Genòmica del desenvolupament: La immortalitat biològica no és pas la immortalitat absoluta. Un organisme biològicament immortal pot morir-se com a conseqüència de fenòmens extrems en el seu ambient, inclosa la depredació, la intoxicació o una infestació letal. La immortalitat biològica es defineix específicament com l’absència d’envelliment. La immensa majoria d’espècies animals pluricel·lulars són susceptibles d’envelliment. De fet, l’única espècie de metazou que és capaç de rejovenir-se repetidament després d’haver arribat a la maduresa sexual és l’hidrozou Turritopsis dohrnii. Maria Pascual-Torner, del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular i del Instituto Universitario de Oncología de la Universidad de Oviedo, i del Observatorio Marino de Asturias, adscrit al mateix centre, estudia T. dohrni com a model de la immortalitat biològica. És la primera autora d’un article que apareix a la revista PNAS, en el que es presenten els genomes de T. dohrnii i d’una espècie del mateix gènere que no presenta la mateixa capacitat de rejoveniment, T. rubra. Alhora, presenten el transcriptoma, és a dir el conjunt de gens que s’hi expressen, en el procés de reversió del cicle vital de T. dohrnii. Pascual-Torner et al. han identificat variants i expansions de gens associats amb la replicació i reparació de l’ADN, el manteniment de telòmers, la regulació de l’ambient redox, la població de cèl·lules troncals i la comunicació intercel·lular. La inducció de la pluripotència en T. dohrnii passa per l’activació d’una sèrie de gens i el silenciament d’altres en un procés mediat per factors de transcripció en els quals Pascual-Torner et al. veuen els elements cabdals de la capacitat de rejoveniment.
Pascual-Torner et al. han estudiat els genomes de ‘Turritopsis dohrnii’ i de ‘Turritopsis rubra’. Mentre ‘T. dohrnii’ és capaç de rejovenir des d’estadis madurs, ‘T. rubra’ no ho pot fer. La comparació d’un conjunt de gairebé 1000 gens relacionats amb l’envelliment i la reparació d’ADN mostra l’existència d’un transcriptoma específic d’estadi en el procés de reversió del cicle vital de ‘T. dohrni’.
Envelliment i rejoveniment
La teoria evolutiva de l’envelliment assenyala que la pressió selectiva decau amb l’edat. Al capdavall, la selecció natural afecta particularment els gens que són importants en els fenotips pre-reproductius. Si un determinat fenotip pre-reproductiu és avantatjós de cara a deixar descendència tendirà a ésser promogut encara que comporti perjudicis en edats avançades en forma de senescència cel·lular o inestabilitat genòmica.
Si definim l’envelliment com la reducció del potencial de pluripotència i de regeneració cel·lulars, és un tret generalitzat en gairebé tots els animals pluricel·lulars. L’excepció més remarcable es troba entre algunes espècies de cnidaris, que presenten una notable plasticitat en l desenvolupament i, en ocasions, la capacitat de fer reversions ontogèniques.
La reversió d’ontogènia no és, ni de bon tros, un tret general de tots els cnidaris. És present únicament en algunes espècies, i en aquestes sol perdre’s una vegada els individus arriben a la maduresa sexual. Només en tres espècies del gènere Turritopsis (T. dohrni, T. sp.5 i T. sp.2) s’ha reportat la capacitat de rejovenir després de la reproducció. Tan sols en T. dohrnii el potencial de rejoveniment es manté al 100% en els estadis postreproductius, de forma que l’espècie animal més propera al concepte d’immortalitat biològica.
Pascual-Torner et al. han seqüenciat els genomes de dues espècies ben properes, T. dohrnii i T. rubra. Mentre que a T. dohrnii hi ha l’esmentat rejoveniment post-reproductiu, aquest fenomen és absent a T. rubra. En la comparació genòmica entre les dues espècies, hom ha utilitzat també les dades genètiques d’altres tres espècies de cnidaris, Hydra vulgaris, Clytia hemisphaerica i Aurelia aurita.
La procedència de les mostres i els mètodes utilitzats
L’ADN utilitzat de T. dohrnii procedeix d’espècimens recollits a Santa Caterina (Lecce). L’ADN utilitzat de T. rubra procedeix del nord de l’illa de Hokkaido. L’anotació automàtica dels genomes es va fer a través d’una seqüenciació del cDNA derivat d’ARN total.
La reversió ontogènica de T. dohrnii s’aconsegueix experimental en incubar meduses d’1 dia sense aliment en un medi amb CsCl 116 mM durant 5 hores. En el decurs del procés es prenien mostres de les diferents fases (la medusa, la medusa incubada, la medusa post-incubada, la fase de reducció de la medusa, la formació de cist, la formació primerenca d’estoló, l’estoló madur, la formació de gemma, el pòlip primerenc i el pòlip adult).
Els autors agraeixen el suport Susana Acle del Bioparc Acuario de Gijón, així com als membres del grup de Medusas de l’ICM-CSIC. Agraeixen a David Suárez de Neoalgae i a Cetarea El Musel l’aportació d’aigua marina per al manteniment i experimentació amb les meduses. El finançament de l’estudi es fa a través del programa DeAge del Consell de Recerca Europeu i amb fons del Ministerio de Ciencia e Innovación procedents del FEDER. L’Observatorio Marino de Asturias també hi ha contribuït.
La genòmica i la transcriptòmica de la reversió del cicle vital
La seqüenciació genòmica fou duta a terme en la plataforma Illumina. El genoma de T. dohrnii és d’una mida de 390 milions de parells de nucleòtids (Mb). El de T. rubra és substancialment més petit, de 210 Mb. La qualitat de les seqüències genòmiques és semblant: la de T. dohrnii és del 78,88% (74.829 bastides amb una N50 de 10.419 kb) i la de T. rubra del 88,78% (9.508 bastides amb una N50 a 71.856 kb).
D’acord amb una anotació automàtica, el genoma de T. dohrnii constaria de 17.468 gens. La xifra en T. rubra també seria inferior, amb 9.324 gens.
Els elements repetitius ocupen vora la meitat del genoma en tots dos casos. Entre els retroelements més abundants hi ha els LINEs (elements nuclears llargs esparsos) i els LTRs (repeticions llargues terminals).
Pascual-Torner et al. centren l’atenció en gairebé un miler de gens que se sap que participen en la reversió de cicle vital de T. dohrnii, en estar implicats en l’envelliment, la reparació de l’ADN i d’altres vies rellevants. L’objectiu era trobar variants d’aquests gens que fossin presents tan sols en una de les dues espècies analitzades de Turritopsis. Entre les variants cercades n’hi ha que produeixen malalties genètiques en els éssers humans. Per fer més robusta la identificació, les variants eren comparades amb els genomes disponibles de cnidaris, que abasten unes 11 espècies. Les variants trobades eren validades després amb dades de seqüenciació d’ARN i per PCR acoblada a seqüenciació de Sanger.
En total, Pascual-Torner et al. identificaren 28 variacions en nombre de còpia i 10 variants úniques bé per a T. dohrnii o per a T. rubra.
Pascual-Torner et al. esperaven trobar en T. dohrnii un nombre superior de gens amplificats que no pas en T. rubra. No és aquest el cas, de manera que no ha estat un mecanisme global d’expansió genòmica el que explica l’augment diferencial en còpies de gens relacionats amb el rejoveniment en T. dohrnii sinó més aviat esdeveniments de caire esporàdic que s’haurien fixat a través de mecanismes selectius o de deriva gènica.
Pascual-Torner et al. tenen cura d’assegurar-se que les còpies genètiques ho siguin veritable, i no un artefacte del procés d’ensamblatge genòmic. Deixen per més endavant fer un estudi de T. nutricula que és una espècie també mortal però més propera filogenèticament a T. dohrnii.
Pascual-Torner et al. també ha analitzat una sèrie de gens implicats en la replicació i reparació d’ADN. La comparació genòmica sembla indicar que T. dohrnii disposa de mecanismes replicatius i sistemes de reparació més eficients que T. rubra o d’altres cnidaris inclosos en aquest estudi. El gen POLD1 (el de l’ADN polimerasa delta) té quatre còpies en el genoma de T. dohrnii i una sola còpia a T. rubra. El gen POLA2 (del de l’ADN polimerasa alfa) té dues còpies en el genoma de T. dohrnii i una sola a T. rubra. El gen RFC3 (factor de replicació C3) té dues còpies en T. dohrnii (com també en H. vulgaris). El gen TOP3B (el de l’ADN topoisomerasa III beta) té quatre còpies a T. dohrnii i tres còpies a T. rubra. Gens implicats en la reparació d’ADN com XRCC5, GEN1, RAD51C i MSH2 es troben en dues còpies en T. dohrnii i una sola còpia a T. rubra. La majoria de tots aquests gens es transcriuen activament durant la reversió de cicle vital de T. dohrnii.
En el gen LMNA (que codifica per la lamina A/C) trobem la variant p.G523A a T. dohrnii i la variant p.E82Q a T. rubra.
La maquinària de resposta a l’estrès oxidatiu sembla més potent en el genoma de T. dohrnii que en el de T. rubra. El gen TXN (que codifica per la tioredoxina) té cinc còpies a T. dohrnii i dues còpies a T. rubra. El gen GSR (que codifica per la glutatió-reductasa) té dues còpies a T. dohrnii i una sola en els altres cnidaris analitzats en aquest treball. Tant el gen TXN com el GSR es troben activats en la reversió de cicle de T. dohrnii.
La regulació telomèrica en cnidaris és força semblant a la dels animals bilaterals. El gen GAR1 es troba en dues còpies a T. dohrnii i en una sola en altres cnidaris analitzats. En el gen POT1 trobem la variant p.G272N a T. dohrnii i la variant G.272R a T. rubra. Aquestes característiques semblen indicar que a T. dohrnii hi ha un millor manteniment dels telòmers.
En els gens implicats en la senescència cel·lular també hi ha diferències rellevants. En el gen ATM s’hi detecten a T. dohrnii les variants p.P2553Y i p.H255Q. En el gen HECW2 s’observa la variant p.Q1362R a T. dohrnii i la variant p.Q1362H a T. rubra.
Entre els gens implicats en la reprogramació i diferenciació cel·lulars Pascual-Torner et al. remarquen una sèrie de diferències. El gen GLI3 es troba en dues còpies a T. dohrnii, en una còpia a T. rubra i en cap còpia a H. vulgaris, C. hemisphaerica i A. aurita.
La comunicació intercel·lular sembla rellevant en la regeneració del cap de H. vulgaris o en la reversió de cicle vital de T. dohrnii, particularment pel que fa a la regulació de l’apoptosi. Encara que sembli paradoxal la mort cel·lular programada per apoptosi juga un paper en la regeneració i rejoveniment en cnidaris. El gen PSEN1 es troba en dues còpies a T. dohrnii i en una còpia a T. rubra. El gen BMP7 es troba en vuit còpies a T. dohrnii (cinc de les quals són actives durant la reversió de cicle vital), en cinc còpies a T. rubra i en tres còpies a H. vulgaris. Durant la reversió de cicle vital de T. dohrnii hi ha una sobreexpressió dels gens CASP3, BCL2 i BAX.
Dels gens que participen en la regulació de microtúbuls, Pascal-Torner et al. destaquen una sèrie de diferències. T. dohrnii presenten duplicacions dels gens TUBG1, CLASP1 i SPAST. Tots aquests gens s’expressen activament durant la reversió de cicle vital.
Pel que fa a gens que participen en modificacions epigenètiques i modulació de la transcripció, Pascal-Torner et al. troben que el gen MORC3 es troba en quatre còpies a T. dohrnii mentre que les altres espècies analitzades arriben a un màxim de tres còpies. En el gen TPP1 es registra a T. dohrnii la variant p.V518I.
La reversió del cicle vital de T. dohrnii passa per una alteració en els patrons d’expressió gènica. L’activació del gen PRC2 condueix a la trimetilació de la posició Lys-27 de la histona 3, que comporta el silenciament d’una sèrie de gens que promouen la pluripotència en les cèl·lules troncals embrionàries. La inactivació de PRC2 va en el sentit contrari. També és rellevant l’activació de gens promotors de la pluripotència com NANOG, OCT4, SOX2 o MYC.
La capacitat de rejoveniment de T. dohrnii combinaria, doncs, diferents esferes més enllà de la reprogramació a favor de la pluripotència de cèl·lules troncals. L’estabilitat genòmica, el manteniment dels telòmers, el manteniment de la funció mitocondrial, la prevenció de la senescència cel·lular i la comunicació intercel·lular serien alguns d’aquests aspectes.
Lligams:
- Comparative genomics of mortal and immortal cnidarians unveils novel keys behind rejuvenation. Maria Pascual-Torner, Dido Carrero, José G. Pérez-Silva, Diana Álvarez-Puente, David Roiz-Valle, Gabriel Bretones, David Rodríguez, Daniel Maeso, Elena Mateo-González, Yaiza Español, Guillermo Mariño, José Luis Acuña, Víctor Quesada, Carlos López-Otín. PNAS 119: e2118763119 (2022).
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada