Celulele folosesc o strategie unică pentru a tăcea genele, deși împărtășesc principii universale pe comutatoare
Semnalele utilizate de celule pentru a activa genele au rămas aproape neschimbate în decursul a două miliarde de ani de evoluție, însă cele utilizate pentru a dezactiva genele variază dramatic de la o ramură a vieții la alta, conform unui nou studiu realizat de Centrul pentru Reglementarea Genomică (CRG) din Barcelona.
Rezultatele, publicate astăzi în Nature Genetics, provin din cea mai amplă analiză comparativă realizată până acum privind modul în care diferitele forme de viață își reglează genomul. Studiul a efectuat prima analiză detaliată a cromatinei, structura proteică care controlează modul în care este citit ADN-ul, în mai multe ramuri majore ale vieții care au fost în mare parte absente din studiile anterioare, inclusiv linii precum discobans, rhizarians, ichtyosporeans și cryptomonads.
„Instrucțiunile celulei pentru activarea genelor sunt practic aceleași la un om, o anemonă de mare și o amibă de sol”, spune Dr. Arnau Sebé-Pedrós, autor principal al studiului.
„Însă instrucțiunile pentru a tăcea genele și alte elemente genice precum transpozonii au evoluat continuu din timpul ultimului nostru strămoș comun eucariot. Diferitele ramuri ale vieții au dezvoltat kituri moleculare diferite pentru a face același lucru”, adaugă acesta.
Studiul contribuie la înțelegerea modului în care genomurile au evoluat pe Pământ și ar putea avea implicații pentru cercetările medicale în domeniul bolilor care implică reglarea defectuoasă a genelor. De asemenea, oferă o nouă metodă, dezvoltată la CRG, care poate sprijini eforturile internaționale de a caracteriza viața de pe Pământ la nivel molecular.
ADN-ul este înfășurat, în fiecare celulă, în jurul proteinelor numite histone. Marcajele chimice mici atașate acestor proteine indică celulei care porțiuni de ADN să fie citite și care să fie ignorate. Sistemul, cunoscut sub denumirea de reglementare a cromatinei, permite aceluiași genom să producă o celulă hepatică sau un neuron, o frunză sau o rădăcină. Defectele în reglementarea cromatinei stau la baza multor boli umane, inclusiv a cancerelor.
Marcajele chimice sunt antice, datând de aproximativ două miliarde de ani, de la un organism unicelular cunoscut sub numele de Ultimul Strămoș Comun Eucariot, sau LECA, fondatorul tuturor formelor complexe de viață celulară, de la care derivă fiecare plantă, animal, fung și protist de pe Pământ.
Enzimele care adaugă și îndepărtează marcajele sunt, de asemenea, împărtășite pe scară largă între plante, animale, ciuperci și eucariote microbiene. Până acum, însă, aproape toate cunoștințele detaliate despre modul în care funcționează aceste marcaje au provenit dintr-o mână de specii de laborator, cum ar fi oamenii, șoarecii, muștele de fructe, drojdia și planta model Arabidopsis. Cea mai mare parte a diversității vieții a rămas neexplorată la acest nivel.
Proiectul a început în 2017, când Dr. Sebé-Pedrós și Dr. David Lara-Astiaso utilizau o tehnică numită iChIP pentru a studia cromatina în jeliile combinate și placozoanele, animale care nu au fost studiate în mod tradițional în laborator. Cei doi cercetători s-au întrebat dacă abordarea ar putea fi extinsă pentru a fi utilizată în alte specii din arborele eucariotei.
„Am vrut să cartografiem stările epigenetice în tipuri de celule rare din șoareci și oameni”, își amintește Lara-Astiaso, acum la Arc Institute din California. „În cele din urmă, am reușit să transformăm acel precursor într-o metodă generală pentru cartografierea reglementării genomului în întreaga viață – mai eficientă, mai sensibilă și capabilă să facă față particularităților unor specii foarte diferite.”
Noua metodă, iChIP2, poate marca cromatina din multe specii cu coduri moleculare unice și le citește pe toate într-un singur experiment. Aceasta a ajutat la profilarea a douăsprezece marcaje chimice sau modificări ale histonelor, în douăsprezece specii diverse din punct de vedere filogenetic, incluzând amibe, ciuperci, plante, alge, prădători unicelulari și animale.
Unele specii nu au avut niciodată cromatina cartografiată anterior. „Inițial speram să construim un protocol complet universal, dar speciile diferă prea mult pentru asta. Plantele și algele au pereți celulari care necesită o pregătire specializată, de exemplu”, spune Cristina Navarrete, coautor principal al studiului. „Odată ce un laborator a extras cromatina din specia preferată, iChIP2 preia eficient, și din cantități foarte mici de material”, adaugă aceasta.
Speciile incluse au fost două amibezoane, Acanthamoeba castellanii și Dictyostelium discoideum; amiba de apă dulce Naegleria gruberi; prădătorul fotosintetic marin Bigelowiella natans; alga Guillardia theta; ciliatul Tetrahymena thermophila; două ciuperci, chytridul Spizellomyces punctatus și drojdia de panificație Saccharomyces cerevisiae; ichthyosporeanul colonial Creolimax fragrantissima; două plante, Arabidopsis thaliana și muschiul Physcomitrium patens; și anemona de mare Nematostella vectensis.
Cercetătorii au descoperit că semnătura unei gene active, marcată de modelul modificărilor histonelor grupate în jurul începutului și pe parcursul corpului său, era aproape identică în fiecare specie examinată. Semnătura unei gene tăcute a fost diferită. Ramuri diferite au folosit combinații diferite de modificări, în modele diferite, pentru a menține porțiuni de ADN în tăcere.
În unele specii, o modificare a tăcut elementele transpozabile, în timp ce un alt marcaj a tăcut genele neutilizate. În altele, aceleași modificări s-au acumulat împreună pe aceleași regiuni. În amiba de sol Acanthamoeba, un marcaj chimic care semnalează activarea genelor la animale a fost reutilizat pentru a dezactiva genele.
„Am stabilit atât de multe reguli noi analizând atât de puține specii”, afirmă Dr. Sean Montgomery, unul dintre autorii studiului. „Este puterea de a studia organisme non-model pentru a vedea cum evoluția a adus multe soluții diferite la aceleași probleme”, adaugă acesta.
Cercetătorii sugerează că diversitatea reflectă un conflict antic și continuu între genomuri și ADN-ul parazitar din interiorul lor, precum elementele transpozabile, cunoscute și sub denumirea de „gene săritore”, și virusurile endogenizate. Fiecare genom poartă în interiorul său porțiuni de gene săritore, secvențe care se copiază și se lipesc în noi locații, uneori inofensive, alteori distructive. În genomul uman, acestea reprezintă aproximativ jumătate din tot ADN-ul.
Menținerea genelor săritoare în tăcere este o chestiune de supraviețuire, dar ele evoluează. Natura lor parazitară înseamnă că ele dobândesc secvențe noi și uneori chiar fragmente
