Misterio sobre el origen de los intrones resuelto

Uno de los misterios fundamentales más antiguos de la biología se refiere a los orígenes poco conocidos de los intrones. Los intrones son segmentos de ADN no codificantes que deben eliminarse del código genético antes de traducirse en el proceso de fabricación de proteínas. Los intrones son una característica antigua presente en toda la vida eucariota, una amplia gama de organismos que abarca todos los animales, plantas, hongos y protistas, pero están ausentes en los genomas procariotas como los de las bacterias. Existe una variación masiva en el número de intrones que se encuentran en los genomas de diferentes especies, incluso entre especies estrechamente relacionadas.

Ahora, un nuevo estudio realizado por científicos de la UC Santa Cruz y publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) apunta a los introners, uno de varios mecanismos propuestos para la creación de intrones descubiertos en 2009, como una explicación de los orígenes de la mayoría de los intrones entre especies. Les chercheurs pensent que les introns sont la seule explication probable des événements de rafale d’intron, dans lesquels des milliers d’introns apparaissent dans un génome apparemment tous à la fois, et ils en trouvent des preuves chez les espèces à travers l’arbre de la vida.

“[This study] proporciona una explicación plausible para la gran mayoría de los orígenes de los intrones”, dijo Russell Corbett-Detig, profesor asociado de ingeniería biomolecular y autor principal del estudio. “Hay otros mecanismos, pero este es el único que conozco que puede generar miles y miles de intrones en el genoma a la vez. Si es cierto, eso sugiere que hemos descubierto un proceso central que impulsa algo realmente especial en los genomas eucariotas: tenemos estos intrones, tenemos complejidad genómica.

Los intrones son importantes porque permiten el empalme alternativo, lo que a su vez permite que un gen codifique múltiples transcripciones y, por lo tanto, realice múltiples funciones celulares complejas. Los intrones también pueden afectar la expresión génica, la velocidad a la que se activan los genes para producir proteínas y otros ARN no codificantes. En última instancia, los intrones tienen un efecto neutral o levemente negativo en las especies en las que existen porque cuando el empalme de los intrones no se realiza correctamente, el gen en el que viven puede dañarse e incluso morir. Estos casos de empalmes perdidos son la causa de ciertos tipos de cáncer.

Corbett-Detig y sus colegas buscaron en los genomas de 3325 especies eucarióticas (todas las especies para las que tenemos acceso a genomas de referencia de alta calidad) para averiguar qué tan comunes son los intrones derivados de intrones y en qué grupos de especies se observan con mayor frecuencia. Encontraron un total de 27.563 intrones derivados de intrones en los genomas de 175 especies, lo que significa que se pudo observar evidencia de intrones en el 5,2% de las especies estudiadas.

Esta evidencia se ha encontrado en especies de todo tipo, desde animales hasta protistas unicelulares, organismos cuyo último ancestro común vivió hace más de 1.700 millones de años. La diversidad de especies en las que se encuentran sugiere que los intrones son la fuente fundamental y más extendida de intrones en el árbol de la vida.

“Es diverso, no es como si hubiera una pequeña parte del árbol de la vida que tiene lo que está pasando”, dijo Corbett-Detig. “Ves esto en una gama bastante amplia de especies, lo que sugiere que es un mecanismo bastante general”.

Este análisis solo puede detectar evidencia de inducidos que se remontan a unos pocos millones de años, un período relativamente corto en la historia evolutiva. Es probable que se hayan producido estallidos de intrones en algunas especies, como los seres humanos, en un momento fuera del alcance de este análisis, lo que significa que este estudio probablemente subestima en gran medida la verdadera importancia de los intrones derivados de los intrones en todos los eucariotas.

Introners como parásitos genómicos

En el ecosistema del genoma, los introners pueden ser considerados como parásitos cuyo propósito es sobrevivir y replicarse. Cuando un inductor ingresa a un nuevo organismo, este nuevo huésped nunca antes había visto este elemento y no tiene medios para defenderse, lo que le permite proliferar en una nueva especie.

“Todo en la evolución es conflicto y estos elementos, [including introners]son fragmentos egoístas de ADN”, dijo Landen Gozashti, el primer autor del artículo que desarrolló los métodos analíticos del estudio como estudiante de pregrado en la UCSC y que ahora es estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard. “Solo quieren replicarse, y la única razón por la que no quieren matar a su anfitrión es porque los mata”.

Al ser separados de la secuencia de ADN antes de que ocurra la traducción de gen a proteína, los introners han encontrado una manera de tener un impacto menor en la aptitud del gen huésped, permitiéndoles persistir a lo largo de generaciones en la evolución de la especie huésped. Los investigadores encontraron que los intrones derivados de intrones parecen empalmarse mejor que otros tipos de intrones, para limitar sus efectos negativos en el gen para que tanto el intrón como el huésped puedan sobrevivir mejor.

No más reclutas en el mar

Si bien se encontraron todos los intrones en todos los tipos de especies, los resultados mostraron que los organismos marinos tenían 6,5 veces más probabilidades de tener intrones que las especies terrestres.

Los investigadores creen que esto probablemente se deba a un fenómeno llamado transferencia horizontal de genes, en el que los genes se transfieren de una especie a otra, a diferencia de la típica transferencia vertical a través del apareamiento y la transmisión de genes de padres a hijos. Ya se sabe que la transferencia horizontal de genes ocurre con mayor frecuencia en ambientes marinos, particularmente entre especies unicelulares con ecologías complejas.

Los introners pueden viajar de esta manera porque pertenecen a una clase de elementos genómicos llamados elementos transponibles, que tienen la capacidad de viajar más allá del entorno celular en el que viven, lo que los hace mecánicamente bien equipados para viajar entre especies a través de la transferencia horizontal de genes. A medida que los intrones se transfirieron de una especie a otra en ambientes marinos, expandieron enormemente su presencia en todo el árbol de la vida.

Teniendo en cuenta que sabemos que todas las especies evolucionaron a partir de organismos marinos, las especies terrestres pueden haber obtenido intrones a partir de ráfagas de intrones muy atrás en su historia evolutiva.

“Si sus ancestros fueron organismos marinos, que lo fueron todos, es probable que muchos de sus intrones se hereden de algún modo de un organismo similar. [introner burst] evento en ese momento”, dijo Corbett-Detig. “Podría haber sido muy importante en nuestro pasado evolutivo”.

También se encontraron más intrones entre las especies de hongos, que también se sabe que tienen tasas más altas de transferencia horizontal de genes, lo que respalda aún más la idea de que este fenómeno impulsa la ganancia de intrones.

En investigaciones futuras, Corbett-Detig planea buscar evidencia de transferencia horizontal de genes en forma de intrones casi idénticos en dos especies diferentes. Cuenta con canalizaciones de extracción de datos para que, a medida que la comunidad global de investigación en genómica aporte genomas de nuevas especies a los repositorios de datos, su algoritmo busque los intrones de cada nuevo genoma y lo compare con todos los miembros conocidos para buscar similitudes.

Comprender cómo evoluciona la complejidad

Este estudio presenta un desafío a una de las teorías generales de la evolución del genoma en cuanto a lo que impulsa la complejidad genómica en los eucariotas. La teoría también postula que en algún momento de la evolución, muchas especies tenían tamaños de población efectivos bajos, lo que significa que muy pocos organismos de una especie produjeron descendencia para crear su próxima generación. Esto permitió que los elementos que se sabe que tienen efectos ligeramente negativos en la población se acumularan en el genoma.

Según esta teoría, los itroners, que son neutrales o levemente nocivos, se verían con más frecuencia en poblaciones con poblaciones efectivas más bajas, pero los investigadores encontraron lo contrario. Por ejemplo, descubrieron que Symbiodinium, un protista conocido por tener un tamaño de población efectivo mucho mayor que el de los humanos, las plantas terrestres y otros invertebrados, es la especie que parece ganar más intrones entre las estudiadas.

Pero esta investigación apunta a una complejidad resultante no de una adaptación creada por el propio genoma, sino como una respuesta al conflicto causado por el elemento invasor transponible, el introner, en su intento de proliferar. A medida que los inductores y otros elementos luchan por sobrevivir y persistir, este conflicto impulsa la complejidad del genoma.

Introners y expresión génica

Los efectos neutrales a negativos de los intrones también se evidencian por su efecto sobre la expresión génica. Al comparar genes con intronadores insertados con los que no los tienen, los que sí tienen un nivel general de expresión más bajo, lo que significa que se activan con menos frecuencia para realizar funciones en el cuerpo.

Los investigadores creen que los introners no son necesariamente los responsables directos de esta menor expresión, sino que los genes que se expresan menos tienen una mayor tolerancia a un elemento que puede afectarlos negativamente porque son menos importantes para la supervivencia de la especie. Mientras tanto, los genes que están altamente expresados ​​y pueden codificar funciones clave en el cuerpo probablemente no puedan tolerar la introducción de nuevos intrones que podrían hacer que realicen su tarea de manera menos eficiente.

La investigación en curso de Corbett-Detig sobre este tema también implica examinar evidencia directa de cómo la aparición de intrones en un genoma afecta a los individuos dentro de una especie. Ha identificado varias especies que experimentan ráfagas continuas de intrones y estudia el efecto de los intrones en el ADN y ARN de la célula, y cómo esto afecta la aptitud evolutiva de la especie.

Referencia: Gozashti L, Roy SW, Thornlow B, Kramer A, Ares M, Corbett-Detig R. Los elementos transponibles impulsan la ganancia de intrones en varios eucariotas. PNAS. 2022;119(48):e2209766119. Yo: 10.1073/pnas.2209766119

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