Elemento transponible

Los elementos transponibles de clase I se copian en dos etapas: primero, se transcriben de ADN a ARN , y el ARN resultante se retrotranscribe a ADN. La conversión de ARN a ADN se facilita mediante una enzima llamada transcriptasa inversa, que a menudo está codificada por el propio elemento transponible. Este ADN recién copiado se inserta en el genoma en una nueva posición. ^{[ 10 ]} Las características de los retrotransposones son similares a las de los retrovirus , como el VIH , ya que este último utiliza la transcriptasa inversa para crear una copia de doble cadena de su genoma de ARN, que luego se integra en el genoma de la célula huésped. ^{[ 11 ]}

A pesar de los posibles efectos negativos de la autoinserción de retrotransposones en secuencias de ADN necesarias, que pueden provocar que genes importantes se vuelvan inutilizables, son esenciales para mantener intacto el ADN ribosómico (ADNr) de diferentes especies a lo largo de las generaciones, previniendo la infertilidad. ^{[ 12 ]} El retrotransposón R2 de Drosophila crea rupturas de doble cadena mediante la actividad de endonucleasa durante su proceso de replicación dentro de su ADNr objetivo, lo que permite la recombinación homóloga entre cromátidas hermanas para reparar las rupturas. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Las cromátidas resultantes, cada una con diferentes cantidades de ADNr, son marcadas y segregadas diferencialmente durante la división asimétrica de los progenitores en células madre hijas, que reciben las cromátidas con más ADNr, y precursores de células germinales. ^{[ 15 ]}

Actualmente, los retrotransposones se suelen agrupar en dos categorías principales:

• Retrotransposones con repeticiones terminales largas (LTR), que codifican una transcriptasa inversa similar a la de los retrovirus; ^{[ 16 ]}
• Retrotransposones sin repeticiones terminales largas (no-LTR), que contienen elementos nucleares intercalados largos (LINE, LINE-1 o L1) o elementos nucleares intercalados cortos (SINE). ^{[ 17 ]}

Los grupos nucleares largos intercalados codifican la transcriptasa inversa y son transcritos por la ARN polimerasa II . Por otro lado, los SINE no codifican la transcriptasa inversa y son transcritos por la ARN polimerasa III . ^{[ 17 ]}

El mecanismo de transposición de corte y pegado de los TE de clase II no implica un intermediario de ARN. ^{[ 19 ]} Las transposiciones son catalizadas por varias enzimas transposasas . Algunas transposasas se unen de forma no específica a cualquier sitio diana en el ADN, mientras que otras se unen a secuencias diana específicas. La transposasa realiza un corte escalonado en el sitio diana produciendo extremos cohesivos , corta el transposón de ADN y lo liga en el sitio diana. Una ADN polimerasa rellena los huecos resultantes de los extremos cohesivos y la ADN ligasa cierra el esqueleto de azúcar-fosfato. Esto da como resultado la duplicación del sitio diana y los sitios de inserción de los transposones de ADN pueden identificarse por repeticiones directas cortas (un corte escalonado en el ADN diana rellenado por la ADN polimerasa) seguidas de repeticiones invertidas (que son importantes para la escisión del TE por la transposasa).

Los elementos transponibles (ET) de corte y pegado pueden duplicarse si su transposición tiene lugar durante la fase S del ciclo celular , cuando un sitio donante ya se ha replicado pero un sitio diana aún no. Dichas duplicaciones en el sitio diana pueden dar lugar a la duplicación génica , que desempeña un papel importante en la evolución genómica . ^{[ 20 ] : 284}

No todos los transposones de ADN se transponen mediante el mecanismo de corte y pegado. En algunos casos, se observa una transposición replicativa en la que un "transposón complejo" se replica a sí mismo en un nuevo sitio diana (por ejemplo, helitrón ). ^{[ 21 ]}

Los TE de clase II comprenden menos del 2% del genoma humano, lo que hace que los demás transposones sean de clase I. ^{[ 22 ]}

El primer transposón sintético diseñado para su uso en células de vertebrados (incluidas las humanas), el sistema de transposón Sleeping Beauty , es un transposón similar a Tc1/mariner. Sus versiones muertas ("fósiles") están ampliamente distribuidas en el genoma de los salmónidos y se diseñó una versión funcional comparando dichas versiones. ^{[ 39 ]} Los transposones humanos similares a Tc1 se dividen en las subfamilias Hsmar1 y Hsmar2. Aunque ambos tipos son inactivos, una copia de Hsmar1 que se encuentra en el gen SETMAR está bajo selección, ya que proporciona unión al ADN para la proteína modificadora de histonas. ^{[ 40 ]} Muchos otros genes humanos se derivan de manera similar de transposones. ^{[ 41 ]} Hsmar2 se ha reconstruido varias veces a partir de las secuencias fósiles. ^{[ 42 ]}

Los TE pueden afectar las redes reguladoras de genes y, por lo tanto, tener ventajas evolutivas. ^{[ 43 ]} Las repeticiones intercaladas se crean por transposición; dado que pueden inhibir la conversión génica , protegen las secuencias génicas nuevas de ser sobrescritas por secuencias génicas similares y, por lo tanto, facilitan el desarrollo de nuevos genes. Los TE también pueden haber sido cooptados por el sistema inmunitario de los vertebrados como un medio para producir diversidad de anticuerpos. El sistema de recombinación V(D)J opera mediante un mecanismo similar al de algunos TE. Los TE también sirven para generar secuencias repetitivas que pueden formar ARN bicatenario para actuar como sustrato para la acción de ADAR en la edición de ARN. ^{[ 44 ]}

Los elementos transponibles (ET) pueden contener muchos tipos de genes, incluidos aquellos que confieren resistencia a los antibióticos y la capacidad de transponerse a plásmidos conjugativos. Algunos ET también contienen integrones , elementos genéticos que pueden capturar y expresar genes de otras fuentes. Estos contienen integrasa , que puede integrar casetes de genes . Se han identificado más de 40 genes de resistencia a los antibióticos en los casetes, así como genes de virulencia.

Los transposones no siempre escinden sus elementos con precisión, a veces eliminando los pares de bases adyacentes; esto puede dar lugar a la fusión de exones en un proceso llamado reordenamiento de exones . El reordenamiento de dos exones no relacionados puede crear un nuevo producto génico o, más probablemente, un intrón. ^{[ 45 ]}

Algunos elementos transponibles de ADN no autónomos que se encuentran en las plantas pueden capturar ADN codificante de los genes y redistribuirlo a lo largo del genoma. ^{[ 46 ]} Este proceso puede duplicar genes en el genoma (un fenómeno llamado transduplicación) y puede contribuir a generar genes nuevos mediante la redistribución de exones. ^{[ 47 ]}

Existe la hipótesis de que los elementos transponibles (ET) podrían proporcionar una fuente de ADN fácilmente utilizable por la célula para regular la expresión génica. Las investigaciones han demostrado que diversos modos de coevolución de los ET, junto con algunos factores de transcripción que actúan sobre elementos genómicos y cromatina asociados a los ET, evolucionan a partir de secuencias de ET. En la mayoría de los casos, estos modos no se ajustan al modelo simple de los ET y la regulación de la expresión génica del huésped. ^{[ 48 ]}

Un estudio estimó la tasa de transposición de un retrotransposón en particular, el elemento Ty1 en Saccharomyces cerevisiae . Utilizando varias suposiciones, la tasa de eventos de transposición exitosos por cada elemento Ty1 resultó ser de aproximadamente una vez cada pocos meses a una vez cada pocos años. ^{[ 49 ]} Algunos TE contienen promotores similares al choque térmico y su tasa de transposición aumenta si la célula se somete a estrés, ^{[ 50 ]} aumentando así la tasa de mutación en estas condiciones, lo que podría ser beneficioso para la célula.

Una hipótesis sugiere que solo aproximadamente 100 secuencias relacionadas con LINE1 están activas, a pesar de que sus secuencias constituyen el 17% del genoma humano. En las células humanas, el silenciamiento de las secuencias LINE1 se desencadena por un mecanismo de interferencia de ARN (ARNi). Sorprendentemente, las secuencias de ARNi se derivan de la región 5' no traducida (UTR) de LINE1, un extremo largo que se repite. Supuestamente, la UTR 5' de LINE1 que codifica el promotor sentido para la transcripción de LINE1 también codifica el promotor antisentido para el miRNA que se convierte en el sustrato para la producción de siRNA. La inhibición del mecanismo de silenciamiento de ARNi en esta región mostró un aumento en la transcripción de LINE1. ^{[ 3 ] [ 51 ]}

Las células se defienden de la proliferación de TE de varias maneras. Estas incluyen piRNAs y siRNAs , que silencian los TE después de que se han transcrito. ^{[ 52 ]}

Si los organismos están compuestos principalmente por TE, se podría suponer que las enfermedades causadas por TE mal ubicados son muy comunes, pero en la mayoría de los casos los TE se silencian mediante mecanismos epigenéticos como la metilación del ADN , la remodelación de la cromatina y el piRNA, de modo que se producen pocos o ningún efecto fenotípico ni movimientos de los TE, como ocurre con algunos TE de plantas de tipo silvestre. Se ha descubierto que ciertas plantas mutadas tienen defectos en las enzimas relacionadas con la metilación (metiltransferasa) que causan la transcripción de los TE, afectando así al fenotipo. ^{[ 3 ] [ 53 ]}

La identificación de repeticiones de novo es un escaneo inicial de datos de secuencia que busca encontrar las regiones repetitivas del genoma y clasificar estas repeticiones. Existen muchos programas informáticos para realizar la identificación de repeticiones de novo , todos operando bajo los mismos principios generales. ^{[ 54 ]} Como las repeticiones cortas en tándem generalmente tienen de 1 a 6 pares de bases de longitud y a menudo son consecutivas, su identificación es relativamente simple. ^{[ 55 ]} Los elementos repetitivos dispersos, por otro lado, son más difíciles de identificar, debido a que son más largos y a que a menudo han adquirido mutaciones. Sin embargo, es importante identificar estas repeticiones, ya que a menudo se encuentran como elementos transponibles (TE). ^{[ 54 ]}

La identificación de novo de transposones implica tres pasos: 1) encontrar todas las repeticiones dentro del genoma, 2) construir un consenso de cada familia de secuencias y 3) clasificar estas repeticiones. Hay tres grupos de algoritmos para el primer paso. Un grupo se denomina enfoque k-mer , donde un k-mer es una secuencia de longitud k. En este enfoque, se escanea el genoma en busca de k-meros sobrerrepresentados; es decir, k-meros que ocurren con más frecuencia de la que es probable basándose únicamente en la probabilidad. La longitud k está determinada por el tipo de transposón que se busca. El enfoque k-mer también permite desajustes, cuyo número determina el analista. Algunos programas del enfoque k-mer utilizan el k-mer como base y extienden ambos extremos de cada k-mer repetido hasta que no haya más similitud entre ellos, indicando los extremos de las repeticiones. ^{[ 54 ]} Otro grupo de algoritmos emplea un método llamado autocomparación de secuencias. Los programas de autocomparación de secuencias utilizan bases de datos como AB-BLAST para realizar una alineación inicial de secuencias . Dado que estos programas encuentran grupos de elementos que se superponen parcialmente, son útiles para encontrar transposones altamente divergentes o transposones con solo una pequeña región copiada en otras partes del genoma. ^{[ 56 ]} Otro grupo de algoritmos sigue el enfoque de periodicidad. Estos algoritmos realizan una transformada de Fourier en los datos de secuencia, identificando periodicidades (regiones que se repiten periódicamente) y pueden utilizar picos en el espectro resultante para encontrar elementos repetitivos candidatos. Este método funciona mejor para repeticiones en tándem, pero también puede utilizarse para repeticiones dispersas. Sin embargo, es un proceso lento, lo que lo convierte en una opción poco probable para el análisis a escala genómica. ^{[ 54 ]}

El segundo paso de la identificación de repeticiones de novo implica la construcción de un consenso de cada familia de secuencias. Una secuencia consenso es una secuencia que se crea a partir de las repeticiones que componen una familia de TE. Un par de bases en un consenso es el que se presenta con mayor frecuencia en las secuencias que se comparan para crear el consenso. Por ejemplo, en una familia de 50 repeticiones donde 42 tienen un par de bases T en la misma posición, la secuencia consenso también tendría una T en esta posición, ya que el par de bases es representativo de la familia en su conjunto en esa posición particular, y es muy probable que sea el par de bases que se encuentra en el ancestro de la familia en esa posición. ^{[ 54 ]} Una vez que se ha creado una secuencia consenso para cada familia, es posible pasar a análisis posteriores, como la clasificación de TE y el enmascaramiento del genoma para cuantificar el contenido total de TE del genoma.

Los elementos transponibles han sido reconocidos como buenos candidatos para estimular la adaptación genética, gracias a su capacidad para regular los niveles de expresión de genes cercanos. ^{[ 57 ]} Combinados con su "movilidad", los elementos transponibles pueden reubicarse junto a sus genes diana y controlar los niveles de expresión del gen, según las circunstancias.

El estudio realizado en 2008, "Alta tasa de adaptación reciente inducida por elementos transponibles en Drosophila melanogaster ", utilizó D. melanogaster que había migrado recientemente de África a otras partes del mundo, como base para estudiar las adaptaciones causadas por elementos transponibles. Aunque la mayoría de los TE se ubicaban en intrones, el experimento mostró una diferencia significativa en la expresión génica entre la población de África y otras partes del mundo. Los cuatro TE que causaron la selección direccional fueron más prevalentes en D. melanogaster de climas templados, lo que llevó a los investigadores a concluir que las presiones selectivas del clima impulsaron la adaptación genética. ^{[ 58 ]} A partir de este experimento, se ha confirmado que los TE adaptativos son prevalentes en la naturaleza, ya que permiten a los organismos adaptar la expresión génica como resultado de nuevas presiones selectivas.

Sin embargo, no todos los efectos de los TE adaptativos son beneficiosos para la población. En la investigación realizada en 2009, "Una reciente inserción de un elemento transponible adaptativo cerca de loci de desarrollo altamente conservados en Drosophila melanogaster ", un TE, insertado entre Jheh 2 y Jheh 3, reveló una disminución en el nivel de expresión de ambos genes. La regulación negativa de dichos genes ha provocado que Drosophila presente un tiempo de desarrollo prolongado y una viabilidad reducida del huevo al adulto. Aunque esta adaptación se observó con alta frecuencia en todas las poblaciones no africanas, no se fijó en ninguna de ellas. ^{[ 59 ]} Esto no es difícil de creer, ya que es lógico que una población favorezca una mayor viabilidad del huevo al adulto, por lo que intenta eliminar el rasgo causado por esta adaptación específica del TE.

Al mismo tiempo, se han publicado varios informes que muestran la adaptación ventajosa causada por los TE. En la investigación realizada con gusanos de seda, "Inserción de un elemento transponible adaptativo en la región reguladora del gen EO en el gusano de seda domesticado", se observó una inserción de TE en la región cis-reguladora del gen EO, que regula la hormona de muda 20E, y se registró una expresión aumentada. Mientras que las poblaciones sin la inserción de TE a menudo no pueden regular eficazmente la hormona 20E en condiciones de inanición, aquellas con la inserción tuvieron un desarrollo más estable, lo que resultó en una mayor uniformidad del desarrollo. ^{[ 60 ]}

Estos tres experimentos demostraron diferentes maneras en que las inserciones de elementos transponibles pueden ser ventajosas o desventajosas, mediante la regulación del nivel de expresión de genes adyacentes. El campo de la investigación sobre elementos transponibles adaptativos aún está en desarrollo y se esperan más hallazgos en el futuro.

Estudios recientes han confirmado que los elementos transponibles (ET) pueden contribuir a la generación de factores de transcripción. Sin embargo, ¿cómo influye este proceso en la participación de las redes de control del genoma? Los ET son más comunes en muchas regiones del ADN y constituyen el 45% del ADN humano total. Además, los ET contribuyen al 16% de los sitios de unión de factores de transcripción. También se encuentra un mayor número de motivos en el ADN no derivado de ET, y este número es mayor que en el ADN derivado de ET. Todos estos factores se correlacionan con la participación directa de los ET en diversas formas de redes de control genético. ^{[ 48 ]}