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TEMAS
Elementos móviles en el genoma humano
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Fecha de Publicación: 26-3-2008 Última actualización : 26-3-2008
Resumen
Los principales elementos móviles del genoma humano son los transposones que son unidades genéticas móviles con una amplia diversidad en su estructura y en los mecanismos de transposición que utilizan. Los elementos transponibles son muy abundantes en el genoma humano y representan una fuerza importante en la modificación de genes y genomas a lo largo de la evolución.

Se distinguen tres tipos de elementos móviles:

  • Los de clase I o retrotransposones. En su proceso de transposición primero se transcriben generando ARN que luego la transcriptasa inversa copia a ADN. Este ADN se reinserta en el genoma en una nueva localización.
  • Transposones ADN o de clase II. Son fragmentos de ADN que se mueven de un lugar a otro del genoma mediante un mecanismo de "cortar y pegar" que no requiere la síntesis de un intermediario de ARN.
  • Transposones clase III. Son minitransposones que se comportan como elementos móviles. Un ejemplo de este tipo son los elementos conocidos con las siglas MITE "Miniature Inverted-repeats Transposable Elements"
Los transposones pueden moverse por el genoma gracias a la acción de la enzima transposasa. Los transposones que codifican una enzima transposasa en su propia secuencia se conocen como elementos autónomos frente a aquellos que no la incluyen que se conocen como elementos no autónomos.

Lejos de ser ADN inservible, recientes estudios atribuyen a los elementos móviles gran importancia en aspectos como tan cruciales como la organización estructural del genoma o la introducción de la plasticidad genómica necesaria para mejorar la adaptación al medio.
Concepto
La imagen corresponde a la estructura de una resolvasa de un trasposón
Actualmente se piensa que los elementos transponibles son elementos génicos antiguos que pudieron aparecer incluso antes de la separación entre eucariotas y procariotas. Su presencia en la mayoría de los genomas de procariotas y de eucariotas demuestra su persistencia evolutiva. A los elementos transponibles se les supone un origen muy antiguo relacionado con los virus, incluso anterior a la separación de procariotas y eucariotas. Provocan diversos efectos, influyendo profundamente en la organización, integridad y evolución del genoma hospedador así como en su transcriptoma ya que pueden ejercer acciones reguladoras de la transcripción. Los transposones son agentes mutagénicos ya que pueden causar mutaciones al insertarse. Pueden insertarse en un gen funcional, en exones, en intrones o en el ADN que flanquea los genes pudiendo causar la inhibición, destrucción o alteración de la actividad de dichos genes. La abundancia de los distintos tipos de elementos móviles varía en gran medida según el genoma. En el genoma humano predominan los retrotransposones que pueden llegar a constituir el 40% del genoma. Existe una tremenda variación en la abundancia relativa de los transposones de ADN frente a los retrotransposones (en humanos hay una mayor abundancia de retrotransposones) entre diferentes especies.

Existen tres clases principales de transposones:

  • Los transposones de clase I o retrotransposones. Muchos presentan largas repeticiones terminales (LTRs: Long Terminal Repeats) de hasta 1000 pares de bases cada una. Suponen el 40% del genoma humano. Existen dos grandes grupos de retrotransposones en humanos: las secuencias LINE (Long Interpersed Nuclear Elements) y las SINE (Short Interpersed Nuclear Elements). La mayoría de los retrotransposones presentes en el genoma humano son de tipo LINE que incluyen en su secuencia un gen que codifica una transcriptasa inversa. Presentan una gran diversidad en su secuencia que permite utilizarlas como “fingerprint” (huella dactilar) de especie. Los elementos LINE pueden jugar un importante papel en la regulación de la transcripción de numerosos genes. Las secuencias SINE son otro tipo de retrotransposones de secuencia más corta (de unas 100 a 400 pares de bases). Los elementos SINE son transcritos por la ARN polimerasa III y en el genoma humano representan el 11% del genoma.
  • Transposones de ADN o de clase II. Este tipo de transposones se mueve en el genoma mediante un proceso de “cortar y pegar” llevado a cabo por transposasas que pueden estar codificadas por el propio transposón o por genes no incluidos en ese transposón. La transposasa reconoce y se une a ambos extremos del transposón. Estos extremos son secuencias idénticas invertidas llamadas TIRs (Terminal Inverted Repeats). La transposasa corta el ADN de forma específica en una secuencia diana originando extremos cohesivos de modo similar a algunas enzimas de restricción. A continuación el transposón se une al ADN del hospedador, creando dos sitios idénticos repetidos en cada extremo del transposón. A menudo los transposones pierden el gen de la transposasa convirtiéndose en elementos no autónomos. Estos elementos no autónomos a veces utilizan las transposasas de otros elementos móviles que conservan la transposasa para moverse a una nueva localización. En eucariotas se pueden clasificar en tres grupos principales: (i) aquellos que se escinden de la doble cadena de ADN y se reinsertan en otro lugar del genoma mediante el mecanismo de “cortar y pegar” (ii) los helitrones que usan un mecanismo de tipo círculo rodante (rolling circle) para su replicación (iii) y los transposones llamados “Mavericks“ que parecen replicarse empleando una ADN polimerasa codificada en su propia secuencia. Los Mavericks son transposones gigantes con TIRs muy largos. Tienen la capacidad de codificar una ADN polimerasa de tipo b y otras proteínas.
  • Los transposones de clase III o MITEs. Son transposones cortos que se caracterizan por su alto número de copias y homogeneidad en tamaño. Son secuencias de unas 400 pares de bases flanqueadas por repeticiones invertidas de 15 pares de bases. Son demasiado cortas para codificar una proteína, por lo que existen varias hipótesis sobre su origen y forma de multiplicación. La homogeneidad estructural de la familia MITE indica que estas familias surgen por amplificación de una sola copia o unas cuantas copias a partir de un progenitor común (otro transposón). Sin embargo es difícil conectar directamente una determinada familia de MITEs con un transposón autónomo presente dentro del mismo genoma. En muchos estudios la similitud entre la familia MITE y el supuesto elemento autónomo más cercano se limita a la región TIR. Una hipótesis sobre su forma de movilización se basa en la existencia de transposones más grandes con actividad enzimática propia y con capacidad de reconocer las repeticiones invertidas de los MITE. La acumulación de familias MITE a lo largo del tiempo crea un reservorio de elementos listos para una movilización cruzada accidental por nuevos transposones autónomos emergentes, disparando nuevas olas de amplificación de MITEs y aumentando el material genético del hospedador.
La mayoría de los transposones se mueven a través del genoma por mecanismos no replicativos e incrementan su número de copias a través de mecanismos indirectos que dependen de la maquinaria del hospedador.

Los transposones, de cualquiera de las tres clases, pueden presentar secuencias que codifican una gran variedad de productos. Sólo en algunas ocasiones, por medio de mecanismos evolutivos, algunas de las proteínas codificadas por los transposones quedarán integrados en el genoma del hospedador como elementos útiles y regulables. También gracias a mecanismos evolutivos, los transposones se han convertido en una diana natural para una serie de mecanismos de silenciamiento como la interferencia por ARN (ARNi) o mecanismos epigenéticos que impiden que se movilicen. Estos sistemas de defensa intracelular también operan frente a retrotransposones y virus.

Existen otros sistemas de vigilancia de transposones como es el caso concreto de la proteína centromérica CENP-B. Esta proteína, del mismo modo que sus ortólogos en diversas especies, se encarga de localizar y reclutar enzimas desacetilasas que silencian a un tipo de retrotransposones, los Tf2. Los retrotransposones Tf2 se agrupan a lo largo del genoma en unas estructuras discretas organizadas por la CENP-B y otras proteínas que se llaman cuerpos Tf. La proteína CENP-B es un caso de proteína codificada por un transposon que se ha integrado funcionalmente en el genoma del hospedador. CENP-B deriva de transposasas pertenecientes a transposones ADN cuya función se piensa era impedir la movilidad de los retrotransposones en lo que se podría llamar competición entre transposones. La proteína humana CENP-B tiene varias funciones además de la vigilancia de los retrotransposones. Se encarga de facilitar la formación del centrómero mediante la unión a pequeñas secuencias repetidas de ADN satélite dentro del centrómero. La CENP-B también se une a muchos promotores de genes que, en otro tiempo, podrían haber contenido elementos transponibles en sus secuencias. Así las secuencias de los elementos transponibles podrían verse como módulos reguladores versátiles que potencian la capacidad de las células de modular la red de regulación génica.

Los transposones de la clase II o de ADN pueden influir en la trayectoria evolutiva de sus hospedadores de tres maneras distintas:

  • Alterando genes funcionales al insertarse bien en la región codificadora o en la reguladora
  • Induciendo la reorganización cromosómica
  • Como fuente de material genético que, por mutaciones u otros mecanismos, permite la aparición tanto de nuevos genes como de nuevas secuencias reguladoras
A diferencia de la mayoría de los retrotransposones, muchos transposones ADN del tipo cortar y pegar exhiben una marcada preferencia para la inserción dentro o en la vecindad de genes lo que les confiere una capacidad potencial para generar una diversidad alélica en poblaciones naturales o alterar la regulación de genes. Otra importante propiedad es la de crear mutaciones inestables con fenotipos reversibles. Muchas veces esto se debe a la escisión imperfecta espontánea del transposón, que puede alterar el gen provocando pequeñas delecciones o inserciones. La generación de nuevos alelos y la creación de circuitos de regulación es una de las fuerzas principales que subyace en la diversificación de especies. La capacidad de los transposones de ADN de provocar diversidad alélica a nivel evolutivo es difícil de demostrar aunque en el laboratorio se ha conseguido un amplio rango de alteraciones de genes y fenotipos causados por escisión de transposones.

Los transposones participan activamente en la organización del genoma en dominios cromosómicos caracterizados por distintas marcas epigenéticas y distinta actividad transcripcional. Estas marcas son heredables y normalmente estables, pero pueden estar sujetas a cambios dinámicos en respuesta a factores ambientales y estrés genético. Las reorganizaciones a gran escala inducidas por transposasas se consideran una clase particular de eventos de recombinación que influyen en la plasticidad genómica pudiendo provocar desde inversiones o duplicaciones hasta delecciones de hasta cien kilobases.

Una de las mayores contribuciones de los elementos transponibles a la evolución del genoma del hospedador es proporcionar una fuente de material genético para crear nuevos genes y nuevas funciones. Los elementos transponibles tienen numerosas propiedades que los predisponen para ser integrados por el genoma del hospedador para ganar ventajas funcionales. Esta contribución es difícil de cuantificar ya que no es fácil trabajar a la escala de tiempo a la que ocurren todos estos procesos y no existen métodos que determinen con exactitud la antigüedad de una posible integración de un elemento transponible. El reciclado de los dominios de unión a transposasas para construir factores de transcripción es un tema actualmente sometido a debate. No es de extrañar que, debido al largo tiempo evolutivo de convivencia, las transposasas hayan establecido interacciones con distintos elementos del hospedador. Un ejemplo de proteína codificada por un transposón que se ha integrado funcionalmente en el genoma es la proteína CENP-B (Ver arriba). Hay también indicios que involucran a las transposasas en el control del ciclo celular, la recombinación y otros aspectos de la dinámica cromosómica.

En la generación de anticuerpos existen dos elementos esenciales para la recombinación genética: (i) las proteínas RAG1 y RAG2 que interaccionan para formar la recombinasa responsable de la unión y recombinación génica de los segmentos VDJ y (ii) la señal de recombinación de secuencia (RSS:Recombination Signal Sequence) que flanquea los segmentos VDJ que codificarán, tras la reorganización génica, la región variable de las inmunoglobulinas. Existen evidencias que relacionan estos elementos con las transposasas de eucariotas. Así, por ejemplo, las transposasas tienen un mecanismo de recombinación similar al empleado por RAG1/2 y también se ha detectado similitud estructural entre las secuencias RSS y las secuencias TIRS de los transposones.
Bibliografía