Modificaciones de ADN y de histonas en la regulación genética de las plantas

En las plantas, las modificaciones de ADN y histonas son clave para regular los genes y mantener la estabilidad de su material genético. Dos modificaciones importantes son la Metilación del ADN y la metilación de lisina 9 de la histona H3 (H3K9). Estas modificaciones ayudan a formar un tipo de ADN empaquetado llamado heterocromatina y silencian ciertos elementos genéticos conocidos como elementos transponibles (ETs). Este silenciamiento es esencial para proteger el genoma y asegurar que funcione correctamente.

#Tipos de Metilación del ADN en Plantas

La metilación del ADN ocurre en tres patrones específicos en plantas: CG, CHG y CHH. Aquí, "H" representa adenina (A), citosina (C) o timina (T). Cada patrón es mantenido por enzimas únicas llamadas metiltransferasas de ADN.

• MET1 es la enzima que se encarga de la metilación CG.
• CMT3 se ocupa de la metilación CHG, trabajando junto con la metiltransferasa H3K9 llamada KRYPTONITE (KYP).
• CMT2 y un proceso conocido como metilación de ADN dirigida por ARN (RdDM) están involucrados en la metilación CHH.

Los tres tipos de metilación del ADN se encuentran principalmente en heterocromatina y regiones que contienen ETs o secuencias repetitivas. Entre ellos, la metilación CHG juega un papel vital en reforzar la metilación general del ADN dentro de la heterocromatina, trabajando junto con H3K9me2.

#El Papel de CMT3 y KYP en la Regulación de Genes

CMT3 tiene la habilidad única de reconocer H3K9me2 y utiliza esto para depositar metilación CHG. KYP también identifica ADN que ya ha sido metilado y agrega H3K9me2. Esta relación entre CMT3 y KYP crea un ciclo de retroalimentación, asegurando que tanto los niveles de CHG como de H3K9me2 aumenten en áreas de heterocromatina.

Las funciones de KYP no se limitan solo a la metilación CHG; también se asocia con la metilación CG que se encuentra en genes específicos llamados genes metilados en el cuerpo (GBM). Estos genes gbM a menudo pertenecen a funciones domésticas, lo que significa que son cruciales para procesos celulares básicos. Generalmente, estos genes tienen secuencias más largas y menos bases CG en comparación con otros genes.

Una teoría popular sugiere que CMT3 establece principalmente gbM, apoyada por observaciones de que ciertas plantas que carecen de CMT3 también pierden gbM.

#Interacción Entre KYP, CMT3 e IBM1

KYP se une a la metilación CG en los genes gbM, ayudando a reclutar el complejo CMT3-KYP. Este reclutamiento puede exponer estos genes a procesos de silenciamiento. Sin embargo, la acción de una demetilasa de histona conocida como IBM1 interfiere con este complejo en las regiones genéticas. IBM1 elimina selectivamente las marcas de H3K9me2 de los genes, protegiéndolos del silenciamiento. Este papel protector se evidencia en plantas mutantes ibm1, que muestran varias anormalidades y niveles aumentados de H3K9me2 y CHG en aproximadamente una quinta parte de sus genes.

Los genes afectados en estos mutantes son principalmente genes gbM, lo que sugiere un efecto dirigido del complejo CMT3/KYP en estas regiones específicas. Las interacciones entre IBM1 y el complejo CMT3/KYP son fundamentales para distinguir entre eucromatina (regiones activas) y heterocromatina (regiones inactivas).

En Arabidopsis thaliana, los problemas de fertilidad y defectos meióticos observados en mutantes ibm1 pueden revertirse eliminando CMT3, lo que destaca su conexión funcional. Además, tanto IBM1 como CMT3 están presentes solo en plantas con flores, insinuando un vínculo evolutivo.

#IBM1: Un Gen Único

Una característica notable de IBM1 es que depende de la metilación del ADN y de H3K9 dentro de un gran 7º intrón para controlar su propia expresión. Este gen se expresa ampliamente y produce dos tipos de ARN mensajero, uno funcional y otro no. La presencia de metilación de ADN y H3K9 en su 7º intrón es esencial para la expresión de la variante funcional.

En A. thaliana, el 7º intrón de IBM1 contiene tanto metilación de ADN como H3K9me2, lo que es necesario para la expresión de su forma funcional. Notablemente, IBM1 puede eliminar marcas de H3K9me2 en regiones genéticas, incluyendo su propio locus, lo que indica que la metilación del intrón puede actuar como un sensor para H3K9me2.

Estudios previos destacaron que algunas accesiones naturales de A. thaliana con CHG aumentada en regiones genéticas también mostraron disminución de la metilación del intrón en el gen IBM1, lo que plantea preguntas sobre cómo opera este mecanismo de detección en diferentes tipos de plantas.

#Investigando la Metilación del Inrón en IBM1

Este estudio analiza cómo la metilación del intrón de IBM1 se asocia con su expresión, comparando variaciones dentro y entre especies. Algunas accesiones de A. thaliana se asemejan a mutantes ibm1 débiles con CHG ectópico en ciertos genes. Un estudio más completo de IBM1 en 34 especies de plantas con flores revela que su 7º intrón contiene metilación de ADN intrónica, indicando que esta función de detección se conserva entre estas plantas.

Sin embargo, las variaciones en la secuencia de ADN de este intrón metilado apuntan a un cambio evolutivo con el tiempo. Más investigaciones en varias especies de Brassicaceae indican que IBM1 y CMT3 co-evolucionaron dentro de este grupo y potencialmente en otras plantas con flores.

#Hallazgos sobre Accesiones Naturales de A. thaliana

Las accesiones naturales de A. thaliana con metilación reducida del intrón en IBM1 se correlacionan con metilación ectópica de genes. El estudio utilizó datos del proyecto 1,001 genomas para analizar patrones de expresión y metilación en varias accesiones.

Los datos mostraron que un subconjunto de accesiones mostró ganancias ectópicas de CHG en muchos genes, junto con niveles más bajos de metilación del intrón. Esta caída en la metilación del intrón no se vinculó a diferencias genéticas, pero aún así influyó en la expresión del gen IBM1.

Curiosamente, las accesiones con baja metilación del intrón en IBM1 mostraron una correlación positiva con sus niveles de expresión génica. Por el contrario, se reconoció una correlación negativa con isoformas de transcrito más cortas de IBM1. Así, estas accesiones similares a ibm1 mostraron menor expresión del gen funcional de IBM1 y una mayor proporción de su isoforma más corta en comparación con otras.

#Explorando el Papel de IBM1 en la Regulación de Genes

El vínculo entre la metilación del intrón y la expresión génica significa que IBM1 juega un papel crucial. En muchas plantas, la metilación del intrón es vital para una correcta expresión génica y el desarrollo general. Esta dinámica indica que diferentes accesiones pueden adaptar sus mecanismos regulatorios basándose en cómo gestionan la metilación del intrón.

A través de RNA-seq y otros análisis, los científicos compararon los niveles funcionales de IBM1 en varios tipos de plantas, centrándose en la relación entre la metilación del ADN del intrón y la expresión génica.

#Los Efectos de la Sobrerregulación de IBM1

En el caso de la accesión Cnt-1 de A. thaliana, mostró un número significativo de genes con ganancias de CHG ectópico, junto con niveles notablemente más bajos de metilación del intrón. Al explorar la expresión de IBM1 en esta accesión, los investigadores notaron una disminución sustancial en su forma funcional en comparación con la accesión estándar Col-0.

Para investigar más, los científicos restauraron la expresión de IBM1 en Cnt-1, lo que llevó a un aumento significativo en la expresión de la forma funcional. Esta manipulación genética resultó en una disminución de los niveles de CHG ectópico en varios cuerpos de genes, indicando que la restauración de la actividad de IBM1 puede reducir patrones de metilación no estándar.

#Patrones de Metilación del ADN Intrónico en Plantas con Flores

El estudio reveló una frecuencia de mutaciones aumentada dentro del intrón de IBM1, especialmente en comparación con otras regiones. Esto sugiere que la capacidad de la metilación del intrón para regular la expresión génica puede diferir entre diversas especies de plantas.

El enfoque luego se centró en la presencia de metilación del intrón en IBM1 a través de 34 especies. Esta investigación encontró que muchas especies compartían patrones de metilación similares en sus ortólogos de IBM1, especialmente dentro del dominio JmjC, una región vital para la función del gen.

Los resultados demostraron que la metilación CHG del intrón es común en los genes de IBM1 entre eudicotiledóneas y monocotiledóneas, con muchos genes homólogos mostrando un enriquecimiento significativo para CHG.

#Pérdida de Metilación del Cuerpo del Gen en Brassicaceae

Las investigaciones han mostrado que la pérdida de enzimas específicas como CMT3 a menudo conduce a una reducción de la metilación del cuerpo del gen. Esta conexión ayuda a explicar las observaciones en varias especies de Brassicaceae donde la función reducida de CMT3 se correlaciona con menos genes gbM.

Especies como E. salsugineum mostraron una disminución significativa tanto en la expresión de IBM1 como de CMT3, resultando en una marcada disminución de los genes gbM. Este patrón continuó en otras especies relacionadas, subrayando que la pérdida de actividades de IBM1 o CMT3 puede llevar a una disminución de la capacidad de regulación génica.

#Investigando la Pérdida de IBM1 y CMT3

El estudio exploró los genomas de más especies de Brassicaceae para identificar posibles pérdidas o alteraciones de IBM1 o CMT3. Los resultados indicaron que ciertas especies, como Isatis lusitanica, podrían haber perdido completamente IBM1, lo que podría tener implicaciones significativas para sus sistemas de regulación génica.

Al examinar múltiples copias de genes, los investigadores identificaron variaciones en los patrones de metilación intrónica, sugiriendo que estas diferencias podrían estar impulsadas por cambios evolutivos a lo largo del tiempo.

#Conclusión: La Naturaleza Dinámica de la Regulación Génica en Plantas

El trabajo ilustra la compleja interacción entre modificaciones de ADN y histonas en plantas, enfatizando cómo estos procesos son críticos para mantener la estabilidad genética y la adaptabilidad. Los cambios dinámicos en la metilación del intrón y la expresión génica resaltan la importancia evolutiva de estos mecanismos en las plantas con flores.

Encontrar maneras de entender mejor la evolución de IBM1 y CMT3 y sus roles en la regulación génica podría proporcionar una visión más profunda de cómo las plantas se adaptan y evolucionan con el tiempo. Además, los resultados subrayan la necesidad de seguir investigando para descubrir los diversos mecanismos que sustentan la estabilidad epigenómica en plantas a través de diferentes entornos y contextos evolutivos.