Los científicos de Caltech pueden haber dado la última palabra al mito del “ADN basura”. Si tan solo Dan Graur hubiera sabido esto hace años, podría haber ahorrado mucha retórica desperdiciada. ENCODE, recuerdan los lectores, encontró que el 80 por ciento del genoma se transcribe, incluso si solo una pequeña parte codifica proteínas. Las funciones de esas regiones no codificantes solo se insinuaron. Ahora, las ventanas se abren a la organización de manera tan amplia para todas esas transcripciones de ARN no codificantes, que es realmente alucinante lo que sucede en el núcleo de una célula.

Usando una nueva herramienta de encuesta que llaman RD-SPRITE, los investigadores de Caltech, en cooperación con otros en la USC y UCLA, mapearon la organización espacial de todo el ADN y ARN en el núcleo. Admiten que fue un desafío explorar las funciones espaciales de las transcripciones de ARN que no producen proteínas, porque el núcleo es un lugar dinámico repleto de ADN, proteínas y numerosos ARN de función desconocida. Permítales explicar en su artículo en Cell1 lo que encontraron en los mapas resultantes:

Estos mapas revelan estructuras de ARN-cromatina de orden superior asociadas con tres clases principales de función nuclear: procesamiento de ARN, ensamblaje de heterocromatina y regulación de genes. Estos datos demuestran que cientos de ncRNA forman territorios de alta concentración en todo el núcleo, que se requieren RNA específicos para reclutar varios reguladores en estos territorios y que estos RNA pueden dar forma a contactos de ADN de largo alcance, ensamblaje de heterocromatina y expresión génica. Estos resultados demuestran un mecanismo en el que los ARN forman territorios de alta concentración, se unen a reguladores difusibles y los guían hacia compartimentos para regular funciones nucleares esenciales. [Énfasis añadido.]

Empieza a surgir una nueva imagen de la organización jerárquica en el núcleo. Ya no parece espagueti en una pelota de baloncesto. Por el contrario, existen territorios y compartimentos en todo el interior. El trabajo de Caltech se suma al conocimiento anterior de los compartimentos nucleares:

  • Nucleolo: contiene ARN ribosómico transcrito y moléculas de procesamiento asociadas.
  • Motas: contienen pre-ARNm y componentes de empalme
  • Condensados transcripcionales: contienen máquinas y factores de ARN polimerasa II

Ahora, se está encontrando una organización jerárquica adicional en el núcleo. En los territorios recientemente identificados se encuentran ncRNA (ARN no codificantes, no destinados a proteínas), miles de ellos, que están realizando importantes trabajos: guiar a los reguladores hacia los territorios adecuados donde deben tener lugar las “funciones nucleares esenciales”.

Planta baja

La importancia funcional no requiere que estos ncRNA salgan del núcleo para traducirse en proteínas. La arquitectura es una función, ¿no es así? Los diseñadores de edificios consideran cuidadosamente el plano de una oficina grande, de modo que las personas puedan tener cubículos para una concentración efectiva, así como salas de conferencias pequeñas, salas de conferencias grandes y laboratorios para el trabajo en equipo. Qué imagen está surgiendo de un genoma en pleno funcionamiento. Es como una empresa de alta tecnología organizada para un flujo de trabajo óptimo.

Este es el primer mapa global de organización nuclear que incluye ADN, ARN y proteínas. Los científicos de Caltech han estado investigando cómo estas moléculas fácilmente difusibles se organizan espacialmente. Anteriormente, su método SPRITE, informado por primera vez en 2018, les permitió examinar contactos por pares a pequeña escala. Ahora, la capacidad de mapeo de gran angular de su RD-SPRITE recientemente mejorada enfoca la organización en general.

Recientemente, desarrollamos SPRITE, que utiliza códigos de barras divididos y agrupados para generar mapas 3D integrales y multidireccionales del núcleo en una amplia gama de distancias (Quinodoz et al., 2018). Demostramos que SPRITE mapea con precisión la organización espacial del ADN dispuesto alrededor de dos cuerpos nucleares: nucléolos y motas nucleares. Sin embargo, nuestra versión original no pudo detectar la mayoría de los ARN, incluidos los ARNc de baja abundancia que se sabe que se organizan dentro de varias estructuras nucleares bien definidas. Aquí, presentamos un método dramáticamente mejorado, ARN y ADN SPRITE (RD-SPRITE), que permite el mapeo simultáneo y de alta resolución de miles de ARN, incluidos ARN de baja abundancia, como pre-ARNm y ncRNA nacientes individuales, en relación con todos otras moléculas de ARN y ADN en el espacio 3D. Con este enfoque, identificamos varios centros de ARN-cromatina de orden superior y cientos de ncRNA que forman territorios de alta concentración en todo el núcleo.

¿Qué pasa en estos territorios? El artículo se centra en algunos ejemplos específicos, mostrando que algunos de ellos combinan los elementos reguladores que facilitan y potencian la expresión de genes y sus transcripciones de ARNm. «Juntos, nuestros resultados destacan el papel del ARN [incluido el ARN no codificante] en la formación de compartimentos involucrados en funciones nucleares esenciales, incluido el procesamiento del ARN, el ensamblaje de heterocromatina y la regulación de genes».

Importancia del ARN no codificante

Lo que anteriormente se había denominado de manera poco halagadora «basura» resulta ser vital para el procesamiento eficiente de genes. Los ARN no codificantes son transcripciones de ADN no codificante («ADN basura»). Aquí hay ejemplos específicos de estos ncRNA en funcionamiento.

  • Los ncRNA forman «centros de procesamiento» alrededor de las regiones de ADN genómico que se están transcribiendo.
  • Los ncRNA y docenas de snoRNA (pequeños RNA nucleolares) se agrupan alrededor de genes que se transcriben para los RNA ribosómicos. Estos ncRNA «forman contactos multidireccionales entre sí», descubrieron.
  • Los ncRNA se agrupan en sitios de empalme donde hay una alta densidad de RNA polimerasa II (Pol II, la maquinaria de transcripción).
  • Los ncRNA están estrechamente asociados con la formación de pequeños RNA nucleares (snRNA). Estas transcripciones de snRNA están involucradas en «componentes funcionales del espliceosoma en miles de objetivos de pre-mRNA nacientes».
  • Los ncRNA se concentran alrededor de las transcripciones donde se forman los centrómeros. «Descubrimos que estos ncRNA se localizan principalmente sobre regiones proximales al centrómero … y se organizan en estructuras de orden superior que contienen estos ncRNA y múltiples regiones proximales al centrómero de diferentes cromosomas».

Al asociarse en estos centros de procesamiento, los ncRNA y sus ligandos reúnen componentes para la interacción incluso en largas distancias genómicas. “A pesar de estar separadas por grandes distancias genómicas, estas regiones de ADN forman contactos de largo alcance”, dice el documento.

Juntos, estos resultados indican que la organización espacial de orden superior de reguladores difusibles alrededor de sitios de ADN compartidos y sus correspondientes dianas de ARN naciente es una característica común de muchas formas de procesamiento de ARN.

En cada uno de estos ejemplos, observamos compartimentos espaciales que consisten en: (1) ARN nacientes localizados cerca de sus loci de ADN, (2) estos loci de ADN que forman contactos 3D de largo alcance y (3) ncRNA difusibles que se asocian con estos ARN nacientes y Loci de ADN dentro del compartimento.

En resumen, «Cientos de ARN no codificantes se localizan en proximidad espacial a sus loci transcripcionales». Esto también se aplica a los ARN largos no codificantes (lncRNA). «Estos resultados demuestran que muchos cientos de lncRNAs forman territorios espaciales de alta concentración en todo el núcleo».

Agentes de reclutamiento

Los ncRNA hacen más que solo formar compartimentos. ¡Reclutan proteínas para unirse al ejército! «Debido a que cientos de lncRNA se enriquecen en territorios a lo largo del núcleo, exploramos si los RNA podrían afectar la localización de proteínas dentro de estos territorios», dijeron en una corazonada. Efectivamente, la experimentación adicional descubrió que este es el caso.

Estos resultados demuestran que el patrón de localización de un lncRNA en el espacio 3D puede actuar para guiar el reclutamiento de proteínas reguladoras en territorios nucleares específicos y destaca un papel esencial para estos territorios nucleares enriquecidos con lncRNA en la regulación génica.

Los roles de estas transcripciones, que antes se pensaba que eran inútiles, se han elevado al estado de jugadores esenciales. ¡Qué cambio tan asombroso! La conclusión de este artículo de Caltech, que nunca menciona la evolución, parece cerrar el caso del ADN basura, al tiempo que agrega nuevos niveles de asombro al funcionamiento dentro del núcleo.

Nuestros resultados demuestran que los ncRNA pueden actuar como semillas para impulsar la localización espacial de ncRNA y moléculas de proteínas que de otro modo serían difusivas. Demostramos que las perturbaciones experimentales de varios ncRNAs interrumpen la localización de proteínas difusibles … en docenas de estructuras compartimentadas. En todos los casos, observamos un tema común en el que (1) ARN específicos se localizan en altas concentraciones en las proximidades de sus loci transcripcionales y (2) las moléculas de proteína y ARNnc difusibles que se unen a ellos se enriquecen dentro de estas estructuras. Juntas, estas observaciones sugieren un mecanismo común por el cual el ARN puede mediar en la compartimentación nuclear: los ARN nucleares pueden formar territorios espaciales de alta concentración cerca de sus loci transcripcionales (»semilla»), unirse a ncRNA reguladores difusibles y proteínas a través de interacciones de alta afinidad. (»unir»), y así actuar para cambiar dinámicamente la distribución de moléculas difusibles de modo que se enriquezcan dentro de estos territorios (»reclutar»; Figura 7). Al reclutar factores reguladores difusibles en múltiples sitios de ADN, estos ncRNA también pueden actuar para impulsar la coalescencia de distintas regiones de ADN en un territorio compartido en el núcleo. Esto puede explicar por qué varios ARN son críticos para organizar interacciones de ADN de largo alcance alrededor de cuerpos nucleares específicos.

Este es un documento para recordar. Muestra en retrospectiva la fecundidad de la perspectiva del DI sobre la evolutiva. El pensamiento evolutivo descartó estos ARN no codificantes como basura. El pensamiento del DI se habría acercado a lo desconocido con la premisa: «Si algo funciona, no está sucediendo por accidente».

Referencia

  1. Quinodoz et al., RNA promotes the formation of spatial compartments in the nucleus. Cell, 4 Nov 2021, https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.014.

Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News and Science Today