Los elementos nucleares intercalados cortos ( SINE ) son elementos transponibles (TE) no autónomos y no codificantes que tienen una longitud de entre 100 y 700 pares de bases . [1] Son una clase de retrotransposones , elementos de ADN que se amplifican a lo largo de los genomas eucariotas , a menudo a través de intermediarios de ARN . Los SINE componen aproximadamente el 13% del genoma de los mamíferos . [2]
Las regiones internas de los SINE se originan a partir del ARNt y permanecen altamente conservadas, lo que sugiere una presión positiva para preservar la estructura y la función de los SINE. [3] Si bien los SINE están presentes en muchas especies de vertebrados e invertebrados, los SINE a menudo son específicos del linaje, lo que los convierte en marcadores útiles de la evolución divergente entre especies. La variación del número de copias y las mutaciones en la secuencia SINE permiten construir filogenias basadas en diferencias en los SINE entre especies. Los SINE también están implicados en ciertos tipos de enfermedades genéticas en humanos y otros eucariotas .
En esencia, los elementos nucleares cortos intercalados son parásitos genéticos que han evolucionado muy temprano en la historia de los eucariotas para utilizar la maquinaria proteica dentro del organismo, así como para cooptar la maquinaria de elementos genómicos parásitos similares. La simplicidad de estos elementos los hace notablemente exitosos en persistir y amplificarse (a través de la retrotransposición) dentro de los genomas de los eucariotas. Estos "parásitos" que se han vuelto omnipresentes en los genomas pueden ser muy perjudiciales para los organismos, como se analiza a continuación. Sin embargo, los eucariotas han podido integrar elementos nucleares cortos intercalados en diferentes vías de señalización, metabólicas y reguladoras, y los SINE se han convertido en una gran fuente de variabilidad genética. Parecen desempeñar un papel particularmente importante en la regulación de la expresión génica y la creación de genes de ARN . Esta regulación se extiende a la reorganización de la cromatina y la regulación de la arquitectura genómica. Los diferentes linajes, mutaciones y actividades entre los eucariotas hacen que los elementos nucleares cortos intercalados sean una herramienta útil en el análisis filogenético.
Los SINE se clasifican como retrotransposones no LTR porque no contienen repeticiones terminales largas (LTR) . [4] Hay tres tipos de SINE comunes a vertebrados e invertebrados: CORE-SINE, V-SINE y AmnSINE. [3] Los SINE tienen regiones internas de 50 a 500 pares de bases que contienen un segmento derivado de ARNt con cajas A y B que sirven como promotor interno para la ARN polimerasa III . [5] [3]
Los SINE se caracterizan por sus diferentes módulos, que son esencialmente una sección de su secuencia. Los SINE pueden, pero no necesariamente tienen que poseer una cabeza, un cuerpo y una cola. La cabeza está en el extremo 5' de elementos nucleares intercalados cortos y se deriva evolutivamente de un ARN sintetizado por la ARN polimerasa III, como los ARN ribosómicos y los ARNt; la cabeza 5' es indicativa de qué elemento endógeno se derivó el SINE y fue capaz de utilizar parasitariamente su maquinaria transcripcional. [1] Por ejemplo, el 5' del seno Alu se deriva del ARN 7SL , una secuencia transcrita por la ARN polimerasa III que codifica el elemento de ARN de SRP, una ribonucleoproteína abundante. [6] El cuerpo de los SINE posee un origen desconocido, pero a menudo comparte mucha homología con un LINE correspondiente , lo que permite a los SINE cooptar parasitariamente las endonucleasas codificadas por LINE (que reconocen ciertos motivos de secuencia). Por último, la cola 3′ de los SINE está compuesta por repeticiones simples cortas de longitudes variables; estas repeticiones simples son sitios donde dos (o más) elementos nucleares de intercalación corta pueden combinarse para formar un SINE dimérico. [7] Los elementos nucleares de intercalación corta que solo poseen una cabeza y una cola se denominan SINE simples, mientras que los elementos nucleares de intercalación corta que también poseen un cuerpo o son una combinación de dos o más SINE son SINE complejos. [1]
Los elementos nucleares de intercalación corta son transcritos por la ARN polimerasa III , que se sabe que transcribe el ARN ribosómico y el ARNt , dos tipos de ARN vitales para el ensamblaje ribosómico y la traducción del ARNm . [8] Los SINE, como los ARNt y muchos ARN de núcleo pequeño, poseen un promotor interno y, por lo tanto, se transcriben de manera diferente a la mayoría de los genes codificadores de proteínas. [1] En otras palabras, los elementos nucleares de intercalación corta tienen sus elementos promotores clave dentro de la propia región transcrita. Aunque se transcriben por la ARN polimerasa III, los SINE y otros genes que poseen promotores internos, reclutan una maquinaria y factores transcripcionales diferentes a los de los genes que poseen promotores ascendentes. [9]
Los cambios en la estructura cromosómica influyen en la expresión génica principalmente al afectar la accesibilidad de los genes a la maquinaria transcripcional. El cromosoma tiene un sistema muy complejo y jerárquico de organización del genoma. Este sistema de organización, que incluye histonas , grupos metilo , grupos acetilo y una variedad de proteínas y ARN, permite que diferentes dominios dentro de un cromosoma sean accesibles a polimerasas, factores de transcripción y otras proteínas asociadas en diferentes grados. [10] Además, la forma y densidad de ciertas áreas de un cromosoma pueden afectar la forma y densidad de regiones vecinas (o incluso distantes) en el cromosoma a través de la interacción facilitada por diferentes proteínas y elementos. Los ARN no codificantes, como los elementos nucleares intercalados cortos, que se sabe que se asocian con la estructura de la cromatina y contribuyen a ella, pueden desempeñar un papel enorme en la regulación de la expresión génica. [11] Los elementos nucleares intercalados cortos también pueden participar en la regulación génica modificando la arquitectura genómica.
De hecho, Usmanova et al. 2008 sugirieron que los elementos nucleares de corta distancia pueden servir como señales directas en la estructura y reordenamiento de la cromatina . El artículo examinó la distribución global de SINE en cromosomas de ratones y humanos y determinó que esta distribución era muy similar a las distribuciones genómicas de genes y motivos CpG . [12] La distribución de SINE a genes fue significativamente más similar que la de otros elementos genéticos no codificantes e incluso difirió significativamente de la distribución de elementos nucleares de larga distancia. [12] Esto sugirió que la distribución de SINE no era un mero accidente causado por la retrotransposición mediada por LINE sino que los SINE poseían un papel en la regulación genética. Además, los SINE frecuentemente contienen motivos para las proteínas polycomb YY1 . [12] YY1 es una proteína de dedo de zinc que actúa como un represor transcripcional para una amplia variedad de genes esenciales para el desarrollo y la señalización. [13] Se cree que la proteína Polycomb YY1 media la actividad de las histonas desacetilasas y las histonas acetiltransferasas para facilitar la reorganización de la cromatina; esto suele facilitar la formación de heterocromatina (estado de silenciamiento génico). [14] Por lo tanto, el análisis sugiere que los elementos nucleares intercalados de corta distancia pueden funcionar como un "amplificador de señales" en el silenciamiento dependiente de polycomb de conjuntos de genes a través de la reorganización de la cromatina. [12] En esencia, es el efecto acumulativo de muchos tipos de interacciones lo que conduce a la diferencia entre la eucromatina , que no está muy compacta y generalmente es más accesible a la maquinaria transcripcional, y la heterocromatina , que está muy compacta y generalmente no es accesible a la maquinaria transcripcional; los SINE parecen desempeñar un papel evolutivo en este proceso.
Además de afectar directamente la estructura de la cromatina, hay varias formas en las que los SINE pueden regular potencialmente la expresión génica. Por ejemplo, el ARN largo no codificante puede interactuar directamente con los represores y activadores transcripcionales, atenuando o modificando su función. [15] Este tipo de regulación puede ocurrir de diferentes maneras: la transcripción de ARN puede unirse directamente al factor de transcripción como un corregulador; también, el ARN puede regular y modificar la capacidad de los correguladores para asociarse con el factor de transcripción. [15] Por ejemplo, se sabe que Evf-2, un determinado ARN largo no codificante, funciona como un coactivador para ciertos factores de transcripción homeobox que son críticos para el desarrollo y la organización del sistema nervioso. [16] Además, las transcripciones de ARN pueden interferir con la funcionalidad del complejo transcripcional al interactuar o asociarse con las ARN polimerasas durante los procesos de transcripción o carga. [15] Además, los ARN no codificantes como los SINE pueden unirse o interactuar directamente con el dúplex de ADN que codifica el gen y, por lo tanto, evitar su transcripción. [15]
Además, muchos ARN no codificantes se distribuyen cerca de genes codificantes de proteínas, a menudo en la dirección inversa. Esto es especialmente cierto para elementos nucleares de corta distancia como se ve en Usmanova et al. Estos ARN no codificantes, que se encuentran adyacentes a conjuntos de genes o se superponen a ellos, proporcionan un mecanismo por el cual se pueden reclutar factores de transcripción y maquinaria para aumentar o reprimir la transcripción de genes locales. El ejemplo particular de SINE que potencialmente reclutan el represor transcripcional polycomb YY1 se discutió anteriormente. [12] Alternativamente, también proporciona un mecanismo por el cual se puede restringir y regular la expresión génica local porque los complejos transcripcionales pueden obstaculizar o impedir que se transcriban genes cercanos. Hay investigaciones que sugieren que este fenómeno se observa particularmente en la regulación génica de células pluripotentes. [17]
En conclusión, los ARN no codificantes, como los SINE, pueden afectar la expresión génica en una multitud de niveles diferentes y de diferentes maneras. Se cree que los elementos nucleares de corta distancia están profundamente integrados en una red reguladora compleja capaz de ajustar la expresión génica en todo el genoma eucariota.
El ARN codificado por el elemento nuclear de intercalación corta no codifica ningún producto proteico, pero se transcribe de forma inversa y se inserta de nuevo en una región alternativa del genoma. Por este motivo, se cree que los elementos nucleares de intercalación corta han coevolucionado con los elementos nucleares de intercalación larga (LINE), ya que los LINE de hecho codifican productos proteicos que les permiten transcribirse de forma inversa e integrarse de nuevo en el genoma. [4] Se cree que los SINE han cooptado las proteínas codificadas por los LINE que están contenidas en 2 marcos de lectura. El marco de lectura abierto 1 (ORF 1) codifica una proteína que se une al ARN y actúa como chaperona para facilitar y mantener la estructura del complejo proteína-ARN LINE. [18] El marco de lectura abierto 2 (ORF 2) codifica una proteína que posee actividades tanto de endonucleasa como de transcriptasa inversa. [19] Esto permite que el ARNm de LINE se transcriba de forma inversa en ADN y se integre en el genoma según los motivos de secuencia reconocidos por el dominio de endonucleasa de la proteína.
La línea 1 (L1) se transcribe y retrotranspone con mayor frecuencia en la línea germinal y durante el desarrollo temprano; como resultado, los SINE se mueven por el genoma con mayor frecuencia durante estos períodos. La transcripción de SINE se regula a la baja por factores de transcripción en las células somáticas después del desarrollo temprano, aunque el estrés puede causar una regulación positiva de los SINE normalmente silenciosos. [20] Los SINE pueden transferirse entre individuos o especies mediante transferencia horizontal a través de un vector viral . [21]
Se sabe que los SINE comparten homología de secuencia con LINES, lo que proporciona una base por la cual la maquinaria LINE puede transcribir de manera inversa e integrar las transcripciones de SINE. [22] Alternativamente, se cree que algunos SINE utilizan un sistema mucho más complejo de integración en el genoma; este sistema implica el uso de roturas aleatorias de ADN de doble cadena (en lugar de la endonucleasa codificada por elementos nucleares relacionados intercalados durante mucho tiempo que crean un sitio de inserción). [22] Estas roturas de ADN se utilizan para preparar la transcriptasa inversa, integrando en última instancia la transcripción de SINE de nuevo en el genoma. [22] No obstante, los SINE dependen de enzimas codificadas por otros elementos de ADN y, por lo tanto, se conocen como retrotransposones no autónomos, ya que dependen de la maquinaria de LINE, que se conocen como retrotransposones autónomos. [23]
La teoría de que los elementos nucleares de intercalación corta han evolucionado para utilizar la maquinaria de retrotransposón de los elementos nucleares de intercalación larga está respaldada por estudios que examinan la presencia y distribución de LINE y SINE en taxones de diferentes especies. [24] Por ejemplo, los LINE y SINE en roedores y primates muestran una homología muy fuerte en el motivo del sitio de inserción. [24] Dicha evidencia es una base para el mecanismo propuesto en el que la integración de la transcripción SINE puede ser cooptada con productos proteicos codificados por LINE. Esto se demuestra específicamente mediante un análisis detallado de más de 20 especies de roedores perfiladas LINE y SINE, principalmente L1 y B1 respectivamente; estas son familias de LINE y SINE que se encuentran en altas frecuencias en roedores junto con otros mamíferos. [24] El estudio buscó proporcionar claridad filogenética dentro del contexto de la actividad de LINE y SINE.
El estudio llegó a un taxón candidato que se cree que es el primer caso de extinción de L1 LINE; como era de esperar, descubrió que no había evidencia que sugiriera que la actividad de B1 SINE ocurriera en especies que no tenían actividad de L1 LINE. [24] Además, el estudio sugirió que el silenciamiento del elemento nuclear de intercalación corta B1 de hecho ocurrió antes de la extinción del elemento nuclear de intercalación larga L1; esto se debe al hecho de que los B1 SINE están silenciados en el género más estrechamente relacionado con el género que no contiene L1 LINE activos (aunque el género con silenciamiento de B1 SINE todavía contiene L1 LINE activos). [24] También se encontró otro género que contenía de manera similar elementos nucleares de intercalación larga L1 activos pero no contenía elementos nucleares de intercalación corta B1; no se encontró el escenario opuesto, en el que los B1 SINE activos estaban presentes en un género que no poseía L1 LINE activos. [24] Este resultado era de esperar y apoya firmemente la teoría de que los SINE han evolucionado para cooptar las proteínas de unión al ARN, las endonucleasas y las transcriptasas inversas codificadas por los LINE. En los taxones que no transcriben y traducen activamente los productos proteicos de elementos nucleares intercalados durante mucho tiempo, los SINE no tienen la base teórica para retrotransponerse dentro del genoma. Por lo tanto, los resultados obtenidos en Rinehart et al. respaldan en gran medida el modelo actual de retrotransposición de SINE.
La inserción de un SINE antes de una región codificante puede provocar una redistribución de exones o cambios en la región reguladora del gen. La inserción de un SINE en la secuencia codificante de un gen puede tener efectos nocivos y la transposición no regulada puede causar enfermedades genéticas . Se cree que la transposición y recombinación de SINE y otros elementos nucleares activos es una de las principales contribuciones a la diversidad genética entre linajes durante la especiación. [21]
Se cree que los elementos nucleares de corta distancia tienen orígenes parásitos en los genomas eucariotas. Estos SINE han mutado y se han replicado una gran cantidad de veces en una escala temporal evolutiva y, por lo tanto, forman muchos linajes diferentes. Su origen evolutivo temprano ha hecho que sean omnipresentes en muchos linajes eucariotas.
Los elementos Alu , un elemento nuclear de corta distancia de unos 300 nucleótidos, son los SINE más comunes en los seres humanos, con >1.000.000 de copias en todo el genoma, lo que supone más del 10 por ciento del genoma total; esto no es poco común entre otras especies. [25] Las diferencias en el número de copias del elemento Alu se pueden utilizar para distinguir y construir filogenias de especies de primates. [21] Los caninos se diferencian principalmente en su abundancia de repeticiones SINEC_Cf en todo el genoma, en lugar de otras mutaciones a nivel de genes o alelos. Estos SINE específicos de los perros pueden codificar un sitio aceptor de empalme, alterando las secuencias que aparecen como exones o intrones en cada especie. [26]
Aparte de los mamíferos, los SINE pueden alcanzar un alto número de copias en una variedad de especies, incluidos los vertebrados no óseos (tiburón elefante) y algunas especies de peces (celacantos). [27] En las plantas, los SINE a menudo se limitan a especies estrechamente relacionadas y han surgido, decaído y desaparecido con frecuencia durante la evolución. [28] Sin embargo, algunas familias de SINE como los Au-SINE [29] y los Angio-SINE [30] están inusualmente extendidas en muchas especies de plantas a menudo no relacionadas.
Hay más de 50 enfermedades humanas asociadas con los SINE. [20] Cuando se insertan cerca o dentro del exón, los SINE pueden causar un empalme inadecuado, convertirse en regiones codificantes o cambiar el marco de lectura , lo que a menudo conduce a fenotipos de enfermedades en humanos y otros animales. [26] La inserción de elementos Alu en el genoma humano está asociada con el cáncer de mama , el cáncer de colon , la leucemia , la hemofilia , la enfermedad de Dent , la fibrosis quística , la neurofibromatosis y muchos otros. [4]
El papel de los elementos nucleares cortos intercalados en la regulación genética dentro de las células ha sido respaldado por múltiples estudios. Uno de estos estudios examinó la correlación entre una cierta familia de SINE con microARN (en pez cebra ). [31] La familia específica de SINE que se examinó fue la Anamnia V-SINE; esta familia de elementos nucleares cortos intercalados se encuentra a menudo en la región no traducida del extremo 3' de muchos genes y está presente en los genomas de vertebrados. [31] El estudio implicó un análisis computacional en el que se examinó la distribución genómica y la actividad de los V-SINE de Anamnia en el pez cebra Danio rerio ; además, se analizó el potencial de estos V-SINE para generar nuevos loci de microARN. [31] Se encontró que los genes que se predijo que poseerían V-SINE fueron el objetivo de los microARN con valores E de hibridación significativamente más altos (en relación con otras áreas del genoma). [31] Los genes que tenían altos valores E de hibridación eran genes particularmente involucrados en las vías metabólicas y de señalización. [31] Casi todos los miRNA identificados por tener una fuerte capacidad para hibridarse con motivos de secuencia V-SINE putativos en genes han sido identificados (en mamíferos) por tener roles reguladores. [31] Estos resultados que establecen una correlación entre elementos nucleares de intercalación corta y diferentes microRNA reguladores sugieren fuertemente que los V-SINE tienen un rol significativo en atenuar las respuestas a diferentes señales y estímulos relacionados con el metabolismo, la proliferación y la diferenciación. Muchos otros estudios deben ser realizados para establecer la validez y el alcance del rol de los retrotransposones de elementos nucleares de intercalación corta en redes reguladoras de expresión génica. En conclusión, aunque no se sabe mucho sobre el rol y el mecanismo por el cual los SINE generan loci de genes de miRNA, se entiende generalmente que los SINE han jugado un rol evolutivo significativo en la creación de "genes de ARN", esto también se menciona arriba en SINE y pseudogenes.
Con tales evidencias que sugieren que los elementos nucleares de intercalación corta han sido fuentes evolutivas para la generación de loci de microARN, es importante discutir más a fondo las posibles relaciones entre los dos, así como el mecanismo por el cual el microARN regula la degradación del ARN y, más ampliamente, la expresión génica. Un microARN es un ARN no codificante generalmente de 22 nucleótidos de longitud. [32] Este oligonucleótido no codificante de proteínas está codificado por una secuencia de ADN nuclear más larga, generalmente transcrita por la ARN polimerasa II, que también es responsable de la transcripción de la mayoría de los ARNm y ARNsn en eucariotas. [33] Sin embargo, algunas investigaciones sugieren que algunos microARN que poseen elementos nucleares de intercalación corta en sentido ascendente son transcritos por la ARN polimerasa III, que está ampliamente implicada en el ARN ribosómico y el ARNt, dos transcripciones vitales para la traducción del ARNm. [34] Esto proporciona un mecanismo alternativo por el cual los elementos nucleares de intercalación corta podrían interactuar con o mediar redes de regulación génica que involucran microARN.
Las regiones que codifican miRNA pueden ser genes de ARN independientes que a menudo son antisentido de los genes codificadores de proteínas vecinos, o pueden encontrarse dentro de los intrones de los genes codificadores de proteínas. [35] La co-localización de microRNA y genes codificadores de proteínas proporciona una base mecanicista por la cual el microRNA regula la expresión génica. Además, Scarpato et al. revelan (como se discutió anteriormente) que los genes que se predijo que poseerían elementos nucleares intercalados cortos (SINE) a través del análisis de secuencias fueron atacados e hibridados por microRNA significativamente más que otros genes. [31] Esto proporciona una ruta evolutiva por la cual los SINE parásitos fueron cooptados y utilizados para formar genes de ARN (como microRNA) que han evolucionado para desempeñar un papel en redes complejas de regulación génica.
Los microARN se transcriben como parte de cadenas de ARN más largas, generalmente de unos 80 nucleótidos, que a través del apareamiento de bases complementarias pueden formar estructuras de horquilla [36]. Estas estructuras son reconocidas y procesadas en el núcleo por la proteína nuclear DiGeorge Syndrome Critical Region 8 (DGCR8), que recluta y se asocia con la proteína Drosha. [37] Este complejo es responsable de escindir algunas de las estructuras de horquilla del pre-microARN, que se transporta al citoplasma. El pre-miARN es procesado por la proteína DICER en un nucleótido bicatenario de 22. [38] A continuación, una de las cadenas se incorpora a un complejo de silenciamiento inducido por ARN multiproteico (RISC). [39] Entre estas proteínas se encuentran proteínas de la familia Argonaute, que son fundamentales para la capacidad del complejo de interactuar con el ARNm objetivo y reprimir su traducción. [40]
Comprender las diferentes formas en que el microARN regula la expresión genética, incluida la traducción y degradación del ARNm, es clave para comprender el posible papel evolutivo de los SINE en la regulación genética y en la generación de loci de microARN. Esto, además del papel directo de los SINE en las redes reguladoras (como se analiza en los SINE como ARN largos no codificantes), es crucial para comenzar a comprender la relación entre los SINE y ciertas enfermedades. Múltiples estudios han sugerido que una mayor actividad de SINE se correlaciona con ciertos perfiles de expresión genética y la regulación postranscripcional de ciertos genes. [41] [42] [43] De hecho, Peterson et al. 2013 demostraron que la alta expresión de ARN SINE se correlaciona con la regulación negativa postranscripcional de BRCA1 , un supresor tumoral implicado en múltiples formas de cáncer, a saber, el cáncer de mama. [43] Además, los estudios han establecido una fuerte correlación entre la movilización transcripcional de los SINE y ciertos cánceres y afecciones como la hipoxia; Esto puede deberse a la inestabilidad genómica causada por la actividad de los SINE, así como a efectos más directos posteriores. [42] Los SINE también han estado implicados en innumerables otras enfermedades. En esencia, los elementos nucleares de corta distancia se han integrado profundamente en innumerables vías reguladoras, metabólicas y de señalización y, por lo tanto, desempeñan un papel inevitable en la causa de la enfermedad. Aún queda mucho por saber sobre estos parásitos genómicos, pero está claro que desempeñan un papel importante dentro de los organismos eucariotas.
Sin embargo, la actividad de los SINE tiene vestigios genéticos que no parecen desempeñar un papel significativo, positivo o negativo, y se manifiestan en el genoma como pseudogenes . Sin embargo, los SINE no deben confundirse con pseudogenes de ARN. [1] En general, los pseudogenes se generan cuando los ARNm procesados de los genes codificadores de proteínas se transcriben de forma inversa y se incorporan de nuevo al genoma (los pseudogenes de ARN son genes de ARN transcritos de forma inversa). [44] Los pseudogenes generalmente no tienen función, ya que descienden de ARN procesados independientemente de su contexto evolutivo que incluye intrones y diferentes elementos reguladores que permiten la transcripción y el procesamiento. Estos pseudogenes, aunque no funcionales, pueden en algunos casos aún poseer promotores, islas CpG y otras características que permiten la transcripción; por lo tanto, aún pueden transcribirse y pueden tener un papel en la regulación de la expresión génica (como los SINE y otros elementos no codificantes). [44] Los pseudogenes se diferencian de los SINE en que se derivan de ARN funcional transcrito, mientras que los SINE son elementos de ADN que se retrotransponen mediante la cooptación de la maquinaria transcripcional de los genes de ARN. Sin embargo, hay estudios que sugieren que los elementos retrotransponibles, como los elementos nucleares de corta distancia, no solo son capaces de copiarse a sí mismos en regiones alternativas del genoma, sino que también pueden hacerlo para genes aleatorios. [45] [46] Por lo tanto, los SINE pueden desempeñar un papel vital en la generación de pseudogenes, que se sabe que están involucrados en redes reguladoras. Este es quizás otro medio por el cual los SINE han podido influir y contribuir a la regulación genética.