MADRID, 27 Mar. (EUROPA PRESS) -
Investigadores de la Universidad de Tokio han descubierto más detalles sobre los pequeños defensores que aseguran la fertilidad al proteger los genomas de células especializadas llamadas células germinales, que producen óvulos y espermatozoides. El complejo sistema se estudió utilizando una opción innovadora de material de investigación y colaboración interdisciplinaria.
Los pequeños defensores del genoma están hechos de hebras cortas de ARN, el primo molecular del ADN, llamado piRNA.
"Estamos interesados en cómo se fabrican los piRNA porque estas moléculas son parte de una vía fundamental que los animales, desde los insectos hasta los humanos, usan para defender sus genomas de células germinales. Sabemos que el piRNA es esencial para la fertilidad y también está implicado en algunos tipos de cáncer", explica el profesor Yukihide Tomari, líder del equipo de investigación del Instituto de Biociencias Cuantitativas de la Universidad de Tokio.
Aunque los investigadores reconocen su importancia fundamental, múltiples desafíos han hecho que estudiar piRNA sea lento y difícil.
El equipo de UTokyo ha revelado que una proteína llamada Zucchini procesa el piRNA de una forma larga inmadura a una forma intermedia más corta. Ese piRNA intermedio es luego madurado en una forma funcional por otra proteína llamada Trimmer. Además, la secuencia de ARN que Zucchini reconoce como su señal para cortar piRNA inmaduro largo es más compleja de lo que se pensaba anteriormente.
Los investigadores comenzaron modificando genéticamente las células de ovario del gusano de seda para que no pudieran completar el paso final de maduración de piRNA por Trimmer, dejando a las células con mucho pre-piRNA intermedio para estudiar.
"La obtención de las células completamente modificadas fue un gran desafío técnico por no saber cuál era un efecto genuino de cambiar la vía del piRNA y qué podría ser un efecto secundario accidental de la modificación genética", admite el investigador asociado Natsuko Izumi, bioquímico y coprimer autor.
Informes anteriores de otros grupos desdibujaron el papel de la proteína Zucchini, una controversia que Tomari atribuye a la dificultad intrínseca de estudiar la vía de producción de piRNA fuera del contexto celular completo. De hecho, tanto Zucchini como Trimmer se sientan en la superficie de las "fábricas de energía" de las células, las mitocondrias, pero las proteínas pierden sus características originales una vez que se purifican.
El método innovador del equipo de UTokyo reveló que, de hecho, el Zucchini corta el ARNip largo inmaduro y lo convierte en pre-ARNip intermedio. Además, los investigadores descubrieron cómo Zucchini reconoce dónde cortar las cadenas de ARN.
"La secuenciación de la próxima generación puede producir una gran cantidad de datos, pero como una mezcla de señales significativas y ruido aleatorio. La tarea más difícil fue limpiar el conjunto de datos y organizarlo en una hipótesis que sea experimentalmente comprobable", explica el investigador asociado Keisuke Shoji, especialista en bioinformática y primer coautor del documento de investigación.
Después del análisis, Shoji identificó un nuevo motivo en las secuencias de ARN donde Zucchini prefiere cortar una cadena de ARN inmadura.
"Nos sorprendió saber que la firma de secuencia simple que se creía que era el sello distintivo del reconocimiento de Zucchini, de hecho, no es esencial, pero Zucchini prefiere un motivo mucho más complejo. Nos imaginamos que la ruta de piRNA es tan complicada porque piRNA es esencial para defender el genoma contra diversas secuencias de invasores y proteger la fertilidad: las células necesitan un sistema de defensa flexible y robusto", reconoce Tomari.
Históricamente, los investigadores han luchado por recoger suficiente material para estudiar la ruta del piRNA porque generalmente solo está activa en las células germinales. "Lo hemos hecho en el pasado, pero disecar los ovarios de los insectos es una tarea difícil", asegura Tomari.
La primera innovación se produjo en 2009 cuando el estudiante de posgrado Shinpei Kawaoka y el profesor asociado Susumu Katsuma del Departamento de Biología Agrícola y Ambiental de UTokyo detectaron la producción continua de piRNA en células tomadas del ovario de un gusano de seda y cultivadas en una placa de laboratorio.
Sin embargo, los nuevos descubrimientos sobre piRNA todavía se basaron solo en análisis genéticos, no en la observación directa de las moléculas involucradas en la producción de piRNA. La técnica normal de romper las células y analizar la porción líquida liviana "limpia" reveló solo que la ruta del piRNA no está activa allí.
En 2011, el equipo de investigación de Tomari junto con Kawaoka, quien ahora lidera su propio grupo de investigación en la Universidad de Kyoto, y Katsuma hicieron su segunda innovación. "Fue fortuito", recuerda Tomari.
Como nada más funcionaba, Kawaoka intentó analizar la porción de células que normalmente se desecha en bioquímica, a lo que Tomari se refiere como el "granulado crudo y sucio" hecho de todos los sólidos que quedan después de que las células se rompen. "Para los biólogos modernos, esto puede parecer una idea loca, pero este enfoque es la clave de nuestros estudios", admite Tomari.
Luego, en 2016, Izumi separó cuidadosamente diferentes componentes en el sedimento de células y descubrió que las actividades de procesamiento de piRNA residen en la superficie mitocondrial, lo que los llevó a descubrir la identidad largamente buscada de la enzima Trimmer.
Desde el desarrollo de estas innovaciones, el equipo de investigación ha trabajado para definir la ruta de producción de piRNA en detalle y planea continuar caracterizando las etapas anteriores y posteriores de la ruta de piRNA.
