Un estudio del Centro de Regulación Genómica cartografía por primera vez la cromatina de doce linajes de eucariotas apenas explorados hasta ahora, como los discobanos, los rizarios o los ictiospóreos. Los resultados ayudan a reconstruir cómo evolucionó la regulación del ADN desde el origen de la vida compleja.
Las señales que utilizan las células para activar los genes han permanecido casi inalteradas a lo largo de 2 000 millones de años de evolución, mientras que las que sirven para desactivarlos varían de forma drástica entre las distintas ramas de la vida, según el mayor estudio comparativo realizado hasta la fecha sobre la regulación de los genomas.
El trabajo, publicado hoy en Nature Genetics y liderado por el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, presenta además el primer análisis detallado de la cromatina —el armazón proteico que controla cómo se lee el ADN— en doce linajes de eucariotas que hasta ahora habían quedado, en gran medida, al margen de la investigación.
"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 en el CRG 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.
El trabajo ayuda a comprender cómo evolucionaron los genomas a lo largo de la evolución y podría tener implicaciones para el estudio de enfermedades relacionadas con una regulación génica defectuosa. Además, presenta un método desarrollado en el CRG que puede contribuir a los esfuerzos internacionales por caracterizar la biodiversidad 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 qué fragmentos del ADN debe leer la célula y cuáles debe ignorar. Este sistema, conocido como regulación de la cromatina, permite que un mismo genoma dé lugar a una célula hepática o a una neurona, y a una hoja o a una raíz. Los fallos en este proceso están en el origen de numerosas enfermedades humanas, entre ellas distintos tipos de cáncer.
Estas marcas químicas se remontan a unos 2 000 millones de años, al último ancestro común de los eucariotas (LECA, por sus siglas en inglés), un organismo unicelular del que descienden todas las plantas, animales, hongos y protistas actuales.
Las enzimas que añaden y eliminan estas marcas también están ampliamente compartidas entre plantas, animales, hongos y eucariotas microbianos. Sin embargo, hasta ahora casi todo el conocimiento sobre su funcionamiento procedía de un reducido grupo de especies modelo, como el ser humano, el ratón, la mosca de la fruta, la levadura y Arabidopsis. La mayor parte de la diversidad de la vida permanecía inexplorada desde esta perspectiva.
El proyecto comenzó en 2017, cuando el Dr. Sebé-Pedrós y el Dr. David Lara-Astiaso utilizaban una técnica denominada iChIP para estudiar la cromatina en ctenóforos y placozoos, dos grupos animales poco habituales en el laboratorio. Ambos se preguntaron si ese enfoque podría ampliarse al resto 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 más ágil y sensible para cartografiar la regulación del genoma en especies muy diferentes”.
El nuevo método, iChIP2, permite marcar la cromatina de múltiples especies con códigos de barras moleculares y analizarlas en un único experimento. Gracias a él, el equipo caracterizó doce modificaciones de histonas en doce especies muy diversas, varias de las cuales nunca antes se habían estudiado desde esta perspectiva.
"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 extraída la cromatina, iChIP2 se encarga del resto de forma robusta y con cantidades muy pequeñas de material", añade.
Una vez extraída la cromatina, iChIP2 se encarga del resto de forma robusta y con cantidades muy pequeñas de material
Entre las especies analizadas figuran amebas, algas, hongos, plantas, un ictiospóreo y una anémona de mar.
El equipo halló que la firma de un gen activo era casi idéntica en todas las especies examinadas. La de los genes silenciados, en cambio, variaba de un linaje a otro. Cada grupo empleaba distintas combinaciones de modificaciones para mantener inactivos determinados fragmentos de ADN.
En algunas especies, una modificación silenciaba los elementos transponibles y otra reprimía genes no utilizados. En otras, ambas se acumulaban en las mismas regiones. En la ameba del suelo Acanthamoeba, una marca química que en los animales señala la activación de genes se había reutilizado para desactivarlos.
Es la fuerza de fijarse en organismos no modelo para ver cómo la evolución ha dado con muchas soluciones diferentes a los mismos problemas
“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.
Los autores proponen que esta diversidad refleja un conflicto antiguo y todavía activo entre los genomas y el ADN parásito que contienen, como los elementos transponibles —también conocidos como “genes saltarines”— y los elementos virales endógenos. En el genoma humano, estas secuencias representan aproximadamente la mitad de todo el ADN.
Mantener silenciados estos elementos es esencial para la supervivencia. Sin embargo, ellos también evolucionan y desarrollan nuevas formas de escapar a los mecanismos que los reprimen.
“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.
Tras cientos de millones de años de adaptación entre huésped y parásito, cada rama del árbol de la vida desarrolló su propia estrategia para silenciar los genes. Algunas de esas estrategias, sugiere el equipo, acabaron reutilizándose para otras funciones.
El estudio coincide con el auge de iniciativas internacionales como el Earth BioGenome Project y el programa Tree of Life del Wellcome Sanger Institute, que secuencian los genomas de miles de especies.
Sin embargo, conocer la secuencia del ADN no basta para entender cómo funciona. Métodos como iChIP2 permiten estudiar también cómo regulan sus genes las distintas formas de vida.
Referencia:
Navarrete C., Montgomery S. A., Mendieta J., Lara-Astiaso D., Sebé-Pedrós “A. Diversity and evolution of chromatin regulatory states across eukaryotes”. Nature Genetics (2026)
Un estudio dirigido desde el Real Jardín Botánico-CSIC sobre un grupo de amebas con caparazón llamadas Arcellinida refuta la clásica suposición de que los microbios están en todas partes y abre una nueva ventana a cómo el árbol de la vida está moldeado por el clima de la Tierra.
El trabajo, liderado por el CSIC, ofrece un modelo alternativo a las hipótesis biogeográficas clásicas y sugiere que dispersión a larga distancia y la plasticidad ecológica actuaron como motores de biodiversidad.
