Què són els elements mòbils?

Els elements mòbils són fragments d’ADN que tenen l’habilitat de saltar d’una part a una altra del genoma. Mentre que la majoria de l’ADN sempre està en el mateix lloc, sempre envoltat dels mateixos trossos d’ADN veïns, els elements mòbils es mouen d’un lloc a un altre provocant molts canvis o mutacions. Podríem dir que són com els rebels del genoma.

Alguns d’aquests canvis fan que l’organisme tingui més possibilitats de sobreviure i/o reproduir-se i, per tant, més possibilitats de transmetre aquest canvi a la seva descendència.

Un element mòbil (TE) és un fragment d’ADN que pot canviar la seva posició dins del genoma, com si fos un saltamartí, ja sigui directament tallant-se i enganxant-se en un altre lloc (transposons) o indirectament per acció d’un ARN intermediari (retrotransposons).

Són presents en tots els organismes vius que han estat estudiats, a excepció d’alguns (com per exemple el bacteri Bacillus subtilis i dels protozous parasitaris Leishmania i Plasmodium falciparum).

Són més abundants en eucariotes* que en procariotes*.  Per exemple, en els humans més dels dos terços del seu genoma són elements mòbils, a Drosophila melanogaster, un 10-15% i al blat de moro, un 80-85%.

En els eucariotes, es pot donar un salt d’un cromosoma a un altre o un salt d’un lloc a un altre en un mateix cromosoma. En canvi, en els procariotes, salten entre ADN cromosòmic, entre ADN i plasmidi* o entre dos plasmidis.

Com els podem classificar?

Els elements mòbils es poden classificar en dos grans grups: els de classe I (retrotransposons) i els de classe II (transposons). Els transposons són aquells que es desplacen directament d’un lloc a un altre en el genoma utilitzant un enzim (transposasa) per tallar i enganxar-se en un altre lloc. Dos exemples d’aquest tipus són els activadors, que funcionen de manera independent, i els dissociadors, que depenen dels activadors. Ambdós van ser estudiats per Barbara McClintock* en soques de blat de moro.

Per altre banda estan els retrotransposons. Al igual que en el cas dels transposons, la cèl·lula hoste reconeix el retrotransposó com una seqüència d’ADN normal, i fa una còpia d’ARN. En el cas dels retrotransposons aquest ARN es converteix en ADN mitjançant un enzim anomenat retrotranscriptasa. Aquests es subclassifiquen en dos tipus: vírics i no vírics. Dos exemples dels retrotransposons vírics són els Ty transposons i els transposons copia. En canvi, entre els retrotransposons no vírics es troben exemples com els LINEs, que codifiquen transcriptasa inversa i són transcrits per ARN polimerasa II, els SINEs, que no codifiquen transcriptasa inversa i són transcrits per ARN polimerasa III, i els Alu Elements.

Com poden afectar al genoma?

Els elements transposables poden provocar diferents canvis o mutacions dins del genoma.

Per començar, quan un transposó es mou pel genoma es pot inserir en un gen vital, pertorbant la seva funció, o en un lloc a prop de gens vitals, causant una activació errònia o una inactivació.

Per altre banda, poden haver-hi reorganitzacions cromosòmiques degut a transposons de la mateixa família amb seqüències complementàries que es troben separades en el genoma i que per homologia de seqüències s’aparellen. Això pot donar lloc a la recombinació ectòpica*. Les reorganitzacions a gran escala induïdes per elements mòbils es consideren una classe particular d’esdeveniments de recombinació que influeixen en la plasticitat genòmica pot provocar des d’inversions o duplicacions fins delecions de fins a cent kilobases.

Una de les majors contribucions dels elements transposables a l’evolució del genoma de l’hoste és proporcionar una font de material genètic per crear nous gens i noves funcions. Els elements transposables tenen nombroses propietats que els predisposen per ser integrats pel genoma de l’hoste per guanyar avantatges funcionals.

Quins efectes poden provocar?

Aquestes modificacions en el genoma poden tenir efectes positius, negatius o neutres.

Existeixen un gran nombre de mutacions que poden ser perjudicials i poden causar malalties com per exemple l’hemofília A i B, la neurofibromatosi o la hipercolesterolèmia familiar, que estan causades per insercions de seqüències Alu o per la recombinació ectòpica de diferents còpies de SINEs.

Per altre banda, un exemple de mutació beneficiosa és la que es dóna als telòmers*, la qual consisteix en repeticions en tàndem de dos retrotransposons HeT-A i TART. La seva activitat transposicional compensa l’absència de l’enzim telomerasa. Aquesta es pot observar en Drosophila melanogaster.

Un exemple de mutació neutra es pot veure en les petúnies, on la línia genètica W138 prové de la línia salvatge R27. La seva principal diferència és que una mutació en el locus AN1, encarregat de la producció dels pigments de la flor, produeix una coloració irregular en aquesta.

Com pot ser que tenint tants elements mòbils que poden causar tantes mutacions, seguim vius?

Existeixen diferents mecanismes que regulen i controlen els elements mòbils. Aquests mecanismes són comuns en alguns organismes i específics en altres. Tot i això, sempre són presents.

Existeixen mecanismes de control generals dels genomes eucariotes, els quals consisteixen en el silenciament gènic i actuen a diferents nivells. En primer lloc, el silenciament transcripcional actua sobre les regions promotores dels gens, bloquejant la transcripció. El silenciament a nivell post-transcripcional actua a nivell de ARN, degradant-lo o bloquejant la seva traducció.

Un exemple de silenciament gènic que trobem a la Drosophila melanogaster, entre d’altres, són els Piwi ARN (piRNAs). Els piRNAs són generats a partir de regions del genoma on hi ha diferents elements mòbils inserits. Quan es transcriu aquesta regió es forma un transcrit que conté diferents còpies dels elements mòbils. Aquest ARN es tallat en trossos petits, de 24-31 nucleòtids,  anomenats piRNAs. Aquests piRNAs, s’uneixen a una proteïna del grup Piwi, que condueix al piRNA fins a la seqüència complementària d’ARNm de l’element mòbil de la mateixa família. Un enzim associat als Piwi, degrada els ARNm de TE i allibera una cadena de piRNA, que es pot associar amb altres proteïnes Piwi. La unió d’aquest complex al transcrit inicial que conté diferents còpies dels elements mòbils regenera un piRNA complementari a l’anterior que pot ser dirigit a l’ARNm del TE. Aquest cicle és conegut com a cicle ping-pong.

Imatge extreta de: Dynamic interactions between transposable elements and their hosts-Henry L. Levin and John V. Moran (2011)

Per altra banda també existeixen uns altres mecanismes presents en humans com poden ser els siRNA (small interferencing RNA) o ARN d’interferència (ARNi), que de la mateixa manera que els piRNAs funcionen per homologia de seqüències. Primer de tot, es forma el transcrit com en el cas dels piRNAs. Aquest transcrit té la peculiaritat que està format per una seqüència amb terminacions llargues invertides, les quals són complementàries entre elles i, per tant, s’aparellen formant una estructura d’ARN amb forma de forqueta, amb doble cadena. La cèl·lula no reconeix el ARN doble com a propi, per la qual cosa mitjançant una proteïna (Dicer), elimina el bucle. Un cop fet això, una de les dues cadenes es degradada i l’altra cadena s’uneix a una altra proteïna (Argonauta). En aquest punt, es forma el complex anomenat RISC. La cadena s’aparella per homologia de seqüències a un ARNm, per a que, posteriorment, sigui degradada per un enzim..

L’ARN d’interferència pot ser iniciada mitjançant l’exposició de les cèl·lules a ARNds ja sigui a través de la transfecció* o expressió endògena, és a dir, dins del gen. En sistemes de mamífers, l’efecte de ARNi específica de seqüència s’ha observat per l’expressió de transcripcions de 21-23 bases capaç de formar dúplex, o a través de l’expressió d’ARN de forqueta curta.

Un altre mecanisme és la metilació de l’ADN, que és l’addició d’un grup metil als nucleòtids de citosina. Hi ha dues hipòtesis sobre com la metilació pot afectar a la transcripció dels gens. En primer lloc, la metilació de l’ADN en sí pot impedir físicament la unió de les proteïnes necessàries per la transcripció del gen, interposant-se entre ambdós.

Per tal de realitzar la transcripció, la cromatina ha d’estar descompactada perquè es pugui llegir la informació gènica. La segona hipòtesi diu que s’afegeixen proteïnes al ADN metilat, compactant la cromatina i donant lloc a heterocromatina. Aquesta unió dóna lloc a un canvi d’estructura que provoca que no és pugui transcriure el gen.

En conclusió, el control de la transposició és fonamental per la supervivència dels diferents organismes. Tot i això, aquest control no implica la inactivació definitiva dels efectes de certs elements mòbils.

Definicions

*Eucariota: Organismes que presenten nucli.

*Plasmidi: Molècula d’ADN circular pròpia dels procariotes.

*Procariota: Organismes formats per una cèl·lula, que no presenta membrana envoltant el material genètic (sense nucli).

*Recombinació ectòpica: Recombinació entre seqüències de cromàtides (braç del cromosoma) no germanes.

*Recombinació homòloga: Recombinació genètica en la qual s’aparellen nucleòtids de seqüències semblants en cromàtides germanes.

*Telòmer: extrem del cromosoma.

*Transfecció: introducció de material genètic extern en cèl·lules mitjançant plasmidis o vectors vírics.

*Barbara McClintock (1902 – 1992) va ser una científica americana especialitzada en citogenètica que va ser premiada en solitari, amb el premi Nobel de Medicina o Fisiologia en 1983 pels seus estudis i descobriments sobre el blat de moro en els anys quaranta i cinquanta. McClintonck va descobrir el procés de transposició  d’elements del genoma i ho va emprar per explicar com els gens determinen certes característiques físiques. Va desenvolupar hipòtesis sobre la regulació de l’expressió gènica i la transmissió dels caràcters de plantes “mare” a plantes “filles” de blat de moro. A més a més, pel seu gran nivell de treball científic va ser guardonada en diverses ocasions, per la qual cosa va entrar a formar part de l’Acadèmia Nacional de Ciències dels Estats Units.

Redacció: Henry Estrella i Mar Gutiérrez, estudiants del Programa “Joves i Ciència” que van realitzar la seva estada al González Lab  https://www.biologiaevolutiva.org/gonzalez_lab/