¿Cómo evoluciona el genoma de las especies? El papel clave de la estructura 3D de las células germinales masculinas

11/05/2022

Tradicionalmente, el estudio de genomas de diferentes especies de mamíferos ha mostrado que, aunque todas las especies tienen un catálogo muy similar de genes, éstos pueden estar ordenados de forma diferente para cada especie y pueden activarse y desactivarse de manera distinta. Estos reordenamientos cromosómicos pueden afectar a la función y la regulación génica y también contribuyen a definir la identidad de las especies. Hasta ahora, se desconocía en gran medida el origen de estos reordenamientos cromosómicos: ¿dónde (en qué tipos de células) y cuándo (durante el desarrollo) pueden surgir? ¿Son un resultado de la reordenación de los genes entre las copias cromosómicas durante la meiosis, el proceso celular para producir gametos (ovocitos y espermatozoides), u ocurren en alguna otra etapa del ciclo vital?

Un estudio dirigido por científicos de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y de la Universidad de Kent muestra que la formación de las células germinales masculinas es clave para determinar qué regiones del genoma se reorganizan dentro y entre los cromosomas durante la evolución. En concreto, los reordenamientos cromosómicos heredados están asociados a procesos físicos y bioquímicos específicos de las etapas finales de la producción de los gametos masculinos, una vez completadas las divisiones celulares meióticas.

La secuencia total de ADN o genoma de un individuo está empaquetada en una estructura tridimensional (3D) dinámica específicamente adaptada, la cromatina, dentro del núcleo de las células. Esta disposición determina qué genes se "activan" y cuáles se "desactivan" en cada tipo celular y también tiene lugar en los gametos. Los ovocitos y espermatozoides se generan en cualquier organismo con reproducción sexual mediante la meiosis. Este proceso implica una ronda de replicación del genoma seguida de dos divisiones celulares consecutivas con la finalidad de generar células haploides (los gametos), que llevan una sola copia de cada cromosoma. Durante la meiosis, los genes se "barajan" entre las copias cromosómicas heredadas de la madre y del padre, un proceso conocido como recombinación meiótica. Estos complejos eventos tienen lugar mientras el genoma se empaqueta de una manera altamente precisa y regulada.

"Nuestro trabajo muestra que la dinámica de la remodelación de la cromatina durante la formación de los gametos masculinos es fundamental para entender qué regiones del genoma se sitúan cerca unas de otras dentro del núcleo y, por tanto, es más probable que estén implicadas en los reordenamientos cromosómicos en diferentes momentos a lo largo de la espermatogénesis", explica la Dra. Aurora Ruiz-Herrera, profesora agregada del Departamento de Biología Celular, Fisiología e Inmunología e investigadora del Instituto de Biotecnología y Biomedicina (IBB) de la UAB.

“Descifrando” los reordenamientos del genoma en roedores

Para estudiar en detalle la evolución del genoma, el equipo comparó los genomas de 13 especies diferentes de roedores y “descifró” los reordenamientos que los distinguen. "Esto nos ha permitido elaborar la configuración del genoma del ancestro común de los roedores y determinar la ubicación de las regiones genómicas que participan en los reordenamientos", explica la Dra. Marta Farré, profesora de Genómica en la Facultad de Biociencias de la Universidad de Kent y codirectora del estudio.

"Sorprendentemente, las regiones genómicas que participan en los reordenamientos se suelen activar en las últimas etapas de la espermatogénesis, cuando las células germinales masculinas en desarrollo se denominan espermátidas. Descubrimos que los reordenamientos evolutivos se producen en regiones genómicas se hallan físicamente cerca unas de otras en el núcleo de estas células", afirma el Dr. Peter Ellis, profesor titular de Genética Molecular y Reproducción en la Escuela de Biociencias de la Universidad de Kent y codirector del estudio.

Además, las regiones genómicas que participan en los reordenamientos evolutivos no se encuentran asociadas con puntos calientes de recombinación meiótica, lo que indica que lo más probable es que estos reordenamientos no ocurran durante la meiosis. En cambio se correlacionaron con la localización de daños en el ADN en etapas más avanzadas del proceso, en las espermátidas.

“Mostramos que las espermátidas conservan una "memoria" de configuraciones genómicas anteriores. Hay regiones del ADN que solían formar parte de un solo cromosoma en el ancestro de los roedores pero que ahora se encuentran en cromosomas diferentes en el genoma del ratón y, sin embargo, siguen en contacto físico dentro del núcleo de los espermatozoides en desarrollo (las espermátidas)", afirma la Dra. Marta Farré.

Las espermátidas son células que se encuentran en la fase final del desarrollo de los espermatozoides, una vez finalizada la división celular, y los eventos que se producen durante este proceso son específicos de los machos. Esto conlleva la sorprendente implicación de que machos y hembras no son iguales en cuanto a su impacto en la evolución del genoma. "De todos los reordenamientos que distinguen a un ratón de una rata, una ardilla o un conejo, la mayoría parecen haber surgido en una célula espermatozoide y no en un óvulo. A mi juicio, esto demuestra que la línea germinal masculina es el motor general de la evolución estructural del genoma", continua el Dr. Ellis.

Diferentes tipos celulares durante la formación de los espermatozoides. Imagen: Lucía Álvarez y Covadonga Vara.

¿Por qué en células germinales masculinas?

Los autores proponen que los eventos diferenciales que tienen lugar durante la formación de óvulos y espermatozoides podrían explicar los resultados. Los espermatozoides sufren un proceso de compactación del ADN para adaptarse a un volumen celular muy pequeño, situado en la cabeza, algo que no ocurre en los óvulos (una célula más grande en comparación). Esta compactación puede provocar roturas en el ADN, que suelen repararse mediante un mecanismo que puede generar errores. Algunos de estos errores pueden resultar en reordenamientos genómicos, lo que explicaría que el proceso de formación de los espermatozoides sea un factor crítico en la evolución del genoma de las especies.

Un aspecto todavía poco conocido es por qué algunas especies poseen genomas muy estables con pocos reordenamientos, mientras que otras han sufrido múltiples cambios cromosómicos. "Nuestro trabajo sugiere que la investigación de la línea germinal puede ayudarnos a resolver este misterio: determinar qué regiones genómicas se ven afectadas y en qué momento durante la formación de los espermatozoides", explica la Dra. Ruiz-Herrera.

Aunque el estudio se ha realizado en roedores, la espermatogénesis es un proceso muy conservado y, por tanto, es probable que este principio se aplique a otras especies, señalan los investigadores.

En el estudio liderado por la UAB y la Universidad de Kent han participado también los equipos de investigación del Instituto de Investigación contra la Leucemia Josep Carreras (IJC) y de Sequentia Biotech. Por parte de la UAB, además de Aurora Ruiz-Herrera, también han participado Lucía Álvarez-González, Laia Marín-Gual, Cristina Marín-García y Albert Gubern.

Artículo: 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