Los hallazgos, publicados en Nature Genetics, son fruto del ejercicio comparativo más amplio realizado hasta la fecha sobre cómo las distintas formas de vida regulan sus genes. El estudio llevó a cabo el primer análisis detallado de la cromatina —el armazón proteico que controla cómo se lee el ADN— en varias grandes ramas de la vida que hasta ahora habían quedado, en gran medida, al margen de la investigación, entre ellas linajes como los discobanos, los rizarios, los ictiospóreos y las criptofitas.
«Las instrucciones de la célula para activar los genes son esencialmente las mismas en un ser humano, en una anémona de mar y en una ameba del suelo», afirma el Dr. Arnau Sebé-Pedrós, profesor de investigación ICREA y autor principal del estudio.
«Pero las instrucciones para silenciar los genes y otros elementos genómicos, como los transposones, no han dejado de evolucionar desde nuestro último ancestro común eucariota. Distintas ramas de la vida han desarrollado distintas cajas de herramientas moleculares para hacer lo mismo», añade.
Implicaciones para la investigación de enfermedades
El trabajo ayuda a comprender cómo evolucionaron los genomas en la Tierra y podría tener implicaciones para la investigación médica de enfermedades relacionadas con una regulación génica defectuosa. Además, aporta un nuevo método, desarrollado en el CRG, que puede contribuir a los esfuerzos internacionales para caracterizar la vida en la Tierra a nivel molecular.
Dentro de cada célula, el ADN se enrolla alrededor de unas proteínas llamadas histonas. Pequeñas marcas químicas adheridas a estas proteínas indican a la célula qué tramos del ADN debe leer y cuáles debe ignorar. Este sistema, conocido como regulación de la cromatina, es lo que permite que un mismo genoma dé lugar a una célula hepática oa una neurona, ya una hoja oa una raíz. Los fallos en la regulación de la cromatina están en el origen de numerosas enfermedades humanas, entre ellas los distintos tipos de cáncer.
Estas marcas químicas son muy antiguas: se remontan a unos dos mil millones de años atrás, a un organismo unicelular conocido como el último ancestro común de los eucariotas (LECA, por sus siglas en inglés), el origen de toda la vida celular compleja y del que descienden todas las plantas, animales, hongos y protistas de la Tierra.
Las enzimas que añaden y retiran estas marcas también están ampliamente compartidas entre plantas, animales, hongos y eucariotas microbianos. Sin embargo, hasta ahora casi todo el conocimiento detallado sobre cómo funcionan estas marcas procedía de un puñado de especies de laboratorio, como el ser humano, el ratón, la mosca de la fruta, la levadura y la planta modelo Arabidopsis. La inmensa mayoría de la diversidad de la vida había permanecido inexplorada a este nivel.
Ctenóforos y placozoos
El proyecto comenzó en 2017, cuando el Dr. Sebé-Pedrós y el Dr. David Lara-Astiaso utilizaron una técnica denominada iChIP para estudiar la cromatina en ctenóforos y placozoos, animales que no suelen estudiarse en el laboratorio. Ambos se preguntaron si el enfoque podría ampliarse para aplicarlo a otras especies del árbol de la vida de los eucariotas.
«Queríamos cartografiar los estados epigenéticos en tipos celulares poco abundantes de ratones y humanos», recuerda Lara-Astiaso, actualmente en el Arc Institute de California. «Con el tiempo, logramos transformar aquel precursor en un método general para cartografiar la regulación del genoma a lo largo del árbol de la vida: más ágil, más sensible y, por fin, capaz de manejar las particularidades de especies muy diferentes».
El nuevo método, iChIP2, permite marcar la cromatina de muchas especies con códigos de barras moleculares únicos y leerlas todas en un único experimento. Este método ayudó a caracterizar doce marcas químicas, o modificaciones de histonas, en doce especies filogenéticamente diversas, que abarcan amebas, hongos, plantas, algas, depredadores unicelulares y animales.
De algunas, nunca antes se había cartografiado su cromatina. «Al principio esperábamos crear un protocolo completamente universal, pero las especies difieren demasiado entre sí para eso. Las plantas y las algas, por ejemplo, tienen paredes celulares que requieren una preparación especializada», explica Cristina Navarrete, coautora principal del estudio. «Una vez que un laboratorio ha extraído la cromatina de su especie de interés, iChIP2 se encarga del resto de forma robusta ya a partir de cantidades muy pequeñas de material», añade.
Gen idéntico en todas las especies
Entre las especies figuran dos amebozoos, Acanthamoeba castellanii y Dictyostelium discoideum ; la ameba de agua dulce Naegleria gruberi ; el depredador marino fotosintético Bigelowiella natans ; el alga Guillardia theta ; el ciliado Tetrahymena thermophila ; dos hongos, el quítrido Spizellomyces punctatus y la levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae ; el ictiospóreo colonial Creolimax fragrantissima ; dos plantas, Arabidopsis thaliana y el musgo Physcomitrium patens ; y la anémona de mar Nematostella vectensis .
El equipo encontró que la firma de un gen activo —marcada por el patrón de modificaciones de histonas agrupadas en torno a su inicio ya lo largo de su cuerpo— era casi idéntica en todas las especies examinadas. La firma de un gen silenciado, en cambio, no lo era. Los distintos linajes empleaban distintas combinaciones de modificaciones, con distintos patrones, para mantener silenciados determinados tramos de ADN.
Distintas especies
En algunas especies, una modificación silenciaba los elementos transponibles, mientras que otra marca silenciaba los genes no utilizados. En otras, las mismas modificaciones se acumulaban juntas en las mismas regiones. En la ameba del suelo Acanthamoeba , una marca química que en los animales señaliza la activación de genes se había reutilizado para desactivarlos.
«Hemos establecido muchísimas reglas nuevas a partir del estudio de tan pocas especies», afirma el Dr. Sean Montgomery, uno de los autores del estudio. «Es la fuerza de fijarse en organismos no modelo para ver cómo la evolución ha dado con muchas soluciones diferentes a los mismos problemas», añade.
El equipo sugiere que esta diversidad refleja un conflicto antiguo y todavía activo entre los genomas y el ADN parásito que albergan, como los elementos transponibles —también conocidos como «genes saltarines»— y los elementos virales endógenos. Todos los genomas albergan tramos de genes saltarines: secuencias que se copian y se pegan a sí mismas en nuevas ubicaciones, a veces de forma inocua ya veces de forma destructiva. En el genoma humano representa aproximadamente la mitad de todo el ADN.
Genes silenciados
Mantener silenciados los genes saltarines es una cuestión de supervivencia, pero estos evolucionan. Su naturaleza parasitaria hace que adquieran nuevas secuencias e incluso, en ocasiones, fragmentos de la propia maquinaria de la cromatina para eludir su detección.
«Si una especie pierde por completo sus mecanismos represores, no puede tolerar elementos parásitos como los elementos transponibles o los elementos virales endógenos. El resultado es que deja de existir. Está muerta», afirma Sebé-Pedrós.
A lo largo de cientos de millones de años, el resultado es una adaptación constante entre el huésped y el parásito, y un árbol de la vida en el que cada rama ha desarrollado su propia estrategia a medida para silenciar los genes. Algunas de esas estrategias, sugiere el equipo, se reaprovecharon más tarde con otros fines.
Genómica comparada
El trabajo llega en un momento importante para la genómica comparada. Iniciativas internacionales como el Earth BioGenome Project y el programa Tree of Life del Wellcome Sanger Institute, al que está afiliado el Dr. Sebé-Pedrós, están secuenciando los genomas de la vida en la Tierra a una velocidad sin precedentes.
Los datos generados por estas iniciativas ofrecen nuevas claves potenciales sobre cómo ha evolucionado la vida en la Tierra, pero la secuencia de un genoma, por sí sola, dice poco sobre cómo se utiliza. Métodos como iChIP2 permiten preguntarse cómo regulan sus genomas las distintas formas de vida.