Las pruebas de Purdue arrojan luz sobre las etapas clave del desarrollo de los mamíferos

Isaiah Mensah (izquierda), estudiante de doctorado en bioquímica de la Universidad Purdue, y Humaira Gowher, profesora asociada de bioquímica, y sus colaboradores han publicado nuevos conocimientos sobre el desarrollo embrionario de los mamíferos. (Foto de Purdue Agriculture Communications/Tom Campbell)

WEST LAFAYETTE, Indiana – Un equipo de investigación de la Universidad Purdue ha revelado nuevos detalles complejos sobre la función de una proteína clave compartida por los mamíferos, incluidos los humanos. Muchos cánceres se producen cuando esta proteína ADN metiltransferasa falla.

Los hallazgos, de un estudio dirigido por un becario postdoctoral y un estudiante de posgrado, también incluyen contribuciones de cinco estudiantes universitarios y aparecieron en la revista Cell Reports. Los resultados muestran, por primera vez, el mecanismo por el cual un tipo específico de ARN regula la expresión de un gen crítico de la ADN metiltransferasa, Dnmt3b.

"La regulación de la metilación del ADN es el núcleo de muchas enfermedades", afirmó Humaira Gowher, profesora asociada de bioquímica. Pero en condiciones normales, la metilación del ADN, catalizada por Dnmt3b, desempeña un papel importante en la forma en que las células jóvenes y no formadas de los mamíferos se dividen y se desarrollan en células más especializadas. La metilación del ADN también regula el proceso epigenético que evita la codificación genética al transmitir rasgos seleccionados a la descendencia de los mamíferos.

"En este artículo mostramos cómo la ADN metiltransferasa, Dnmt3b, se expresa de manera precisa y restrictiva durante el desarrollo temprano y luego se desactiva", dijo Gowher.

Un mal funcionamiento en Dnmt3b tiene una posible relación con el comportamiento de las células cancerosas. Esto se debe a que ciertas condiciones causan una metilación anormal del ADN. Y los cambios en la metilación del ADN se han convertido en biomarcadores críticos para la detección del cáncer, anotó.

En una larga, cuidadosa y variada serie de experimentos, el equipo de Gowher rastreó la ubicación y el momento de la expresión de Dnmt3b para determinar el mecanismo que la controla utilizando células madre embrionarias de ratón como modelo de desarrollo. Las células madre, que se encuentran sólo en embriones en etapa temprana, pueden convertirse en cualquier otro tipo de célula que se encuentre en el cuerpo.

Los experimentos revelaron una interacción de varias moléculas reguladoras. El equipo descubrió que después de que el ARN no codificante crea un entorno abierto en el promotor del gen, donde comienza toda la acción, también entrega la proteína de empalme hnRNPL a la locomotora de transcripción del gen, ARN Pol II. Este último lleva a la proteína de empalme a su lugar de trabajo molecular, que está más lejos del promotor en el cuerpo del gen.

"Los ARN no codificantes tienen la capacidad de unirse a factores de empalme. Pueden llevar este factor de empalme a la ARN polimerasa en el promotor, y la polimerasa lo ayudará", dijo Gowher.

Los resultados ayudaron a demostrar que dos procesos genéticos (la transcripción y el empalme alternativo) sirven como controles duales para ajustar las diferentes formas de Dnmt3b, dijo Mohd Saleem Dar, autor principal del artículo de Cell Reports. En la transcripción, el ARN copia una secuencia de ADN para ayudar en la producción de proteínas celulares. Y mediante empalme alternativo, un gen puede combinar cientos de secuencias de ADN para producir proteínas de diferentes maneras.

"Cuando diferencié estas células madre embrionarias de ratón y verifiqué la expresión de Dnmt3b, vi que era inducida", dijo Dar, ahora científico de los Institutos Nacionales de Salud. En su estado inducido, Dnmt3b desencadena el desarrollo celular. "Y con esa inducción, vimos empalmes", dijo.

Dar también exploró la relación entre el empalme alternativo y el estado de expresión de Dnmt3b.

"Es necesario mostrar la imagen completa del empalme alternativo de Dnmt3b durante sus estados de expresión baja y alta", dijo Gowher. Cuando Dar examinó el empalme alternativo del estado de baja expresión, notó que la elección de empalme alternativo daba como resultado la proteína Dnmt3b, que no tiene actividad enzimática. Sin embargo, en un estado de expresión elevado, el corte y empalme alternativo cambió, lo que dio como resultado la expresión de la proteína enzimáticamente activa.

"Este mecanismo podría tener múltiples funciones, incluida la prevención del deterioro del desarrollo debido a una metilación espuria del ADN en una etapa temprana", dijo.

El estudio demostró que en las células madre embrionarias, Dnmt3bas suministra proteínas que mantienen el promotor del gen Dnmt3b en un estado "preparado" para recibir señales de activación durante la diferenciación. En el promotor activado, Dnmt3bas también administra proteínas de empalme que se unen a Pol II, coordinando así la expresión génica con el empalme alternativo.

Los cinco coautores universitarios fueron las recién graduadas Hannah Whitlock y Nina Bippus, junto con Madison Ceminsky, Martin Emerson y Hern Tan. Proporcionaron una valiosa ayuda a Dar y a los coautores Isaiah Mensah y Sarah McGovern, ambos estudiantes de posgrado en bioquímica.

Otros coautores incluyeron al investigador asociado Ming He; Ikjot Singh Sohal, investigador asociado postdoctoral en el Instituto de Investigación del Cáncer de Purdue; y Mark Hall, profesor asociado de bioquímica.

La Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Purdue para la Investigación del Cáncer financiaron este proyecto.