La Influencia de Elementos Transponibles en la Evolución del Genoma

En el estudio de cómo los organismos vivos evolucionan, los científicos prestan mucha atención a los cambios en su material genético, conocido como genoma. Dos procesos importantes que han influido en la evolución de los genomas en eucariotas (organismos con células complejas) son las duplicaciones completas del genoma (WGD) y la actividad de los Elementos Transponibles (TEs). Las duplicaciones completas del genoma resultan en que se copien conjuntos enteros de genes, mientras que los elementos transponibles son fragmentos de ADN que pueden moverse dentro del genoma, creando a veces nuevos genes y alterando la regulación genética.

Tanto la WGD como los TEs son significativos para cambiar el tamaño del genoma. Los elementos transponibles tienen habilidades únicas para replicarse, lo que significa que pueden impactar la evolución del genoma de varias maneras. Por ejemplo, pueden crear nuevos genes, cambiar la estructura del genoma y servir como componentes importantes para la evolución de la regulación de genes.

El papel de los elementos transponibles es especialmente interesante en mamíferos, donde estudios han mostrado que contribuyen significativamente a la regulación genética. Pueden influir en cómo se expresan los genes, lo cual es crucial para diferentes procesos biológicos, como el desarrollo y la función celular.

#El papel de los elementos transponibles en la evolución

Los elementos transponibles a menudo se conocen como “genes saltarines” porque pueden moverse de un lugar a otro dentro del genoma. Esta movilidad les permite contribuir a la diversidad del material genético en un organismo. Cuando los elementos transponibles se insertan en o cerca de genes, pueden afectar cómo operan esos genes. Por ejemplo, pueden mejorar o interferir con la expresión de genes cercanos dependiendo de dónde caen, llevando a variaciones genéticas que pueden ser ventajosas o desventajosas para el organismo.

En mamíferos, un hallazgo notable es que una parte significativa de los sitios de unión de factores de transcripción, que son cruciales para regular la expresión génica, se encuentra dentro de elementos transponibles. Esto sugiere que estos elementos tienen un papel funcional en controlar cómo se activan o desactivan los genes durante el desarrollo y en varios tejidos.

Curiosamente, los elementos transponibles que están involucrados en la Regulación Génica durante el desarrollo tienden a ser más jóvenes que aquellos relacionados con la regulación en tejidos adultos. Esto indica que diferentes presiones evolutivas moldean los elementos transponibles según sus roles en diferentes etapas de la vida.

#Duplicaciones completas del genoma: Estrés y evolución

Las duplicaciones completas del genoma resultan en células que contienen dos conjuntos completos de cromosomas. Esta duplicación puede provocar estrés para el organismo, ya que tiene que manejar el doble de material genético. Después de un evento de WGD, los elementos transponibles pueden escapar de los mecanismos de silenciamiento del huésped, permitiéndoles ser más activos y contribuir a cambios en el genoma.

En organismos poliploides, como los que resultan de duplicaciones completas del genoma, a menudo hay un aumento en la redundancia de funciones genéticas. Esta redundancia significa que los efectos negativos típicamente asociados con nuevas inserciones de elementos transponibles pueden minimizarse, permitiendo que estas inserciones se conviertan en partes estables del genoma. El proceso puede llevar a nuevas interacciones regulatorias y cambios en la expresión génica que influyen en la evolución de un organismo.

#Investigación sobre Salmonidos

Para entender mejor cómo las duplicaciones completas del genoma y los elementos transponibles interactúan en la configuración de la evolución genómica, los investigadores eligieron a los salmonidos como organismo modelo. Los salmonidos, que incluyen especies como el salmón y la trucha, experimentaron una duplicación completa del genoma hace unos 80-100 millones de años. Este período marcó un aumento significativo en la actividad de elementos transponibles en sus genomas.

Los investigadores querían determinar cómo la WGD influye en el papel de los elementos transponibles en la regulación genética. Se centraron en identificar elementos regulatorios que hayan evolucionado a partir de secuencias de elementos transponibles analizando datos genómicos de diferentes tejidos en salmón.

#Elementos transponibles en genomas de salmón

En su análisis, los investigadores mapearon y anotaron los elementos transponibles en el genoma del salmón. Encontraron que una porción sustancial del genoma está compuesta por elementos transponibles, predominantemente de la categoría de transposones de ADN. Los investigadores notaron que el contexto general de las inserciones de elementos transponibles era similar a la estructura genómica básica, aunque ciertas áreas, como las regiones intrónicas, tenían concentraciones más altas de estos elementos.

Los investigadores buscaban identificar regiones del genoma que exhibieran cromatina abierta, lo que indica elementos regulatorios activos. Usando una técnica llamada ATAC-seq, examinaron regiones de cromatina accesible en tejidos de hígado y cerebro. Sorprendentemente, encontraron que los elementos transponibles eran menos abundantes en estas regiones de lo esperado, lo que sugiere que hay selección en contra de las inserciones de elementos transponibles en regiones regulatorias.

#Identificación de elementos regulatorios derivados de elementos transponibles

Para identificar elementos regulatorios derivados de elementos transponibles, los investigadores se centraron en picos específicos de ATAC-seq que se superponían con elementos transponibles. Los categorizaron como posibles TE-CREs (elementos cis-regulatorios derivados de elementos transponibles). La mayoría de los TE-CREs identificados resultaron ser específicos de tejido, lo que significa que ciertos elementos regulatorios eran más activos en tejidos de hígado o cerebro.

Este análisis reveló que los TE-CREs específicos de tejido estaban asociados con patrones distintos de expresión génica. La investigación demostró que los elementos transponibles no solo contribuyen a la diversidad genética, sino que también juegan un papel en afinar cómo se expresan los genes en diferentes tejidos.

#Diferencias en TE-CREs entre tejidos

La investigación resaltó diferencias importantes en los tipos de elementos regulatorios derivados de elementos transponibles presentes en tejidos de hígado y cerebro. En general, los elementos regulatorios en el cerebro parecían estar bajo presiones de selección más fuertes en comparación con los del hígado. Esto podría deberse al papel crítico que la regulación génica juega en la función cerebral, que está sujeta a restricciones evolutivas más intensas.

Curiosamente, los sitios de unión de factores de transcripción que eran más comunes en el tejido cerebral mostraron una representación más baja dentro de elementos transponibles. Esto sugiere que las redes regulatorias en el cerebro operan de manera diferente a las del hígado, reflejando las necesidades únicas de cada tejido.

#Contribución de superfamilias específicas de elementos transponibles

El estudio también exploró cómo diferentes superfamilias de elementos transponibles contribuyeron al paisaje de TE-CRE. Algunas superfamilias proporcionaron significativamente menos o más elementos regulatorios de lo que se predice según su abundancia en el genoma. Por ejemplo, una superfamilia, a pesar de ser la más abundante, contribuyó solo con un pequeño porcentaje de los TE-CREs.

Además, los investigadores identificaron elementos transponibles específicos que eran particularmente efectivos en la difusión de secuencias regulatorias. Estos llamados “CRE-superspreaders” se encontraron abarcando varios grupos taxonómicos y exhibieron patrones de enriquecimiento distintos en cromatina abierta a través de diferentes tejidos.

#Dinámicas temporales de la evolución de TE-CREs

Los investigadores examinaron el momento de la actividad de los elementos transponibles en relación con la duplicación completa del genoma. Analizaron la divergencia de secuencias de elementos transponibles para entender su edad y cómo esto se relaciona con su papel en la regulación génica después de la WGD. Sorprendentemente, no encontraron una correlación fuerte entre el momento de actividad de los elementos transponibles y cambios significativos en el paisaje regulatorio inmediatamente después de la WGD.

En cambio, mientras algunos elementos transponibles estaban activos alrededor del momento de la WGD, muchos continuaron siendo efectivos mucho después de este período. Este hallazgo sugiere que el impacto evolutivo de los elementos transponibles puede no estar confinado a ráfagas de actividad asociadas con duplicaciones del genoma.

#Coexpresión y evolución de redes regulatorias

Para evaluar mejor la influencia de los TE-CREs en la expresión génica, los investigadores realizaron análisis de coexpresión. Encontraron que los genes asociados con los mismos TE-CREs eran en efecto más propensos a ser coexpresados, lo que indica una posible relación regulatoria impulsada por estas secuencias derivadas de elementos transponibles.

Este patrón de coexpresión sugiere que los elementos transponibles pueden jugar un papel en la configuración de redes regulatorias génicas. Al modular los patrones de expresión, los TE-CREs pueden influir en cómo los genes interactúan y funcionan juntos en tejidos específicos.

#Validación funcional de TE-CREs

Para evaluar directamente el potencial regulador de las secuencias derivadas de elementos transponibles, los investigadores realizaron un experimento utilizando ATAC-STARR-seq. Este método permite a los investigadores probar la actividad transcripcional de fragmentos de ADN en células vivas. Los resultados mostraron que una parte significativa de las secuencias derivadas de TE tenía actividad reguladora, apoyando la idea de que los elementos transponibles contribuyen de manera significativa a la expresión génica.

El análisis reveló que elementos transponibles específicos eran más propensos a actuar como potenciadores, llevando a un aumento en la expresión génica. Esto subraya el papel significativo que los elementos transponibles juegan en la evolución de los mecanismos regulatorios.

#Conclusión

El estudio de los elementos transponibles y su relación con las duplicaciones completas del genoma revela un paisaje complejo de evolución genómica. Mientras que los elementos transponibles contribuyen a la diversidad genética y tienen roles distintos en la regulación de genes, el momento y el impacto de su actividad pueden variar significativamente. Los hallazgos sugieren que las interacciones entre elementos transponibles y redes regulatorias están moldeadas por una variedad de presiones evolutivas.

Los salmonidos proporcionan un modelo único para entender estos procesos, destacando cómo los choques genómicos de las duplicaciones completas del genoma pueden influir en el paisaje de la evolución regulatoria. Esta investigación abre nuevas avenidas para explorar el papel de los elementos transponibles en otras especies y mejora nuestra comprensión de la naturaleza dinámica de la evolución del genoma.