Una tecnología innovadora revela los secretos del «retroceso» en la regulación genética

Un nuevo estudio muestra que la técnica puede determinar por primera vez con qué frecuencia ocurre un evento molecular llamado «retroceso» en todo el material genético (genoma) de una especie y exactamente dónde ocurre.

Publicado en línea el 9 de febrero. célula molecular, Los resultados del estudio respaldan la teoría de que la reversión representa una forma generalizada de regulación genética, que afecta a miles de genes humanos, incluidos muchos genes implicados en procesos vitales básicos como la división celular y el desarrollo en el útero.

El trabajo, dirigido por investigadores de la Facultad de Medicina Grossman de la Universidad de Nueva York, gira en torno a los genes, que son tramos de «letras» moleculares de ADN dispuestas en un orden específico (secuencia) para codificar los planos de la mayoría de los organismos. Tanto en humanos como en bacterias, el primer paso en la expresión genética, la transcripción, ocurre cuando una “máquina” proteica llamada ARN polimerasa II mueve la cadena de ADN, leyendo las instrucciones genéticas en una dirección.

En 1997, el Dr. Evgeny Nodler y sus colegas publicaron un artículo que demostraba que la ARN polimerasa a veces puede deslizarse hacia atrás a lo largo de la cadena que está leyendo, un fenómeno que llamaron «retroceso». Desde entonces, los estudios han demostrado que la retracción a veces ocurre en células vivas poco después de que la ARN polimerasa comienza la síntesis de ARN o cuando encuentra ADN dañado para dejar espacio a las enzimas reparadoras entrantes. Trabajos posteriores sugirieron que la maquinaria de retracción y reparación debe funcionar rápidamente y disiparse, de lo contrario podría colisionar con la ADN polimerasa y provocar roturas en las cadenas de ADN, lo que provocaría la muerte celular.

Ahora, un nuevo estudio realizado por el equipo de Nudler en NYU Langone Health ha revelado que su nueva tecnología, la secuenciación mitótica de largo alcance (LORAX-seq), puede revelar directamente dónde comienzan y terminan los eventos de retracción. Al complementar los métodos anteriores que eran indirectos o limitados, el nuevo método revela que muchos de estos eventos retroceden más de lo que se pensaba anteriormente y, por lo tanto, duran más. Los resultados también indican que la DC ocurre con frecuencia en todo el genoma, ocurre con frecuencia cerca de ciertos tipos de genes y tiene funciones que van mucho más allá de la reparación del ADN.

La sorprendente estabilidad del retroceso en distancias más largas hace probable que represente una forma generalizada de regulación genética en especies desde bacterias hasta humanos. Si el trabajo adicional extiende nuestros hallazgos a diferentes programas de desarrollo y estados patológicos, el retroceso puede estar más cerca de la epigenética, cuyo descubrimiento ha revelado una nueva y sorprendente capa de regulación genética sin cambiar el código del ADN.

Evgeny Nodler, Ph.D., autor principal del estudio y profesora Julie Wilson Anderson en el Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular de NYU Langone.

¿Centralidad en la vida?

La ARN polimerasa II traduce el código del ADN en una sustancia relacionada llamada ARN, que luego dirige la construcción de proteínas. Para ello, el complejo se mueve a lo largo de las hebras de ADN en una dirección, pero retrocede en determinados escenarios. Estudios anteriores han demostrado que cuando la ARN polimerasa II se retrae, expulsa (extruye) de su canal interno el extremo de la cadena de ARN que estaba construyendo basándose en el código del ADN. Debido a que la retracción prolongada es vulnerable a causar colisiones dañinas, se cree que la transcripción se restablece rápidamente mediante el factor de transcripción IIS (TFIIS), que promueve el corte (escisión) del ARN «retrógrado» extruido. Esto allana el camino para que la ARN polimerasa II reanude la lectura del código directo.

Sin embargo, otros estudios previos han demostrado que cuando la polimerasa se retrae más allá de una cierta distancia (por ejemplo, 20 residuos de ADN), el ARN retraído puede unirse al canal a través del cual está siendo extruido, manteniéndolo intacto en su lugar por más tiempo. Es menos probable que los complejos bloqueados y retraídos sean rescatados mediante la escisión impulsada por TFIIS y es más probable que retrasen la transcripción del gen en cuestión. Esto dio lugar a la teoría de que la reversibilidad, además de desempeñar un papel importante en las vías de reparación del ADN, puede aumentar o disminuir la función de los genes como mecanismo regulador importante.

Según los investigadores, es probable que TFIIS se produzca en bajas concentraciones en células vivas, compitiendo con cientos de otras proteínas para acceder al ARN en regresión y cortarlo para que la transcripción pueda continuar. En el estudio actual, el equipo utilizó una alta concentración de TFIIS purificado (sin proteínas competidoras) para cortar con precisión cualquier fragmento de ARN retrógrado dondequiera que estuviera ubicado en el código genético de la célula. Esto puso fragmentos a disposición de tecnologías que leen secuencias de códigos y proporcionan pistas sobre sus ubicaciones y funciones.

El equipo de investigación también descubrió que los genes que controlan las histonas (las “carretas” de proteínas alrededor de las cuales se envuelven las hebras de ADN dentro de la cromatina que regula la expresión genética) son muy vulnerables al deterioro continuo. Los autores sugieren que el grado en que esto ocurre, junto con los cambios relacionados en la transcripción de genes específicos, puede controlar el momento de la acumulación de histonas a gran escala necesaria durante la división celular para reconstruir la cromatina. También sugieren que el declive actual puede afectar la transcripción oportuna de genes vitales para el desarrollo de los tejidos.

«Además de sus posibles funciones beneficiosas, el deterioro sostenido también puede provocar daños en el ADN y otras disfunciones genéticas que contribuyen a la enfermedad», dice el primer autor del estudio, Kevin Yang, estudiante de posgrado en el laboratorio del Dr. Nodler. «Anticipamos que medir el deterioro en el contexto del envejecimiento o el cáncer, por ejemplo, puede ayudarnos a comprender por qué la respuesta al estrés celular y la proliferación celular están alteradas y sugerir nuevos enfoques terapéuticos».

Junto con Yang y Nodler, los autores del estudio del Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular de NYU Langone Health fueron Aviram Rasouli, Vitaly Epshteyn, Cressida Martinez, Thao Nguyen e Ilya Shamowski. Nudler también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes. El estudio está financiado por la Blavatnik Family Foundation, el Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud, con subvenciones R01GM126891 y T32 AI007180.