October 18, 2021

Una vía de reparación del ADN puede regular el ruido transcripcional para promover las transiciones del destino celular.

La reparación del ADN amplifica el ruido transcripcional

El papel potencial del “ruido”, o variaciones estocásticas en las tasas de expresión génica, aún no se ha dilucidado. Desai et al. utilizaron pantallas para identificar un compuesto, 5′-yodo-2′-desoxiuridina (IdU), que aumentó el ruido de expresión génica en células madre embrionarias de ratón en cultivo sin cambiar la tasa general de transcripción de la mayoría de los genes. Proponen un modelo mediante el cual el análogo de timidina IdU promueve la unión de la endonucleasa AP de la proteína reparadora de escisión de bases al ADN, induciendo así la distorsión helicoidal del ADN y modulando el estallido transcripcional. Tal modulación del ruido mejoró la reprogramación de las células madre embrionarias. Por lo tanto, la variación en el ruido de la expresión génica podría influir en los procesos de desarrollo o de enfermedad.

Ciencia, abc6506, este número p. eabc6506

Resumen estructurado

INTRODUCCIÓN

Se sabe desde hace mucho tiempo que las fluctuaciones dan forma dinámica a las distribuciones de microestados en los sistemas físicos. A lo largo de la ingeniería, los enfoques de “dithering” que modulan las fluctuaciones se utilizan para mejorar los procesos ineficientes y, en química, las fluctuaciones térmicas se amplifican (por ejemplo, mediante los quemadores Bunsen) para acelerar las reacciones. En biología, una pregunta de larga data es si las fluctuaciones de expresión estocásticas que se originan a partir de “ráfagas” de transcripción episódica desempeñan algún papel fisiológico.

RAZÓN FUNDAMENTAL

Las fluctuaciones estocásticas (ruido), medidas por el coeficiente de variación, se escalan inversamente con el nivel de expresión medio. Por ejemplo, los activadores transcripcionales que aumentan la media conducen a una disminución del ruido, mientras que los factores estresantes que disminuyen la media aumentan el ruido. Sin embargo, esta escala de “Poisson” 1 / media del ruido transcripcional puede romperse mediante ciertos procesos (por ejemplo, retroalimentación) y, curiosamente, por moléculas pequeñas como las nucleobases de pirimidina. Nos propusimos determinar el mecanismo de acción de las nucleobases que amplifican el ruido transcripcional independientemente de la media y exploramos su posible papel funcional. Específicamente, probamos si un nucleótido de pirimidina amplificador de ruido y sus análogos de base naturales desacoplan el ruido de la media mediante la interrupción de un mecanismo de control de ruido celular putativo (es decir, un termostato de ruido).

RESULTADOS

Descubrimos que la maquinaria de reparación y vigilancia del ADN desacopla ruido transcripcional de los niveles de expresión medios, ruido que cambia homeostáticamente independientemente de la media, y esto potencia las transiciones del destino celular en las células madre. Específicamente, durante la eliminación de sustratos de nucleótidos modificados (p. Ej., Idoxuridina) y análogos de nucleótidos de origen natural [e.g., 5-hydroxymethylcytosine (hmC) and 5-hydroxymethyluridine (hmU)], el ruido transcripcional se amplifica globalmente a través del transcriptoma. El ruido transcripcional amplificado es intrínseco (es decir, no extrínseco celular), independiente de cambios en la media (es decir, ocurre con un cambio mínimo en la media), y es distinta de una respuesta al estrés. El cribado genético directo identificó la endonucleasa 1 AP (Apex1), un miembro de la vía de vigilancia del ADN de reparación por escisión de bases (BER), como el mediador esencial de la amplificación del ruido homeostático y la regulación ascendente de las enzimas BER aguas arriba de Apex1 (p. Ej., Glicosilasas) también ruido amplificado. Las imágenes de una sola molécula y de células vivas mostraron que esta amplificación de ruido homeostático se originó a partir de ráfagas transcripcionales de menor duración, pero de mayor intensidad. Mecánicamente, Apex1 amplificó el ruido alterando la topología del ADN, es decir, aumentando el superenrollamiento del ADN negativo, lo que impide la transcripción pero, al repararlo, acelera la transcripción, manteniendo homeostáticamente los niveles de expresión medios. A este mecanismo lo llamamos “transcripción discordante mediante reparación” (“DiThR”, que se pronuncia “dither”). El modelado computacional predijo que DiThR podría aumentar la capacidad de respuesta a los estímulos que determinan el destino y, de hecho, la activación experimental de DiThR potenció tanto la diferenciación de células madre embrionarias en células ectodérmicas neurales como la reprogramación de fibroblastos diferenciados en células madre pluripotentes inducidas.

CONCLUSIÓN

Nuestros datos revelan que una vía de vigilancia del ADN utiliza el vínculo biomecánico entre el superenrollamiento y la transcripción para amplificar homeostáticamente las fluctuaciones transcripcionales. El aumento resultante en las excursiones de expresión, o valores atípicos, aumenta la capacidad de respuesta celular a diversas señales de especificación del destino. Por lo tanto, las actividades de procesamiento del ADN que interrumpen la transcripción podrían funcionar en la determinación del destino y podrían explicar por qué las modificaciones de bases que ocurren naturalmente, como la nucleobase oxidada hmU, se enriquecen en el ADN de las células madre embrionarias. La existencia de una vía DiThR que regula ortogonalmente las fluctuaciones transcripcionales sugiere que las células desarrollaron mecanismos para explotar el ruido para la regulación funcional de las transiciones del destino y destaca el potencial de aprovechar estas vías endógenas para la reprogramación celular.

“Dither” celular: DiThR amplifica las fluctuaciones transcripcionales para facilitar las transiciones del destino.

(A) La transcripción (tr) induce el superenrollamiento (+ y -), pero durante la BER, Apex1 aumenta el superenrollamiento, lo que impide la transcripción. Una vez completada la reparación del ADN y la eliminación de Apex1, la transcripción se acelera, lo que genera “ráfagas” transcripcionales más breves e intensas. (B) El estallido transcripcional alterado amplifica el ruido de expresión y facilita las transiciones del destino celular durante el desarrollo y la reprogramación.

Abstracto

Las fluctuaciones estocásticas en la expresión génica (“ruido”) a menudo se consideran perjudiciales, pero las fluctuaciones también pueden aprovecharse para obtener beneficios (p. Ej., Difuminado). Mostramos aquí que la reparación de la escisión de la base del ADN amplifica el ruido transcripcional para facilitar la reprogramación celular. Específicamente, la proteína de reparación del ADN Apex1, que reconoce modificaciones de bases tanto naturales como no naturales, amplifica el ruido de expresión mientras mantiene homeostáticamente los niveles de expresión medios. Este ruido de expresión amplificado se origina a partir de ráfagas transcripcionales de menor duración y mayor intensidad generadas por el superenrollamiento de ADN mediado por Apex1. La remodelación de la topología del ADN primero impide y luego acelera la transcripción para mantener los niveles medios. Este mecanismo, al que nos referimos como “transcripción discordante mediante reparación” (“DiThR”, que se pronuncia “dither”), potencia la reprogramación y diferenciación celular. Nuestro estudio revela un papel funcional potencial para las fluctuaciones transcripcionales mediadas por modificaciones de la base del ADN en el desarrollo embrionario y la enfermedad.