Cómo la ubicación de un gen afecta su expresión

Al famoso físico Richard Feynman se le atribuye la cita “Lo que no puedo crear, no lo entiendo”. Además de iluminar el enfoque de Feynman a la física teórica, es una buena manera de describir las motivaciones de los biólogos sintéticos, con su interés en construir genomas desde cero. Al diseñar y construir genomas sintéticos, esperan comprender mejor el código de la vida.

La biología sintética se ha organizado en torno al concepto de utilizar secuencias de ADN como “partes” con funciones reproducibles. Hoy, a través de colaboraciones fructíferas y el uso de herramientas de última generación, el grupo Steinmetz en EMBL ha obtenido información importante sobre la variación en la expresión génica que resulta de la posición o el contexto de estas partes del ADN en el genoma.

Explicando el problema subyacente que motiva el trabajo, Amanda Hughes – co-autor principal y postdoctorado en el Grupo Steinmetz – dijo: “En biología sintética, se tiende a dividir las cosas en partes modulares, ‘plug-and-play’. Son partes promotoras, regiones codificantes y partes terminadoras. Queríamos probar si estas partes son realmente “plug-and-play”, funcionan de la misma manera en cualquier contexto o si su posición afecta su función. Queríamos comprender mejor cómo la organización lineal de los genes afecta sus funciones e identificar los principios generales de diseño que podrían aplicarse a la construcción de genomas.

Un conjunto de herramientas de biología sintética proporciona información contextual

Este trabajo, financiado por la BMBF y la “Life? de la Fundación Volkswagen. iniciativa, fue posible gracias a dos tecnologías clave: cepas de levadura sintética Consorcio Sc2.0 y secuenciación directa de ARN de lectura larga. Las cepas obtenidas del consorcio Sc2.0 incluían una característica de diseño llamada “SCRaMbLE” que brinda la capacidad de reorganizar genes en diferentes ubicaciones en una escala que antes era inviable. La experiencia y las herramientas disponibles en el Plataforma de genómica en EMBL, incluido GridION de Oxford Nanopore, permitió al equipo realizar una secuenciación directa de ARN de lectura larga, lo que permitió la identificación del inicio y el final de las moléculas de ARN y su asignación a individuos de reordenamientos. La combinación de estas tecnologías avanzadas fue esencial para medir las moléculas de ARN completas de los genes en muchos contextos.

El diario, publicado en La ciencia han demostrado que el contexto, y en particular el contexto transcripcional, modifica la producción de ARN de un gen. Usando la secuenciación directa de ARN de lectura larga, pudieron observar cambios en el inicio, el final y la cantidad de moléculas de ARN de longitud completa expresadas a partir de secuencias de ADN que se habían reorganizado al azar en genomas de levadura sintética. La reubicación de un gen afectó la longitud y abundancia de su producción de ARN; sin embargo, estos cambios no siempre fueron explicados por la nueva secuencia de ADN adyacente. Parece que fue la transcripción que se produjo a su alrededor, en lugar de la secuencia en sí, lo que alteró la producción de ARN de un gen.

La recopilación de principios generales de un conjunto de datos estocásticos tan grande no fue una tarea trivial, como explicó el autor principal Aaron Brooks: “Para llegar a nuestras conclusiones, tuvimos que observar genes en muchos antecedentes genéticos alternativos, que estaban presentes en las cepas SCRaMbLE. Sin embargo, recoger los pedazos fue un gran esfuerzo. Tuvimos que generar un conjunto de datos de secuenciación masivo, lo que a su vez nos obligó a desarrollar nuevas herramientas de software. Tuvimos que confiar en sofisticados algoritmos de aprendizaje automático para ayudarnos a comprender los patrones complejos que estábamos observando. El modelado de la producción de ARN de un gen en función de sus nuevos contextos ascendentes y descendentes reveló que las características relacionadas con los patrones transcripcionales circundantes predijeron los límites y la abundancia del ARN. Por ejemplo, si un gen se movía al lado de un vecino altamente expresado, su expresión también tendía a aumentar.

Definir los principios de diseño para la construcción de genomas.

Además de arrojar luz sobre la relación entre la abundancia de ARN y la expresión de genes vecinos, los investigadores también notaron una relación convincente entre las posiciones terminales de ARN de genes convergentes (genes orientados con extremos uno hacia el otro). Específicamente, encontraron que la longitud de un ARN se vio afectada por la proximidad y la abundancia de transcritos vecinos. Jef Boeke, coautor y director del consorcio Sc2.0, comentó sobre esta información: “Perfiles transcripcionales profundos combinados con variaciones genómicas producidas usando [the] El sistema SCRaMbLE nos brindó nuevos conocimientos sobre la flexibilidad del genoma de la levadura y destacó que las reglas de terminación de la transcripción pueden ser sorprendentemente dependientes del contexto.

En última instancia, al aplicar estos hallazgos, los investigadores pudieron ajustar la longitud de las moléculas de ARN controlando la transcripción de un gen cercano. El equipo demostró que las lecciones aprendidas del estudio de los transcriptomas de los genomas SCRaMbLEd se pueden aplicar a la ingeniería de genomas con las funciones deseadas. El estudio también propone un nuevo concepto de diseño de biología sintética que los investigadores llaman “integración transcripcional” que podría usarse para etiquetar de forma reversible el ARN, alterando su estabilidad, traducción a proteína o incluso localización. Todo esto podría lograrse, piensan, controlando la expresión de un gen convergente vecino en lugar del gen en sí.

“La naturaleza imparcial y de alto rendimiento del enfoque de barajado de genes utilizado aquí nos lleva a descubrir las funciones de las secuencias genómicas en diferentes contextos genómicos, lo que antes no era posible a gran escala”, dijo Lars Steinmetz, líder de grupo en EMBL. “Este enfoque destaca que el contexto es importante en la regulación de las terminaciones de la transcripción; sorprendentemente, incluso permite predicciones dependientes del contexto de las terminaciones de la transcripción cuando los genes se barajan en nuevas ubicaciones. En última instancia, el trabajo revela que existe una regulación estrechamente vinculada entre elementos genéticos vecinos, que abarca varios genes que determinan dónde comienzan y terminan las transcripciones. La capacidad de predecir estas interacciones puede informar los “principios de diseño” clave para construir el genoma; es decir, dónde están mejor ubicados los genes y cómo deben posicionarse entre sí. Este conocimiento avanza en las herramientas de ingeniería de transcripción sin modificar la secuencia en sí, sino modulando la expresión de los genes vecinos. Su trabajo se suma a un repertorio creciente de principios de diseño que se pueden aprovechar para realizar una gran visión en biología sintética: diseñar y construir un genoma desde cero.

Referencia: Brooks Aaron N., Hughes Amanda L., Clauder-Münster Sandra, Mitchell Leslie A., Boeke Jef D., Steinmetz Lars M. Los vecindarios transcripcionales regulan la longitud y los niveles de expresión de las isoformas de transcripción. La ciencia. 2022;375(6584):1000-1005. Yo: 10.1126/ciencia.abg0162.

Este artículo fue republicado de la siguiente materiales. Nota: Es posible que el material haya sido editado por su extensión y contenido. Para obtener más información, comuníquese con la fuente citada.