Probablemente sean pocos -si es que hay alguno- los lectores de esto a los que no les suene el nombre de Barbara McClintock. Si bien todos los laureados con el Premio Nobel obtienen un amplio reconocimiento, en su caso éste se vio agravado por la ardua batalla que tuvo que librar para que su trabajo fuera aceptado. La citogenetista, que trabajaba con el maíz como sistema modelo, había llegado a la conclusión de que no todos los genes eran loci fijos estáticos en puntos definidos del genoma. Decir que su conclusión de que había «genes saltarines», es decir, elementos de ADN capaces de desplazarse de una localización cromosómica a otra, fue recibida con incredulidad generalizada es un eufemismo cortés. El tiempo y el peso de los datos le dieron la razón y su Nobel de Fisiología o Medicina de 1983, a la edad de 81 años, fue tanto un testimonio de su perseverancia como de la buena ciencia.
Las características del ADN que descubrió se denominan elementos transponibles o transposones. Estructuralmente, comparten una serie de características similares a algunos tipos de virus (retrovirus) y, en cierto modo, pueden considerarse como un virus, en el sentido de que pueden replicarse de forma semiautónoma mediante el uso de la maquinaria de la célula huésped. Sin embargo, a diferencia de los verdaderos virus, los transposones no abandonan la célula y su progenie simplemente se desplaza a una nueva ubicación genómica donde se instala. En efecto, son el ejemplo más sencillo de lo que se denomina «gen egoísta», un postulado según el cual los elementos genéticos sólo buscan replicarse a sí mismos. Mientras que la mayoría han «elegido» hacerlo a través de la asociación cooperativa con otros genes para crear organismos replicantes viables, los transposones lo hacen puramente por su cuenta y más como un parásito en la célula anfitriona que como un componente productivo de un todo mayor. Nuestro interés en ellos se debe, en primer lugar, a que no se limitan a existir en el maíz, sino que se encuentran en la mayoría de los organismos, incluidos los humanos, y, en segundo lugar, a su estilo de vida intracelular, que es el de cada gen por sí mismo.
LÍNEAS y SINES
Los humanos no tienen sólo un tipo de transposón – en realidad hay una serie de tipos que se agrupan vagamente en base a su tamaño físico en elementos intercalados largos (LÍNEAS) y elementos intercalados cortos (SINES). Como es de esperar, cuanto más grandes son físicamente, más información genética pueden codificar. El conocido como LINE-1, con un tamaño de ~6000 pares de bases, codifica dos marcos de lectura abiertos (regiones que pueden transcribirse a ARNm y luego traducirse a proteínas). Una de estas proteínas tiene actividad de unión al ARN pero una función biológica poco clara; la segunda tiene actividad endonucleasa (corte del ADN) y de transcripción inversa (generación de secuencias de ADN a partir de plantillas de ARN). Esencialmente, después de que se transcriba un elemento LINE-1 (impulsado en parte por los sitios de unión del factor de transcripción en su extremo 5′), la segunda proteína expresada realiza cortes en el ADN del huésped a través de su función de endonucleasa. A continuación, realiza una copia de ADN de la transcripción completa de LINE-1 mediante su función de transcriptasa inversa. Esta copia de ADN se inserta en el genoma del huésped cortado y la maquinaria de reparación del ADN de la célula huésped la liga en su lugar. El cromosoma anfitrión ha obtenido ahora una nueva copia de LINE-1 y cada ciclo de replicación celular posterior la replica como parte de su ADN nuclear «normal e innato». Esto se considera retrotransposición autónoma, ya que LINE-1 proporciona sus propias funciones enzimáticas clave para el proceso. Aunque el proceso en sí mismo ocurre raramente, es fácil ver cómo a lo largo de largas escalas de tiempo biológico esto puede conducir a la acumulación de múltiples copias replicadas del elemento LINE-1. Se cree que LINE-1 es el único elemento transponible totalmente autónomo del genoma humano, y ha demostrado ser una estrategia biológica eficaz, ya que casi el 17 por ciento del genoma humano está formado por esta secuencia (¡aproximadamente 170.000 copias por célula!)
Sin embargo, hoy nos centraremos en los SINE, y en particular en los conocidos (en realidad, en la única familia) como elementos Alu. Llamados así por el sitio de la endonucleasa de restricción (Alu I) que contienen, son mucho más cortos que LINE-1, con sólo unos 280 pares de bases. Esto significa que no tienen mucha capacidad de codificación propia más allá de algunas señales de inicio de la transcripción y, por tanto, no son autónomos. De hecho, los elementos Alu requieren tanto factores celulares como el segundo producto proteico de LINE-1 para su replicación, siendo en cierto modo parásitos tanto de la célula huésped como de los elementos LINE-1. Este enfoque de parásito de un parásito es aparentemente una estrategia de genes egoístas aún más eficaz, ya que los elementos Alu constituyen alrededor del 11 por ciento del genoma humano (alrededor de 2 millones de copias por célula).
Impactos biológicos
No es sorprendente que haya algunos impactos muy reales por tener tantos gorrones genéticos en nuestro genoma, y además inestables. En particular, a través de las señales transcripcionales y otras señales genéticas que transportan, un elemento Alu puede influir en muchos aspectos de la expresión génica del huésped proximal, incluyendo los niveles de expresión génica basal, el empalme de intrones y la poliadenilación, y la edición del ARN. La presión evolutiva sobre la célula en su conjunto llevaría generalmente a la adaptación del genoma del huésped para acomodar, compensar, o quizás en algunos casos incluso obtener un beneficio del impacto de un elemento Alu particular en el contexto. Sin embargo, tales adaptaciones del huésped llevan tiempo, y pueden surgir patologías clínicas cuando se produce un nuevo evento de transposición de Alu que conduce a un cambio genético abrupto en lo que es esencialmente un loci aleatorio: la inserción de una nueva copia de Alu.
Algunas cosas que hay que saber sobre esto es que como es un proceso de replicación iniciado por la transcripción (ARN), la replicación es propensa a errores. A diferencia de las ADN polimerasas, muchas de las cuales contienen lo que se llama una función de corrección de pruebas por la que cada nucleótido añadido a la copia de la plantilla naciente se somete a una segunda mirada para confirmar una verdadera coincidencia complementaria en contraposición a una basada en un cambio tautomérico transitorio, las ARN polimerasas están biológicamente optimizadas para la velocidad y la procesabilidad. Una vez que se añade un nucleótido a una transcripción en crecimiento, la polimerasa se precipita hacia la siguiente base. Dado que una proporción de todas las bases que componen el ADN y el ARN pueden existir, y de hecho existen, en formas tautoméricas en las que hay breves reordenamientos de hidrógenos y dobles enlaces en comparación con las formas que vemos en los libros de texto, los transcritos de ARN tienden a tener tasas bajas pero significativas de copias erróneas de su plantilla de ADN.
Percibo que algunos lectores entran en pánico de repente, ¿por qué si esto es así, no somos todos un desastre debido a los errores en los transcritos regulares de ARNm? Es porque hacemos múltiples copias de transcritos de genes activos, y en promedio están bien. Tanto si están bien como si no, tienen una vida corta antes de la degradación y la sustitución por nuevos transcritos según sea necesario. Por lo tanto, no es probable que los raros errores esporádicos en los ARNm tengan importancia.
Sin embargo, si usted ahora toma esta copia de ARN no-perfecta de un ADN, entonces lo transcribe inversamente de nuevo en ADN para la propagación a largo plazo, usted ahora ha fijado ese cambio genético para el largo plazo. Una consecuencia de esto es que sólo una pequeña proporción de los elementos Alu en nuestros genes son realmente competentes para replicarse e insertar nuevas copias de sí mismos. En total, se estima que sólo hay una nueva inserción Alu. Eso es algo muy bueno, porque estos eventos de inserción son potencialmente problemáticos.
Recordemos que alrededor del uno por ciento o un poco más del genoma humano codifica proteínas del huésped (aproximadamente 21.000 genes). Si hacemos cortes y metemos ADN no relacionado en el genoma, es lógico que alrededor del uno por ciento de ellos esté en los genes y el resultado sea una inactivación por inserción del gen. Dado que el elemento Alu transporta señales transcripcionales y potencialmente otros elementos reguladores, también es muy posible que ejerza influencias no deseadas en la expresión génica de las cosas a las que simplemente se acerca. En cualquier caso el resultado es la desregulación de un gen o genes, casi seguramente con resultados deletéreos.
Aparte, exactamente este proceso se utiliza en algunos organismos modelo para identificar los genes relacionados con un rasgo fenotípico. Simplificando, se puede animar a los transposones endógenos al organismo a que se activen, y los organismos de la progenie con cambios en el fenotipo de interés se examinan en busca de cualquier sitio nuevo de inserción de transposones bajo la suposición de que pueden estar en o cerca de genes relacionados con el fenotipo. Es lo que se llama etiquetado de transposones.
Además de los nuevos eventos de retrotransposición que causan la inactivación insercional, el elevado número total de elementos Alu en sí mismo puede conducir a otros problemas genéticos. Específicamente, estas islas locales de similitud de secuencia pueden ser puntos para eventos de recombinación homóloga desigual, donde el contexto cromosómico alrededor de cada elemento Alu no es el mismo. Estos pueden ocurrir tanto extracromosómicamente (conduciendo al intercambio de segmentos cromosómicos no homólogos) como intracromosómicamente (donde tienden a conducir a la deleción o duplicación de regiones, dependiendo de si los dos elementos Alu están en orientaciones de igual o inversa polaridad).
Ejemplos de la vida real
Así que ahora que hemos cubierto la teoría de que realmente hay elementos genéticos móviles en los seres humanos, que a veces se activan e insertan nuevas copias de sí mismos, y que pueden tener malas consecuencias para la célula, ¿qué hay de los ejemplos de la vida real? ¿Aparecen personas en entornos clínicos con problemas atribuibles a nuevas inserciones de Alu? Por supuesto; ya en 19991 se estimó que las nuevas inserciones de Alu eran detectables en aproximadamente uno de cada 200 nacidos vivos, y eran responsables del 0,1% de los trastornos genéticos conocidos. Los informes particulares de la literatura incluyen ocurrencias espontáneas de hemofilia;2-4 síndrome de Apert;5 neurofibromatosis tipo 1;6 y atrofia óptica.7 Los lectores que busquen una lista más larga se dirigen a una revisión de 2012 y sus referencias, que se enumeran como referencia ocho a continuación.
Las presentaciones clínicas relacionadas con eventos recombinacionales influenciados por Alu son probablemente más difíciles de identificar con certeza que las de los eventos de inserción, pero se han reportado casos (véase la referencia nueve para un ejemplo) y son probablemente más frecuentes de lo que sabemos.
Desde el punto de vista del tratamiento, cada mutación inducida por Alu -insercional o recombinativa- es única y el tratamiento (si lo hubiera) probablemente tendría que estar relacionado con la intervención bioquímica directa en la(s) vía(s) impactada(s) cuando sea posible, o quizás con herramientas de ingeniería genética como se prevé en otros trastornos genéticos innatos. Por lo tanto, siguen siendo para el clínico más bien una curiosidad que un tipo de afección con un tratamiento o prevención común, pero probablemente uno de frecuencia no insignificante en la raíz de la presentación genética novedosa.
- Las repeticiones de Alu y las enfermedades humanas. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- Una inserción Alu como causa de una forma grave de hemofilia A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Hemofilia B debida a una inserción de novo de un miembro de la subfamilia Alu específico de los humanos dentro de la región de codificación del gen del factor IX. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- La omisión de un exón causada por una inserción intrónica de un elemento Alu Yb9 joven da lugar a una hemofilia A grave. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- Las inserciones de elementos Alu de novo en FGFR2 identifican una base patológica distinta para el síndrome de Apert. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- Una inserción Alu de novo da lugar a la neurofibromatosis tipo 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Inserción de un elemento Alu en una secuencia del intrón de OPA1 asociada a la atrofia óptica autosómica dominante. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Elementos móviles de Alu: De ADN basura a gemas genómicas. Dridi S. Scientifica 2012. Artículo ID 545328, 11 páginas.
- Mutación en el receptor de LDL: La recombinación Alu-Alu elimina los exones que codifican los dominios transmembrana y citoplásmico. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.