Retrotransposón

Los retrotransposones (también llamados elementos transponibles de clase I ) son elementos móviles que se desplazan en el genoma del huésped mediante la conversión de su ARN transcrito en ADN a través de la transcripción inversa . ^{[ 1 ]} Por lo tanto, se diferencian de los elementos transponibles de clase II, o transposones de ADN, en que utilizan un intermediario de ARN para la transposición y dejan el sitio donador de transposición sin cambios. ^{[ 2 ]}

Mediante transcripción inversa, los retrotransposones se amplifican rápidamente hasta volverse abundantes en genomas eucariotas como el del maíz (49-78%) ^{[ 3 ]} y el de los humanos (42%). ^{[ 4 ]} Solo están presentes en eucariotas, pero comparten características con retrovirus como el VIH , por ejemplo, la recombinación extracromosómica discontinua mediada por transcriptasa inversa . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Existen dos tipos principales de retrotransposones: los de repeticiones terminales largas (LTR) y los que no presentan repeticiones terminales largas (no-LTR). Los retrotransposones se clasifican según su secuencia y método de transposición. ^{[ 7 ]} La mayoría de los retrotransposones en el genoma del maíz son LTR, mientras que en los humanos son mayoritariamente no-LTR.

Los retrotransposones LTR se caracterizan por sus repeticiones terminales largas (LTR), presentes tanto en el extremo 5' como en el extremo 3' de sus secuencias. Estas LTR contienen los promotores de estos elementos transponibles (TE), son esenciales para su integración y su longitud puede variar desde poco más de 100 pares de bases (pb) hasta más de 1000 pb. En promedio, los retrotransposones LTR abarcan varios miles de pares de bases, y los ejemplos más grandes conocidos alcanzan hasta 30 kilobases (kb).

Las secuencias LTR son altamente funcionales, y por ello, los retrotransposones LTR y no LTR difieren notablemente en sus mecanismos de transcripción inversa e integración. Los retrotransposones no LTR utilizan un proceso de transcripción inversa con cebado por el objetivo (TPRT), que requiere que el ARN del elemento transponible (TE) se dirija al sitio de escisión de la integrasa del retrotransposón, donde se transcribe inversamente. En cambio, los retrotransposones LTR experimentan la transcripción inversa en el citoplasma, mediante dos rondas de cambio de plantilla y la formación de un complejo de preintegración (PIC) compuesto por ADN de doble cadena y un dímero de integrasa unido a la secuencia LTR. Este complejo se traslada al núcleo para integrarse en una nueva ubicación genómica.

Los retrotransposones LTR suelen codificar las proteínas gag y pol , que pueden estar combinadas en un único marco de lectura abierto (ORF) o separadas en ORF distintos. Al igual que en los retrovirus, la proteína gag es esencial para el ensamblaje de la cápside y el empaquetamiento del ARN del elemento transponible y las proteínas asociadas. La proteína pol es necesaria para la transcripción inversa e incluye los siguientes dominios cruciales: PR (proteasa), RT (transcriptasa inversa), RH ( ARNasa H ) e INT (integrasa). Además, algunos retrotransposones LTR poseen un ORF para una proteína de envoltura ( env ) que se incorpora a la cápside ensamblada, facilitando su unión a las superficies celulares.

Un retrovirus endógeno es un retrovirus sin efectos patógenos virales que se ha endogenizado en el genoma del huésped mediante la inserción de su información genética heredable en las células, la cual puede transmitirse a la siguiente generación como un retrotransposón. ^{[ 8 ]} Debido a esto, comparten características con los retrovirus y los retrotransposones. Cuando el ADN retroviral se integra en el genoma del huésped, evolucionan en retrovirus endógenos que influyen en los genomas eucariotas. Muchos retrovirus endógenos se han insertado en genomas eucariotas, lo que permite comprender la biología entre las interacciones virus-huésped y el papel de los retrotransposones en la evolución y las enfermedades. Muchos retrotransposones comparten características con los retrovirus endógenos, como la propiedad de reconocer y fusionarse con el genoma del huésped. Sin embargo, existe una diferencia clave entre retrovirus y retrotransposones, indicada por el gen env. Aunque similar al gen que realiza la misma función en los retrovirus, el gen env se utiliza para determinar si el gen es retroviral o retrotransposón. Si el gen es retroviral, puede evolucionar de un retrotransposón a un retrovirus. Se diferencian por el orden de las secuencias en los genes pol. Los genes Env se encuentran en los retrotransposones LTR de tipo Ty1-copia ( Pseudoviridae ), Ty3-gypsy ( Metaviridae ) y BEL/Pao. ^{[ 9 ] [ 8 ]} Codifican glicoproteínas en la envoltura del retrovirus necesarias para la entrada en la célula huésped. Los retrovirus pueden moverse entre células, mientras que los retrotransposones LTR solo pueden moverse dentro del genoma de la misma célula. ^{[ 10 ]} Muchos genes de vertebrados se formaron a partir de retrovirus y retrotransposones LTR. Un retrovirus endógeno o un retrotransposón LTR tiene la misma función y ubicaciones genómicas en diferentes especies, lo que sugiere su papel en la evolución. ^{[ 11 ]}

Al igual que los retrotransposones LTR, los retrotransposones no LTR contienen genes para la transcriptasa inversa, la proteína de unión a ARN, la nucleasa y, a veces, el dominio H de la ribonucleasa ^{[ 12 ]} , pero carecen de las repeticiones terminales largas. Las proteínas de unión a ARN se unen al intermediario de transposición de ARN y las nucleasas son enzimas que rompen los enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos de los ácidos nucleicos. En lugar de LTR, los retrotransposones no LTR tienen repeticiones cortas que pueden tener un orden invertido de bases adyacentes, además de las repeticiones directas que se encuentran en los retrotransposones LTR, que es solo una secuencia de bases que se repite.

Aunque son retrotransposones, no pueden realizar la transcripción inversa mediante un intermediario de transposición de ARN como los retrotransposones LTR. Estos dos componentes clave del retrotransposón siguen siendo necesarios, pero su incorporación a las reacciones químicas es diferente. Esto se debe a que, a diferencia de los retrotransposones LTR, los retrotransposones no LTR no contienen secuencias que se unan al ARNt.

Se clasifican principalmente en dos tipos: elementos nucleares intercalados largos (LINE) y elementos nucleares intercalados cortos (SINE). Los elementos SINE-R, las repeticiones en tándem de número variable (VNTR) y los elementos Alu (SVA) constituyen la excepción, ya que comparten similitudes con LINE y SINE, al contener elementos Alu y diferentes números de la misma repetición. Los SVA son más cortos que los LINE, pero más largos que los SINE.

Aunque históricamente se consideraba "ADN basura", las investigaciones sugieren que, en algunos casos, tanto LINE como SINE se incorporaron a genes nuevos para formar nuevas funciones. ^{[ 13 ]}

LÍNEA

Cuando se transcribe un LINE, el transcrito contiene un promotor de la ARN polimerasa II que asegura que el LINE pueda copiarse en cualquier lugar donde se inserte. La ARN polimerasa II es la enzima que transcribe los genes en transcritos de ARNm. Los extremos de los transcritos de LINE son ricos en múltiples adeninas, ^{[ 14 ]} bases que se añaden al final de la transcripción para evitar su degradación. Este transcrito es el intermediario de la transposición de ARN.

El intermediario de transposición de ARN se desplaza del núcleo al citoplasma para su traducción. Esto genera las dos regiones codificantes de una secuencia LINE, que a su vez se une al ARN del que se transcribe. Posteriormente, el ARN LINE regresa al núcleo para insertarse en el genoma eucariota.

Los retrotransposones LINE se insertan en regiones del genoma eucariota ricas en bases AT. En estas regiones, LINE utiliza su nucleasa para cortar una de las hebras del ADN bicatenario eucariota. La secuencia rica en adenina del transcrito LINE se aparea con la hebra cortada, marcando con grupos hidroxilo el lugar de inserción. La transcriptasa inversa reconoce estos grupos hidroxilo para sintetizar el retrotransposón LINE en el sitio de corte del ADN. Al igual que los retrotransposones LTR, este nuevo LINE insertado contiene información del genoma eucariota, lo que permite copiarlo y pegarlo fácilmente en otras regiones genómicas. Las secuencias de información son más largas y variables que las de los retrotransposones LTR.

La mayoría de las copias de LINE tienen una longitud variable al inicio porque la transcripción inversa suele detenerse antes de que se complete la síntesis de ADN. En algunos casos, esto provoca la pérdida del promotor de la ARN polimerasa II, por lo que LINE no puede transponerse más. ^{[ 15 ]}

L1 humano

Los retrotransposones LINE-1 (L1) constituyen una parte significativa del genoma humano, con un estimado de 500.000 copias por genoma. Los genes que codifican para LINE1 humano generalmente tienen su transcripción inhibida por grupos metilo que se unen a su ADN, acción llevada a cabo por las proteínas PIWI y las enzimas ADN metiltransferasas. La retrotransposición de L1 puede alterar la naturaleza de los genes transcritos al insertarse dentro o cerca de ellos, lo que a su vez podría conducir a enfermedades humanas. Los LINE1 solo pueden retrotransponerse en algunos casos para formar diferentes estructuras cromosómicas, lo que contribuye a las diferencias genéticas entre individuos. ^{[ 17 ]} Se estima que hay entre 80 y 100 L1 activos en el genoma de referencia del Proyecto Genoma Humano, y un número aún menor de L1 dentro de esos L1 activos se retrotransponen con frecuencia. Las inserciones de L1 se han asociado con la tumorigénesis al activar genes relacionados con el cáncer (oncogenes) y disminuir los genes supresores de tumores.

Cada LINE1 humano contiene dos regiones a partir de las cuales se pueden codificar productos génicos. La primera región codificante contiene una proteína con cremallera de leucina implicada en interacciones proteína-proteína y una proteína que se une al extremo de los ácidos nucleicos. La segunda región codificante contiene una nucleasa de purina/pirimidina, una transcriptasa inversa y una proteína rica en aminoácidos cisteína e histidina. El extremo del LINE1 humano, al igual que en otros retrotransposones, es rico en adenina. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

El gen humano L1 se retrotranspone activamente en el genoma humano. Un estudio reciente identificó 1708 eventos de retrotransposición somática de L1, especialmente en células epiteliales colorrectales. Estos eventos ocurren desde la embriogénesis temprana y la tasa de retrotransposición aumenta sustancialmente durante la tumorigénesis colorrectal. ^{[ 21 ]}

Los retrotransposones garantizan que no se pierdan por casualidad al aparecer únicamente en la genética celular, que puede transmitirse de una generación a otra a partir de los gametos parentales. Sin embargo, el LINE puede transponerse a las células del embrión humano que eventualmente se desarrollan en el sistema nervioso, lo que plantea la cuestión de si esta retrotransposición del LINE afecta la función cerebral. La retrotransposición del LINE también es una característica de varios tipos de cáncer, pero no está claro si la retrotransposición en sí misma causa cáncer o si es solo un síntoma. La retrotransposición descontrolada es perjudicial tanto para el organismo huésped como para los propios retrotransposones, por lo que deben ser regulados. Los retrotransposones se regulan mediante interferencia de ARN . La interferencia de ARN es llevada a cabo por varios ARN cortos no codificantes . El ARN corto no codificante interactúa con la proteína Argonaute para degradar los transcritos de los retrotransposones y modificar su estructura de histonas de ADN para reducir su transcripción.

Los retrotransposones LTR surgieron más tarde que los retrotransposones no LTR, posiblemente a partir de un retrotransposón ancestral no LTR que adquirió una integrasa de un transposón de ADN. Los retrovirus adquirieron propiedades adicionales en sus envolturas virales al incorporar los genes relevantes de otros virus, aprovechando la capacidad de los retrotransposones LTR.

Debido a su mecanismo de retrotransposición, los retrotransposones se multiplican rápidamente, constituyendo el 40% del genoma humano. Las tasas de inserción de los elementos LINE1, Alu y SVA son de 1/200, 1/20, 1/20 y 1/900, respectivamente. Las tasas de inserción de LINE1 han variado considerablemente a lo largo de los últimos 35 millones de años, lo que indica puntos clave en la evolución del genoma.

Cabe destacar que un gran número de secuencias de 100 kilobases en el genoma del maíz presentan variabilidad debido a la presencia o ausencia de retrotransposones. Sin embargo, dado que el maíz es genéticamente inusual en comparación con otras plantas, no puede utilizarse para predecir la retrotransposición en otras especies vegetales.

Las mutaciones causadas por retrotransposones incluyen:

• inactivación genética
• Modificación de la regulación genética
• Productos genéticos cambiantes
• Actuando como sitios de reparación del ADN

• Variación del número de copias
• Organización genómica
• Secuencias de inserción
• Repetición intercalada
• Paleogenética
• Paleovirología
• RetroOryza
• Los marcadores de retrotransposones constituyen un método eficaz para reconstruir filogenias.
• Silenciamiento de retrotransposones
• transposón Tn3
• Transposón
• Retron