Plantando las semillas de la defensa

Plantando las semillas de la defensa

El estudio de Salk encuentra que el estrés desencadena cambios epigenéticos generalizados que ayudan en la resistencia a las enfermedades

LA JOLLA, CA—Durante mucho tiempo se pensó que la metilación, una parte crucial del desarrollo normal del organismo, era una modificación estática del ADN que las condiciones ambientales no podían alterar. Sin embargo, los nuevos hallazgos de los investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos sugieren que el ADN de los organismos expuestos al estrés sufre cambios en los patrones de metilación del ADN que alteran la forma en que se regulan los genes.

Los científicos descubrieron que la exposición a una bacteria patógena provocó cambios generalizados en el código epigenético de una planta, una capa adicional de instrucciones bioquímicas en el ADN que ayuda a controlar la expresión génica. Los cambios epigenéticos se relacionaron con la actividad de los genes responsables de coordinar la respuesta de una planta al estrés, lo que sugiere que el epigenoma puede ayudar a los organismos a desarrollar resistencia a los patógenos y otros factores estresantes ambientales.

Los investigadores de Salk infectaron dos líneas de plantas con una bacteria para determinar si la metilación, un tipo de modificación química epigenética del ADN, juega un papel en la respuesta de una planta al estrés.

La hoja de la izquierda, tomada de una planta normal cinco días después de la infección, muestra sistemas de enfermedad. La hoja de la derecha, tomada de una planta mutante incapaz de metilación, no muestra signos de enfermedad, lo que sugiere que la metilación funciona en las respuestas al estrés.

Imagen: Cortesía de Robert H. Dowen

"Esto significa que el epigenoma puede no ser solo un conjunto estático de instrucciones, sino también una forma de reescribir esas instrucciones en función de la experiencia", dice José Ecker, profesor en Salk's Laboratorio de Análisis Genómico, quien dirigió el equipo de investigación. "Nuestros hallazgos, combinados con los hallazgos de otros investigadores, construyen el caso de que las experiencias de vida dejan una huella en nuestro ADN".

En el estudio, publicado el 7 de agosto en la Actas de la Academia Nacional de Ciencias, Ecker y sus colegas estudiaron cómo la metilación del ADN regula el sistema inmunológico de los Arabidopsis thaliana planta. La metilación es un proceso bioquímico que, entre otras cosas, suprime la expresión de "genes saltadores" llamados transposones que se han incorporado al genoma a lo largo del tiempo. Usando tecnologías de secuenciación de todo el genoma, los investigadores encontraron una amplia gama de cambios de metilación en la respuesta de la planta a una infección bacteriana y realizaron una variedad de análisis para determinar cómo estos cambios de metilación alteran la expresión génica.

"A partir de estudios anteriores, sabemos que la expresión de algunos genes está acoplada a cambios de metilación en respuesta al estrés", dice el primer autor Robert Dowen, quien trabajó en el proyecto en Salk con Ecker y ahora trabaja en el Hospital General de Massachusetts en Boston. "Nuestros hallazgos, sin embargo, muestran que exponer una planta al estrés desencadena una multitud de cambios de metilación que ayudan a la planta a defenderse de los patógenos invasores".

Las plantas utilizan una serie sofisticada de mecanismos de defensa para restringir el crecimiento de bacterias parásitas tras la infección mediante la estimulación de diversas señales hormonales que desencadenan alteraciones en las redes de expresión génica. Los hallazgos de Salk y otros estudios recientes sugieren que estas respuestas de defensa celular involucran la maquinaria de metilación del ADN para impartir control sobre las redes de expresión génica. Los cambios epigenéticos en el material genético, incluidos los cambios en los patrones de metilación del ADN y las modificaciones de las histonas (proteínas que desempeñan un papel clave en la regulación de los genes), pueden alterar la expresión de un gen sin cambiar su secuencia de ADN. Además, las moléculas denominadas pequeños ARN de interferencia (siRNA) están íntimamente relacionadas con la metilación del ADN, especialmente en los genes saltadores, donde estos siRNA dirigen el proceso de metilación. Sorprendentemente, los investigadores encontraron que los niveles de estos siRNA también cambian durante la infección en transposones específicos y corresponden a la activación de estos fragmentos de ADN móviles. Estos hallazgos ilustran la naturaleza dinámica del epigenoma en respuesta al estrés.

Los hallazgos de Salk pueden tener amplias implicaciones para la agricultura, incluida la ingeniería de los patrones de metilación del ADN de las plantas para generar cultivos resistentes a patógenos y minimizar la exposición a pesticidas. Estas tecnologías de aplicación son de gran interés, ya que más del 30 al 40 por ciento de los cultivos anuales se pierden a causa de patógenos cada año a un costo de unos $ 500 mil millones.

Un estudio reciente publicado en Fisiología de las plantas sugiere que la memoria de las condiciones ambientales puede transmitirse de forma transgeneracional, ya que las defensas de las plantas se preparan en la progenie de plantas cuyos padres ya han estado expuestos a patógenos. “Si bien este fenómeno no se comprende bien, es de gran interés y se está estudiando intensamente en el campo”, dice Dowen. "Creemos que nuestros hallazgos pueden proporcionar un marco para probar directamente si los cambios de metilación que observamos se transmiten a la progenie o si un mecanismo similar puede estar ocurriendo en las células humanas".

Otros investigadores del estudio fueron Mattia Pelizzola, Robert J. Schmitz, Ryan Lister y Joseph R. Nery, del Instituto Salk; y Jill M. Dowen y Jack E. Dixon de la Universidad de California en San Diego.

El trabajo fue apoyado por el Los Institutos Nacionales de Salud (AI060662), el Fundación Catalina, la Instituto de California para la medicina regenerativa, la Fundación Mary K. Chapman, la Instituto Médico Howard Hughes y del Fundación Gordon y Betty Moore.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.