Una comparación evolutiva revela los mecanismos que facilitan la organización tridimensional del genoma

José Luis Gómez-Skarmeta

Un equipo internacional de investigadores con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Universidad Pablo de Olavide  de Sevilla ha comparado la organización 3D del genoma alrededor de los complejos génicos Six en erizos de mar, peces cebra, ratones y humanos. Este estudio,  publicado  en la revista PNAS, demuestra la conservación evolutiva de arquitectura del genoma alrededor de los genes Six y permite identificar señales en el genoma que facilitan la organización tridimensional de la cromatina.

La organización de la información en el genoma se ha convertido en una pregunta clave para entender los genomas de los animales, y es el tema central de un nuevo proyecto a gran escala en Estados Unidos denominado 4DNucleome.  Cuando se culminó uno de los proyectos científicos más importantes del siglo pasado, la secuenciación del genoma humano, se evidenció que conocer la secuencia lineal del genoma no ayudaba entender cómo funcionaba. “De la lectura de dicha secuencia solo podíamos entender pequeños párrafos, no más del 5%, que contenían la información necesaria para generar las proteínas, lo que se denomina ADN codificante o genes”, explica José Luis Gómez-Skarmeta, corresponsable del trabajo en el Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (centro mixto del CSIC, la Universidad Pablo de Olavide, de Sevilla, y la Junta de Andalucía).

La información que había en la gran mayoría del resto del genoma, por desconocimiento, llevó a llamarlo ADN basura. Sin embargo, el trabajo de numerosos grupos de investigación, y sobre todo, de un nuevo proyecto a gran escala financiado por el gobierno de Estados Unidos, el proyecto ENCODE, ha demostrado que en ese ADN No codificante, se encuentran todas las regiones reguladoras, instrucciones o interruptores, que encienden de una forma muy precisa, en el espacio y en el tiempo, los diferentes genes del genoma.

Estos interruptores, activos o apagados en diferentes células, encienden unos u otros genes, generando los diferentes tejidos de un organismo. Es más, puesto que  la secuenciación de multitud de otros genomas de animales ha demostrado que los genes están altamente conservados en todos los vertebrados, hoy en día está claro que lo que nos hace a los distintos vertebrados diferentes, en gran medida, es el conjunto específico de regiones reguladoras que tenemos cada uno y que encienden de forma diferencial a los mismos genes en distintas especies.

Aunque la mayoría de estas regiones reguladoras son diferentes en distintas especies, la comparación de los genomas de vertebrados reveló la existencia de un subconjunto de regiones comunes a todas las especies. Estas instrucciones son necesarias para activar a los mismos genes en los mismos momentos y lugares durante la embriogénesis, lo que permite generar el plan corporal común a todos los vertebrados. A partir de este punto de convergencia morfológica, que define un tipo de estructura animal, vertebrado en este caso, tiene lugar una mayor diferencia de expresión de genes entre distintas especies que genera las diferencias morfológicas que vemos entre diferentes animales.

En los últimos años, en estudios principalmente en mamíferos, se ha visto que la gran cantidad de información reguladora del genoma se organiza segmentos cromosómicos de unos 0.5-2 millones de pares de bases (Megabases) que forman especies de madejas donde distintas regiones interacciones frecuentemente unas con otras, permitiendo que los promotores de los genes puedan interaccionar con todas sus regiones reguladoras incluso a grandes distancias. Estas regiones se llaman TADs, acrónimo de Topological Associating Domains (dominios de asociación topológica). La interacción entre regiones genómicas de TADs vecinos es mínima, lo que permite aislar la información reguladora de cada TAD para que solo afecte al o los genes dentro de este y no los del TAD vecino, o lo que es los mismo, que los paisajes reguladores (lo que ve cada gen) sean diferentes para genes vecinos en el ADN lineal.

Los investigadores han comparado en este trabajo cómo se organiza la información reguladora en esos TADs a lo largo de la evolución alrededor de los genes Six, unos genes que están asociados físicamente unos a otros en el ADN formando complejos génicos, que son esenciales para la construcción de todos los animales y que están afectados en mutaciones humanas.

En el estudio  constatan que, no solo en vertebrados, sino también en erizos de mar, un animal con un origen evolutivo más ancentral que los vertebrados, los complejos de genes Six están formados por dos TADs que permiten que las regiones reguladoras flanqueando a los genes Six a cada lado del complejo interaccionen específicamente con unos y no con otros genes. Por tanto, a lo largo de la evolución de los deuterostomos (el grupo que abarca, erizos y vertebrados) estos TADs han facilitado que los  genes Six, muy próximos en el genoma, interaccionen con grupos distintos de elementos reguladores y se enciendan, en el espacio y en el tiempo de forma muy diferente, esto es, tengan paisajes reguladores diferentes, participando en la generación de diferentes órganos y tejidos. Además, los investigadores han podido comprobar que cuando se elimina la región del genoma que contiene la intersección entre los dos TADs, la información reguladora de un TAD afecta al gen del TAD vecino indicando que esta zona hace de barrera que divide el genoma en dos zonas reguladoras independientes.

Por último, mediante una comparación evolutiva, las secuencias de esta zona donde está la barrera entre los dos TADs, en humanos, ratón, peces y erizos, los investigadores han visto que la proteína CTCF, que se une a ADN y permite la interacción física entre dos regiones del genoma distantes, posiblemente juega un papel fundamental, conservado evolutivamente, en el establecimiento de dichas barreras.

Una vez más, la comparación evolutiva, en este caso de los paisajes reguladores de genes relevantes para la construcción de los animales, ha sido esencial para comprender cómo  se organiza la cromatina en el espacio tridimensional del núcleo.

Carlos Gómez-Marina, Juan J. Tena, Rafael D. Acemela, Macarena López-Mayorga, Silvia Naranjo, Elisa de la Calle-Mustienes, Ignacio Maeso, Leonardo Beccari, Ivy Aneas, Erika Vielmas, Paola Bovolenta, Marcelo A. Nobrega, Jaime Carvajal, and José Luis Gómez-Skarmetaa, Evolutionary comparison reveals that diverging CTCF sites are signatures of ancestral topological associating domains borders. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.1505463112