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Al contrario de lo que se describe típicamente en los libros de texto de biología, las bacterias y las arqueas pueden tener transcripciones en direcciones opuestas en el genoma Esto ocurre gracias a los promotores bidireccionales de las secuencias de ADN donde las polimerasas de ARN pueden subirse y viajar en un sentido u otro para producir transcritos de ARNm. Dichos promotores no ocurren raramente: el 19 por ciento de todos los sitios de inicio de transcripción (TSS) en Escherichia coli están asociados con un promotor bidireccional, según un estudio publicado el 6 de mayo en Nature Microbiology .
Nos sorprendió mucho, dice la coautora del estudio Emily Warman, posdoctorado en microbiología molecular en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido. Si bien investigaciones anteriores habían descrito promotores bidireccionales en eucariotas, así como en algunas especies de bacterias y arqueas, el nuevo estudio establece la transcripción divergente (la lectura de genes en ambas direcciones) como una característica generalizada conservada en los tres dominios de la vida.
Promotores bidireccionales en biología
En las células eucariotas, el ADN se enrolla alrededor de las proteínas histonas y se empaqueta en la cromatina. Los tramos de ADN que no están fuertemente enrollados son accesibles para la ARN polimerasa y otras proteínas necesarias para la transcripción. En algunos casos, estas regiones contienen dos TSS, uno en cada cadena de ADN, orientados en direcciones opuestas; estos TSS pueden estar separados por cientos o miles de pares de bases. Los científicos han identificado estos tipos de promotores bidireccionales en una variedad de células eucariotas, desde levaduras hasta macrófagos de ratón.
Las bacterias no tienen histonas. Pero algunos tienen proteína estructurante de nucleoide similar a histonas (H-NS), que se une al ADN y ayuda a plegar los cromosomas bacterianos. En un estudio de 2014 publicado en Genes & Desarrollo, los investigadores encontraron que en E. coli, H-NS suprime los promotores captados a través de la transferencia horizontal de genes, que es la transmisión de material genético entre organismos fuera de la reproducción. Curiosamente, notaron que muchos de los promotores suprimidos por H-NS eran para ARN no codificantes y estaban ubicados en medio de otros genes.
Uno de los primeros trabajos de Warman cuando era estudiante de doctorado en el laboratorio de David Graingers Birmingham iba a caracterizar la actividad de esos promotores insertándolos frente a un gen informador en un plásmido y midiendo la expresión génica resultante. Mucha de la información que teníamos sobre estas regiones no nos decía en qué dirección se ejecutaría la transcripción, dice ella. Para cubrir todas nuestras bases, estaba tomando todas estas regiones y las estaba colocando en ambos sentidos. Sorprendentemente, muchos de los fragmentos del promotor produjeron actividad en cualquier orientación, lo que significa que el mismo segmento de ADN podría impulsar la transcripción en ambas direcciones.
Para explorar si los promotores bidireccionales eran comunes en todo el E. coli, el equipo analizó conjuntos de datos obtenidos previamente que mapeaban los SST. Encontraron 5.292 TSS divergentes, que estaban separados entre 7 y 25 pares de bases pero en diferentes hebras de ADN. Estos pares de TSS representaron el 19 por ciento de todos los TSS en E. coli. La distancia más común entre los sitios fue de 18 pares de bases, mucho más cerca que las distancias observadas en las células eucariotas. Este espaciado cercano posiciona los elementos promotores, secuencias de ADN que son críticas para el reclutamiento de la ARN polimerasa, uno frente al otro en las dos cadenas de ADN. Por lo tanto, los autores proponen que la ARN polimerasa puede unir la misma sección de ADN en dos orientaciones diferentes y proceder a iniciar la transcripción en cualquier dirección.
Los promotores bidireccionales incluyen dos sitios de inicio transcripcional (TSS) muy próximos, uno en cada hebra de ADN. Estos sitios están aguas arriba de las regiones codificantes de genes. Los investigadores descubrieron que en E. coli, estos TSS suelen estar separados por 18 pares de bases, una distancia que coloca los elementos promotores necesarios para el reclutamiento de la ARN polimerasa uno frente al otro en las dos cadenas de ADN. El personal de The Scientist
Luego examinaron los TSS de más especies de bacterias y descubrieron que abundaban los pares divergentes. En las proteobacterias y las actinobacterias, los pares de TSS solían estar separados por 18 o 19 pares de bases. El equipo también analizó los mapas de TSS publicados anteriormente para dos especies de arqueas y descubrió muchos pares de TSS divergentes.
La transcripción bidireccional también es una característica de la transcripción eucariota, pero lo más importante es que este artículo muestra que el mecanismo en las bacterias es diferente al mecanismo en los eucariotas, Seth Darst, biofísico de la Universidad Rockefeller que no participó en el estudio, le dice a El Científico por correo electrónico.
En un estudio de 2018 publicado en BMC Genomics, los investigadores informaron un hallazgo similar en Pseudomonas aeruginosa, un patógeno que causa infecciones en humanos. Encontraron 105 pares de TSS en hebras opuestas, separados exactamente por 18 pares de bases. , bioquímico de la Universidad Simon Fraser en Columbia Británica y coautor del estudio de 2018. Aparentemente, están en todas partes en las bacterias y las arqueas, lo que es realmente genial.
Regulación génica bidireccional
Los autores proponen que los promotores bidireccionales podrían permitir la regulación coordinada de genes que se ejecutan en direcciones opuestas. . Por ejemplo, los factores de transcripción que se unen a una región promotora podrían modular la expresión de dos genes adyacentes simultáneamente. Estos detalles moleculares de esta y otras posibles formas de regulación dependiente del ARN siguen siendo preguntas abiertas, dice Unrau.
En un estudio de 2019 publicado en Nature Microbiology, Shixin Liu, un biofísico de la Universidad Rockefeller y sus colegas hicieron un descubrimiento complementario sobre la transcripción en E. coli: algunos genes convergentes que corren uno hacia el otro comparten un terminador de transcripción bidireccional.
Las bacterias tienen genomas relativamente compactos, dice Liu. Estos [elementos bidireccionales] parecen ser una forma de codificar funciones reguladoras más sofisticadas en sus pequeños genomas, de modo que un promotor pueda controlar dos genes divergentes, o un terminador pueda controlar simultáneamente dos genes convergentes.
La prevalencia de promotores bidireccionales podría ser notable para las aplicaciones biotecnológicas, donde los científicos pretenden utilizar promotores eficientes para generar productos genéticos, dice Warman. Creo que es algo que cualquiera que esté interesado en la expresión génica debe tener en cuenta.