elementos genéticos móviles

Los elementos genéticos móviles ( EGM ), a veces llamados elementos genéticos egoístas , ^{[ 1 ]} son ​​un tipo de material genético que puede moverse dentro de un genoma o transferirse de una especie o replicón a otro. Los EGM se encuentran en todos los organismos. En los humanos, se cree que aproximadamente el 50% del genoma son EGM. ^{[ 2 ]} Los EGM desempeñan un papel distintivo en la evolución. Los eventos de duplicación génica también pueden ocurrir a través del mecanismo de los EGM. Los EGM también pueden causar mutaciones en las regiones codificantes de proteínas, lo que altera las funciones de las proteínas. Estos mecanismos también pueden reorganizar los genes en el genoma del huésped, generando variación. Estos mecanismos pueden aumentar la aptitud al adquirir funciones nuevas o adicionales. Un ejemplo de EGM en el contexto evolutivo es que los factores de virulencia y los genes de resistencia a antibióticos de los EGM pueden transportarse para compartir código genético con bacterias vecinas. Sin embargo, los EGM también pueden disminuir la aptitud al introducir alelos o mutaciones causantes de enfermedades. ^{[ 3 ]} El conjunto de MGE en un organismo se llama mobiloma , que está compuesto por un gran número de plásmidos , transposones y virus . ^{[ 4 ]}

• Plásmidos : Son moléculas de ADN extracromosómico generalmente circulares que se replican y se transmiten independientemente del ADN cromosómico. Estas moléculas están presentes en procariotas ( bacterias y arqueas ) y, a veces, en organismos eucariotas como la levadura . La aptitud de un plásmido está determinada por su movilidad. El primer factor de aptitud del plásmido es su capacidad de replicar el ADN. El segundo factor de aptitud es la capacidad del plásmido para transferirse horizontalmente. Los plásmidos durante su ciclo transportan genes de un organismo a otro a través de un proceso llamado conjugación . Los plásmidos suelen contener un conjunto de genes de movilidad que son necesarios para la conjugación. Algunos plásmidos emplean la formación de pares de apareamiento asociados a la membrana (MPF). Un plásmido que contiene sus propios genes MPF se considera autotransmisible o conjugativo. ^{[ 5 ]} Los plásmidos se pueden dividir además en clases movilizables y no movilizables. Los plásmidos que utilizan otros elementos genéticos MFP en la célula son movilizables. Los plásmidos que no son movilizables pero se propagan por transducción o transformación se denominan no movilizables. ^{[ 5 ]} Los plásmidos a menudo pueden inyectar genes que hacen que las bacterias sean resistentes a los antibióticos . ^{[ 6 ] [ 5 ]}

• Vectores de clonación : Son plásmidos híbridos con bacteriófagos , utilizados para transferir y replicar ADN. Mediante técnicas de ADN recombinante , se pueden insertar fragmentos de ADN . Un vector viable debe ser capaz de replicarse junto con los fragmentos de ADN que transporta. Estos vectores pueden contener genes específicos para su inserción en el genoma de un organismo. Ejemplos de ello son los cósmidos y los fagemidos . ^{[ 7 ]}

• Transposones : Son secuencias de ADN que pueden moverse y replicarse en diferentes partes del genoma de una célula . También llamados "genes saltarines", pueden transferirse horizontalmente entre organismos que viven en simbiosis . Los transposones están presentes en todos los seres vivos y en virus gigantes . ^{[ 8 ]}

• Transposones de ADN : Estos son transposones que se mueven directamente de una posición a otra en el genoma utilizando una transposasa para cortar y unirse a otro locus . ^{[ 9 ]} Estos elementos genéticos son escindidos en cuatro sitios monocatenarios en el ADN por la transposasa. Para lograr la máxima estabilidad del transposón intermedio, ocurre un corte monocatenario en el ADN diana. Simultáneamente, la cadena donante se liga a la cadena diana después del corte, dejando un saliente monocatenario en cada extremo de la secuencia diana. Estos sitios generalmente contienen un saliente de 5 a 9 pares de bases que puede crear un extremo cohesivo. ^{[ 10 ]} La transposasa mantiene la secuencia en una formación cruzada y liga la cadena donante a la cadena diana. La estructura formada por el dúplex de ADN y transposasa en los transposones replicativos se conoce como el Intermedio de Shapiro. ^{[ 11 ]} El saliente de 5 a 9 pares de bases se deja a cada lado de la secuencia diana, lo que permite que se una a su secuencia diana en cualquier orientación. La secuencia de estos salientes puede determinar la orientación de la unión. ^{[ 10 ]} Antes de que pueda ocurrir la recombinación sitio-específica, los extremos del oligonucleótido deben estar llenos. La ligación de estos extremos genera una horquilla de replicación en cada extremo del elemento transponible. El desplazamiento de la cadena simple provoca la síntesis a partir del grupo hidroxilo 3' no ligado para formar largas secciones de cadena simple adyacentes al extremo 5'. Por lo tanto, la cadena opuesta se secuencia de forma discontinua a medida que ambas horquillas de replicación se acercan al centro del elemento transponible. Esto da como resultado dos dúplex recombinantes que contienen el elemento transponible semiconservado flanqueado por el saliente anterior de 5 a 9 pares de bases. La recombinación recíproca sitio-específica tiene lugar entre los dos elementos transponibles facilitada por proteínas. Esta replicación recíproca se superpone en el tiempo y ocurre entre segmentos duplicados del elemento de replicación antes de que se complete la replicación. ^{[ 10 ]} La molécula objetivo resultante contiene el elemento insertado flanqueado por secuencias de 5 a 9 pares de bases. La transposición de estos elementos duplica el elemento de transposición, dejando un elemento de transposición en su ubicación original y un nuevo transposón en el sitio de replicación recíproca. Al hacerlo, aumenta el número total de pares de bases en los genomas de los organismos. La frecuencia de las transposiciones aumenta con el tiempo y a medida que los organismos envejecen.

• Retrotransposones : Estos son transposones que se mueven en el genoma, siendo transcritos a ARN y posteriormente a ADN por la transcriptasa inversa . Muchos retrotransposones también exhiben transposición replicativa . Los retrotransposones están presentes exclusivamente en eucariotas . ^{[ 12 ]} Los retrotransposones constan de dos tipos principales, repeticiones terminales largas (LTR) y transposones sin LTR. Los transposones sin LTR pueden clasificarse además en elementos nucleares intercalados largos (LINE) y elementos nucleares intercalados cortos (SINE). ^{[ 13 ]} Estos retrotransposones están regulados por una familia de ARN cortos no codificantes denominados ARN que interactúan con PIWI [P-element induced wimpy testis] (piRNA). ^{[ 14 ]} El piRNA es una clase de ncRNA descubierta recientemente, que se encuentran en el rango de longitud de ~24-32 nucleótidos. Inicialmente, los piRNAs se describieron como siRNAs asociados a repeticiones (rasiRNAs) debido a su origen en elementos repetitivos como las secuencias transponibles del genoma. Sin embargo, posteriormente se identificó que actuaban a través de la proteína PIWI. Además de su papel en la supresión de transposones genómicos, recientemente se han descrito diversas funciones de los piRNAs, como la regulación de la región 3' UTR de genes codificadores de proteínas mediante ARN de interferencia (ARNi), la herencia epigenética transgeneracional para transmitir la memoria de la actividad pasada de los transposones y el silenciamiento epigenético inducido por ARN. ^{[ 14 ]}
• Integrones : Son casetes genéticos que generalmente transportan genes de resistencia a antibióticos a plásmidos y transposones bacterianos. ^{[ 15 ]}
• Intrones : Los intrones de los grupos I y II son secuencias de nucleótidos con actividad catalítica que forman parte de los transcritos del huésped y actúan como ribozimas que pueden invadir genes que codifican ARNt , ARNr y proteínas . Están presentes en todos los organismos celulares y virus. ^{[ 16 ]}
• Intrones: Secuencias similares a los transposones que pueden saltar en el genoma dejando nuevos intrones donde estaban, se han señalado como un posible mecanismo de ganancia de intrones en la evolución de los eucariotas, donde están presentes en al menos el 5% de todas las especies, especialmente en los taxones acuáticos debido posiblemente a la transferencia horizontal de genes que ocurre con mayor frecuencia en estos animales. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Fueron descritos por primera vez en 2009 en el alga verde unicelular Micromonas . ^{[ 19 ]}
• Agentes virales : Se trata principalmente de agentes infecciosos acelulares que se replican en huéspedes celulares. Durante su ciclo infeccioso, pueden transportar genes de un huésped a otro. También pueden transportar genes de un organismo a otro en caso de que el agente viral infecte a más de dos especies diferentes. Tradicionalmente se consideran entidades separadas, pero muchos investigadores que estudian sus características y evolución se refieren a ellos como elementos genéticos móviles. Esto se basa en el hecho de que los agentes virales son partículas o moléculas simples que se replican y se transfieren entre varios huéspedes, al igual que los demás elementos genéticos móviles no virales. Según este punto de vista, los virus y otros agentes virales no deberían considerarse seres vivos y deberían concebirse mejor como elementos genéticos móviles. Los agentes virales están conectados evolutivamente con varios elementos genéticos móviles. ^{[ 20 ]} Se cree que estos agentes virales surgieron de plásmidos secretados o expulsados ​​de otros organismos. Los transposones también proporcionan información sobre cómo pudieron haber comenzado originalmente estos elementos. Esta teoría se conoce como la hipótesis de la vagancia propuesta por Barbara McClintock en 1950. ^{[ 21 ] [ 1 ] [ 22 ] [ 4 ] [ 23 ]}
  • Virus : Son agentes virales compuestos por una molécula de material genético (ADN o ARN) con la capacidad de formar partículas complejas llamadas viriones para desplazarse fácilmente entre sus huéspedes. Los virus están presentes en todos los seres vivos. Las partículas virales son fabricadas por la maquinaria replicativa del huésped para la transferencia horizontal. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 24 ]}
  • Ácidos nucleicos satélite : Son moléculas de ADN o ARN que se encuentran encapsuladas como polizones en los viriones de ciertos virus auxiliares y que dependen de ellos para poder replicarse. Aunque a veces se consideran elementos genéticos de sus virus auxiliares, no siempre se encuentran dentro de ellos. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 25 ]}
  • Viroides : Son agentes virales que consisten en pequeñas moléculas de ARN circular que infectan y se replican en las plantas . Estos elementos genéticos móviles no poseen una capa protectora de proteínas. Específicamente, estos elementos genéticos móviles se encuentran en las angiospermas . ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 26 ]}
  • Elemento viral endógeno : Se trata de ácidos nucleicos virales incorporados al genoma de una célula. Pueden moverse y replicarse varias veces en la célula huésped sin causar enfermedad ni mutación. Se consideran formas autónomas de transposones. Ejemplos de ello son los provirus y los retrovirus endógenos . ^{[ 27 ]}

Los sistemas CRISPR-Cas en bacterias y arqueas son sistemas inmunitarios adaptativos que protegen contra las consecuencias letales de los MGE. Mediante análisis genómicos y filogenéticos comparativos, los investigadores descubrieron que las variantes de CRISPR-Cas están asociadas con distintos tipos de MGE, como los elementos transponibles. En los transposones asociados a CRISPR , CRISPR-Cas controla la propagación de los elementos transponibles. ^{[ 28 ]}

Los elementos genéticos móviles (EGM), como los plásmidos, que se transmiten por transmisión horizontal, suelen ser beneficiosos para un organismo. La capacidad de transferir plásmidos (compartirlos) es importante desde una perspectiva evolutiva. Tazzyman y Bonhoeffer descubrieron que la fijación (recepción) de los plásmidos transferidos en un nuevo organismo es tan importante como la capacidad de transferirlos. ^{[ 29 ]} Los plásmidos beneficiosos, raros y transferibles tienen una mayor probabilidad de fijación, mientras que los elementos genéticos transferibles perjudiciales tienen una menor probabilidad de fijación porque son letales para los organismos hospedadores.

Un tipo de MGE, concretamente los Elementos Conjugativos Integrativos (ICE), son fundamentales para la transferencia horizontal de genes, dando forma a los genomas de los procariotas y permitiendo la rápida adquisición de nuevos rasgos adaptativos. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

Como ejemplo representativo de ICE, el ICE Bs1 está bien caracterizado por su papel en la respuesta global de daño al ADN SOS de Bacillus subtilis ^{[ 32 ]} y también por su posible vínculo con la resistencia a la radiación y la desecación de las esporas de Bacillus pumilus SAFR-032, ^{[ 33 ]} aisladas de instalaciones de salas limpias de naves espaciales. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

La transposición por elementos transponibles es mutagénica. Por lo tanto, los organismos han evolucionado para reprimir los eventos de transposición, y la falta de represión de estos eventos causa cáncer en las células somáticas. Cecco et al. encontraron que durante la edad temprana la transcripción de elementos retrotransponibles es mínima en ratones, pero en la edad avanzada el nivel de transcripción aumenta. ^{[ 37 ]} Este nivel de expresión de elementos transponibles dependiente de la edad se reduce con una dieta de restricción calórica. La replicación de elementos transponibles a menudo resulta en la adición de secuencias repetidas al genoma. Estas secuencias a menudo no son codificantes, pero pueden interferir con las secuencias codificantes del ADN. Aunque mutagénicos por naturaleza, los transposones aumentan el genoma de un organismo en el que se transponen. Se debería realizar más investigación sobre cómo estos elementos pueden servir como una herramienta de adaptación rápida empleada por los organismos para generar variabilidad. Muchos elementos de transposición están latentes o requieren activación. También debe señalarse que los valores actuales para las secuencias codificantes del ADN serían más altos si los elementos de transposición que codifican para su propia maquinaria de transposición se consideraran secuencias codificantes.

Otros ejemplos investigados incluyen Mavericks , ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} Starships ^{[ 41 ] [ 40 ]} y Space Invaders (o SPINs) ^{[ 42 ] [ 43 ]}

La presencia de elementos genéticos móviles puede alterar los patrones transcripcionales, lo que frecuentemente conduce a trastornos genéticos como enfermedades inmunitarias, cáncer de mama, esclerosis múltiple y esclerosis lateral amiotrófica. En humanos, el estrés puede provocar la activación transcripcional de elementos genéticos móviles, como los retrovirus endógenos , y esta activación se ha relacionado con la neurodegeneración . ^{[ 44 ]}

El conjunto total de elementos genéticos móviles en un genoma puede denominarse mobiloma .

Barbara McClintock fue galardonada con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1983 "por su descubrimiento de los elementos genéticos móviles" ( elementos transponibles ). ^{[ 45 ]}

Los elementos genéticos móviles desempeñan un papel fundamental en la propagación de factores de virulencia, como exotoxinas y exoenzimas , entre las bacterias. Se han propuesto estrategias para combatir ciertas infecciones bacterianas mediante la focalización en estos factores de virulencia y elementos genéticos móviles específicos. ^{[ 46 ]}

• Base de datos ACLAME (Clasificación de elementos genéticos móviles)
• nacimiento de genes de novo
• Reorganización de exones
• Fusión genética
• duplicación genética
• transferencia horizontal de genes
• Factores de virulencia
• Elementos transponibles de repetición invertida en miniatura (MITEs)
• Nave espacial

• Miller WJ, Capy P, eds. (2004). Elementos genéticos móviles: protocolos y aplicaciones genómicas . Humana Press. ISBN 978-1-58829-007-6.
• Shapiro JA , ed. (1983). Elementos genéticos móviles . Academic Press. ISBN 978-0-12-638680-6.