Miles de moléculas cortas de ARN con diversas secuencias genéticas sirven como guardias de seguridad para identificar y silenciar los intentos de invadir el genoma, como el ADN insertado por virus o elementos parásitos conocidos como transposones.
Estas diversas y pequeñas moléculas de ARN, conocidas como ARN que interactúan con Piwi piRNA son producidas por varios animales, desde insectos y gusanos hasta mamíferos como ratones y humanos. En un nuevo estudio publicado el 2 de febrero en la revista Science, investigadores delLa Universidad de Chicago describe cómo los ARNip encuentran secuencias genéticas extrañas para silenciarlos. También muestran cómo los genes endógenos o "propios" que pertenecen adecuadamente al genoma se identifican para evitar este escrutinio adicional.
"Casi todos los animales tienen estos ARN pequeños, y los usan como guía para buscar secuencias objetivo y silenciarlas", dijo Heng-Chi Lee, PhD, profesor asistente de genética molecular y biología celular en UChicago y autor principal deel nuevo estudio "Hasta ahora, sin embargo, era bastante misterioso cuál era su función y por qué hay tantos con secuencias genéticas tan diversas".
Una base de datos de sospechosos
El ARN actúa como un mensajero para llevar a cabo instrucciones codificadas en el ADN para producir proteínas que realizan funciones esenciales en el cuerpo. En el nuevo estudio, Lee y sus colegas estudiaron los ARNp producidos por las células en el sistema reproductivo del gusano nematodo. C. elegans , un organismo modelo clásico estudiado por científicos para comprender los procesos biológicos básicos.
Los ARN que interactúan con Piwi son un tipo de ARN pequeños que se asocian con lo que se conoce como maquinaria Argonauta en las células que buscan el ARN objetivo y lo apagan. El ARN está construido con las mismas cadenas de nucleótidos que reflejan secuencias de ADN, denotadas con ellas mismas letras familiares A, C, G, U. Algunos ARN pequeños deben coincidir exactamente con la secuencia objetivo para identificarlos, como un guardia de seguridad que busca a una persona específica. Otros ARN pequeños pueden marcar genes con una coincidencia parcial, más como buscarun sospechoso basado en una descripción general.
Los científicos no han estado seguros exactamente de cómo los ARNip encuentran sus objetivos, en parte porque hay muchos de ellos. El nematodo que Lee estudia, por ejemplo, tiene más de 15,000 ARNip con diferentes secuencias de nucleótidos. ¿Por qué hay tantos?se preguntó, ¿y para qué sirven?
"Realmente no está claro por qué las células tienen que producir tantos piRNA. Son tan diversas que es difícil saber cuál reconoce qué ARN objetivo. La relación es demasiado compleja", dijo Lee.
Cuando los Piwis reconocen su objetivo, reclutan un conjunto de ARN secundarios aún más pequeños que corresponden a la secuencia en el sitio objetivo, una forma de marcarlo para llamar la atención. Sabiendo esto, Lee y su equipo crearon un piRNA sintético con una secuencia que nono existe en el gusano y se rastrea dónde creó su marcador. Luego, al examinar las diferentes secuencias marcadas por el piRNA sintético, podrían trabajar hacia atrás para descubrir su lógica para encontrar una coincidencia.
Resulta que los piRNA necesitan una coincidencia bastante cercana a una parte de la secuencia, pero pueden tolerar algunas discrepancias en el resto. También parece que hay muchos Piwis no emparejados en los gusanos porque les da una caja de herramientas demuchas combinaciones de secuencias posibles podrían necesitar para identificar ARN extraños y desactivarlos. En lugar de que un guardia de seguridad busque a una persona específica, o alguien que se parezca a esa persona, tienen una base de datos completa de posibles sospechosos que pueden localizar sinecesario.
evitar falsos positivos
¿Pero cómo evitan los falsos positivos o identifican erróneamente los genes "propios" endógenos que pertenecen allí? Para descubrirlo, Lee y sus colegas diseñaron más piRNA que podrían reconocer varios genes conocidos que pertenecen al genoma de nematodos. Pero estoun conjunto de piRNA no silenció ni afectó en absoluto la función de los genes endógenos, lo que significa que de alguna manera eran resistentes.
Los investigadores también encontraron que muchos genes endógenos tenían secciones repetitivas adicionales de nucleótidos A y T que los marcan como "propios" y no extraños. Esta señal de licencia sirve como una credencial para identificar el gen, un pasaporte para mostrar el sistema piRNA.pertenece.
"Demostramos que los genes endógenos son capaces de resistir el sistema piRNA con un sistema de licencias, y eso es realmente genial", dijo Lee. "Todo lo que tienen que hacer es marcarse con una señal de" sí mismo "".
El estudio arroja luz sobre un mecanismo básico que puede afectar la fertilidad en los animales. Investigaciones anteriores han demostrado que si los genes Piwi desarrollan mutaciones, el sistema piRNA puede funcionar mal. Luego, si los virus o transposones inyectan elementos de ADN extraños en la línea germinal, oLas células reproductivas que producen óvulos y espermatozoides, los piRNA no están allí para detectarlos y silenciarlos. Estos cambios no detectados pueden provocar infertilidad y otros problemas en el sistema reproductivo.
Un obstáculo práctico que ha perseguido a los biólogos durante años
El estudio también resuelve un problema técnico que se ha bloqueado C. elegans científicos durante décadas. Cuando los investigadores quieren estudiar un gen específico, a menudo realizan ligeras modificaciones para que una etiqueta especial de proteína que produce luz fluorescente pueda unirse a las proteínas producidas por su gen de interés. Esto funciona bien en la mayoría de los tipos de células,pero en la línea germinal, el sistema piRNA detecta esos cambios genéticos y detiene la producción de la etiqueta fluorescente.
Lee y su equipo mostraron cómo los científicos pueden evitar que esto suceda. Al editar los sitios reconocidos por los piRNA lo suficiente, ya no pueden encontrarlos, pero los genes seguirán funcionando de la misma manera. Los investigadores también podrían insertar el mismo-licencia de señales en secciones no codificantes de ADN, para hacer que los cambios parezcan pertenecer a genes endógenos. Estas técnicas también permitirán a los científicos utilizar el sistema de edición de genes CRISPR-Cas9 para rastrear cambios en la línea germinal.
"Cuando presenté esto por primera vez en una conferencia, después de mi charla me rodearon como 30 científicos pidiendo ayuda, para que puedan usar nuestros algoritmos para estudiar sus propios objetivos favoritos en las células germinales", dijo Lee. "Resuelve unobstáculo muy práctico que ha perseguido C. elegans biólogos durante los últimos 20 años ".
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Materiales proporcionados por Centro médico de la Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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