Científicos Descubren El Misterio De La Metilación Del ADN

Ilustración de ADN

En gran medida, ADN La metilación, que regula las funciones vitales de las células, sigue siendo un misterio para el mundo científico. Ahora, los científicos han desarrollado un método para acoplar rápidamente las enzimas de metilación a su patrón de metilación respectivo. Este hallazgo podría resultar esencial para el éxito de la ingeniería genética en muchas especies.

Todas las especies marcan su ADN con grupos metilo. Esto se hace para regular la expresión génica, distinguir el ADN nativo del ADN extraño o para marcar cadenas de ADN antiguas durante la replicación. La metilación se lleva a cabo mediante ciertas enzimas llamadas metiltransferasas, que decoran el ADN con grupos metilo en ciertos patrones para crear una capa epigenética sobre el ADN.

Hasta ahora, los científicos no se han esforzado por saber qué enzimas son responsables de qué patrones. Pero en un nuevo estudio, publicado recientemente en Nature Communications, científicos del Centro de Biosostenibilidad de la Fundación Novo Nordisk (DTU Biosustain) de la Universidad Técnica de Dinamarca han acoplado enzimas con patrones de metilación específicos en dos bacterias.

“Saber qué enzima hace qué se abre a muchas aplicaciones. Con este conocimiento, puede construir organismos modelo con metilomas artificiales, imitando el patrón de metilación de la cepa en la que desea introducir el ADN. De esta manera, puede garantizar la ‘supervivencia’ del ADN introducido ”, dice el especialista y primer autor de este artículo Torbjørn Ølshøj Jensen de DTU Biosustain.

Ilustración de ADN arriba

Evite cortar el ADN

Los científicos suelen tener problemas con la metilación cuando intentan introducir ADN extraño en un organismo huésped, por ejemplo, una bacteria o una levadura. Pero la introducción de ADN extraño es esencial cuando se construyen hosts de producción, a menudo llamados fábricas de células, capaces de producir, por ejemplo, medicamentos, bioquímicos sostenibles e ingredientes alimentarios. A menudo, el huésped necesita genes (ADN) de otros organismos para producir los compuestos buscados.

Pero con la misma frecuencia, el anfitrión rechazará el ADN extraño y lo cortará en pedazos, simplemente porque los patrones de metilación revelan que el ADN es extraño. Los científicos que trabajan con E. coli como su anfitrión, por lo general no tienen tantos problemas, o menos que otros, cuando introducen ADN nuevo, ya que E. coli es bien conocido y bastante “de buen comportamiento”. Pero pasar a hosts menos conocidos puede convertirse en un gran problema.

“Trabajando con otras bacterias además de E. coli, a menudo hay que hacer muchas pruebas y errores cuando se trata de la transformación del ADN, pero eso no es lo suficientemente bueno. Necesita conocimientos y herramientas. Con esto, tiene una forma sistemática y racional de solucionar los problemas ”, dice Torbjørn Ølshøj Jensen.

Ilustración de ADN medio

Acoplamiento de enzimas con actividad

El objetivo era averiguar qué enzimas son responsables de qué patrones. Para descubrir esto, los investigadores construyeron anillos de ADN (plásmidos) que contienen una de las metiltransferasas y “casetes” que contienen múltiples copias de ciertos patrones de ADN. Estos patrones de ADN, llamados motivos, son los objetivos de las metiltransferasas. Al acoplar los dos, la metiltransferasa expresada por el plásmido marcaría el ADN de una manera específica, revelando así el patrón de metilación de la enzima.

Esto se hizo para todas las metiltransferasas. Posteriormente, todos los plásmidos (en un conjunto) se leyeron utilizando un método de secuenciación diseñado para revelar grupos metilo. Esto les dio a los investigadores una “biblioteca” de acoplamientos de enzima a motivo.

Este método rápido para identificar patrones de metilación de metiltransferasa es muy prometedor para otros investigadores que luchan contra la degradación del ADN, según el equipo de investigación.

Ilustración de ADN inferior

Evaluación de dos hosts industriales

Para validar el método, los científicos analizaron los genomas de la bacteria M. thermoacetica resistente a la temperatura , así como la bacteria A. woodii . Ambas bacterias son huéspedes con gran potencial para aplicaciones industriales y genomas sustancialmente modificados.

En total, los dos organismos bacterianos contienen 23 genes de metiltranstranstransferasas, pero solo muestran modificaciones en 12 motivos de ADN diferentes en sus genomas, lo que significa que no todas las metiltransferasas están activas. 

El equipo evaluó las 23 metiltransferasas en busca de aquellas que estén activas en los genomas. Para 11 de los 12 motivos, pudieron acoplar la actividad al gen específico de las metiltransferasas. 

Con este método, el equipo espera diseñar huéspedes con un “metiloma” inequívoco, lo que significa que el organismo solo alberga metiltransferasas deseadas, lo que facilitará la introducción de ADN extraño en organismos no modelo. Esto puede ser útil tanto cuando se construyen fábricas de células basadas en huéspedes nuevos o menos conocidos como para comprender la regulación de la expresión génica y la diferenciación celular.

Papel cientifico

Ølshøj y col. , “Identificación sistemática en todo el genoma de los patrones de reconocimiento y modificación de la metiltransferasa”, Nature Communications (2019)

DOI: 10.1038 / s41467-019-11179-9

Resumen

El análisis de todo el genoma de los patrones de metilación del ADN mediante la secuenciación de ADN en tiempo real de una sola molécula ha aumentado el número de metilomas disponibles públicamente. Sin embargo, hay una falta de herramientas que acoplen los patrones de metilación y los genes de metiltransferasa correspondientes. Aquí demostramos un método de alto rendimiento para acoplar las metiltransferasas con sus respectivos motivos, mediante la clonación automatizada y el análisis de las metiltransferasas en vectores que llevan un casete específico de cepa que contiene todos los sitios objetivo potenciales. Para validar el método, analizamos los genomas del termófilo Moorella thermoacetica y del mesófilo Acetobacterium woodii , dos bacterias acetogénicas que tienen genomas sustancialmente modificados con 12 motivos de metilación y un total de 23 genes de metiltransferasa. Utilizando nuestro método, caracterizamos las 23 metiltransferasas, asignamos motivos a las enzimas respectivas y verificamos la actividad de 11 de los 12 motivos.

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