Los biólogos de la Universidad de Washington en St. Louis han descubierto el origen de una curiosa duplicación que ofrece a las plantas múltiples formas de anular las instrucciones que están codificadas en su ADN.
por la Universidad de Washington en St. Louis
Esta investigación podría ayudar a los científicos a explotar los sistemas existentes de una planta para favorecer rasgos que la hagan más resistente a los cambios ambientales, como el calor o el estrés por sequía.
El estudio dirigido por Xuehua Zhong, profesor de biología en Artes y Ciencias, fue publicado el 6 de noviembre en Science Advances .
La nueva investigación de Zhong se centra en la metilación del ADN, un proceso biológico normal en las células vivas en el que se añaden al ADN pequeños grupos químicos llamados grupos metilo . Esta actividad controla qué genes se activan y desactivan, lo que a su vez afecta a diferentes rasgos, incluida la forma en que los organismos responden a sus entornos.
Parte de este trabajo implica silenciar o desactivar ciertos fragmentos de ADN que se mueven dentro del genoma de un organismo. Estos llamados genes saltarines, o transposones, pueden causar daños si no se controlan. Todo el proceso está regulado por enzimas, pero los mamíferos y las plantas han desarrollado enzimas diferentes para agregar grupos metilo.
«Los mamíferos sólo tienen dos enzimas principales que añaden grupos metilo en un contexto de ADN, pero las plantas en realidad tienen múltiples enzimas que hacen eso en tres contextos de ADN», dijo Zhong, quien es el Profesor Distinguido del Decano y director del programa de biociencias vegetales y microbianas en WashU. «Éste es el foco de nuestro estudio. La pregunta es: ¿por qué las plantas necesitan enzimas de metilación adicionales?»
De cara al futuro, la investigación de Zhong podría allanar el camino para innovaciones en la agricultura al mejorar la resiliencia de los cultivos. «Ciertos genes o combinaciones de genes contribuyen a ciertas características o rasgos», explicó Zhong. «Si descubrimos con precisión cómo se regulan, entonces podremos encontrar una manera de innovar nuestra tecnología para la mejora de los cultivos».
Evolución de diferentes funciones
El nuevo estudio se centra en dos enzimas que se encuentran específicamente en las plantas: CMT3 y CMT2. Ambas enzimas son responsables de agregar grupos metilo al ADN, pero CMT3 se especializa en las partes del ADN llamadas secuencias CHG, mientras que CMT2 se especializa en partes diferentes llamadas secuencias CHH.
A pesar de sus diferencias funcionales, ambas enzimas son parte de la misma familia de cromometilasas (CMT), que evolucionó a través de eventos de duplicación que proporcionan a las plantas copias adicionales de información genética.
Utilizando una planta modelo común llamada Arabidopsis thaliana, o berro de thale, Zhong y su equipo investigaron cómo estas enzimas duplicadas desarrollaron diferentes funciones a lo largo del tiempo. Descubrieron que en algún momento de la línea de tiempo evolutiva, CMT2 perdió su capacidad de metilar secuencias de CHG. Esto se debe a que le falta un aminoácido importante llamado arginina.
«La arginina es especial porque tiene carga», dijo Jia Gwee, estudiante de posgrado en biología y coautor principal del estudio. «En una célula, tiene carga positiva y, por lo tanto, puede formar enlaces de hidrógeno u otras interacciones químicas con, por ejemplo, el ADN con carga negativa».
Sin embargo, la CMT2 tiene un aminoácido diferente: la valina. «La valina no tiene carga, por lo que no puede reconocer el contexto de CHG como la CMT3. Creemos que eso es lo que contribuye a las diferencias entre las dos enzimas», dijo Gwee.
Para confirmar este cambio evolutivo, el laboratorio de Zhong utilizó una mutación para convertir la arginina en CMT2. Como esperaban, CMT2 pudo realizar tanto la metilación de CHG como de CHH. Esto sugiere que CMT2 era originalmente un duplicado de CMT3, un sistema de respaldo para ayudar a aligerar la carga a medida que el ADN se volvía más complejo.
«Pero en lugar de simplemente copiar la función original, desarrolló algo nuevo», explicó Zhong.
Esta investigación también proporcionó información sobre la estructura única de CMT2. La enzima tiene un extremo N-terminal largo y flexible que controla su propia estabilidad proteica. «Esta es una de las formas en que las plantas evolucionaron para lograr la estabilidad del genoma y luchar contra el estrés ambiental», dijo Zhong. Esta característica puede explicar por qué CMT2 evolucionó en plantas que crecen en una variedad tan amplia de condiciones en todo el mundo.
Gran parte de los datos para este estudio provienen del Proyecto 1001 Genomas , que tiene como objetivo descubrir la variación de la secuencia del genoma completo en cepas de A. thaliana de todo el mundo.
«Estamos yendo más allá de las condiciones de laboratorio», dijo Zhong. «Estamos analizando todas las accesiones silvestres de plantas utilizando este conjunto de datos más amplio».
Ella cree que parte de la razón por la que A. thaliana ha evolucionado para prosperar a pesar del estrés ambiental se debe a la diversificación que ocurre durante el proceso de metilación, incluidos los transposones que saltan. «Un salto podría ayudar a las especies a lidiar con condiciones ambientales adversas».
Más información: Jianjun Jiang et al, La especificidad del sustrato y la estabilidad de las proteínas impulsan la divergencia de las metiltransferasas de ADN específicas de las plantas, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adr2222 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2222
