Hace miles de millones de años, a medida que las formas de vida primitivas se volvían más complejas, un componente genético egoísta se convirtió en una especie de colonizador del genoma. Utilizando un mecanismo de copiar y pegar, este pernicioso fragmento de código se replicó y se insertó una y otra vez en una variedad de genomas.
Con el tiempo, todos los organismos eucariotas heredaron el código, incluidos nosotros. De hecho, este antiguo elemento genético escribió aproximadamente un tercio del genoma humano y se consideraba ADN basura hasta hace relativamente poco tiempo.
Este componente genético se conoce como LINE-1, y su intrusión agresiva en el genoma puede causar estragos y provocar mutaciones que causan enfermedades. Una proteína clave llamada ORF2p permite su éxito, lo que significa que comprender la estructura y la mecánica de ORF2p podría iluminar nuevos objetivos terapéuticos potenciales para una variedad de enfermedades.
Ahora, en colaboración con más de una docena de grupos académicos e industriales, los científicos de Rockefeller han representado por primera vez la estructura central de la proteína en alta resolución, revelando una serie de nuevos conocimientos sobre los mecanismos clave que causan enfermedades de LINE-1. Los resultados fueron publicados en Nature .
«El trabajo facilitará el diseño racional de fármacos dirigidos a LINE-1 y puede conducir a nuevas terapias y estrategias para combatir el cáncer, las enfermedades autoinmunes, la neurodegeneración y otras enfermedades del envejecimiento», afirma el autor principal John LaCava, profesor asociado de investigación en la Universidad Rockefeller. .
Compañeros evolutivos
LINE-1 es un retrotransposón, una especie de código genético móvil que traduce el ARN nuevamente en ADN mientras se replica y se escribe en diferentes lugares del genoma de un organismo. Existen diferentes tipos de retrotransposones, incluidos los retrovirus endógenos (ERV), que se parecen al VIH y a la hepatitis B (VHB).
El origen de LINE-1 no está claro, pero tiene una conexión evolutiva con los intrones del grupo II, una clase de elementos móviles antiguos que se remonta a unos 2.500 millones de años. Los retrotransposones como LINE-1 han estado evolucionando con sus organismos huéspedes durante entre 1.000 y 2.000 millones de años.
«Es una batalla continua entre LINE-1 que intenta insertarse y el huésped que protege su propio genoma», dice el coautor Trevor van Eeuwen, becario postdoctoral en el Laboratorio de Biología Celular y Estructural de Rockefeller.
En nuestras células se encuentran millones de fragmentos genéticos derivados de LINE-1. La gran mayoría son reliquias evolutivas inactivas, evidencia de intentos fallidos de secuestrar la maquinaria de replicación. Pero alrededor de 100 LINE-1 están operativos y, por lo general, no son útiles. Una proteína producida por LINE-1, conocida como ORF1p, es producida en masa por las células cancerosas, como lo describe un estudio reciente de LaCava, Michael P. Rout y sus colaboradores.
LaCava y Martin Taylor, del Hospital General de Massachusetts y la Facultad de Medicina de Harvard, han estudiado en colaboración LINE-1 y sus proteínas durante más de una década, pero debido a que ORF2p se expresa de manera tan baja y con poca frecuencia, sigue siendo poco comprendido. «Ha sido muy difícil estudiar LINE-1 porque tiene características muy extrañas», dice LaCava.
«Por ejemplo, tiene un ciclo de replicación inusual y la proteína ORF2p que nadie ha podido capturar. Pero Marty y yo eventualmente llegamos a un punto donde nuestra investigación estaba lo suficientemente madura como para que pudiéramos comenzar a estudiar su estructura».
Taylor realizó avances clave en la purificación del ORF2p de longitud completa, así como una versión «central» más corta que facilita la replicación L1; Estos avances facilitaron los avances que siguieron.
Un mil usos
Utilizando una combinación de cristalografía de rayos X y crio-EM, el equipo de investigación descubrió dos nuevos dominios plegados dentro del núcleo de ORF2p que contribuyen a la capacidad de LINE-1 para hacer copias de sí mismo.
ORF2p tiene adaptaciones estructurales especialmente adecuadas para estos esfuerzos, dice van Eeuwen. Es una especie de proteína polivalente, capaz de encargarse de todo, desde la replicación hasta la inserción. Pero aunque la mayoría de los virus necesitan potencialmente cientos de proteínas transcriptasa inversa para replicarse, ORF2p lo hace todo.
Sin embargo, cuando LINE-1 se activa en el citoplasma, «actúa como un imitador viral. Crea híbridos de ARN:ADN que parecen una infección viral cuando se detectan», señala van Eeuwen. Este mimetismo viral sugiere una posible solución al enigma de cómo ORF2p activa el sistema inmunológico innato, contribuyendo a enfermedades autoinmunes y otras afecciones.
Su investigación encontró que las interacciones con el material genético en el citoplasma activan la vía antiviral cGAS/STING. A su vez, esa vía hace que las células produzcan interferones, estimulando el sistema inmunológico y provocando inflamación, de manera análoga a lo que sucede durante una infección por un virus.
«Su función principal parece ser la de hacer proliferar copias de sí mismo y, a medida que LINE-1 mueve secuencias, existe la posibilidad de que esas secuencias rompan un gen», dice. «Pero también existe la posibilidad de que puedan crear nuevos elementos genéticos o funcionalidades novedosas que sean beneficiosas para el huésped».
El camino por delante
En el futuro, los investigadores intentarán resolver los dos dominios centrales recién descubiertos y comprender sus funciones. Mientras tanto, «nuestra elucidación estructural de ORF2p sienta las bases para futuros estudios necesarios para analizar y mejorar nuestra comprensión del mecanismo de inserción de LINE-1, su evolución y su papel en la enfermedad», afirma van Eeuwen.
También quieren explorar las posibles aplicaciones clínicas de sus hallazgos. Debido a que existe un parentesco entre los retrotransposones y los retrovirus, en el estudio actual probaron tratamientos para los retrovirus VIH y VHB para ver si inhibirían LINE-1. No lo hicieron, lo que sugiere que el diseño de la terapia tendrá que adaptarse a las características únicas de LINE-1.
«El trabajo abre la puerta al diseño racional de fármacos con mejores inhibidores de LINE-1, y esperamos que pronto conduzcan a ensayos clínicos», afirma LaCava.
Y, como añade Rout, «este estudio también subraya el potencial de integrar múltiples tipos de datos (y la experiencia de múltiples laboratorios) para resolver cuestiones biomédicas fundamentales».
Fuente: medicalxpress.com