Elements transposables: els gens saltadors del nostre genoma

De la mateixa manera que les llagostes van saltant i movent-se pel camp, existeixen un tipus de gens que salten pel nostre genoma i canvien de posició. El nostre genoma no és estàtic, així que segueix llegint per saber-ho tot sobre aquest tipus de gens.

EL SEU DESCOBRIMENT

Bàrbara McClintock va ser la descobridora dels elements transposables o també anomenats elements genètics mòbils per la seva capacitat de moure’s pel genoma. Els “gens saltadors”, tal i com els batejar aquesta genetista americana, van canviar el coneixement que es tenia sobre la genètica fins el moment, ja que el principio no es creia en la idea que una seqüència d’ADN pogués desplaçar-se per si sola.

McClintock tenia una relació especial amb el blat de moro, una planta domesticada per l’home des de fa 10.000 anys i que s’ha convertit en un dels tres cereals més cultivats al món. A més, és un dels aliments bàsics més importants ja que a partir d’ell es fa productes derivats, com farines i olis. El seu gran valor industrial ha fet que sigui estudiat en profunditat i s’hagi seqüenciat el seu genoma.

McClintock va començar a estudiar l’ADN del blat de moro i va observar una sèrie de seqüències genètiques que, sense saber com, canviaven de posició dins del genoma. D’alguna manera, aquestes seqüències encenien o apagaven l’expressió d’altres gens del blat de moro i això s’observava a simple vista (Figura 1); els grans de la panotxa podien ser de diferents colors, inclús dins del mateix gra hi havia zones de varis colors. Llavors, McClintock va buscar la resposta de com era possible si els gens responsables del color s’heretaven dels progenitors. El resultat va ser el descobriments dels elements transposables, que van fer que guanyés el premi Nobel de Medicina el 1983.

Figura 1. (A) El gen P dóna un gra de color lila. (B) Un element transposable s’insereix enmig del gen P i el gra no té pigmentació. (C) La panotxa amb alguns gran amb el gen P intacte i altres amb el gen P interromput per un element genètic mòbil (Font: Porque biotecnología, adaptació)

EFECTES DEL CANVI DE POSICIÓ

Quan els elements transposables salten i canvien de posició produeixen una pèrdua de bases a l’abandonar el seu lloc on reposaven. Aquesta pèrdua d’algunes “bases” no té molta importància. Però si l’element transposable s’insereix a l’interior d’un gen es produeix una addició d’una gran quantitat de bases que faran que el gen perdi la seva funció. Per aquesta raó, els elements genètics mòbils produeixen mutacions perquè al saltar i canviar de localització, alteren la seqüència de l’ADN i impedeixen que els gens puguin codificar proteïnes mitjançant el codi genètic. No obstant, quan tornen a saltar el gen recupera la seva funcionalitat i torna a expressar-se com si no hagués passat res.

Sovint aquests gens són considerats paràsits, ja que la cèl·lula no pot desfer-se d’ells. Tot i que també pot aportar-li beneficis, com transportar gens avantatjosos. L’exemple que ens resultarà més conegut no es troba en humans, sinó en els bacteris i la seva resistència als antibiòtics com la penicil·lina, descoberta per Alexander Fleming. La propagació de la resistència a antibiòtics es deu a gens que codifiquen enzims que els inactiven, i que es troben situats en els elements genètics mòbils. Habitualment es relaciona la transferència horitzontal de gens, en què es poden desplaçar d’una cèl·lula a una altra com si fossin abelles que van de flor en flor. Quan això succeeix, l’element transposable s’introdueix a una nova cèl·lula i s’insereix al genoma d’aquesta nova cèl·lula. És llavors quan es transmetrà als seus progenitors a través del procés normal de replicació de l’ADN i de divisió cel·lular.

TIPUS D’ELEMENTS TRANSPOSABLES

Es calcula que en el genoma humà hi ha un 44% d’elements transposables, que pot ascendir fins el 66% tenint en compte fragments repetits i seqüències curtes derivades d’ells. La conseqüència és que tenim més de 1000 gens regulats, directa o indirectament, per seqüències procedents d’elements transposables.

Fins el moment es coneixen dos tipus d’elements transposables: els elements transposables de classe I o retrotransposons i els elements transposables de classe II o transposons d’ADN. Es classifiquen segons si requereixen transcripció inversa per saltar i transposar-se o no.

La transcripció inversa és similar al procés de transcripció, però amb la diferència de que es produeix en sentit invers. És a dir, si en el procés clàssic de transcripció s’obté una cadena simple d’ARN a partir d’una doble cadena d’ADN, en la transcripció inversa d’una molècula d’ARN s’obté una molècula d’ADN. Això és comú en virus com el virus del VIH (sida) o el de l’hepatitis, però també en alguns elements transposables de classe I. Aquests són molt abundants i representen el 90% dels elements transposables del nostre genoma.

En canvi, els altres són els elements transposables de classe II o transposons d’ADN. Es tracta dels elements que va descobrir McClintock en el blat de moro, amb una representació del 10% en el nostre genoma i responsables de la disseminació de la resistència a antibiòtics en soques bacterianes.

Cal destacar que els transposons d’ADN mai utilitzen intermediaris, sinó que són autònoms. Salten d’un lloc del genoma a un altre per si mateixos, sense cap tipus d’ajuda. El mecanisme que utilitzen s’anomena “tallar i enganxar” i és similar al Ctrl+C y Ctrl+V que utilitzem a l’ordinador. El transposó d’ADN talla la seqüència d’ADN que té a extrem i extrem per aposentar-se en un altre lloc. Llavors allà també talla la seqüència d’ADN i s’hi “enganxa” (Figura 2).

Figura 2. Mecanisme de tallar i enganxar del transposó d’ADN (Font: SITN: Science in the news)

Actualment es coneix que l’activitat dels elements transposables és una font d’innovació evolutiva degut a la generació de mutacions, que podria haver sigut clau tant en el desenvolupament dels organismes com en diferents fenòmens evolutius com la especiació; el procés mitjançant el qual una població d’una determinada espècie dona lloc a una o altres espècies.

La immensa majoria d’aquestes mutacions és deletèria pels organismes, però algunes d’elles donen lloc a una millora adaptativa i tendiran a propagar-se per la població. Podríem posar la mà al foc i probablement no ens cremaríem assegurant que gran part de la variabilitat que mostra la vida al nostre voltant prové originalment del desplaçament dels elements genètics mòbils o elements transposables.

(Foto portada: ABC Canada)

Desxifrant el codi genètic

De la mateixa manera que Alan Turing va descodificar Enigma, la màquina de xifrat que utilitzava l’exèrcit alemany en la Segona Guerra Mundial, varis científics van aconseguir desxifrar el codi genètic. La solució a aquest entramat ha permès entendre com funcionen les cèl·lules i fer possible la manipulació genètica.

INTRODUCCIÓ

Un codi és una sèrie de símbols que per separat no representen res, però al combinar-los poden generar un llenguatge comprensible només per aquells qui l’entenen. Això és el que passa amb el codi genètic.

Tot i que ens pugui semblar mentida, tots els éssers vius (a excepció d’alguns bacteris) biològicament funcionem de la mateixa manera. I és que ja ho deia Jacques Monod, tot el que es constata com a veraç per E. coli també ha de ser cert pels elefants.

Des de les cèl·lules de la balena blava, l’animal més gran del planeta, fins a les cèl·lules d’un colibrí, passant pels éssers humans, són iguals. Això és gràcies al codi genètic, que permet que la informació de cada gen sigui transmesa a les proteïnes, les executores d’aquesta informació.

Aquest flux d’informació va ser anomenat per Francis Crick, el 1958, com el dogma central de la biologia (Figura 1). En ell afirmava que la informació flueix de l’ADN al ARN, i després de l’ARN a les proteïnes. És així com es transmet i s’expressa la informació genètica unidireccionalment. No obstant, posteriorment es van afegir modificacions. Cric afirmava que només l’ADN pot duplicar-se i transcriure’s a ARN. Però s’ha vist que en virus també es produeix la replicació del seu ARN i que aquest pot realitzar una transcripció inversa per generar ADN de nou.

Figura 1. Dogma central de la biologia. En vermell es mostra el cami que va senyalar Francis Crick (replicació de l’ADN, transcripció a ARN i traducció a proteïnes); i en gris les posteriors modificacions (Font: Quora)

ELS 3 LLENGUATGES DE LES CÈL·LULES

A l’interior de les cèl·lules es parlen tres idiomes diferents, però que es poden arribar a relacionar a través del codi genètic.

El que ja coneixem és el llenguatge de l’àcid desoxiribonucleic (ADN), enrotllat en una doble cadena i format per 4 lletres que corresponen a les bases nitrogenades: adenina (A), timina (T), citosina (C) i guanina (G).

Un altre llenguatge molt semblant a aquest últim és el de l’ARN. Difereix de l’ADN principalment en tres aspectes: (i) es compon d’una cadena única en comptes de ser de doble cadena, (ii) els seus sucres són riboses en comptes de desoxiriboses (d’aquí el nom d’àcid ribonucleic) i (iii) conté la base uracil (U) en comptes de T. Ni el canvi de sucre ni la substitució de U per T altera l’aparellament amb la base A, pel que la síntesi d’ARN pot ser realitzada de manera directa sobre un motlle d’ADN.

L’últim llenguatge que ens resta per conèixer és el de les proteïnes, format per 20 aminoàcids. Els aminoàcids constitueixen totes i cada una de les proteïnes de qualsevol organisme viu. L’ordre dels aminoàcids que formen la cadena de la proteïna determina la seva funció (Figura 2).

Figura 2. Taula dels 20 aminoàcids (Font: Compound Interest)

EL CODI GENÈTIC

Com venim dient, el codi genètic són les regles que segueix la seqüència de nucleòtids d’un gen, a través de l’intermediari ARN, per ser traduïda a una seqüència d’aminoàcids d’una proteïna. Existeixen varis tipus d’ARN, però el que ens interessa és el ARN missatger (ARNm), imprescindible en el procés de transcripció.

Les cèl·lules descodifiquen l’ARN llegint els seus nucleòtids en grups de tres (Figura 3). Com que l’ARNm és un polímer de quatre nucleòtids diferents hi ha 64 combinacions possibles de tres nucleòtids (4³). Això ens porta a una de les característiques del codi genètic: està degenerat. Això significa que hi ha varis triplet per un mateix aminoàcid (codons sinònims). Per exemple, la prolina és codificada pels triplets CCU, CCC, CCA i CCG.

Figura 3. El codi genètic amb els 20 aminoàcids (Font: BioNinja)

El codi genètic no és ambigu ja que cada triplet té el seu propi significat. Tots els triplets tenen sentit, o bé codifiquen un aminoàcid en particular o bé indiquen final de lectura. La majoria dels aminoàcids es codifiquen almenys per dos codons. La metionina i el triptòfan són els únics aminoàcids que es codifiquen només per un codó. Però cada codó codifica només per un aminoàcid o senyal d’stop. A més, és unidireccional, tots els triplets es llegeixen en sentit 5’-3’.

El codó AUG serveix com a codó d’inici per començar la traducció. Només hi ha un codó d’inici que codifica per l’aminoàcid metionina, mentre que existeixen tres codons stop (UAA, UAG i UGA). Aquests codons fan que el polipèptid (polímer format per cadenes llargues d’aminoàcids) s’alliberi del ribosoma, lloc on ocorre la traducció.

La posició del codó d’inici determina el punt on comença la traducció de l’ARNm i el seu marc de lectura. Aquest últim punt és important perquè la mateixa seqüència de nucleòtids pot codificar polipèptids completament diferents depenent del marc en el que es llegeix (Figura 4). No obstant, només una de les tres pautes de lectures d’un ARNm codifica la proteïna correcta. El desplaçament en el marc de lectura provoca que el missatge ja no tingui sentit.

Figura 4. Possibles marcs de lectura (Font: marcoregalia.com)

Com dèiem al principi, una de les principals característiques del codi genètic és que és universal, ja que gairebé tots els éssers vius l’utilitzen (a excepció d’alguns bacteris). Això és important perquè un codi genètic compartit per tan diversos organismes proporciona una important evidència d’un origen comú de la vida a la Terra. Les espècies de la Terra d’avui en dia probablement van evolucionar d’un organisme ancestral en el qual ja es trobava present el codi genètic. Degut a que és essencial per la funció cel·lular, hauria de tenir a romandre sense canvis en les espècies a través de les generacions. Aquest tipus de procés evolutiu pot explicar la notable similitud del codi genètic en els organismes presents en l’actualitat.

Tot i que l’ésser humà en sí continua sent un enigma per la ciència, la revolució del desxiframent del codi genètic ha permès endinsar-nos en el funcionament del nostre cos, en concret el de les nostres cèl·lules, i traspassar les fronteres cap a la manipulació genètica.

REFERÈNCIES

• Alberts, B. et al. Biología molecular de la célula (2010). Editorial Omega, 5a edición
• Cooper, G.M., Hausman R.E. La Célula (2009). Editorial Marbán, 5a edición
• Gotta Love Cells
• BioNinja
• Foto portada: eldiario.es