Com evoluciona el genoma de les espècies? El paper clau de l'estructura 3D de les cèl·lules germinals masculines
Un estudi liderat per la UAB i la Universitat de Kent mostra com l'estructura tridimensional del genoma de les cèl·lules germinals masculines està implicada en l'evolució dels genomes de les espècies. Publicat a Nature Communications i realitzat en espècies de rosegadors, mostra que els esdeveniments cromosòmics que ocorren durant la formació d'òvuls i espermatozoides tenen un impacte diferent en l'evolució del genoma i obre noves vies de recerca sobre l'origen genètic de l'estructura del genoma en tots els organismes.
11/05/2022
Tradicionalment, l'estudi de genomes de diferents espècies de mamífers ha mostrat que, tot i que totes les espècies tenen un catàleg molt similar de gens, aquests poden estar ordenats de manera diferent per a cada espècie, i poden activar-se i desactivar-se de diversa forma. Aquests reordenaments cromosòmics poden afectar la funció i la regulació gènica i també contribueixen a definir la identitat de les espècies. Fins ara, es desconeixia en gran mesura l'origen d'aquests reordenaments cromosòmics: on (en quins tipus de cèl·lules) i quan (durant el desenvolupament) poden sorgir? Són un resultat de la reordenació dels gens entre les còpies cromosòmiques durant la meiosi, el procés cel·lular per produir gàmetes (ovòcits i espermatozoides), o ocorren en alguna altra etapa del cicle vital?
Un estudi dirigit per científics de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i de la Universitat de Kent mostra que la formació de les cèl·lules germinals masculines és clau per determinar quines regions del genoma es reorganitzen dins i entre els cromosomes durant l'evolució. En concret, els reordenaments cromosòmics heretats estan associats a processos físics i bioquímics específics de les etapes finals de la producció dels gàmetes masculins, un cop completades les divisions cel·lulars meiòtiques.
La seqüència total d'ADN o genoma d'un individu està empaquetada en una estructura tridimensional (3D) dinàmica específicament adaptada, la cromatina, dins del nucli de les cèl·lules. Aquesta disposició determina quins gens "s’activen" i quins es "desactiven" en cada tipus cel·lular i també té lloc en els gàmetes. Els ovòcits i espermatozoides es generen en qualsevol organisme amb reproducció sexual mitjançant la meiosi. Aquest procés implica una ronda de replicació del genoma seguida de dues divisions cel·lulars consecutives amb la finalitat de generar cèl·lules haploides (els gàmetes), que porten una sola còpia de cada cromosoma. Durant la meiosi, els gens es "barregen" entre les còpies cromosòmiques heretades de la mare i del pare, un procés conegut com a recombinació meiòtica. Aquests complexos esdeveniments tenen lloc mentre el genoma s'empaqueta d'una manera altament precisa i regulada.
"El nostre estudi mostra que la dinàmica de la remodelació de la cromatina durant la formació dels gàmetes masculins és fonamental per entendre quines regions del genoma se situen a prop les unes de les altres dins del nucli i, per tant, és més probable que estiguin implicades en els reordenaments cromosòmics en diferents moments al llarg de l'espermatogènesi", explica la Dra. Aurora Ruiz-Herrera, professora agregada del Departament de Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia i investigadora de l'Institut de Biotecnologia i Biomedicina (IBB) de la UAB.
“Desxifrant” els reordenaments del genoma en rosegadors
Per estudiar detalladament l'evolució del genoma, l'equip va comparar els genomes de 13 espècies diferents de rosegadors i va “desxifrar” els reordenaments que els distingeixen. "Aquest estudi ens ha permès elaborar la configuració del genoma de l'ancestre comú dels rosegadors i determinar la ubicació de les regions genòmiques que participen en els reordenaments", explica la Dra. Marta Farré, professora de Genòmica en la Facultat de Biociències de la Universitat de Kent i codirectora de l'estudi.
"Sorprenentment, les regions genòmiques que participen en els reordenaments se solen activar en les últimes etapes de l'espermatogènesi, quan les cèl·lules germinals masculines en desenvolupament es denominen espermàtides. Descobrim que els reordenaments evolutius es produeixen en regions genòmiques es troben físicament a prop unes d'altres en el nucli d'aquestes cèl·lules", afirma el Dr. Peter Ellis, professor titular de Genètica Molecular i Reproducció a l'Escola de Biociències de la Universitat de Kent i codirector de l'estudi.
A més, les regions genòmiques que participen en els reordenaments evolutius no es troben associades amb punts calents de recombinació meiòtica, la qual cosa indica que el més probable és que aquests reordenaments no ocorrin durant la meiosi. En canvi es van correlacionar amb la localització de danys en l'ADN en etapes més avançades del procés, en les espermàtides.
“Mostrem que les espermàtides conserven una "memòria" de configuracions genòmiques anteriors. Hi ha regions de l'ADN que solien formar part d'un sol cromosoma en l'ancestre dels rosegadors però que ara es troben en cromosomes diferents al genoma del ratolí i, no obstant això, continuen en contacte físic dins del nucli dels espermatozoides en desenvolupament (les espermàtides)", afirma la Dra. Marta Farré.
Les espermàtides són cèl·lules que es troben en la fase final del desenvolupament dels espermatozoides, una vegada finalitzada la divisió cel·lular, i els esdeveniments que es produeixen durant aquest procés són específics dels mascles. Això comporta la sorprenent implicació que mascles i femelles no són iguals quant al seu impacte en l'evolució del genoma. "De tots els reordenaments que distingeixen un ratolí d'una rata, un esquirol o un conill, la majoria semblen haver sorgit en una cèl·lula espermatozoide i no en un òvul. Al meu entendre, això demostra que la línia germinal masculina és el motor general de l'evolució estructural del genoma", contínua el Dr. Ellis.
Diferents tipus cel·lulars durant la formació dels espermatozoides. Imatge: Lucía Álvarez i Covadonga Vara.
Per què en cèl·lules germinals masculines?
Els autors proposen que els esdeveniments diferencials que tenen lloc durant la formació d'òvuls i espermatozoides podrien explicar els resultats. Els espermatozoides pateixen un procés de compactació de l'ADN per adaptar-se a un volum cel·lular molt petit, situat al cap, cosa que no passa en els òvuls (una cèl·lula més gran en comparació). Aquesta compactació pot provocar trencaments en l'ADN, que solen reparar-se mitjançant un mecanisme que pot generar errors. Alguns d'aquests errors poden resultar en reordenaments genòmics, la qual cosa explicaria que el procés de formació dels espermatozoides sigui un factor crític en l'evolució del genoma de les espècies.
Un aspecte encara poc conegut és per què algunes espècies tenen genomes molt estables amb pocs reordenaments, mentre que d’altres han patit múltiples canvis cromosòmics. "El nostre treball suggereix que la recerca de la línia germinal pot ajudar-nos a resoldre aquest misteri: determinar quines regions genòmiques es veuen afectades i en quin moment durant la formació dels espermatozoides", explica la Dra. Ruiz-Herrera.
Tot i que l'estudi s'ha realitzat en rosegadors, l'espermatogènesi és un procés molt conservat i, per tant, és probable que aquest principi s'apliqui a altres espècies, assenyalen els investigadors.
En l'estudi liderat per la UAB i la Universitat de Kent han participat també els equips de recerca de l'Institut de Recerca contra la Leucèmia Josep Carreras (IJC) i de Sequentia Biotech. Per part de la UAB, a més d'Aurora Ruiz-Herrera, també hi han participat Lucía Álvarez-González, Laia Marín-Gual, Cristina Marín-García i Albert Gubern.
Article: Alvarez-González et al. 3D chromatin remodelling in the germ line modulates genome evolutionary plasticity. Nature Communications (May 2022), https://doi.org/10.1038/s41467-022-30296-6