En abril de 1980, hace casi exactamente cuarenta años, la revista Nature publicó un par de artículos muy influyentes sobre el tema de lo que se conoce como ADN «basura» o «egoísta». Ambos reflejaron el concepto clave de El gen egoísta, el libro de 1976 muy influyente de Richard Dawkins, a saber, que los organismos son simplemente la forma en que el ADN produce más ADN. El primero fue escrito por W. Ford Doolittle y Carmen Sapienza y titulado «Los genes egoístas, el paradigma del fenotipo y la evolución del genoma».1 El segundo fue escrito por Leslie Orgel y Francis Crick y titulado «ADN egoísta: el parásito definitivo».2 Juntos propusieron una forma fácil de entender para concebir nucleótidos «en exceso» a lo largo de los cromosomas, secuencias repetitivas en general y elementos transponibles en particular. En resumen, se propuso que la mayoría de estos elementos de ADN no tenían ni tienen efectos (de desarrollo) o funciones (en general) en la configuración de los rasgos de un organismo (su «fenotipo»). Y debido a que no tienen «ninguna expresión fenotípica» (como lo expresaron Doolittle y Sapienza) o «poco o ningún efecto sobre el fenotipo» (como lo expresaron Orgel y Crick), el único papel que se les puede atribuir es el de la supervivencia replicativa.

Esclavo de la genética

Pero hay dos problemas con esta perspectiva, uno empírico y otro formal. Lo que es empírico implica la organización de cromosomas (eucariotas), mientras que lo que es formal implica cómo definir «efecto», «expresión» y «función» cuando se trata de secuencias de ADN repetitivas de cualquier tipo. Y para reducir nuestro enfoque en estos problemas, pensemos un poco en el cromosoma Y de Drosophila melanogaster, esa atractiva mosca que es el esclavo de la genética, ya que está repleta de una tipografía «basura» y «egoísta». Tenga en cuenta que solo tocaré brevemente el primer problema de esta pieza.

  Ahora, el cromosoma Y de esta especie tiene aproximadamente 40,000,000 de bases de longitud, y eso es significativo porque representa alrededor del 20 por ciento del contenido de ADN haploide masculino.3-4 Aunque es esencial para la fertilidad masculina, tiene pocas regiones de codificaciones de proteínas y estas están interrumpidas o rodeadas por vastas pistas de elementos transponibles (a menudo degenerados), corridas dispuestas en tándem de unidades «satélite» (como AACAC, AATAG, AATAT, etc.), un bloque de genes de ARN ribosómico, y varias otras familias de secuencias.5 Además, sus diversos componentes están densamente compactados en los núcleos de células somáticas, y esta «heterocromatina» supuestamente es «inerte» hasta que alrededor de la etapa se forman los espermatocitos primarios. Me apresuro a mencionar también que su composición de ADN varía de una cepa a otra de D. Melanogaster, a pesar de que sus secuencias codificadoras de proteínas son estables en todo momento.6 Lo que todo esto parece sugerir, entonces, es que la mayor parte de este cromosoma puede que no tienen «expresión fenotípica» o «poco o ningún efecto sobre el fenotipo» en los machos de esta especie.

El problema empírico

Recuerde, sin embargo, que dije que hay dos problemas con esta perspectiva, uno de los cuales es empírico. Con respecto a eso, notemos que a mediados de la década de 1950 estaba bien establecido que la introducción de un cromosoma Y en una hembra D. Melanogaster (por las hazañas de la genética de la mosca de la fruta) conduce a una amplia gama de efectos fenotípicos, al igual que el aumento de copias o dosis de un cromosoma Y en un macho del mismo.7 No solo eso, sino que con los más de sesenta años que han transcurrido, estamos mucho más cerca de comprender cómo tales efectos fenotípicos se deben al ADN «basura» o «egoísta» producen secuencias. Por un lado, ahora está claro que las diferentes variantes de la secuencia del cromosoma Y pueden alterar diferencialmente la expresión de cientos de genes en las células somáticas de las moscas macho.8-10 Por otro lado, los caracteres afectados son los de interés para la población genetista – incluyendo cosas como rasgos reproductivos masculinos. Por otra parte, muchos de los genes modulados por el cromosoma Y en esta especie de Drosophila se colocan en los llamados dominios de cromatina «reprimidos».11

Un «sumidero» que evalúa

Apropos es un trabajo en prensa de Emily Brown, Alison Nguyen y Doris Bachtrog que prueba una hipótesis para explicar tales efectos fenotípicos basados ​​en el cromosoma Y.12 Algunos han sugerido que largos tramos de elementos repetitivos en ese cromosoma (que de nuevo son millones de bases largas) puede servir como un «sumidero» que evalúa las proteínas heterocromáticas, agotando así a esta última en otros dominios de un núcleo.13 Congruentes con esta hipótesis, Brown y sus colegas demostraron que una consecuencia de la introducción de un cromosoma Y en una hembra, o al disminuir o aumentar las copias o la dosis de un cromosoma Y en una línea masculina, es una redistribución generalizada en los núcleos de marcadores de histona que son específicos para la heterocromatina, pero no para aquellos que son específicos para la euchromatina «activa». Esto significa que las secuencias Y hacen que su ausencia o presencia y (si está presente) cantidades «conocidas» en la morfogénesis. Además, es probable que el equilibrio de dominios de cromatina en moscas hembras versus machos sea modulado en masa por dichos parámetros.

Por lo tanto, podemos reformular lo que Doolittle y Sapienza u Orgel y Crick afirmaron en 1980 de esta manera: aparentemente, los nucleótidos «en exceso» tienen «expresiones fenotípicas», sean tan indirectas, es decir que tienen «efectos importantes en el fenotipo «. Por lo tanto, parece que hay un «por qué» para la mosca «Y», aunque no se ajusta a los axiomas con los que el «ADN basura» se defiende. Sin embargo, debemos tener en cuenta que esa posibilidad nunca se excluyó realmente, ya que Doolittle y Sapienza afirmaron: «No negamos que … los ADN de secuencia única y repetitiva que no codifican proteínas en eucariotas pueden tener funciones de beneficio fenotípico inmediato para el organismo».2

Referencias

  1. Doolittle W.F., Sapienza C. 1980. Selfish genes, the phenotype paradigm and genome evolution. Nature 284: 601-603.  
  2. Orgel L.E., Crick F.H. 1980. Selfish DNA: the ultimate parasite. Nature 284: 604-607.
  3. Chang C.-H., Larracuente A.M. 2019. Heterochromatin-enriched assemblies reveal the sequence and organization of the Drosophila melanogaster Y chromosome. Genetics 211: 333-348.
  4. Gatti M., Pimpinelli S. 1983. Cytological and genetic analysis of the Y-chromosome of Drosophila melanogaster. 1. Organization of the fertility factors. Chromosoma 88: 349-373.  
  5. Bonaccorsi S., Lohe A. 1991. Fine mapping of satellite DNA sequences along the Y chromosome of Drosophila melanogaster: relationships between satellite sequences and fertility factors. Genetics 129: 177-189.
  6. Larracuente A.M., Clark A.G. 2013. Surprising differences in the variability of Y chromosomes in African and cosmopolitan populations of Drosophila melanogaster. Genetics 193: 201-214.
  7. Cooper, K.W. 1956. Phenotypic effects of Y chromosomal hyperploidy in Drosophila melanogaster, and their relation to variegation. Genetics 41: 242-264.
  8. Lemos B., Araripe L.O., Hartl D.L. 2008. Polymorphic Y chromosomes harbor cryptic variation with manifold functional consequences. Science 319: 91-93.
  9. Lemos B., Branco A.T., Hartl D.L. 2010. Epigenetic effects of polymorphic Y chromosomes modulate chromatin components, immune response, and sexual conflict. Proceedings of the National Academy of Science (U.S.A.) 107: 15826-15831.
  10. Sackton T.B., Montenegro H., Hartl D.L., Lemos B. 2011. Interspecific Y chromosome introgressions disrupt testis-specific gene expression and male reproductive phenotypes in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Science (U.S.A.) 108: 17046-17051.
  11. Sackton T.B., Hartl D.L. 2013. Meta-analysis reveals that genes regulated by the Y chromosome in Drosophila melanogaster are preferentially localized to repressive chromatin. Genome Biology and Evolution 5: 255-266.
  12. Brown E.J., Nguyen A.H., Bachtrog D. 2020. The Drosophila Y chromosome affects heterochromatin integrity genome-wide. Molecular Biology and Evolution (in press).
  13. See references in Brown et al., 2020.

Foto: Drosophila melanogaster, an engaging fly, by Sanjay Acharya / CC BY-SA.

Artículo originalmente publicado en inglés por Richard Sternberg Ph.D.