Los investigadores de Salk trazan el panorama de la regulación genética y epigenética en las plantas

Los investigadores de Salk trazan el panorama de la regulación genética y epigenética en las plantas

Nuevos hallazgos arrojan información sobre cómo las plantas obtienen sus rasgos

LA JOLLA: una nueva técnica desarrollada por científicos del Instituto Salk para mapear rápidamente regiones de ADN objetivo de proteínas reguladoras podría dar a los científicos una idea de lo que hace que algunas plantas sean tolerantes a la sequía o resistentes a las enfermedades, entre otras características.

Revelar este paisaje de zonas de unión a proteínas en el ADN, denominadas colectivamente "cistroma", muestra cómo las plantas controlan dónde y cuándo se expresan los genes. Los métodos anteriores para mapear el cistrome en células vegetales eran difíciles y lentos, pero el nuevo enfoque, detallado en la edición del 19 de mayo de 2016 de Celular, supera esos obstáculos para ofrecer una visión general de este aspecto crítico de la regulación genética.

"Este es uno de los primeros esfuerzos para caracterizar globalmente todos los elementos reguladores en el genoma de una planta", dice el autor principal. José Ecker, profesor y director del Laboratorio de Análisis Genómico de Salk y titular de la Cátedra Salk International Council en Genética. “El cistrome ha sido una pieza de información faltante para tratar de entender cómo funcionan las plantas”.

Gran parte de la información de las células animales y vegetales está contenida en tramos "codificados" de ADN que tienen las instrucciones para producir proteínas, los caballos de batalla físicos de las células. Pero los investigadores se están dando cuenta cada vez más de que otras secciones del genoma tienen elementos que controlan cuándo y cómo las células producen estas proteínas. Entre estos fragmentos de ADN "no codificantes" hay puntos donde se unen proteínas llamadas factores de transcripción para gestionar la activación de genes codificantes vecinos.

“Muchos estudios en humanos y modelos animales muestran que los cambios no codificantes son realmente importantes para comprender los trastornos hereditarios y enfermedades como el cáncer”, dice Shao-shan Carol Huang, investigadora asociada de Salk y coautora principal del artículo. “Ser capaz de averiguar qué están haciendo estas regiones no codificantes en las plantas es igualmente crítico”.

En el pasado, los científicos podían determinar dónde solo uno o dos factores de transcripción a la vez se unían a los genomas de las plantas, pero los experimentos avanzaban lentamente. Ecker y sus colegas querían mapear completamente dónde se unen los cientos, o incluso miles, de factores de transcripción conocidos, por lo que necesitaban una forma más rápida de mapear los sitios.

Para lograr este mapeo de cistrome, los investigadores crearon un sistema en el que podían agregar un factor de transcripción etiquetado a una biblioteca de ADN, dejar que se una y luego aislar todos los pares de proteínas de ADN. El método, llamado secuenciación de purificación por afinidad de ADN (DAP-seq), amplía enormemente la cantidad de información que los científicos pueden obtener sobre los factores de transcripción y sus sitios de unión.

“Nuestro sistema es económico y escalable”, dice Ronan O'Malley, científico del laboratorio de Ecker y coautor del artículo. “Nos permite capturar la colección completa de sitios de enlace de transcripción para tener un libro de códigos completo”. Además, dijo, no requiere equipo de laboratorio sofisticado o especializado al que la mayoría de los laboratorios de plantas no tendrían acceso.

Para probar la utilidad de DAP-seq, Ecker, Huang, O'Malley y sus colegas mapearon dónde se unían 529 factores de transcripción al genoma de Arabidopsis thaliana, la planta más estudiada por los científicos. Identificaron 2.7 millones de sitios de unión. Luego repitieron los experimentos utilizando ADN que contenía o no metilación de citosina, un proceso de marcado de la superficie del genoma con etiquetas químicas de metilo para inhibir o activar aún más los genes. Los patrones de unión de alrededor de las tres cuartas partes de los factores de transcripción que probaron cambiaron.

“Esto nos permitió exponer sitios de unión que podríamos pasar por alto si no elimináramos la metilación. Con este enfoque, podemos ver sitios de unión que pueden estar activos solo en un subconjunto de células o tejidos”, dice O'Malley. Los nuevos resultados muestran no solo cómo las proteínas reguladoras alteran la expresión génica, sino también el papel que las marcas de metilación epigenómica pueden desempeñar en esta regulación.

En un artículo separado, publicado en mayo de 2016 en Nature Plants, Ecker y grupos colaboradores de la Universidad de Duke y la Universidad de Australia Occidental revelaron que diferentes tipos de células en el Arabidopsis raíz tienen diferentes patrones de metilación. Usando DAP-seq, ahora podrán estudiar cómo esos patrones en las células de la raíz afectan la unión de los factores de transcripción. Además, les gustaría estudiar cómo los diferentes factores de transcripción interactúan entre sí e intentar aplicar el método a otras especies de plantas y células humanas.

“La belleza de esto es que se puede hacer en cualquier planta, muchas de las cuales no tienen las herramientas disponibles en Arabidopsis”, dice Ecker, quien también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes e investigador de la Fundación Gordon y Betty Moore. "Y esto puede darnos una ventana sobre cómo las variaciones genéticas o epigenéticas en las secuencias reguladoras afectan sus rasgos".

Otros investigadores del estudio fueron Liang Song, Mathew G. Lewsey, Anna Bartlett y Joseph R. Nery, todos del Instituto Salk; y Mary Galli y Andrea Gallavotti de Universidad Rutgers.

El trabajo y los investigadores involucrados fueron apoyados por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore y del Instituto Médico Howard Hughes.