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Cuaderno Nº 129  

Los elementos “transponibles”: pasado, presente y futuro
 

Hacia mitad del siglo XX, un descubrimiento fuertemente resistido por la comunidad científica del momento, revolucionó la visión que se tenía del genoma como un ente estático. Por aquel entonces, la investigadora Barbara McClintock, trabajando con plantas de maíz, descubrió que existían porciones de ADN que podían movilizarse dentro de un mismo cromosoma, o incluso entre distintos cromosomas. Estos elementos genéticos recibieron muchos nombres, entre ellos “elementos controladores”, “genes saltarines” y “transposones”. Desde su descubrimiento, se describió su presencia en muchos organismos, incluyendo las bacterias Escherichia coli, el maíz, las levaduras y las moscas Drosophila. Como consecuencia de la secuenciación de los genomas, hoy se sabe que los elementos transponibles existen en prácticamente todos los organismos estudiados, incluyendo a los seres humanos. Y también se han estudiado mecanismos moleculares presentes en plantas y animales que regulan su actividad.

La historia de un descubrimiento clave
Barbara McClintock comenzó su carrera científica en la Universidad de Cornell, convirtiéndose en una pionera en el campo de la citogenética (la genética de las células), disciplina que nacía alrededor de los años 1930s. Gracias a las innovadoras técnicas en citogenética que ella misma desarrolló, logró en el año 1931 obtener las primeras evidencias experimentales de una idea sugerida por Thomas H. Morgan 20 años antes: que los genes estaban físicamente posicionados en los cromosomas. Así fue posible describir los fenómenos de crossing-over o recombinación genética (ver Cuaderno n°41).

El modelo experimental (ver Cuaderno nº50) elegido por B. McClintock fue la planta de maíz. Esta planta presenta características particularmente deseables para los estudios genéticos. Entre ellos, dado que cada grano de maíz en una mazorca contiene un embrión, producto de una fertilización individual, cientos de descendientes pueden ser analizados en una sola mazorca. Durante los años 1940s, la investigadora estudiaba mazorcas de maíz coloreado, analizando la ruptura de sus 10 cromosomas (denominados con números del 1 al 10). Durante la vida de un organismo, la ruptura cromosómica ocurre con muy baja frecuencia y en ubicaciones al azar. Sin embargo, McClintock observó que, en una variedad determinada de maíz, el cromosoma 9 se rompía frecuentemente y en un sitio particular. Además, descubrió que esta ruptura característica era debida a la presencia de dos factores genéticos: uno, denominado Ds (por Disociación) se ubicaba en el lugar de la ruptura; el otro, llamado Ac (por activador), era necesario para activar la ruptura del cromosoma 9 en el locus Ds (Cuaderno n°69).

Cuando McClintock trataba de determinar en qué cromosoma y en qué región específica dentro del mismo se hallaba Ac, observaba que la localización cambiaba entre plantas que deberían ser idénticas entre sí (ver Técnicas de “mapeo” de genes en el Cuaderno n°20). Además, encontraba en una misma mazorca de maíz que presentaba rupturas frecuentes en el cromosoma 9, granos con patrones de pigmentación muy distintos y originales, como por ejemplo granos moteados (figuras 1 y 2). Estos hallazgos le hicieron pensar que Ac y Ds eran elementos genéticos móviles, y que los patrones de granos moteados eran el resultado de la inestabilidad causada por el movimiento o transposición de Ds fuera del gen donde estaba inserto, en este caso un gen relacionado a la síntesis de pigmentos (figuras 1 y 2).

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Figura 1. Los elementos transponibles de maíz que estudiaba B. McClintock. En el esquema, se resume el modo de acción de los elementos transponibles Ac y Ds, y su efecto en el patrón de pigmentación del grano de maíz. P es el gen responsable de la síntesis del pigmento púrpura en este ejemplo. Cuando P está intacto, los granos tienen color púrpura. Cuando P está interrumpido por Ds, los granos pierden la pigmentación. Cuando el elemento Ac está presente, provoca el “salto” o movilización del elemento Ds en algunas células, pero no en otras; al dejar de interrumpir al gen P, esas células (y las células que se originen a partir de ellas) pueden ahora producir el pigmento púrpura, y el grano de maíz obtiene un aspecto moteado. A la izquierda, una fotografía de Bárbara McClintick (tomada de www.nobelprize.org). Adaptado de Griffith y col., (2008)
A partir de estos experimentos se descubrieron muchos sistemas de elementos transponibles compuestos por elementos del tipo Ds y Ac, no solo en maíz sino también en otros organismos (figura 2). Al comportarse de manera similar, se establecieron dos categorías para clasificar estos elementos móviles en distintos sistemas: a los elementos similares a Ac se los denominó “elementos autónomos” porque no requieren de otros elementos para movilizarse. En cambio, a los elementos similares a Ds se los denominó “elementos no autónomos”. Los elementos autónomos poseen la información requerida para su propia movilización, y para la movilización de los elementos no autónomos relacionados. Estos últimos no pueden movilizarse por sí solos.

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Figura 2. La activación de los elementos transponibles puede generar fenotipos de mosaico. Las manchas en los granos de maíz (a), o en los pétalos de la flor de Antirrhinum (“boca de dragón”) (b), son producto de la actividad de elementos transponibles que afectan a genes responsables de la síntesis de pigmentos en ambos casos. Mientras más temprano el elemento transponible se escinde del gen afectado, más grandes es el parche de tejido con actividad de síntesis de pigmentos restaurada. a) Adaptado de Feschotte y col., 2002; b) imagen tomada de Becker y col., 2005.

Los elementos transponibles pueden inactivar al gen en el cual residen, causar rupturas en los cromosomas, y/o transponerse a una nueva localización dentro del genoma.

Fue recién en los años 1960s cuando se descubrieron los primeros elementos transponibles en bacterias, estudiándolos a nivel molecular. Más tarde, se lograron identificar en los genomas de otros organismos, como Drosophila y las levaduras. Fue entonces cuando se reconoció la importancia que los elementos transponibles tienen como componente importante en los genomas de muchos, sino todos, los organismos. Barbara McClintock recibió el Premio Nobel en Medicina o Fisiología (año 1983).

¿Cómo son los elementos transponibles en procariotas?
Las bases moleculares del funcionamiento de los elementos transponibles fueron comprendidas por primera vez estudiando estos elementos en bacterias. Estos microorganismos poseen unas secuencias de ADN denominadas “elementos de inserción (IS)”, que pueden movilizarse en el cromosoma bacteriano. Al hacerlo, es posible que interrumpan un gen, inactivando su expresión. Más aún, dado que a veces estos elementos IS poseen secuencias de terminación de la transcripción y/o traducción, pueden afectar la expresión de varios genes si se introducen en un operón (consultar Glosario, http://argenbio.org/index.php?action=glosario&car=o). Todos los elementos IS comienzan y terminan con unas secuencias de ADN cortas, en orientación invertidas (secuencias IR), que son necesarias para su movilización.

Los microorganismos procariotas también poseen otro tipo de elemento genético móvil, denominado “Transposón (Tn)”. A diferencia de los elementos IS, que son pequeños y contienen sólo los elementos necesarios para movilizarse, los transposones además contienen algunos genes. En efecto, los Tn fueron descriptos como elementos móviles que confieren resistencia a drogas, ya que muchos de ellos contienen genes de resistencia a antibióticos. Los transposones bacterianos se pueden clasificar en dos categorías: transposones compuestos y transposones simples. En ambos casos, los Tn están compuestos por elementos IS a ambos lados del gen de resistencia. La diferencia radica en dónde se localiza el gen de la enzima responsable de movilizar a estos elementos móviles, conocida como transposasa. En los transposones compuestos, la transposasa se encuentra codificada en los elementos IS, mientras que en los transposones simples, el gen de la transposasa se encuentra junto con los demás genes presentes en el transposón.

Resumiendo, los elementos IS son secuencias móviles pequeñas que solamente codifican las proteínas necesarias para su movilidad. En cambio, los transposones (ya sean simples o compuestos), contienen genes adicionales que le confieren nuevas funciones a las células bacterianas.

Un transposón puede “saltar” desde un plásmido al cromosoma bacteriano, y desde un plásmido a otro plásmido. Así se generan plásmidos de resistencia múltiple a varios antibióticos, que pueden transferirse de una bacteria a la otra, generando un problema sanitario serio al no encontrarse tratamientos efectivos para tratar las infecciones causadas por dichas bacterias.

Para moverse de un lado a otro, se necesita de la enzima transposasa. Esta enzima genera cortes en el ADN donde luego se integrará el elemento transponible. Luego de la integración, es necesario que la maquinaria celular que normalmente repara daños en el ADN, repare las zonas de unión entre el elemento transponible y el ADN donde se insertó, regenerando la doble hebra. Como consecuencia de este mecanismo, se duplica una parte de la secuencia de ADN, dejando una “huella” genética que permite luego identificar al elemento insertado.

La mayoría de los elementos transponibles de procariotas, y también de eucariotas, se movilizan usando un mecanismo replicativo o usando un mecanismo conservativo. Cuando el mecanismo es replicativo, se genera una nueva copia del elemento transponible, quedando entonces una copia en el lugar original, y una nueva copia en un sitio nuevo del genoma (similar a lo que ocurre con una palabra cuando en un procesador de textos se realizan las acciones “copiar y pegar”). En cambio, cuando el mecanismo es conservativo, el elemento transponible es removido de su ubicación original, y luego integrado en un sitio nuevo del genoma (de manera similar a “cortar y pegar” en un procesador de textos). 

¿Cómo son los elementos transponibles en eucariotas?
Los elementos transponibles identificados en los organismos eucariotas se pueden clasificar en dos grandes clases: elementos clase 1 y elementos clase 2. La diferencia entre ambas clases se basa en si la movilización del elemento transponible necesita de una molécula copia de ARN (clase 1), o si la movilización es directa (clase 2). La movilización de los elementos de clase 2 (denominados elementos de ADN) transcurre de manera similar a lo explicado previamente para elementos transponibles de procariotas. Sin embargo, en el caso de los elementos de clase 1 (también llamados elementos de ARN o retro-elementos), el elemento transponible original debe primero ser transcripto a una copia de ARN. Esta molécula de ARN sirve de molde para generar una molécula de ADN, tarea llevada a cabo por una enzima denominada transcriptasa reversa codificada en el propio elemento transponible (de allí el nombre de retro-elemento), que podrá insertarse en un sitio nuevo del genoma. La movilización de los elementos de clase 1 también se conoce como retro-transposición. Los retro-elementos o retro-transposones solo están presentes en células eucariotas.

Importancia de los elementos transponibles en los organismos
Los elementos transponibles son una gran proporción del material genético de todos los organismos. Por ejemplo, son aproximadamente:

. el 10% del genoma de varias especies de peces,
. el 12% del genoma del organismo modelo C. elegans,
. el 37% del genoma del ratón,
. el 45% del genoma humano, y
. más del 80% del genoma de algunas plantas como el maíz.

Desde las bacterias hasta los humanos, los elementos transponibles se han ido acumulando en sus genomas a lo largo de la evolución, dándoles forma como consecuencia de su movilización.
Estos elementos transponibles pueden, de distintas maneras, impactar tanto positiva como negativamente al genoma en el que se encuentran. Por ejemplo, la movilización de un elemento transponible puede promover la inactivación de un gen, modular la expresión de un gen, o inducir eventos de recombinación ilegítima entre genes. Por ende, los elementos transponibles han jugado un rol fundamental en la evolución de los genomas.
Dado el impacto que los elementos transponibles tienen en la integridad del genoma, los organismos han desarrollado mecanismos para minimizar los efectos negativos de su presencia. Entre ellos, se puede mencionar la tendencia de algunos elementos móviles a insertarse en regiones no esenciales del genoma, o la reconversión del elemento transponible para que cumpla una función útil para el huésped. Además, el organismo huésped desarrolló mecanismos para defenderse de las tasas altas de actividad de algunos elementos transponibles. Por ejemplo, reducir su expresión “apagando” la región del genoma en la cual se encuentran, por modificaciones químicas del ADN, utilizando la maquinaria del Silenciamiento génico (ver Cuaderno n°115).
Los elementos transponibles causan mutaciones en los organismos que los contienen, indicando que muchas veces los mecanismos que el huésped usa para controlarlos pueden ser contrarrestados. Pero si los organismos pudieran controlar efectivamente a los elementos móviles, se eliminaría una fuente de variabilidad genética importante para la evolución de las distintas especies. Es por ello que la evolución favoreció que se genere una situación de equilibrio en la que los elementos transponibles y los organismos que los portan pueden coexistir.

Los elementos transponibles como herramientas para la biotecnología
Los investigadores se inspiraron en el mecanismo de la transposición, y gracias al conocimiento que obtuvieron acerca de los distintos tipos de elementos transponibles y cómo funcionan, pudieron aprovecharlos para diseñar herramientas biotecnológicas.
Una aplicación es utilizar a los elementos transponibles para introducir al genoma un gen en particular, es decir, como herramienta para la transformación genética. El ADN de interés, puede colocarse entre dos secuencias IR en un plásmido (ver Glosario, http://argenbio.org/index.php?action=glosario&car=p), y el gen de la transposasa puede suplementarse en otro plásmido. Cuando la transposasa se exprese, reconocerá las secuencias IR y escindirá el fragmento de ADN contenido entre ellas, para luego insertarlo en el genoma, transformándolo. Esta estrategia puede aplicarse a la generación de organismos transgénicos, en un esquema de terapia génica, o para realizar genómica funcional (es decir, identificar genes y sus funciones). Los elementos transponibles han sido utilizados con éxito en plantas y animales invertebrados principalmente; más recientemente, esta metodología se ha perfeccionado para ser utilizada en animales vertebrados.
oacute;mica funcional. La inserción en el genoma del elemento transponible modificado es una manera de generar mutagénesis dado que, en general, la función del gen en el cual ocurre la inserción se ve alterada o inhibida. Además, como la secuencia de ADN incorporada en el elemento transponible es conocida, se puede rastrear por distintas técnicas moleculares dónde se insertó el elemento transponible. Un ejemplo que ilustra la importancia de esta aplicación es la generación de colecciones de plantas mutantes, en particular de la especie modelo Arabidopsis thaliana. La colección incluye miles de plantas en las cuáles el elemento transponible se insertó al azar interrumpiendo un gen; distinto en cada planta. Actualmente, cuando un investigador desea conocer la función de un gen particular, puede solicitar al banco correspondiente las semillas de plantas en las cuáles su gen de interés esté interrumpido. El elemento transponible modificado puede también contener secuencias regulatorias de la transcripción (promotores, enhancers, etc.) muy fuertes, que al integrarse al genoma permitan mayores niveles de expresión de genes cercanos. Este es otro ejemplo de mutagénesis utilizando elementos transponibles, pero a diferencia del ejemplo anterior en el cuál se observaba la pérdida de la función debida a la mutación, en este ejemplo la mutación resulta en ganancia de una función.
El criterio básico para evaluar la aplicabilidad de un transposón en un sistema dado dependerá de:

. que el elemento transponible sea movilizable eficientemente en el organismo de interés,
. que se conozca cómo y dónde es la inserción de los elementos transponibles. Si bien aún se requiere realizar más trabajos de investigación que permitan comprender con mayor detalle los mecanismos responsables de la transposición, la aplicabilidad de este sistema es indudable.

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Figura 3. Los elementos transponibles y sus aplicaciones. a) se muestra el esquema básico de un elemento transponible, con el gen de la transposasa y las regiones IR. b) Utilizando la estructura básica de un elemento transponible, el gen de la transposasa puede reemplazarse con un gen de interés (gdi), todos estos elementos incluidos en un plásmido; el gen de la transposasa se coloca en otro plásmido con un promotor apropiado. c) Con ambos plásmidos del punto b), se pueden transformar células de distinto tipo; una vez que la transposasa se expresa, puede escindir al gen de interés e integrarlo al genoma. d) Algunas aplicaciones biotecnológicas basadas en los elementos transponibles. Imágenes adaptadas de Ivics y Izsvák, 2010.

 
 

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