Comprender cómo se etiqueta selectivamente el ADN con marcas de "no usar"

Comprender cómo se etiqueta selectivamente el ADN con marcas de "no usar"

Los científicos de Salk identifican proteínas que se dirigen a regiones específicas del ADN para mantener el material genético bajo control

LA JOLLA—No todo su genoma necesita estar activo en un momento dado. Algunas regiones son propensas a saltar alrededor del genoma de manera problemática si no se controlan; otros codifican genes que deben apagarse en ciertas células o en ciertos momentos. Una forma en que las células mantienen estos elementos genéticos bajo control es con el equivalente químico de un cartel de "no usar". Se sabe que esta señal química, llamada metilación del ADN, varía en diferentes tipos de células o en diferentes etapas de desarrollo celular, pero los detalles de cómo las células regulan exactamente dónde colocar las marcas de metilación del ADN aún no están claros.

Los científicos de Salk que estudian las plantas descubrieron una pequeña familia de proteínas que controlan en qué parte del genoma se agregan las marcas de metilación del ADN. Su trabajo en este aspecto de la regulación genética es muy relevante para procesos que van desde el desarrollo normal hasta defectos y enfermedades celulares, que pueden surgir debido a patrones erróneos de metilación del ADN en plantas y/o humanos, respectivamente. Su artículo apareció en Nature Genetics de mayo 7, 2018.

"Si queremos comprender cómo las diferencias en los patrones de metilación del ADN pueden causar defectos de desarrollo en las plantas o enfermedades como el cáncer en los seres humanos, debemos comprender cómo la metilación del ADN se dirige a regiones específicas del genoma en condiciones normales", dice el profesor asistente Salk. julie ley, autor principal del artículo. “Hasta ahora, los factores capaces de controlar la metilación de una manera tan precisa han sido esquivos”.

Law estudia una hierba fácil de cultivar, Arabidopsis thaliana, la primera planta en tener su genoma secuenciado. En los años siguientes, los científicos, incluido Law, trabajaron para caracterizar y comprender los patrones de metilación del ADN de la planta, que afectan la actividad de los genes sin cambiar el código del ADN en sí. Este proceso es similar en plantas y animales, pero investigar la metilación del ADN en Arabidopsis es mucho más fácil porque las plantas pueden tolerar los defectos de metilación mejor que los animales, donde los cambios globales en la metilación suelen ser letales.

Law estaba interesado en comprender cómo se regulan las vías que controlan la metilación del ADN no solo para controlar los patrones globales de metilación, sino también para permitir la regulación de regiones individuales, un paso fundamental para generar diferentes patrones de metilación del ADN dentro de un organismo determinado.

Anteriormente, se sabía que un complejo de proteínas llamado ARN polimerasa IV (Pol-IV) desempeñaba un papel global en el establecimiento de patrones de metilación del ADN. Esta polimerasa produce pequeños mensajes moleculares llamados siRNA que actúan como un sistema de GPS molecular, indicando todas las ubicaciones dentro del genoma donde debe apuntarse la metilación. Sin embargo, no estaba claro cómo se podría regular esta polimerasa para controlar la metilación del ADN en ubicaciones genómicas individuales.

Para abordar esta pregunta, el laboratorio de Law utilizó un enfoque genético-genómico combinado para investigar las funciones de cuatro proteínas relacionadas, la familia CLASSY, que pensaron que podrían regular Pol-IV. Resultó que la interrupción de cada gen CLASSY resultó en diferentes conjuntos de regiones genómicas, en diferentes ubicaciones, que perdieron sus señales de siRNA, lo que resultó en niveles reducidos de metilación del ADN. Más dramáticamente, cuando se interrumpieron los cuatro genes CLASSY, las señales de siRNA y la metilación del ADN se perdieron en todo el genoma.

“En los mutantes cuádruples de CLASSY, la señal de Pol-IV desaparece por completo, esencialmente no se producen ARNsi”, dice Ming Zhou, investigador asociado de Salk y primer autor del artículo. "Esta es una evidencia muy sólida de que se requieren CLASSY para la función Pol-IV".

Cuando el equipo de Law investigó más a fondo, descubrió que los defectos de metilación del ADN en los mutantes CLASSY causaron que algunos genes se activaran erróneamente y provocaron disminuciones globales en la metilación en los elementos móviles del ADN, lo que aumentó su potencial para moverse e interrumpir la actividad genética esencial.

"Los CLASSY son parte de una gran superfamilia que es común tanto a las plantas como a los animales", agrega Law, quien ocupa la Cátedra de Desarrollo de la Fundación Hearst. "Esperamos que al comprender cómo se generan patrones de metilación específicos en las plantas, podamos proporcionar información sobre cómo se regula la metilación del ADN en otros organismos".

El conocimiento de este mecanismo para regular la metilación del ADN podría ayudar a los científicos a desarrollar estrategias para corregir defectos epigenéticos que están asociados con rendimientos reducidos en cultivos o enfermedades, como el cáncer, en humanos. En el futuro, el laboratorio está interesado en explorar cómo se controlan los patrones de metilación del ADN durante el desarrollo y en respuesta al entorno.

El trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (GM112966), la Fundación Hearst, un Premio Postdoctoral de Pioneer Fund, el Centro Glenn para la Investigación del Envejecimiento en el Instituto Salk, el Instituto Nacional del Cáncer (CCSG: P30 014195), L. y C. Greenfield, la Fundación Chapman y Helmsley Charitable Trust.