A vueltas con la
Genética. Entrega nº 13
Por Federico Bello
Landrove
1.
Los lazos de ADN
1.1.
Introducción. Métodos de estudio.
Los llamados lazos
o bucles de ADN (DNA loops) fueron
descubiertos en los años setenta del siglo pasado y comenzaron a concitar el
interés de los genetistas una década más tarde, cuando se formularon las
primeras hipótesis acerca de su formación y funcionalidad[1].
Aún comprendiendo que la Ciencia avanza
por sus pasos contados y que, con frecuencia, las teorías más prometedoras pueden
fracasar y los objetivos más obvios no se alcanzan así como así, no deja de
resultar un poco descorazonador que el gran especialista en la materia,
profesor Aiden, concluya un muy reciente artículo sobre el tema con estas
palabras: Hace dos mil millones de años,
antes de la aparición del núcleo de la célula, surgió el proceso de extrusión
del ADN. ¿Por qué? Una vez más, tenemos un nuevo embrollo por resolver[2].
Ese pesimismo, activo y bien informado,
parece responder al relativo fracaso que se ha producido, al tratar de
desentrañar y demostrar el que desde un principio parecía el efecto más obvio
de los lazos del ADN: poner en relación los dos extremos del bucle, para que
los genes de ambos loci interactuaran
a cierta distancia, en concreto, a un promedio de 185 kilobases, que es la
media de longitud de los lazos, cuando menos, en el genoma humano. Pero el
profesor Aiden ahora rebate un poco dubitativamente lo que se creía evidente: Pero ahora que los hemos visto funcionar
(los lazos de ADN) debemos reconocer que
nuestra visión era demasiado simplista. Incluso podría ser que la regulación
génica fuera un efecto secundario de los lazos, mientras que la función
principal de estos en las células quizá sea otra[3].
Según eso, ¿qué es lo que hasta ahora se ha descubierto sobre los lazos de ADN?
Del escepticismo de Aiden, ¿podremos inferir que quienes hasta ahora han
investigado sobre tales bucles no han logrado nada, que han estado perdiendo el
tiempo? Nada más lejos de la realidad y, para argumentar esta respuesta, he
procurado espigar en la literatura científica de los últimos años (2014-2019).
A nivel de resumen y divulgación, esto es lo que he encontrado.
Para empezar, la
investigación sobre los lazos ha propiciado la invención de una serie de
técnicas de creciente complejidad y precisión, que ha permitido penetrar en el genoma, como mínimo,
hasta el nivel de alta definición de una kilobase, y, con este punto de partida
obtenido prácticamente in vivo (quiero
decir, sin destruir el núcleo de la célula antes de la ligación de los lazos),
emplear modelos informáticos de predicción. Los pasos sucesivos podrían
esquematizarse como sigue:
-
Análisis
de la frecuencia de la formación de lazos, individualmente considerados (análisis de ligación nuclear de
Katherine Cullen, desarrollado por Job Dekker -captura de conformación del cromosoma, o método 3C-).
-
Modificación
del método anterior, que permite de una vez la identificación de millones de
contactos (método Hi-C, iniciado por
Erez L. Aiden y ultimado en 2009), que es el punto de partida para presentar un
mapa completo de contactos y lazos en todo el genoma.
-
Perfeccionamiento
del método HI-C, a base de evitar la
destrucción del núcleo antes de la ligación (método HI-C in situ), que permitió finalmente ofrecer un mapa del
genoma humano con resolución de una kilobase, revelando los principios del
enlazado cromatínico[4]
-
Aplicación
de la técnica mixta, resultante de unificar el método in situ HI-C con el WGBS (Whole Genome Bisulphite Sequencing, o
secuenciación de todo el genoma por bisulfito)[5].
Esta técnica mixta presenta conjuntamente mapas de contactos cromatínicos y de
metilación del ADN.
-
Invención
del método MiChromM (Minimal Chromatin Method) con el que, a
partir de una serie de asunciones genómicas, del principio de máxima entropía y
del manejo de hasta 27 parámetros, puede llegarse a predecir la estructura en
3D de todo un cromosoma[6].
Se apreciará que
el interés por los lazos de ADN ha sido, hasta ahora, todo menos inútil, desde
el punto de vista metodológico. Ahora bien, ¿qué avances se han hecho con esas
herramientas para perfilar la formación y los efectos de tales bucles? Veamos,
sucinta y ordenadamente, el estado de la cuestión.
1.2.
Mapa genómico de alta resolución.
Principios de los lazos de cromatina[7].
Un mapa global
del genoma humano en nueve tipos diferentes de células ha permitido constatar
hasta 4.900 millones de contactos intergénicos[8],
hallar la longitud media de los dominios de contacto (185 kb) e identificar
unos diez mil lazos de ADN por genoma[9].
Igualmente se ha comprobado que, aunque no sea la función primordial de los
lazos, lo cierto es que estos unen frecuentemente a promotores y activadores de
los genes, y -lo que ha sido muy llamativo- con una alta conservación de los loci del genoma en que se forman tales
lazos, con independencia del tipo de células y con grandes coincidencias entre
especies (por ejemplo, entre humanos, macacos y ratones). Así mismo, se ha
comprobado que el cromosoma X inactivo se divide en dos dominios masivos y
contiene lazos inusualmente largos[10].
Finalmente, se ha comprobado que, en su mayoría, los lazos delimitan las
fronteras de los dominios, y que un 90% de los lazos ligan mediante CTCF[11]
con una orientación convergente.
Los resultados que
ha proporcionado el estudio de los lazos del ADN humano con la técnica de
examen in situ Hi-C, pueden
esquematizarse así: A) El genoma está compartimentado en pequeños dominios de
contacto cuya longitud media es de 185 kb. B) Hay dos compartimentos y seis
subcompartimentos nucleares en humanos, con distintos patrones de modificación
de las histonas. C) En el genoma humano hay aproximadamente unos diez mil lazos
de ADN, con una separación media entre ellos de 200 kb. D) Existe una
conservación de los puntos de máxima frecuencia de enlace, a través de la
Evolución y de los diversos tejidos humanos. E) Cuando los lazos se anclan a un
promotor, se asocian con los activadores y acrecen la actividad de los genes.
F) Muchos de los lazos están asociados con la regulación génica. G) Los lazos
frecuentemente marcan los límites de los dominios de contacto. H) La gran
mayoría de los lazos (un 90%, aproximadamente) están asociados con pares de
motivos de CTCF con una orientación convergente. I) Encontramos similares
patrones de ubicación de los lazos en los ratones. J) Los mapas evidencian
lazos específicos en los genes improntados, así como dominios masivos y lazos
muy largos en el cromosoma X inactivo.
En conclusión, el
trabajo que resumo indica que la eficacia de los lazos para conectar zonas algo
alejadas del genoma cromosómico puede ser la pieza que una aspectos diversos de
la biología del ADN, como son los dominios, los compartimentos, las marcas de
la cromatina y la regulación génica. Pero para llegar a resultados
concluyentes, se necesita mejorar nuestros estudios generales sobre las
conexiones de los loci del ADN.
1.3.
Lazos de ADN y fragilidad cromosómica[12].
Los bucles en el
ADN cromosómico, fijados por CTCF y cohesina, son puntos especialmente
vulnerables a la rotura del ADN. Esas rupturas son independientes de la
transcripción, se correlacionan con la cohesina y están mediadas por TOP2B[13].
La translocación consiguiente facilita la rotura del ADN de ciertas regiones y
está presente en diversas clases de cáncer (próstata, leucemias),
evidenciándose en el enriquecimiento excesivo de un locus en las llamadas anclas de
los bucles o lazos. Así, el plegado del ADN cromosómico y el alivio del estrés
topológico van de la mano.
Los polimorfismos
del genoma, que redistribuyen los lugares ocupados por CTCF y cohesina,
reorganizan las divisiones del ADN hacia nuevas anclas de los lazos. Por todo
ello, las anclas de los lazos hacen de lugares frágiles, que generan la rotura de
la doble hebra de ADN y la reordenación cromosómica.
1.4.
Lazos, plegado del ADN y
compartimentos[14].
El uso de la técnica in
situ Hi-C permite constatar que el único modelo que explica la formación y
propiedades de los lazos de ADN es la extrusión,
la cual, además, se ha evidenciado como el más frecuente -con enorme
diferencia-, tanto in vivo, como in vitro. De igual manera, dicha técnica
ha permitido comprobar la función decisiva de los anillos de cohesina y de las
proteínas CTCF para enlazar y fijar esos bucles, siempre con una peculiaridad
espacial: la llamada orientación
convergente, o simetría axial apuntando los motivos el uno al otro. Así los
lazos aparecen como uno de los tipos constantes de plegado del ADN, junto con
el de las histonas y la rotación en solenoide, gracias a todo lo cual los dos
metros de ADN de cada célula se compactan en unos pocos micrones de núcleo.
Además, los lazos
se han mostrado claves para entender la división del ADN en dominios, toda vez que estos suelen
tener sus límites en los extremos de aquellos. Los casi diez mil lazos del ADN
humano aíslan otros tantos dominios, aunque su infraestructura interna no está
aún bien comprendida. Esos lazos, además, permiten el contacto y relación de
puntos del cromosoma relativamente alejados entre sí (unas 185 kb de media),
generando unos 9.500 dominios de contacto, entre los 15.000 millones de
contactos[15] que
puede haber en una célula humana con el máximo de aquellos (los linfoblastos).
En cualquier caso, los lazos son intracromosómicos: no se forman entre material
genético de dos o más cromosomas. Y no admiten, a su vez, sobreposición de
lazos sobre lazos (o lazos de lazos).
Los lazos de ADN
se forman durante la mitosis (se duda si en la metafase o en interfase) y
dependen del genoma dado. Quiere decirse que una mutación en el ADN, aunque
solo sea de un par de bases, puede eliminar el lazo y, por tanto, el dominio
que este aísla. Esta circunstancia -como la posibilidad de plegar el ADN de
diversas formas espaciales- permite reflejar estados alternativos de plegado,
según las diversas clases de células de un individuo o población (fenotipos). Según los modelos de la
técnica Hi-C, cada dominio de contacto puede dar lugar, por lo menos, a dos
compartimentos y seis subcompartimentos, con similares modificaciones
cromatínicas y patrones de contacto a larga distancia.
En conjunto
-concluyen los autores del artículo aquí resumido- la compartimentación es apreciada, en humanos como en otras especies,
como una clave de la estructura del ADN, pero seguramente serán otros
mecanismos distintos del estudiado los responsables de posicionar cada dominio
de contacto en su debida ubicación y proximidad nuclear.
1.5.
El cromosoma humano X inactivado y su
estructura[16].
El cromosoma X inactivado (Xi) presenta una estructura muy
peculiar (el llamado Barr body),
caracterizada por la presencia de dos super dominios y de tres super lazos de
ADN, unos y otros confluyentes en el gen DXZ4,
así como una compartimentación impropia de los cromosomas humanos funcionales.
Las dos primeras características coinciden en el cromosoma homólogo de -por
ejemplo- macacos y ratones, y parecen estar relacionados con la presencia de
numerosos factores CTCF en el entorno de dicho gen. Los autores del trabajo que
aquí resumo han estudiado ampliamente este tema y han llegado a los siguientes
resultados: 1º. La superestructura del cromosoma Xi humano está conservada
también en Macacus rhesus y en
ratones, lo que hace suponer que sea común a todos los mamíferos euterios. 2º.
Los mapas de contactos llevan al gen DXZ4,
como el cubo en el que confluyen
los super dominios y los super lazos. 3º. Los subcompartimentos del cromosoma
Xi están íntimamente relacionados con el tipo concreto de cromatina, bien H3K9me3, o bien H3K27me3[17].
La relevancia del
gen DXZ4 se pone de manifiesto en
que, si se pierde, se rompen los super lazos, se eliminan los super dominios e
influye en la identidad de la cromatina. En cambio, dicha pérdida no tiene
efecto importante en la transcripción de Xi. No obstante, los autores dudan de
dar a esta última conclusión una relevancia definitiva, pues in vitro el gen DXZ4 es eliminado después de formado el cromosoma, no en un
principio.
A la hora de discutir todos esos resultados, el
artículo sostiene que el modelo de formación de los lazos de ADN mediante
extrusión, por acción conjunta de CTCF y cohesina, puede explicar todos estos
hechos, al encontrarse el gen DXZ4
hipometilado y en las inmediaciones de numerosos motivos CTCF. La extrusión en
la zona del citado gen, gracias a la abundancia de motivos CTCF, permite
mantener su estructura y lazos durante mucho más tiempo que el normal en otros
cromosomas. Esto es algo básico, pues la inactivación del cromosoma Xi ha de
ser permanente y transmitirse en las sucesivas divisiones celulares.
El genoma humano tiende naturalmente al plegado, aunque el
proceso que lo dirige no nos es conocido por ahora. Resultaría de un gran
interés encontrar un método que predijese la forma de ese plegado, y eso es lo
que los autores del trabajo arriba referenciado creen haber encontrado en el Minimal Chromatin Model (MiChromM), utilizando
el principio estadístico de máxima entropía[19].
Dicho modelo establece las siguientes asunciones:
1ª. Como sucede en otras especies (ratones, Drosophila),
en el genoma humano la cromatina se reparte en dos compartimentos (A y B) y
seis sub- compartimentos (A1, A2,
B1, B2, B3 y B4), asociados a particulares marcas de las histonas y a los
particulares patrones de los contactos a larga distancia. 2ª. Ciertos pares de loci hacen de anclas genómicas y tienden a formar lazos (generalmente, de unos
pocos de cientos de kilobases), sobre todo, en función de los motivos CTCF;
lazos que están envueltos en funciones reguladoras, tales como activación,
represión y aislamiento de genes. 3ª. Cada vez que un par de loci entran en contacto, hay una
ganancia/pérdida efectiva de energía, que solo depende de la distancia
genómica.
A partir de esas
asunciones y del citado principio de máxima entropía, y manejando hasta 27
parámetros, los autores del trabajo que ahora esquematizo han trabajado con el
cromosoma humano 10, tomado como modelo de los autosomas, para predecir su
estructura en 3D, dentro de su propio territorio en el núcleo, en el cual
diversos sub-volúmenes indicarán si los genes están altamente expresados
(ocuparán de modo predominante el compartimento A), en cuyo caso la
compactación será menor y tenderán a ocupar la periferia del territorio propio del cromosoma. En todo
caso, hay que eludir la formación de nudos,
pues crean obstáculos al proceso de transcripción. Luego, los autores han
generalizado el modelo a los cromosomas humanos 16 y 18, constatando su
acierto, incluso para predecir las interacciones intracromosómicas. En todo
caso, se comprueba que cada cromosoma tiene su propio territorio en el núcleo
celular y que no enlaza ni interacciona a nivel topológico con los demás.
Desde el punto de
vista energético, se comprueba que los contactos suelen ser transitorios, y que
la mayoría de los más frecuentes o estables se realizan por medio de los lazos,
como la manera de ganar en la formación la mayor cantidad de energía libre.
Para lograr esas estructuras y sus modificaciones, los humanos no precisan más
que de seis tipos de cromatina.
Finalmente, se
señala que todos estos temas de los tipos de cromatina y la posición de los
lazos están fuertemente asociados con características epigenéticas, pues la
modificación de las histonas y la acción de los motivos convergentes de CTCF
nada tienen que ver directamente con la alteración del ADN.
Partamos de la siguiente proposición: Los organismos más
complejos han optado por la extrusión de la cohesina para acrecentar y
fortalecer la transcripción y la recombinación. A partir de aquí, el artículo
que resumo tiene un objetivo bifronte: De una parte, probar que el proceso de
formación de lazos de ADN necesita de una energía, facilitada por ATP
(adenosina trifosfato), que en cambio ya no se precisa para mantenerlos, al
menos, durante unas horas. Piénsese en que se necesita una notable cantidad de
energía para que los anillos de cohesina enlacen zonas relativamente distantes
del ADN. En cambio, se ha comprobado que, una vez formado el lazo de ADN, su
mantenimiento durante horas no requiere ya de aporte energético.
De otra parte, se
trata de señalar que los puntos de anclaje en la cadena son puntos calientes (hotspots) para las lesiones del ADN mediadas por la topoisomerasa,
que provocan translocaciones cromosómicas, proclives a generar cáncer y otras
enfermedades y deficiencias. Pero, para empezar, parece que los lazos de ADN,
así como los dominios de contacto que forman, representan unidades
estructurales y funcionales esenciales para la organización genómica. Ahora
bien, no se sabe con certeza cómo puede la arquitectura nuclear incidir en la
ligazón de los elementos reguladores de los genes. Una posibilidad es que los
dominios de contacto pongan en relación a los genes y sus potenciadores, por
mera difusión. Otra, más sólida y directa, que pongan en contacto, punto por
punto, al ADN regulador con sus blancos y objetivos. Sin embargo, solo
relativamente pocos de los casi diez mil lazos del ADN humano se establecen con
regiones consideradas reguladoras.
De todas formas,
el impacto fisiológico de los lazos parece demostrado por la coincidencia de
los prototipos de extrusión de la cohesina con ciertas regiones o loci del ADN regulador, como son las
zonas super reguladoras (SEs), así
como aquellas otras en que las histonas están desmetiladas o acetiladas,
demostrando con ello la actividad de los genes. Y hay otro mecanismo por el que
la arquitectura nuclear puede influir en la expresión génica: La extrusión de
los lazos activa la transcripción y la recombinación llamada lgh o lgCh[21]. También la extrusión en lazos
reestructura los clusters[22] de ADN regulador en interacciones
funcionales, favoreciendo las asociaciones operativas con promotores a larga
distancia.
Por el contrario,
la extrusión puede tener efectos negativos: La formación de lazos facilita la
desregulación de los oncogenes y los puntos de anclaje son lugares calientes para el daño del ADN cuando se
produzca la replicación o la transcripción, favoreciendo la acción chapucera de la isomerasa TOP2B, especialista en remediar las lesiones o
roturas del ADN, causando translocaciones en el mismo.
Para concluir, los
autores del artículo aquí resumido se preguntan por el impacto transcripcional
de la extrusión de lazos del ADN. Se admite generalmente que la topología
genética influye en la expresión de los genes, pero no hasta el punto de ser el
mecanismo dominante en mamíferos. Muchos creen que los dominios formados por
los lazos favorecen las interacciones del ADN regulador. Por la forma de actuar
la extrusión, los autores creen que su mayor eficacia pueda estar en la acción
a distancia, permitiendo que elementos reguladores puedan abarcar cientos de
bases de la cromatina. La acción será tanto más relevante, cuanto más favorezca
la acción de los elementos super reguladores. Y, si los lazos llegasen a
establecerse entre elementos reguladores y sus promotores emparentados, podrían cumplir su función mejor que por el medio
habitual de formar clics, que son
asociaciones más firmes e íntimas, pero que pueden interferir con la activación
transcripcional.
Todo arranca del empleo de una técnica mixta, la Hi-Culfite[24],
que ha permitido comprobar que los loci asociados
que tienen la cromatina abierta exhiben un contexto sensible a la metilación:
Cuando sus vecinos espaciales permanecen con la cromatina cerrada, son mucho
más proclives a ser metilados. Eso es importante, ya que en mamíferos la
relación de la arquitectura nuclear y la metilación del ADN es crucial. Por
ejemplo, la actuación del CTCF se
realiza en ambientes o formas metiladas, en tanto que la hipermetilación induce
la disrupción de la topología cromosómica en la activación de los oncogenes. En
suma, hay una interdependencia entre la metilación del ADN y la arquitectura
nuclear, que la técnica Hi-Culfite
evidencia directamente, al presentar de manera conjunta los mapas de contactos
cromatínicos y los de metilación del ADN.
Entre otros
resultados obtenidos con esa técnica mixta, los autores recogen: 1) No han
encontrado el impacto en la arquitectura nuclear que sería de esperar, si fuese
cierto que la metilación del ADN resultara indispensable para la organización
de alto orden de la cromatina. 2) La degradación de la cohesina lidera la
desaparición de los lazos de ADN mediados por CTCF (como se ha comprobado
experimentalmente en células cancerosas de cáncer colorrectal). 3) La
frecuencia de la metilación de una determinada secuencia está fuertemente
asociada con su contexto espacial, hasta el punto de poder establecer una
matriz, en la que la frecuencia de metilación de un locus sea una función del locus
vecino[25]. 4) La
metilación de una secuencia se incrementa entre un 40% y un 52% cuando su
secuencia vecina está también metilada, con independencia de la identidad del locus vecino, o de cuán lejos se halle
en el contorno del cromosoma (el caso es que haya proximidad espacial).
En conclusión: La
nueva técnica Hi-Culfite pone en
común el nucleoma y el metiloma. Los resultados del trabajo aquí esquematizado
demuestran que el estado metilado de una secuencia es sensible a su contexto
pues depende, no solo de los loci en
su vecindad espacial, sino también del estado de metilación de ellos.
2. A vueltas con el acortamiento de los telómeros
Pocos
descubrimientos genéticos han tenido la jubilosa divulgación y la difusión de
falsas expectativas que el de la telomerasa y su incidencia en el
envejecimiento celular. Hacia finales del siglo pasado, en plena euforia de la revolución genética, llegó a sostenerse
que, una aplicación adicional de telomerasa a los humanos podría hacernos
teóricamente inmortales. Afortunadamente,
el riesgo de producción de cáncer, que la administración artificiosa de dicha
enzima habría generado, redujo sustancialmente aquellas absurdas esperanzas de
ilimitada longevidad. Y ahora (en 2019), unos veinte años después de aquella
exaltación de la vida eterna en la Tierra, ¿qué queda de ella? Nadie mejor para
responder que la profesora Elizabeth Helen Blackburn, Premio Nobel de
Fisiología y Medicina de 2009[26],
por su descubrimiento y estudios sobre la telomerasa y los telómeros
cromosómicos. Lo hizo en una entrevista concedida en el encuentro de Premios
Nobel en Lindau (Alemania), en junio de 2018, a dos periodistas germanos[27],
de la que la revista Scientific American acogió
un amplio extracto[28],
bajo el titular -en español- Los
telómeros no son bolas de cristal. He aquí un resumen de sus reconfortantes
declaraciones que, no solo significan una puesta al día del tema -objetivo
confesado de los entrevistadores-, sino un trasvase de las ilusas expectativas
históricas a un segmento de nuestra existencia bastante más gratificante que el
de la mera larga vida: la vida saludable.
La profesora
Blackburn tuvo acceso a Scientific
American muchos años atrás, con un luminoso artículo, que compendiaba lo
hasta entonces conocido sobre telómeros y telomerasa[29].
Más de veinte años después, sigue sosteniendo -por supuesto- que el acortamiento
de los telómeros puede llegar a impedir el buen funcionamiento de las células y
hasta su división, un camino que puede llevar a la enfermedad, la senescencia y
la muerte, según el número y clase de células afectadas. Pero, para empezar, no
todos los tipos de células del cuerpo pueden estar afectadas pues, por razones
de naturaleza de la célula, de su vida anterior, o meramente estadísticas, el
acortamiento de los telómeros no es el mismo para todas las células del
individuo. En consecuencia, la enfermedad y la senescencia pueden tener, como
una de sus causas, dicho acortamiento, pero solo como una de sus causas, que opera estadísticamente,
no en términos personales.
Otra razón para no
ligar exactamente vejez y telómeros
es que su acortamiento tiene que ver, no solo con la edad, sino con la vida
saludable y con el estrés. De ahí, la posibilidad cierta de una mayor
longevidad por la conservación de los telómeros, debida a la forma de vida.
Curiosamente, los telómeros se ven muy afectados por el estrés celular y
psicológico (por ejemplo, los trastornos depresivos influyen seriamente en su
acortamiento). Incluso, ante cambios favorables de vida, se han constatado
desviaciones de la longitud de los telómeros hacia el alargamiento, aunque no
sea esa la tendencia general. Por esas y otras razones, la profesora Blackburn
discrepa de aquellas empresas que ofrecen -por dinero- medir los telómeros del
cliente, afirmando que con ello fijarán la edad celular del analizado e
indicarán cuál es su estado de salud.
Una de las cosas más relevantes en la
materia es la muy compleja regulación de la producción de telomerasa por el
organismo que, entre otras cosas, está relacionada con las hormonas del estrés
(la producción de telomerasa baja cuando dichas hormonas crecen), con los
procesos inflamatorios cardiovasculares (el acortamiento de los telómeros
aumenta) o con el cáncer (en las células cancerosas aumenta la producción de
telomerasa). También se ha comprobado que ciertos traumas (incluso infantiles)
generan un acortamiento permanente de los telómeros.
La doctora
Blackburn está de acuerdo en investigar acerca de la terapia de inhibición de
la telomerasa en el cáncer, o sobre su producción para combatir la senescencia
(al menos, para controlar su rapidez), pero reconoce que el tema está todavía
en estado incipiente y hay que tener cuidado con la aparición de efectos
secundarios (por ejemplo, las células madre y las del sistema inmunitario
necesitan siempre de telomerasa). Por otra parte, aunque el mecanismo de la
telomerasa es indispensable para la mayoría de las células eucariotas, la
reparación de los telómeros no siempre precisa de ella. Por ejemplo, los
mamíferos pueden reparar sus telómeros por recombinación genética.
Finalmente, la
Profesora insiste en la eficacia de las acciones sobre factores que influyen en
la longitud de los telómeros, como la actividad física, la dieta saludable y no
fumar. Con semejantes hábitos saludables, no solo retrasaríamos la senescencia,
sino que evitaríamos la mitad de los tumores.
Los autores del trabajo arriba referenciado han hecho un
detallado estudio de las mutaciones en CpG (de un solo nucleótido o de número
de copias) en cuatro razas de pollos[32],
en relación con el gallo salvaje (Gallus gallus bankiva), para tratar,
sobre todo, de constatar su incidencia en la variabilidad o la especiación en
periodos relativamente cortos[33].
Indirectamente, se entiende que el estudio es una forma de confirmar la
influencia del medio ambiente en las mutaciones, así como el hecho de que las
islas CpG son puntos calientes para
las mutaciones de todo tipo (incluso las derivadas de la fijación de
transposones), en especial, cuando CpG están metiladas (en ese caso se producen
hasta doce veces más mutaciones) y en el genoma de los machos (por razones
dudosas, es en la línea seminal de los machos donde más mutaciones se producen).
En último extremo, si no se operan mutaciones en la línea germinal, sí aparecen
caracteres epigenéticos susceptibles de heredarse por varias generaciones (hasta
ocho, en plantas). El influjo de estas mutaciones en la diversificación se ha
comprobado en el estudio que resumimos, al constatar que la mayor cantidad de
alteraciones, con relación al gallo salvaje, se producen en las razas más
evolucionadas y alejadas filogenéticamente de él.
Por lo demás, en
el curso de la discusión de los
resultados, aparecen ideas muy interesantes desde el punto de vista general
-además del bioquímico-, como son: A) La incidencia en la genómica de la
especiación de los fenómenos de la deriva genética y las mutaciones dirigidas (biased mutations). B) La enorme
prevalencia de las mutaciones neutrales sobre las de selección positiva (97,5%,
frente a 0,6%). C) La tendencia de las mutaciones a concentrarse en CpG (un 50%
más de lo esperado, que llega al 100% en la raza más evolucionada, la broiler). D) La importancia de las
sustituciones C/T, tanto más fácil, cuando hay una metilación prolongada,
incluso por herencia epigenética. E) La frecuente aparición de transversiones
G/C. F) La importancia de que la mayoría de las mutaciones se produzca en las
zonas intergénicas, que incluyen elementos reguladores. G) La posibilidad de
que las mutaciones, cuando afectan a intrones, puedan dar lugar a nuevos genes.
H) La importancia de los factores ambientales, aunque solo sea por afectar a la
modificación de las histonas. I) La compleja incidencia de las mutaciones
cuando afectan a elementos repetitivos o se asocian con ellos. J) La tendencia
a aumentar las mutaciones, según nos alejamos filogenéticamente del gallo
salvaje.
La conclusión
principal parece ser esta: La mayor parte de las mutaciones halladas en CpG
están relacionadas con variaciones en el número de copias (CNV), no con la de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) -veinte veces más mutaciones CNV
que SNP, por lo que respecta a las islas CpG-.
Basándose en toda
la información recogida y combinada, los autores sugieren que las mutaciones
CNV son una fuente de flexibilidad genómica
en la Evolución, aportando novedades que dan al genoma su potencialidad máxima;
en tanto que las SNP afectan a rasgos fenotípicos y, por ende, aportan rasgos
relevantes para una hipotética especiación.
Dada la opinión
que suele sostenerse, de que la línea germinal es una especie de catalizador de
la aparición de genes nuevos, habrá que analizar en el futuro -concluyen los
autores- si la metilación de las islas CpG en dicha línea puede afectar
especialmente a la integridad del genoma y a la variabilidad de la
descendencia.
[1]
Quien probablemente sea el máximo especialista en la materia, Erez Lieberman
Aiden (Director del Centro de Arquitectura del Genoma en la Escuela de Medicina
de Baylor, Texas), recoge una breve historia de la investigación sobre los
lazos de ADN en su artículo de divulgación, Desenredar
el genoma, en la revista Investigación
y Ciencia, Mayo 2019, nº 512, pp. 32-39.
[2] Véase
trabajo citado en la nota anterior, p. 39.
[3]
Véase mismo trabajo y página de la nota 2.
[4]
Ver Suhas S.P. Rao et al. A 3D map of the
human genome at kilobase resolution reveals principles of chromatin looping, en
Cell, vol. 159, no. 7, pp. 1665-1680,
December 18, 2014.
[5] Véase
Elena K. Stamenova et al., The Hi-Culfite
assay reveals relationships between chromatin contacts and DNA methylation
state, en bioRxiv, Nov. 29, 2018;
doi: http//dx.doi.org/10.1101/481283.
[6]
Michele di Pierro et al., Transferable
model for chromosome architecture, en PNAS,
October 25, 2016, vol. 113, no. 43, pp. 12.168/12.173.
[7] Sigo la línea del artículo citado en la nota
4.
[8] Es la cifra récord que presentan los linfoblastos, que son las células humanas
en que se ha hallado el mayor número de contactos. La cifra de contactos
intergénicos es completamente provisional: Los autores del artículo citado en
la nota 4 apuntan un número superior a los 15.000 millones (over 15 billion distinct contacts). Me
parece que el baile de cifras depende de la resolución del método que se
emplee.
[9] La cifra es fruto de un redondeo al alza.
Parece más exacta la de 9.448 lazos.
[10] Volveré
sobre el tema en el apartado 1.5 de este ensayo divulgativo.
[11]
CTCF es un gen del cromosoma 16 en humanos, que produce una proteína con once dedos de zinc, con múltiples funciones
como factor de transcripción, entre ellas, la ahora aludida, de contribuir a la
formación de los lazos de ADN, en unión y reacción con los lazos de otro
producto proteico, la cohesina.
[12] Véase Andres Canela et al., Genome organization drives chromosome fragility, en Cell, volume 170, issue 3, 27 July 2017,
pp. 507-521.
[13] Topoisomerasa 2B es una enzima que controla y
altera la topología del ADN durante los estados de transcripción genética.
Cataliza la rotura transitoria y la ligazón de las dos hebras de ADN,
permitiendo así que pase la una a través de la otra, alterando la topología del
ADN.
[14] Se resume el siguiente artículo: Adrian L.
Sanborn et al., Chromatin extrusión
explains key features of loop domain formation in wild-type and engineered
genomes, en PNAS, published on
line October 23, 2015, pp. 6456-6465.
[15] Recuérdese
la nota 8, en la que aludo al baile de
cifras en los contactos.
[16]
Véase Emily M. Darrow et al., Deletion of
DXZ4 on the human inactive X chromosome alters higher-order genome
architecture, en PNAS, published
online July 18, 2016, pp. 4504-4512.
[17] Es
decir histona H3, lisina 9 o 27, trimetilada.
[18] Véase
el artículo citado en la nota 6.
[19]
En una distribución de probabilidad de un sistema, la probabilidad menos
sesgada (en uno u otro sentido) es aquella que maximiza la entropía, es decir, que
suministra la menor información extrínseca al problema, con arreglo a la
fórmula ðS=0.
[20]
Se glosa en este apartado el siguiente artículo: Laura Vian et al., The energetics and physiological
impact of cohesin extrusión, en Cell,
173, 1-14, May 17, 2018, pp. 1-12.
[21]
La recombinación en el locus lgh es
el primer paso para generar en los linfocitos B un repertorio maduro de
anticuerpos.
[22]
O conjuntos de genes homogéneos, que confluyen a producir una proteína o una
familia de ellas. Los genes pueden estar alejados entre sí, pero siempre en el
mismo cromosoma o en su homólogo.
[23]
Véase el artículo citado en la nota 5.
[24] Véase
más arriba, apartado 1.1.
[25]
Cuando un locus está en compartimento
A (cromatina abierta) y su vecino está en el B (cromatina cerrada), está
metilado un 34% más frecuentemente que si su vecino estuviese en el A. A la
inversa, si el locus está en B y su
vecino en A, la frecuencia de metilación solo disminuye un 7% respecto del
supuesto inverso.
[26] Compartido con Carol Greider y Jack Szostak.
[27] Michaela Maya-Mrschtik, de Gehirn&Geist y Frank Schubert, de Spektrum der Wissenschaft.
[28] Véase Investigación y Ciencia, nº 511, abril
2019, pp. 74-77.
[29] Carol
W. Greider y Elizabeth H. Blackburn, Telómeros,
telomerasa y cáncer, en Investigación
y Ciencia, abril de 1996.
[30]
Islas CpG son regiones de ADN y conforman aproximadamente un 40% de promotores
de los genes de mamíferos. Son regiones donde existe una gran concentración de
pares de citosina y guanina enlazados por fosfatos. La "p" en CpG
representa que están enlazados por un fosfato. La definición formal de una isla
CpG es una región de tamaño igual o superior a 500 pb y con un porcentaje de GC
mayor de 50 y con un promedio de CpG observado/esperado mayor de 0,6.
[31]
Véase Fabio Pértille et al., Mutation
dynamics of CpG dinucleotides during a recent event of vertebrate
diversification, en Epigenetics,
published online: 09 May 2019, DOI: 10.1080/15592294.2019.1609868.
[32]
Tres variedades autóctonas de Suecia, relativamente poco evolucionadas en
relación con las primitivas, y de la raza broiler,
modelo altamente evolucionado, como sometido a intensa selección genética.
[33]
Se considera que, según regiones del mundo, la domesticación de especies
salvajes de pollos ha tenido una evolución de entre 3.000 y 5.000 años.
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