The signals that cells use to switch genes on have remained almost unchanged across two billion years of evolution, but the ones used to switch genes off vary dramatically from one branch of life to another, according to a new study from the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

The findings, published today in Nature Genetics, are thanks to the broadest comparative exercise to date of how different life forms regulate their genomes. The study carried out the first detailed analysis of chromatin, the protein scaffold that controls how DNA is read, in several major branches of life that have been largely absent from studies to date, including lineages such as discobans, rhizarians, ichthyosporeans and cryptomonads.

“The cell’s instructions for activating genes are essentially the same in a human, a sea anemone and a soil amoeba,” says Dr Arnau Sebé-Pedrós, ICREA Research Professor and senior author of the study.

“But the instructions for silencing genes and other genomic elements like transposons have been continuously evolving since our last common eukaryotic ancestor. Different branches of life have developed different molecular toolkits to do the same thing,” he adds.

The work helps understand how genomes evolved on Earth and could have implications for medical research into diseases involving faulty gene regulation. It also delivers a new method, developed at the CRG, which can help support international efforts to characterise life on Earth at the molecular level.

DNA is wrapped, inside every cell, around proteins called histones. Small chemical tags attached to these proteins tell the cell which stretches of DNA to read and which to ignore. The system, known as chromatin regulation, is what allows the same genome to produce a liver cell or a neuron, and a leaf or a root. Faults in the regulation of chromatin underpin many human diseases, including cancers.

The chemical tags are ancient, dating back roughly two billion years to a single-celled organism known as the Last Eukaryotic Common Ancestor, or LECA, the founder of all complex cellular life, from which every plant, animal, fungus and protist on Earth descends.

The enzymes that add and remove the tags are also broadly shared across plants, animals, fungi and microbial eukaryotes. Until now, however, almost all detailed knowledge of how these tags work has come from a handful of laboratory species such as humans, mice, fruit flies, yeast and the model plant Arabidopsis. The vast majority of life’s diversity has remained unexplored at this level.

The project began in 2017, when Dr Sebé-Pedrós and Dr David Lara-Astiaso were using a technique called iChIP to study chromatin in comb jellies and placozoans, animals not traditionally studied in the lab. The two researchers wondered whether the approach could be scaled up for use in other species in the eukaryotic tree of life.

“We wanted to map epigenetic states in scarce cell types in mice and humans,” recalls Lara-Astiaso, now at the Arc Institute in California. “Eventually, we managed to transform that precursor into a general method for mapping genome regulation across the tree of life — more streamlined, more sensitive, and finally able to handle the particularities of very different species.”

The new method, iChIP2, could label chromatin from many species with unique molecular barcodes and reads them all in a single experiment. It helped profile twelve chemical tags, or histone modifications, across twelve phylogenetically diverse species, spanning amoebae, fungi, plants, algae, single-celled predators and animals.

Some had never had their chromatin mapped before. “We initially hoped to build a completely universal protocol, but species differ too much for that. Plants and algae have cell walls that require specialised preparation, for example,” says Cristina Navarrete, co-first author of the study. “Once a lab has extracted chromatin from their favourite species, iChIP2 takes over robustly, and from very small amounts of material,” she adds.

The species included two amoebozoans, Acanthamoeba castellanii and Dictyostelium discoideum; the freshwater amoeba Naegleria gruberi; the marine photosynthetic predator Bigelowiella natans; the alga Guillardia theta; the ciliate Tetrahymena thermophila; two fungi, the chytrid Spizellomyces punctatus and baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae; the colonial ichthyosporean Creolimax fragrantissima; two plants, Arabidopsis thaliana and the moss Physcomitrium patens; and the sea anemone Nematostella vectensis.

The researchers found that the signature of an active gene, marked by the pattern of histone modifications clustered around its start and along its body, was nearly identical in every species the team examined. The signature of a silenced gene was not. Different lineages used different combinations of modifications, in different patterns, to keep stretches of DNA silent.

In some species, one modification silenced transposable elements while a different tag silenced unused genes. In others, the same modifications piled up together on the same regions. In the soil amoeba Acanthamoeba, a chemical mark that signals gene activation in animals had been repurposed to switch genes off.

“We’ve established so many new rules from looking at such few species,” says Dr Sean Montgomery, one of the authors of the study. “It’s the power of looking at non-model organisms to see how evolution has brought about many differing solutions to the same problems,” he adds.

The researchers suggest the diversity reflects an ancient and ongoing conflict between genomes and the parasitic DNA within them, like transposable elements, also known as ‘jumping genes’, and endogenized viruses. Every genome carries within it stretches of jumping genes, sequences that copy and paste themselves into new locations, sometimes harmlessly, sometimes destructively. In a human genome, they account for roughly half of all DNA.

Keeping jumping genes silenced is a matter of survival, but they evolve. Their parasitic nature means they acquire new sequences and sometimes even fragments of the chromatin machinery itself to evade detection.

“If a species loses its repressive mechanisms completely, it can’t tolerate parasitic elements like transposable elements or endogenized viruses. The result is that it’s no longer there. It’s dead,” says Sebé-Pedrós.

Over hundreds of millions of years, the result is host and parasite adapting and a tree of life on which each branch has developed its own bespoke strategy to silence genes. Some of those strategies, the team suggests, were later borrowed for other purposes.

The work lands at an important moment for comparative genomics. International efforts such as the Earth BioGenome Project and the Wellcome Sanger Institute’s Tree of Life programme, with which Dr Sebé-Pedrós is affiliated, are sequencing the genomes of life on Earth at unprecedented speed.

The data generated by the initiatives offer potential new insights into how life has evolved on Earth, but a genome sequence alone says little about how the genome is used. Methods like iChIP2 make it possible to ask how life forms regulate their genomes.

EN CASTELLANO

La vida habla un idioma universal para activar sus genes. Sin embargo, habla muchos otros para silenciarlos

Las señales que utilizan las células para activar los genes han permanecido casi inalteradas a lo largo de dos mil millones de años de evolución, pero las que sirven para desactivarlos varían de forma drástica de una rama de la vida a otra, según un nuevo estudio del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona.

Los hallazgos, publicados hoy en Nature Genetics, son fruto del ejercicio comparativo más amplio realizado hasta la fecha sobre cómo las distintas formas de vida regulan sus genomas. El estudio llevó a cabo el primer análisis detallado de la cromatina —el armazón proteico que controla cómo se lee el ADN— en varias grandes ramas de la vida que hasta ahora habían quedado, en gran medida, al margen de la investigación, entre ellas linajes como los discobanos, los rizarios, los ictiospóreos y las criptofitas.

"Las instrucciones de la célula para activar los genes son esencialmente las mismas en un ser humano, en una anémona de mar y en una ameba del suelo", afirma el Dr. Arnau Sebé-Pedrós, profesor de investigación ICREA y autor principal del estudio.

"Pero las instrucciones para silenciar los genes y otros elementos genómicos, como los transposones, no han dejado de evolucionar desde nuestro último ancestro común eucariota. Distintas ramas de la vida han desarrollado distintas cajas de herramientas moleculares para hacer lo mismo", añade.

El trabajo ayuda a comprender cómo evolucionaron los genomas en la Tierra y podría tener implicaciones para la investigación médica de enfermedades relacionadas con una regulación génica defectuosa. Además, aporta un nuevo método, desarrollado en el CRG, que puede contribuir a los esfuerzos internacionales por caracterizar la vida en la Tierra a nivel molecular.

Dentro de cada célula, el ADN se enrolla alrededor de unas proteínas llamadas histonas. Pequeñas marcas químicas adheridas a estas proteínas indican a la célula qué tramos del ADN debe leer y cuáles debe ignorar. Este sistema, conocido como regulación de la cromatina, es lo que permite que un mismo genoma dé lugar a una célula hepática o a una neurona, y a una hoja o a una raíz. Los fallos en la regulación de la cromatina están en el origen de numerosas enfermedades humanas, entre ellas los distintos tipos de cáncer.

Estas marcas químicas son muy antiguas: se remontan a unos dos mil millones de años atrás, a un organismo unicelular conocido como el último ancestro común de los eucariotas (LECA, por sus siglas en inglés), el origen de toda la vida celular compleja y del que descienden todas las plantas, animales, hongos y protistas de la Tierra.

Las enzimas que añaden y retiran estas marcas también están ampliamente compartidas entre plantas, animales, hongos y eucariotas microbianos. Sin embargo, hasta ahora casi todo el conocimiento detallado sobre cómo funcionan estas marcas procedía de un puñado de especies de laboratorio, como el ser humano, el ratón, la mosca de la fruta, la levadura y la planta modelo Arabidopsis. La inmensa mayoría de la diversidad de la vida había permanecido inexplorada a este nivel.

El proyecto comenzó en 2017, cuando el Dr. Sebé-Pedrós y el Dr. David Lara-Astiaso utilizaban una técnica denominada iChIP para estudiar la cromatina en ctenóforos y placozoos, animales que no suelen estudiarse en el laboratorio. Ambos se preguntaron si el enfoque podría ampliarse para aplicarlo a otras especies del árbol de la vida de los eucariotas.

"Queríamos cartografiar los estados epigenéticos en tipos celulares poco abundantes de ratones y humanos", recuerda Lara-Astiaso, actualmente en el Arc Institute de California. "Con el tiempo, logramos transformar aquel precursor en un método general para cartografiar la regulación del genoma a lo largo del árbol de la vida: más ágil, más sensible y, por fin, capaz de manejar las particularidades de especies muy diferentes".

El nuevo método, iChIP2, permite marcar la cromatina de muchas especies con códigos de barras moleculares únicos y leerlas todas en un único experimento. Este método ayudó a caracterizar doce marcas químicas, o modificaciones de histonas, en doce especies filogenéticamente diversas, que abarcan amebas, hongos, plantas, algas, depredadores unicelulares y animales.

De algunas, nunca antes se había cartografiado su cromatina. "Al principio esperábamos crear un protocolo completamente universal, pero las especies difieren demasiado entre sí para eso. Las plantas y las algas, por ejemplo, tienen paredes celulares que requieren una preparación especializada", explica Cristina Navarrete, coautora principal del estudio. "Una vez que un laboratorio ha extraído la cromatina de su especie de interés, iChIP2 se encarga del resto de forma robusta y a partir de cantidades muy pequeñas de material", añade.

Entre las especies figuran dos amebozoos, Acanthamoeba castellanii y Dictyostelium discoideum; la ameba de agua dulce Naegleria gruberi; el depredador marino fotosintético Bigelowiella natans; el alga Guillardia theta; el ciliado Tetrahymena thermophila; dos hongos, el quítrido Spizellomyces punctatus y la levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae; el ictiospóreo colonial Creolimax fragrantissima; dos plantas, Arabidopsis thaliana y el musgo Physcomitrium patens; y la anémona de mar Nematostella vectensis.

El equipo halló que la firma de un gen activo —marcada por el patrón de modificaciones de histonas agrupadas en torno a su inicio y a lo largo de su cuerpo— era casi idéntica en todas las especies examinadas. La firma de un gen silenciado, en cambio, no lo era. Los distintos linajes empleaban distintas combinaciones de modificaciones, con distintos patrones, para mantener silenciados determinados tramos de ADN.

En algunas especies, una modificación silenciaba los elementos transponibles, mientras que otra marca silenciaba los genes no utilizados. En otras, las mismas modificaciones se acumulaban juntas en las mismas regiones. En la ameba del suelo Acanthamoeba, una marca química que en los animales señaliza la activación de genes se había reutilizado para desactivarlos.

"Hemos establecido muchísimas reglas nuevas a partir del estudio de tan pocas especies", afirma el Dr. Sean Montgomery, uno de los autores del estudio. "Es la fuerza de fijarse en organismos no modelo para ver cómo la evolución ha dado con muchas soluciones diferentes a los mismos problemas", añade.

El equipo sugiere que esta diversidad refleja un conflicto antiguo y todavía activo entre los genomas y el ADN parásito que albergan, como los elementos transponibles —también conocidos como "genes saltarines"— y los elementos virales endógenos. Todos los genomas albergan tramos de genes saltarines: secuencias que se copian y se pegan a sí mismas en nuevas ubicaciones, a veces de forma inocua y a veces de forma destructiva. En el genoma humano representan aproximadamente la mitad de todo el ADN.

Mantener silenciados los genes saltarines es una cuestión de supervivencia, pero estos evolucionan. Su naturaleza parasitaria hace que adquieran nuevas secuencias e incluso, en ocasiones, fragmentos de la propia maquinaria de la cromatina para eludir su detección.

"Si una especie pierde por completo sus mecanismos represores, no puede tolerar elementos parásitos como los elementos transponibles o los elementos virales endógenos. El resultado es que deja de existir. Está muerta", afirma Sebé-Pedrós.

A lo largo de cientos de millones de años, el resultado es una adaptación constante entre el huésped y el parásito, y un árbol de la vida en el que cada rama ha desarrollado su propia estrategia a medida para silenciar los genes. Algunas de esas estrategias, sugiere el equipo, se reaprovecharon más tarde con otros fines.

El trabajo llega en un momento importante para la genómica comparada. Iniciativas internacionales como el Earth BioGenome Project y el programa Tree of Life del Wellcome Sanger Institute, al que está afiliado el Dr. Sebé-Pedrós, están secuenciando los genomas de la vida en la Tierra a una velocidad sin precedentes.

Los datos generados por estas iniciativas ofrecen nuevas claves potenciales sobre cómo ha evolucionado la vida en la Tierra, pero la secuencia de un genoma, por sí sola, dice poco sobre cómo se utiliza. Métodos como iChIP2 permiten preguntarse cómo regulan sus genomas las distintas formas de vida.

EN CATALÀ

La vida parla un idioma universal per activar els seus gens. En parla molts d'altres, però, per silenciar-los

Els senyals que utilitzen les cèl·lules per activar els gens s'han mantingut gairebé inalterats al llarg de dos mil milions d'anys d'evolució, però aquells que serveixen per desactivar-los varien dràsticament d'una branca de la vida a una altra, segons un nou estudi del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona.

Les troballes, publicades avui a Nature Genetics, són el resultat de l'exercici comparatiu més extens fins ara sobre com diferents formes de vida regulen els seus genomes. L'estudi va dur a terme la primera anàlisi detallada de la cromatina —l'esquelet de proteïnes que controla com es llegeix l'ADN— en diverses branques importants de la vida que fins ara s'havien deixat en gran part fora de la recerca, incloent-hi llinatges com ara els discobans, rizaris, ictiosporis i les criptofites.

"Les instruccions de la cèl·lula per activar els gens són essencialment les mateixes en un humà, en una anemone marina i en una ameba del sòl", diu el Dr. Arnau Sebé-Pedrós, professor investigador de l'ICREA i autor principal de l'estudi.

"Però les instruccions per silenciar gens i altres elements genòmics, com els transposons, no han deixat d'evolucionar des del nostre últim avantpassat eucariota comú. Diferents branques de la vida han desenvolupat diferents caixes d'eines moleculars per fer el mateix", afegeix.

El treball ajuda a entendre com van evolucionar els genomes a la Terra i podria tenir implicacions per a la recerca mèdica sobre malalties relacionades amb una regulació gènica defectuosa. A més, proporciona un nou mètode, desenvolupat al CRG, que pot contribuir als esforços internacionals per caracteritzar la vida a la Terra a nivell molecular.

Dins de cada cèl·lula, l'ADN s'enrotlla al voltant de proteïnes anomenades histones. Petites marques químiques adherides a aquestes proteïnes indiquen a la cèl·lula quines extensions d'ADN ha de llegir i quines ha d'ignorar. Aquest sistema, conegut com a regulació de la cromatina, és el que permet que el mateix genoma doni lloc a una cèl·lula hepàtica o a una neurona, i a una fulla o arrel. Els errors en la regulació de la cromatina són a l'arrel de nombroses malalties humanes, incloent-hi diferents tipus de càncer.

Aquestes signatures químiques són molt antigues: daten d'uns dos mil milions d'anys enrere, d'un organisme unicel·lular conegut com l'Últim Avantpassat Comú dels Eucariotes (LECA), l'origen de tota la vida cel·lular complexa i d'on descendeixen totes les plantes, animals, fongs i protists de la Terra.

Els enzims que afegeixen i eliminen aquestes marques també són àmpliament compartits entre plantes, animals, fongs i eucariotes microbians. Tanmateix, fins ara gairebé tot el coneixement detallat sobre com funcionen aquestes etiquetes provenia d'un grapat d'espècies de laboratori, com humans, ratolins, mosques de la fruita, llevats i la planta model Arabidopsis. La gran majoria de la diversitat de la vida havia quedat inexplorada a aquest nivell.

El projecte va començar el 2017, quan el Dr. Sebé-Pedrós i el Dr. David Lara-Astiaso utilitzaven una tècnica anomenada iChIP per estudiar la cromatina en ctenòfors i placozous, animals que normalment no s'estudien al laboratori. Tots dos es preguntaven si l'enfocament podria ampliar-se per aplicar-se a altres espècies de l'arbre de la vida eucariota.

"Volíem cartografiar els estats epigenètics en tipus cel·lulars rars en ratolins i humans", recorda Lara-Astiaso, ara a l'Institut Arc de Califòrnia. "Amb el temps, vam aconseguir transformar aquest precursor en un mètode general per cartografiar la regulació genòmica al llarg de l'arbre de la vida: més àgil, més sensible i finalment capaç de gestionar les particularitats d'espècies molt diferents."

El nou mètode, iChIP2, permet marcar la cromatina de moltes espècies amb codis de barres moleculars únics i llegir-les totes en un sol experiment. Aquest mètode va ajudar a caracteritzar dotze marques químiques, o modificacions d'histones, en dotze espècies filogenèticament diverses, incloent-hi amebes, fongs, plantes, algues, depredadors unicel·lulars i animals.

La seva cromatina mai no havia estat cartografiada abans. "Al principi esperàvem crear un protocol completament universal, però les espècies difereixen massa entre elles per a fer-ho. Les plantes i les algues, per exemple, tenen parets cel·lulars que requereixen una preparació especialitzada", explica Cristina Navarrete, coautora principal de l'estudi. "Un cop un laboratori ha extret la cromatina de la seva espècie d'interès, iChIP2 s'encarrega de la resta de manera robusta i a partir de quantitats molt petites de material", afegeix.

Entre les espècies hi ha dos amebozous, Acanthamoeba castellanii i Dictyostelium discoideum; l'ameba d'aigua dolça Naegleria gruberi; el depredador marí fotosintètic Bigelowiella natans; l'alga Guillardia theta; el ciliat Tetrahymena thermophila; dos fongs, el quitridi Spizellomyces punctatus i el llevat de forner Saccharomyces cerevisiae; l'ictiospori colonial Creolimax fragrantissima; dues plantes, Arabidopsis thaliana i la molsa Physcomitrium patens; i l'anemone marina Nematostella vectensis.

L'equip va trobar que la signatura d'un gen actiu —marcada pel patró de modificacions d'histones agrupades al voltant del seu inici i al llarg del seu cos— era gairebé idèntica a totes les espècies examinades. La signatura d'un gen silenciat, en canvi, no ho era. Diferents línies utilitzaven diferents combinacions de modificacions, amb diferents patrons, per mantenir certs fragments d'ADN silenciats.

En algunes espècies, una modificació silenciava elements transposables, mentre que una altra marca silenciava gens no utilitzats. En d'altres, les mateixes modificacions s'acumulaven a les mateixes regions. Al sòl, l'ameba Acanthamoeba, una marca química que senyala l'activació gènica en animals, havia estat reutilitzada per apagar-los.

"Hem establert moltes regles noves estudiant tan poques espècies", diu el Dr. Sean Montgomery, un dels autors de l'estudi. "És la força d'observar organismes no model per veure com l'evolució ha trobat moltes solucions diferents als mateixos problemes", afegeix.

L'equip suggereix que aquesta diversitat reflecteix un conflicte antic i encara actiu entre els genomes i l'ADN parasitari que allotgen, com ara elements transponibles —també coneguts com a "gens saltadors"— i elements virals endògens. Tots els genomes contenen fragments de gens saltadors: seqüències que es copien i enganxen en nous llocs, de vegades de manera innocent i de vegades de manera destructiva. En el genoma humà representen aproximadament la meitat de tot l'ADN.

Mantenir els gens saltadors silenciats és una qüestió de supervivència, però evolucionen. La seva naturalesa parasitària fa que adquireixin noves seqüències i fins i tot, de vegades, fragments de la pròpia maquinària de la cromatina per evitar ésser detectats.

"Si una espècie perd completament els seus mecanismes repressius, no pot tolerar elements parasitaris com elements transponibles o elements virals endògens. El resultat és que deixa d'existir. És morta", diu Sebé-Pedrós.

Durant centenars de milions d'anys, el resultat és una adaptació constant entre hoste i paràsit, i un arbre de la vida en què cada branca ha desenvolupat la seva pròpia estratègia a mida per silenciar gens. Algunes d'aquestes estratègies, suggereix l'equip, es van reutilitzar posteriorment per a altres finalitats.

Aquest treball arriba en un moment important per a la genòmica comparativa. Iniciatives internacionals com el Projecte BioGenoma de la Terra i el programa Arbre de la Vida de l'Institut Wellcome Sanger, al qual el Dr. Sebé-Pedrós està vinculat, estan seqüenciant els genomes de la vida a la Terra a una velocitat sense precedents.

Les dades generades per aquestes iniciatives ofereixen possibles noves pistes sobre com ha evolucionat la vida a la Terra, però la seqüència d'un genoma, per si sola, diu poc sobre com s'utilitza. Mètodes com iChIP2 ens permeten preguntar-nos com diferents formes de vida regulen els seus genomes.