos fueron publicados argumentando que la transposición y prevalencia de la mayoría de los elementos móviles en las células no tenía un propósito evolutivo más que su misma preservación y que estos elementos, sólo en raras ocasiones, contribuían positivamente a las funciones del organismo [8], [9]. Aunque los científicos no desecharon la idea de que estas secuencias de ADN pudieran en algunos momentos llegar a cumplir alguna función, su principal conclusión era que los transposones contradecían la teoría de selección natural pues no conferían ninguna ventaja inmediata, e incluso denominaron a este tipo de ADN como basura o ADN egoísta. Sus teorías de cierta manera respaldaban la visión expuesta por Dawkins en su libro “El gen egoísta” donde éste argumentaba de forma abierta que los organismos no eran más que instrumentos donde los genes competían por su supervivencia [10]. Stephen Jay Gould, uno de los biólogos evolutivos más reconocidos de nuestra era, respondió de forma contundente a tal teoría en su libro “el pulgar del panda” argumentando que: “la selección simplemente no puede actuar sobre los genes y escoger entre ellos directamente” [11]. Los genes actúan de forma conjunta para producir las estructuras, y como también argumentó Gould, en la naturaleza hay múltiples ejemplos de estructuras que han surgido aparentemente sin ninguna función y que pueden o no terminar teniendo una. Esta es precisamente la base de la evolución, en muchas ocasiones cambios que aparentemente pueden no significar mucho, pueden ser seleccionados como favorables dependiendo de la interacción del ambiente y del organismo. Podemos decir entonces, que en esta época de controversia, los transposones fueron reivindicados indirectamente por Gould.

Esta controversia continuó por algún tiempo, pero con el advenimiento de más y más técnicas moleculares, el panorama de los transposones se tornó más complicado de lo esperado. Diferencias en la transposición de los elementos en distintas poblaciones se hicieron evidentes en Drosophila; y luego se demostró que los transposones parecían activarse con cruces endogámicos (mezcla de individuos de ascendencia común) que eran rutinarios en el laboratorio, lo cual significaba que la selección artificial que se efectuaba en laboratorios y la determinación de los caracteres de los organismos podrían llegar a ser influenciados por estos elementos móviles [7]. Aunque estos hechos no comprobaran directamente el papel de los transposones en los genomas, si mostraban que los elementos eran parte activa de su evolución.

Con el tiempo más elementos fueron descubiertos, y a los tradicionales transpones que se separaban de un lugar y se insertaban en otro lugar del genoma, se sumaron otros que dejaban una copia atrás y generaban nuevas copias en otros lugares. Este nuevo grupo conocido como los retrotransposones pueden aumentar el tamaño de los genomas ampliamente por su mecanismo de movimiento, lo cual fue luego evidenciado en numerosas plantas [12]. Es interesante que los retrotransposones compartan varias características estructurales con los retrovirus, y estudios hechos a principio de este siglo mostraron que lo más probable es que los retrovirus hayan derivado de los retrotransposones [13].

En los años 80’s y 90’s los elementos transponibles (transposones y retrotransposones), tomaron más relevancia. Transposones en Drosophila sp. se podían utilizar rutinariamente para trasformar genéticamente a estos organismos e introducir genes foráneos [14]. Mientras tanto en las plantas tanto transposones autóctonos como foráneos empezaron a ser utilizados para crear mutaciones en genes que pudieran después tener una repercusión en las características de la planta, proceso conocido como mutagénesis por inserción [15]. Esta oleada de técnicas moleculares basadas en transposones y la amplia distribución de estos elementos en diferentes organismos, pusieron a los elementos transponibles irreversiblemente como objetos de estudio en la biología molecular y la genética.

Una mirada a lo que hacemos hoy en día

La visión de estos elementos ha cambiado completamente desde aquellas fuertes polémicas donde los elementos transponibles eran considerados nada más que ADN basura. Hace unos años cuando comencé a interesarme por los elementos transponibles en plantas, los estudios evolutivos para determinar las relaciones y diversidad de los elementos ya eran comunes en plantas modelo como Arabidopsis y arroz [16], [17]. Debido a que muchos grupos de transposones se mueven constantemente en diferentes tejidos, en diferentes etapas de desarrollo y ante diferentes influencias ambientales, los investigadores empezaron a encontrar que si usaban esas diferencias en los patrones de movimiento podrían diferenciar incluso plantas dentro de una misma especie o encontrar relaciones entre los transposones y los genes cercanos. Nuevas técnicas moleculares basadas en dichas diferencias empezaron a ser implementadas [18], [19], [20]. En esa época estábamos estudiando el fríjol común y vimos los transposones como una alternativa para estudiar regiones en el genoma que no podían ser estudiadas con otros marcadores moleculares. Se creía entonces, que los transposones que utilizábamos (retrotransposones Ty1-copia) estaban especialmente asociados con genes, lo cual los hacía más interesantes. Luego de estudiar estos transposones encontramos que eran altamente diversos y que dicha diversidad se asemejaba a las diferencias que presentan los retrovirus, por lo que el modelamiento de sus relaciones evolutivas requería herramientas que difieren de las tradicionales utilizadas para otros genes [18]. Así mismo observamos que las regiones finales de estos retrotransposones contenían sitios promotores (sitios usados para la activación del gen) con el potencial de ser activadas por señales de estrés relacionadas con defensa, lo cual tiene importantes implicaciones en el control que un transposon puede llegar a ejercer cuando se inserta cerca de un gen de la planta. Actualmente estudios de retrotransposones, del grupo Ty1-copia en Arabidopsis, han mostrado un patrón de inserción en distintas regiones del genoma más o menos aleatorio, aunque los retrotransposones que se han insertado más recientemente en la historia evolutiva parecen estar cerca de genes [21]. Nuestros análisis en el lino (Linum usitatissimum) han mostrado que tal es el patrón que siguen estos retrotransposones en esta planta, y que numerosos elementos de este grupo están potencialmente influenciado la expresión de genes adyacentes [22].

Para finalizar… 

Desde los elementos descubiertos hace más de 40 años en bacterias [23], hasta los extensos estudios hechos en elementos móviles en humanos, que ocupan casi el 50% de nuestro genoma y para los cuales se ha demostrado que ayudan a formar nuevos genes, mutan otros e incluso se relacionan con enfermedades [24], los transposones han sido descubiertos en casi todas las especies estudiadas hasta la fecha, y son motores indiscutibles de la evolución genómica.

A pesar de que en otros organismos los elementos transponibles ocupan altos porcentajes del ADN de cada célula, las plantas son un caso muy especial. Las nuevas tecnologías han permitido secuenciar genomas completos de especies de importancia agronómica, y es evidente que en especial en plantas con genomas de tamaño considerable, dicho tamaño parece estar ampliamente marcado por la presencia de elementos transponibles. En el maíz, más del 80% del genoma esta constituido por estos elementos [25] mientras en el sorgo la cifra supera el 60% [26]. Incluso en las plantas donde se han encontrado menos elementos como Arabidopsis la cifra llega al 14% [27]. Nuestros estudios en el lino, cuyas semillas y productos secundarios constituyen uno de los primeros productos de exportación en Canadá, muestran que más del 23% del genoma esta constituído por elementos transponibles [28]. La abundancia y distribución de los elementos transponibles en plantas y su estrecha relación con genes los hacen extremadamente relevantes a la hora de estudiar y descubrir las intricadas relaciones de expresión y estructura de las distintas regiones genómicas.

Aquella visión de un genoma activo y no estático mostrada por Barbara McClintock hace más de 60 años se vuelve cada vez más una realidad… y por cierto, a pesar de la presión de la comunidad científica que hizo que detuviera sus estudios en transposones en los 50’s, en 1983 Barbara Mcclintock recibió el nobel en Fisiología o Medicina por sus descubrimientos en elementos transponibles, lo cual fue sin lugar a duda un evento de inflexión en el estudio de la evolución genómica.

Referencias

[1]McClintock, B., Chromosome Organization and Genic Expression. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 1951. 16: p. 13-47.
[2]McClintock, B., Controlling Elements and the Gene. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 1956. 21: p. 197-216.
[3]McClintock, B., Mutable Loci in Maize. Carnegie Institute of Washington Year Book, 1948. 47(JUL-): p. 155-169.
[4]McClintock, B., The Origin and Behavior of Mutable Loci in Maize. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1950. 36(6): p. 344-355.
[5]Feschotte, C., N. Jiang, and S.R. Wessler, Plant transposable elements: Where genetics meets genomics. Nature Reviews Genetics, 2002. 3(5): p. 329-341.
[6]Fedoroff, N., S. Wessler, and M. Shure, Isolation of the Transposable Maize Controlling Elements Ac and Ds. Cell, 1983. 35(1): p. 235-242.
[7]Biemont, C., A Brief History of the Status of Transposable Elements: From Junk DNA to Major Players in Evolution. Genetics, 2010. 186(4): p. 1085-1093.
[8]Orgel, L.E. and F.H.C. Crick, Selfish DNA: The ultimate parasite. Nature, 1980. 284(5757): p. 604-607.
[9]Doolittle, W.F. and C. Sapienza, Selfish Genes, the Phenotype Paradigm and Genome Evolution. Nature, 1980. 284(5757): p. 601-603.
[10]Dawkins, R., The selfish gene. 1976, New York: Oxford University Press.
[11]Gould, S.J., The Panda.s thumb. 1980, New York: W.W. Norton and Company.
[12]Kumar, A. and J.L. Bennetzen, Plant retrotransposons. Annu Rev Genet, 1999. 33: p. 479-532.
[13]Cotton, J., Retroviruses from retrotransposons. Genome biology, 2001. 2(2): p. reports0006.
[14]Sentry, J.W. and K. Kaiser, Progress in drosophila gene manipulation. Transgenic research, 1995. 4: p. 155-162.
[15]Pereira, A., A transgenic perspective on plant functional genomics. Transgenic research, 2000. 9: p. 245-260.
[16]Terol, J., et al., Structural and evolutionary analysis of the copia-like elements in the Arabidopsis thaliana genome. Molecular Biology and Evolution, 2001. 18(5): p. 882-892.
[17]Gao, L.H., et al., Evolutionary history of Oryza sativa LTR retrotransposons: a preliminary survey of the rice genome sequences. Bmc Genomics, 2004. 5.
[18]Galindo, L.M., et al., Isolation and characterization of RNase LTR sequences of Ty1-copia retrotransposons in common bean (Phaseolus vulgaris L). Genome, 2004. 47(1): p. 84-95.
[19]Kumar, A., et al., The Ty1-copia group of retrotransposons in plants: genomic organisation, evolution, and use as molecular markers. Genetica, 1997. 100(1-3): p. 205-217.
[20]Waugh, R., et al., Genetic distribution of Bare-1-like retrotransposable elements in the barley genome revealed by sequence-specific amplification polymorphisms (S-SAP). Molecular & General Genetics, 1997. 253(6): p. 687-694.
[21]Pereira, V., Insertion bias and purifying selection of retrotransposons in the Arabidopsis thaliana genome. Genome Biology, 2004. 5(10).
[22]Galindo, L. and M. Deyholos, Identification, characterization and distribution of transposable elements in the flax (Linum usitatissimum L.) genome. BMC Genomics, 2012. submitted.
[23]Shapiro, J.A., Mutations caused by the insertion of genetic material into the galactose operon of Escherichia coli. Journal of molecular biology, 1969. 40: p. 93-105.
[24]Kazazian, H.H., Jr., Mobile elements: drivers of genome evolution. Science, 2004. 303(5664): p. 1626-32.
[25]Schnable, P.S., et al., The B73 Maize Genome: Complexity, Diversity, and Dynamics. Science, 2009. 326(5956): p. 1112-1115.
[26]Paterson, A.H., et al., The Sorghum bicolor genome and the diversification of grasses. Nature, 2009. 457(7229): p. 551-556.
[27]The_Arabidopsis_Genome_Initiative, Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature, 2000. 408(6814): p. 796-815.
[28]Wang, Z., et al., The genome of flax (Linum usitatissimum) assmbled de novo from short shotgun sequence reads. The Plant Journal, 2012. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2012.05093.x.