Reportan mecanismo involucrado en la reparación y mantenimiento del ADN de plantas

Noé Baruch Torres, ganador del Premio Arturo Rosenblueth 2022 en el área de Ciencias Biológicas y de la Salud.

La preservación del genoma es crucial para el desarrollo de los organismos y su descendencia, de manera general se sabe que las ADN polimerasas son las encargadas de esta tarea. Pero en las plantas, a pesar de la relevancia de las funciones del cloroplasto y la mitocondria, donde se llevan a cabo funciones como la fotosíntesis y la respiración celular, no ha sido identificada una enzima específica encargada de replicar (generar nuevas copias) el material genético de estos organelos.

Noé Baruch Torres, graduado de la Unidad de Genómica Avanzada (UGA-Langebio) del Cinvestav, realizó un estudio con el fin de evaluar si un tipo de ADN polimerasas, llamadas POPs, presentes en plantas y protistas (amibas, algunas algas y parásitos, entre otros organismos), pueden replicar el genoma ubicado en el cloroplasto y la mitocondria. Y con ello proponerlas como las candidatas más probables para realizar dicho proceso en especies vegetales.

La idea fue tratar de entender cómo se generan nuevas copias de ADN en estos organelos caracterizados por tener un ambiente hostil para el genoma, debido a la presencia de radicales libres de oxígeno y otros agentes causantes de daño al material genético. 

En la tesis “DNA polimerasas organelares de plantas (POPs): la maquinaria multifuncional de replicación y reparación mitocondrial en Arabidopsis thaliana”, se reporta que las enzimas evaluadas generan nuevas copias de material genético, pero además contienen inserciones estructurales capaces de tolerar o reparar el daño.

“Cuando estas polimerasas encuentran ADN alterado lo utilizan para seguir haciendo copias, esto sugiere que en las plantas han evolucionado, evitando el colapso de la maquinaria de replicación y, en consecuencia, la muerte celular”, señaló Baruch Torres, quien por este trabajo realizado en 2020 con la asesoría de Luis Gabriel Brieba de Castro, investigador de la UGA-Langebio del Cinvestav, recibió el Premio Arturo Rosenblueth 2022 en el área de Ciencias Biológicas y de la Salud.

Las pruebas experimentales fueron con la planta modelo A. thaliana, organismo del que se conoce tanto el genoma como sus dos polimerasas tipo POPs (AtPOLIA y AtPOLIB, presentes también en otras plantas), las cuales no habían sido evaluadas bioquímicamente para caracterizar sus funciones.

La investigación consistió en llevar a cabo ensayos de replicación in vitro, en estos se coloca un sustrato de ADN junto con alguna de las dos enzimas de A. thaliana (AtPOLIA o AtPOLIB) a fin de observar si se generan nuevas copias de material genético.

Además, se utilizaron polimerasas AtPOLIA y AtPOLIB modificadas que no presentan alguno de sus tres insertos característicos, identificados tras comparar estas enzimas con las presentes en otros organismos, entre ellos la bacteria Escherichia coli, y observar si están relacionados con la tolerancia a ADN dañado durante la replicación.

“A partir de pruebas in vitro observamos que en ausencia de los insertos denominados uno y tres no se producían nuevas copias a partir de un ADN dañado. Es decir, no ocurría la replicación. Esto nos indicó que son justo esas regiones las encargadas de trabajar en un ambiente en el cual el material genético sufre alteraciones”, explicó Baruch Torres.

En cuanto a las implicaciones de los resultados, es de destacar que podrían servir en la modificación genética de plantas, incluidos diversos cultivos. “Las polimerasas analizadas tienen un mecanismo de recombinación no homologa; es decir, en ocasiones durante el proceso de replicación encuentran una ruptura en el ADN y buscan un fragmento con cierta similitud, lo pegan y lo utilizan como molde para generar nuevas copias y los insertos estructurales identificados están implicados”, mencionó Baruch Torres.

Este mecanismo de recombinación no homóloga hace complicado el proceso de modificación genética de las plantas a partir del genoma del cloroplasto y la mitocondria, ya que cuando se inserta un gen para dotar, por ejemplo, a un cultivo de una característica específica, este tiende a desaparecer con el paso de las generaciones.

Lo anterior porque al tratar de reparar el daño y las rupturas, las ADN polimerasas analizadas pegan fragmentos de material genético en diferentes sitios y la replicación de los genes añadidos puede ser incorrecta.

Entonces, a partir de los datos del trabajo premiado, se podría pensar que al modular la actividad estas polimerasas (AtPOLIA y AtPOLIB), es posible reducir la recombinación no homóloga y con ello mantener íntegros, a través de las generaciones, los genes insertados en el genoma cloroplastídico o mitocondrial de plantas genéticamente modificadas. Aunque todavía son necesarias diversas pruebas in vivo para corroborarlo.

Baruch Torres destacó que la investigación realizada en el Cinvestav le brindó la oportunidad de publicar varios artículos científicos, aplicar a congresos y realizar un posdoctorado en el Centro Médico de la Universidad de Texas, en Galveston, Estados Unidos, donde actualmente utiliza los conocimientos generados en la tesis, pero enfocándose en el estudio de la maquinaria de replicación del ADN mitocondrial de humanos y su relación con el desarrollo de enfermedades.