ElDiseño: ADN Basura

Aumenta la sorpresa por la importancia de porciones del genoma antes descartadas

Hemos observado a menudo como el derrumbe del concepto del ADN basura cumple las predicciones de la tesis de un diseño inteligente a la vez que refuta el darwinismo. Bajo riesgo de ser repetitivos, es importante seguir informando de las últimas investigaciones, para beneficio de los que se siguen resistiendo.

En el pasado, hemos visto demostración indirecta de función, al descubrir que grandes porciones de ADN no codificante son de cierto transcritas, como se demuestra en el proyecto ENCODE. Pruebas indirectas adicionales han salido a la luz con experimentos de bloqueo de genes de regiones no codificantes que perjudican o matan el organismo. En unos pocos casos, se ha conseguido prueba directa de función al analizar el papel de ciertas transcripciones de ARN de ADN no codificante. Aquí tenemos otros dos ejemplos de prueba indirecta y directa.

Prueba indirecta: No variemos las repeticiones

Un comunicado de la Universidad Duke anuncia: «La variación en el ADN “basura” lleva a estragos». Estragos, desde luego: «genomas inestables, cáncer, y otros defectos». Esto es lo que descubrieron que puede suceder cuando se realizan cambios en las secuencias repetitivas aparentemente carentes de valor alrededor de los centrómeros. Pero observemos primeramente el cambio de perspectiva:

Aunque las variantes están esparcidas por todo el genoma, los científicos han ignorado generalmente las secuencias de código genético repetitivo que se había designado con desdén como ADN «basura» en su búsqueda de diferencias que tengan influencia en la salud y patologías humanas.

Un nuevo estudio expone que la variación en estas regiones repetitivas pasadas por alto puede también afectar a la salud humana. Esas regiones pueden afectar la estabilidad del genoma y la función apropiada de los cromosomas que empaquetan el material genético, llevando a un riesgo aumentado de cáncer, de defectos de nacimiento y de infertilidad. Los resultados aparecen en línea en la revista Genome Research.

«La variación no es sólo importante para cómo funcionan los genes y las proteínas, pero puede también ocurrir en las porciones no codificantes, repetitivas, del genoma», decía Beth A. Sullivan, Ph.D., autora principal del estudio y profesora asociada de biología molecular y de microbiología en la Facultad de Medicina de la Universidad Duke.

«Lo que descubrimos en este estudio es probablemente la punta del iceberg», decía Sullivan. «Podría haber toda clase de consecuencias funcionales de la incidencia de variaciones dentro de la compleja porción repetitiva del genoma de las que todavía no sabemos nada.» [Énfasis añadido.]

Los centrómeros son los puntos de unión donde se conectan los dos cromosomas. Asociada con los centrómeros hay una región de «ADN satélite» que parece monótona — «bloques de exactamente 171 As, Cs, Ts y Gs, repetidos una y otra vez a lo largo de millones de pares de bases». Aparentemente, esta región actúa como una plataforma de aterrizaje para el centrómero. Pero Sullivan descubrió que algunos cromosomas tienen más que una región de estas. En algunos individuos, el centrómero se puede formar en cualquiera de ambos puntos. Sullivan quería aprender acerca de esta diferencia: ¿es un punto mejor que el otro?

La respuesta parece ser sí, al menos para el cromosoma 17 que ella estudió. Un sitio es el primario, el otro es el de respaldo. Si el sitio primario presenta una variación, la célula puede usar el sitio de respaldo para el centrómero. Pero el sitio de respaldo no es tan bueno, según anuncia el comunicado.

La mayor parte de las veces, los centrómeros no son construidos en el sitio primario si contiene alguna variación, y en su lugar se ensamblan en el sitio «de respaldo» cercano. Pero cuando eso sucede, el resultado puede ser un centrómero disfuncional arquitectónicamente deficiente y un cromosoma inestable que puede estar presente en demasiadas o demasiado pocas copias.

«Es sumamente fascinante pensar que hay tantas personas andando alrededor que son esencialmente mosaicos de centrómeros», seguía Sullivan. «Uno de sus centrómeros, o uno de sus cromosomas, tiene el potencial de ser peligrosamente inestable, y podría afectar a sus capacidades reproductivas, o predisponerlos al cáncer.»

Esto, así, constituye un ejemplo de una prueba indirecta de funcionalidad. Lo que parece un tramo inútil de ADN repetitivo no puede tolerar demasiada variación. El Resumen en la revista Genome Research recapitula el descubrimiento:

Nuestro estudio demuestra que la variación genómica dentro de ADN no codificante altamente repetitivode regiones centroméricas humanas tiene un pronunciado impacto sobre la estabilidad del genoma y sobre la función cromosómica básica.

Como ella había dicho, este descubrimiento específico es probablemente la «punta del iceberg» de futuros descubrimientos similares. No se deberían descartar otras porciones «complejas, repetitivas» del genoma; la búsqueda está en marcha para adicionales funciones en esta pretendida basura. Y ahora, ¿quiénes eran los que frenaban la investigación científica? Los que «han ignorado generalmente las secuencias de código genético repetitivo que se había designado con desdén como ADN “basura”».

Prueba directa: Atisbos de un lncRNA multifuncional

Los ARNs largos no codificantes (lncRNAs) solían ser descartados al montón de basura genética. Como ya hemos visto antes, pueden ser indispensables. El año pasado examinamos brevemente un lncRNA específico llamado Xist,involucrado en el silenciado del cromosoma X en la hembra (esto es, sólo un cromosoma X puede estar activo a la vez, de modo que el otro debe ser desactivado). Ha salido a luz más información acerca de la estructura y función de este lncRNA. Un nuevo artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dice lo siguiente acerca de la existencia funcional del Xist:

Los ARNs largos no codificantes (lncRNAs) son unos importantes reguladores de la expresión génica, pero sus características estructurales son mayormente desconocidas. Usamos un sondeo químico selectivo respecto a las estructuras para examinar la estructura del lncRNA Xist en las células vivas, y descubrimos queel ARN adopta unas estructuras bien definidas y complejas en toda su longitud de 18 kb. Al examinar en busca de cambios en la reactividad inducida por el medio celular, pudimos identificar numerosos centros previamente desconocidos de interacción proteínica. También descubrimos que la estructura del Xistrige interacciones proteínicas específicas en múltiples y distintas maneras. Nuestros resultados nos proporcionan un contexto estructural detallado para la función del Xist y establecen un fundamento para comprender las relaciones de estructura y función en todos los lncRNAs.

Por tanto, el actual estudio es otro caso de «punta del iceberg» que tiene implicaciones para todos los lncRNAs. En este caso, los investigadores de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill identificaron «unos dominios estructurales secundarios complejos y bien definidos» en esta molécula de ARN de 18.000 bases que están relacionados con funciones específicas.

La estructura del ARN Xist modula interacciones proteínicas en las células mediante mecanismos múltiples. Por ejemplo, los elementos contenedores de repeticiones adoptan estructuras accesibles y dinámicas que funcionan como plataformas de aterrizaje para cofactores proteínicos. Motivos estructurados de ARN generan dominios de interacciones para proteínas específicas y también secuestran otros motivos, de modo que sólo un subconjunto de sitios potenciales de unión forma interacciones estables.Este trabajo crea un amplio marco cuantitativo para comprender las interrelaciones de estructura y función para el Xist y otros lncRNAs en células.

Una plataforma de aterrizaje tiene una función, ¿no? Pensemos en la pista de aterrizaje de un aeropuerto con todas las líneas repetitivas en el centro. Esas repeticiones tienen un propósito, como también lo tienen en Xist. Los cofactores proteínicos las buscan para aterrizar allá. Otras proteínas buscan sitios para realizar acciones, como las marcas en el suelo de un escenario para indicar a los actores a qué lugar deben ir.

Este ARN, que había sido considerado basura porque no codifica proteínas, ha sido elevado a la categoría de regulador de múltiples e importantes funciones. Su forma dice a otras proteínas dónde deben aterrizar, dónde deben interaccionar, y qué lugares deben evitar. Esta forma está determinada por el ADN no codificante que confiere unas estructuras precisas al lncRNA. «Toda una mitad del lncRNA del Xist forma motivos estructurales bien definidos», dicen los autores. ¿Quiere alguien apostar acerca de que la otra mitad resultará igual de vital?

Los autores creen que sus descubrimientos dan comienzo a una caza del tesoro, llevando a adicionales investigaciones de las funciones en la estructura de los lncRNAs. O, para tomar prestada otra de sus metáforas, es hora de escuchar qué música está tocando la orquesta.

Los dominios estructurados y no estructurados aquí identificados definen mapas que se espera que sean de gran valor para guiar las investigaciones de los mecanismos por los que los elementos del Xistcontribuyen a la desactivación del cromosoma X. El Xist y otras transcripciones del lncRNA pueden extenderse en varias kilobases para coordinar interacciones proteína-dominio de largo alcance (Figs. 3 y 4) que en último término posibilitan la orquestación de la regulación epigenética en escalas de kilobases hasta megabases. Es probable que muchos lncRNAs compartan características de las que aquí se han identificado para Xist, incluyendo características estructurales secundarias densamente dispuestas,múltiples modos distintivos de interacciones proteínicas, y la capacidad de servir como organizadores multidominio de la función celular.

Sí, hay función en aquella pretendida basura; hay una regulación orquestada ... que es música para nuestros oídos.

Cae otro icono evolutivo: los datos de ENCODE sugieren que los retrovirus endógenos son funcionales

Recientemente, un lector nos envió un correo preguntando cómo responder al argumento de que algunos retrovirus endógenos (ERVs) parecen corresponderse con la filogenia estándar de los primates superiores, lo que daría soporte a la descendencia común. Se cree que los retrovirus endógenos son secuencias basura parásitas en nuestro genoma que han derivado de ADN vírico. Los evolucionistas los citan con frecuencia como supuesta evidencia de descendencia común. El lector preguntaba cuántos ERVs son compartidos entre humanos y simios

Esas son buenas preguntas. Los ERVs son un favorito de los defensores del darwinismo —hasta tal punto que una activista particularmente combativa, Abbie Smith, bautizó su popular blog de ciencia con esta apelación: «ERV».

Como respuesta, le sugerí que, al analizar la descendencia común, está comenzando a parecer que la cantidad de ERVs compartidos por humanos y chimpancés no es una cuestión muy importante. Una suposición en esta cuestión (y en los argumentos de los que defienden la descendencia común) es que los ERVs son una especie de ADN «basura» sin función. Así, si simios y humanos comparten ERVs en la misma posición en nuestros genomas, esto contaría aparentemente como prueba de descendencia común. Pero, ¿y qué sucede si los ERVs no son basura? ¿Qué sucede si son un tipo de ADN funcional? En tal caso, los ERVs compartidos podrían explicarse fácilmente como componentes de un diseño común en lugar de por descendencia común, y ya no podrían usarse como un argumento especial en favor de una descendencia común.

De hecho, hay claras pruebas de que los ERVs como clase de ADN son funcionales. Un artículo en 2013 en PLOS Genetics que usaba datos de ENCODE comunicaba que hay unos grandes porcentajes de retrovirus endógenos en el genoma humano asociados con cromatina abierta —un claro indicio de transcripción— y que son transcritos de manera no aleatoria, lo que sugiere algún rol funcional:

Aunque los indicios que van surgiendo sugieren que los elementos transponibles (TEs) han contribuido elementos reguladores novedosos para el genoma humano, su impacto global sobre las redes transcripcionales permanece mayormente sin caracterizar. Aquí exponemos que los TEs han contribuido al genoma humano casi la mitad de sus elementos activos. Usando conjuntos de datos de hipersensibilidad a DNasa I procedentes de ENCODE en células normales, embrionarias y cancerosas, encontramos que el 44% de regiones de cromatina abierta estaban en TEs, y que esta proporción alcanzaba el 63% en regiones primate-específicas. También hemos expuesto que distintas subfamilias de retrovirus endógenos (ERVs) contribuían unas regiones significativamente más accesibles de lo esperado por azar, con hasta un 80% de sus ejemplos en cromatina abierta. En base a esos resultados, caracterizamos adicionalmente 2.150 pares de factores de transcripción de subfamilias que estaban ligados in vivo o enriquecidos para motivos específicos de ligadura, y observamos que los TEs que contribuían a la cromatina abierta tenían unos niveles más elevados de conservación de secuencia. También demostramos que miles de secuencias derivadas de ERVs resultaron activadas específicamente por el tipo de célula, especialmente en el caso de células embrionarias y cancerosas, y demostramos que esta actividad estaba asociada con la expresión específica del tipo celular de genes colindantes. Tomados en conjunto, esos resultados demuestran que los TEs, y de manera concreta los ERVs, han contribuido centenares de miles de novedosos elementos reguladores al linaje de los primates y que han reconformado el paisaje transcripcional humano.

(Pierre-Étienne Jacques, Justin Jeyakani, Guillaume Bourque, «The Majority of Primate-Specific Regulatory Sequences Are Derived from Transposable Elements», PLOS Genetics (9 de mayo de 2013) (énfasis añadido).)

Una vez más, vemos a partir de esto que se encuentra una gran cantidad de ERVs dentro de la cromatina abierta, lo que sugiere intensamente que se transcriben a ARN. Los proponentes del ADN basura responden que esto no es suficiente para probar la existencia de función, porque el ADN transcrito podría estar sencillamente produciendo «ARN basura». Esta es una refutación insustancial. Lo que el artículo dice es que el ARN basado en ERVs fue producido «de una manera específica según el tipo de la célula» y que estaba «asociado con una expresión específica del tipo celular de los genes colindantes». Además comunican que «Se activan miles de secuencias LTR/ERV de una manera específica según el tipo de la célula» y la transcripción de los ERVs es muy enriquecida en comparación con otras partes del genoma:

Por ejemplo, observamos que 1.237 de las 2.337 instancias de repetición del LTR7 (52,9%) (una subfamilia de la clase LTR/ERV) contribuían a la cromatina abierta en la línea H7 de células madre embrionarias (ESC) cuando hubiéramos esperado sólo 60,5 (2,6%). Esto se corresponde con un enriquecimiento 20 veces mayor y es sumamente significativo (p < 1,0E-100). A esas repeticiones las designamos como repeticiones de subfamilias DHS-asociadas (DARs) … aunque las repeticiones LTR/ERV constituyen el 13,5 de las instancias de repeticiones en el genoma, representan el 25,0%, 54,6% y 33% de las instancias de DAR en células normales, embrionarias y cancerosas, respectivamente. … Las repeticiones LTR/ERV han contribuido una fracción desproporcionada de las regiones de cromatina accesibles específicas por tipo de célula especialmente en líneas celulares embrionarias y cancerosas. Esto es interesante, dado que el recableado de la red usando elementos ERVs ya se ha descrito en ESCs [células madres embrionarias] y que se ha expuesto que la potencia de las células madre fluctúa con la actividad de los retrovirus endógenos en ratones. … Finalmente, también comunicamos que las subfamilias repetidas activadas de forma específica al tipo de la célula resultaron también frecuentemente asociadas con una mayor expresión de los genes colindantes.

En otras palabras, los ERVs se están transcribiendo de una manera sumamente no aleatoria que se correlaciona con patrones embriológicos en asociación con otros elementos genéticos funcionales. Esto, decididamente, apunta a una funcionalidad.

Los defensores de la tesis del ADN basura raramente abordan estos datos que muestran que la transcripción no es aleatoria. Por ejemplo, vemos esto en un reciente artículo en Genome Biology and Evolution por Brunet y Doolittle que critica el artículo de PLOS Genetics. Escriben lo siguiente: «Jacques et. al (2013) por ejemplo usaron datos de hipersensibilidad de DNasa I de ENCODE para situar el 80% de los ERVs dentro de cromatina abierta, y TEs en el 63% de regiones primate-específicas». Sin embargo, debido a que no se han encontrado todavía funciones específicas para cada ERV, argumentan que «¡parece prematuro imaginar que se haya encontrado una función para los TEs como clase!»

Su argumento de suponer culpabilidad a no ser que se demuestre la inocencia presupone que los ERVs son por defecto no funcionales. Esto me recuerda al crítico de ENCODE Dan Graur que ha aseverado, «si no conoces una función, supón como hipótesis cero que no tiene función».

Lo peor es que su método ignora la evidencia empírica específica publicada en el artículo de PLOS Genetics, que expone que los ERVs no son meramente transcritos —son transcritos de una manera no aleatoria, enriquecida y específica del tipo celular, lo que se correlaciona con la transcripción de otros elementos genéticos funcionales. Esto es lo contrario a la transcripción aleatoria o estocástica y sugiere intensamente la existencia de función.

Dan Graur comparte el dudoso método de Brunet y Doolittle, tan dependiente de presuposiciones. Mantiene que «la transcripción es fundamentalmente un proceso estocástico [aleatorio]», pero, como ya he explicado antes en una respuesta a los críticos de ENCODE, ENCODE demuestra que la transcripción no es aleatoria:

ENCODE no se limitó a estudiar el genoma para determinar qué elementos del ADN son bioquímicamente activos y elaboran ARN. También estudió patrones de actividad bioquímica, descubriendo patrones sumamente no aleatorios de producción de ARN que indican que esas inmensas cantidades de transcripciones de ARN no son basura. … Los resultados de ENCODE sugieren que el tipo de la célula y su papel funcional en el organismo quedan críticamente influidos por unos complejos patrones cuidadosamente orquestados de la expresión de ARNs en el interior de aquella célula. Como observa Stamatoyannopoulos, ENCODE descubrió que «la mayoría de las regiones de ADN regulador son sumamente selectivas por el tipo de célula», y que «el paisaje genómico queda rápidamente saturado con ADN de regulación según va aumentando la cantidad de tipos de células». Así, como lo explican dos bioquímicos pro-ENCODE, «los asertos de que la transcripción observada representa ruido aleatorio … son más opinión que realidad, y son difíciles de conciliar con la exquisita precisión de la transcripción diferencial célula-específica y tejido-específica en las células humanas».

Los ERVs se ajustan exactamente al mismo patrón, lo que sugiere enérgicamente que son funcionales. Si son funcionales, entonces no proporcionan ninguna clase de evidencia especial en favor de una ascendencia común, incluso si se ajustan a una jerarquía anidada. Aquí está mi perspectiva de cómo la evidencia puede contar en favor o en contra (o ni en favor ni en contra) de una descendencia común:

(1) Semejanza biológica funcional compartida que se ajusta con una jerarquía anidada (esto es., un patrón en forma de árbol): Se explica igual de bien por diseño común o por descendencia común.

(2) Semejanza biológica no funcional compartida que se ajusta con una jerarquía anidada: Con todo el resto en un plano de igualdad, se explica mejor por una descendencia común.

(3) Semejanza biológica funcional compartida que no se ajusta con una jerarquía anidada: Se explica mejor por un diseño común.

Los defensores de la descendencia común querrían convencernos de que las ERVs pertenecen a la categoría (2). Pero los mejores datos ahora sugieren que pertenecen a la categoría (1), lo que derriba otro icono evolutivo. Sin embargo, si los ERVs son funcionales, entonces esto significa que incluso si son «compartidos» y se ajustan con una jerarquía anidada, no necesariamente indican una descendencia, sino que podrían igual de bien reflejar unas restricciones funcionales y un diseño común.