Il nuovo segno epigenetico trovato nel rotifero è stato catturato dai batteri 60 milioni di anni fa / New Epigenetic Mark Found in Rotifer Was Captured from Bacteria 60 mya

Il nuovo segno epigenetico trovato nel rotifero è stato catturato dai batteri 60 milioni di anni fa / New Epigenetic Mark Found in Rotifer Was Captured from Bacteria 60 mya

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Rotifero bdelloide (Adineta vaga) al microscopio a polarizzazione policromatica / Bdelloid rotifer (Adineta vaga) under polychromatic polarization microscope  [M. Shribak e I. Yushenova]

Il DNA porta il progetto per la costruzione dei corpi, ma è un documento vivo: gli adeguamenti al progetto possono essere apportati da segni epigenetici. Nell'uomo ed in altri eucarioti sono noti due principali segni epigenetici. Un gruppo del Marine Biological Laboratory (MBL) ha ora scoperto un terzo segno epigenetico, che in precedenza era noto solo nei batteri, in minuscoli invertebrati d'acqua dolce noti come rotiferi bdelloidi. Questa è la prima volta che un gene trasferito orizzontalmente ha dimostrato di rimodellare il sistema di regolazione genica in un eucariota.

Un rotifero bdelloide che si nutre ( Adineta vaga ) al microscopio a polarizzazione policromatica. / A feeding bdelloid rotifer (Adineta vaga) under polychromatic polarization microscope [M. Shribak e io Yushenova]

"Abbiamo scoperto nel 2008 che i rotiferi bdelloidi sono molto bravi a catturare i geni estranei", ha affermato il capo della ricerca Irina Arkhipova, PhD, scienziato senior presso il Josephine Bay Paul Center di MBL. "Quello che abbiamo scoperto qui è che i rotiferi, circa 60 milioni di anni fa, hanno catturato accidentalmente un gene batterico che ha permesso loro di introdurre un nuovo segno epigenetico che prima non c'era".

È troppo presto per sapere quali potrebbero essere le implicazioni della scoperta di questo nuovo sistema epigenetico nei rotiferi. "Un buon confronto è il sistema CRISPR-Cas nei batteri, che è iniziato come una scoperta di ricerca di base", ha affermato Fernando Rodriguez, PhD, ricercatore nel laboratorio di Arkhipova e co-primo autore del documento pubblicato dal team su Nature Communications . “Ora CRISPR-Cas9 è usato ovunque come strumento per l'editing genetico in altri organismi. Questo è un nuovo sistema. Avrà applicazioni, implicazioni per la ricerca futura? È difficile dirlo".

Rodriguez è il co-primo autore dello studio pubblicato dagli scienziati, intitolato " N4-metilcitosina batterica come segno epigenetico nel DNA eucariotico ", in cui hanno notato, "combiniamo più linee di prova per stabilire che la modifica di 4 mC può essere reclutato come segno epigenetico nei genomi eucariotici e per caratterizzare il meccanismo enzimatico sottostante ... Il nostro lavoro dimostra come un gene trasferito orizzontalmente può diventare parte di un complesso sistema di regolazione mantenuto dalla selezione nel corso di decine di milioni di anni di evoluzione.

I segni epigenetici sono modifiche alle basi del DNA che non cambiano il codice genetico sottostante, ma "scrivono" informazioni extra su di esso che possono essere ereditate con il genoma. Nei due segni epigenetici già noti negli eucarioti, un gruppo metilico viene aggiunto a una base di DNA, citosina o adenina. I segni epigenetici di solito regolano l'espressione genica, attivano o disattivano i geni, in particolare durante lo sviluppo iniziale o quando il tuo corpo è sotto stress. Possono anche sopprimere i "geni che saltano", che sono elementi trasponibili che minacciano l'integrità del genoma.

"Negli eucarioti, le modifiche coinvolgono prevalentemente C5-metilcitosina (5 mC) e occasionalmente N6-metiladenina (6 mA), mentre i batteri usano frequentemente N4-metilcitosina (4 mC) oltre a 5 mC e 6 mA", scrivono gli autori. Gli eucarioti utilizzano principalmente modifiche di base per scopi regolatori, con 5 mC che rappresentano la forma predominante di modificazione epigenetica nei genomi eucariotici. "Spesso chiamato 'la quinta base', il 5mC svolge un ruolo importante nella difesa del genoma contro elementi genetici mobili ed è spesso associato al silenziamento trascrizionale, all'instaurazione della configurazione chiusa della cromatina ed alle modifiche repressive dell'istone", ha aggiunto il gruppo.

Non è stato dimostrato che 4mC agisca come un segno epigenetico negli eucarioti, gli scienziati hanno affermato, "... e la maggior parte delle affermazioni di 4mC eucariotiche mancano di conferma con metodi ortogonali e non identificano la componente enzimatica. In effetti, 4mC è anche una modifica della citosina, ma con un distinto posizionamento batterico del gruppo metilico, che essenzialmente ricapitola eventi evolutivi di oltre due miliardi di anni fa, quando sono emersi i segni epigenetici convenzionali nei primi eucarioti.

I rotiferi bdelloidi sono animali estremamente resistenti, come hanno scoperto negli anni i laboratori Arkhipova e David Mark Welch della MBL. Gli organismi possono seccarsi (essiccarsi) completamente per settimane o mesi alla volta, per poi tornare in vita quando l'acqua diventa disponibile. Durante le loro fasi di essiccazione, il DNA del rotifero bdelloide si rompe in molti pezzi. "Quando reidratano o altrimenti rendono accessibili le estremità del loro DNA, questa potrebbe essere un'opportunità per il trasferimento di frammenti di DNA estranei da batteri, funghi o microalghe ingeriti nel genoma del rotifero", ha affermato Arkhipova. Circa il 10% del genoma del rotifero proviene da fonti non metazoiche, hanno scoperto.

Tuttavia, il laboratorio di Arkhipova è stato sorpreso di trovare un gene nel genoma del rotifero che assomigliava ad una metiltransferasi batterica (una metiltransferasi catalizza il trasferimento di un gruppo metilico al DNA). "Abbiamo ipotizzato che questo gene conferisse questa nuova funzione di soppressione dei trasposoni ed abbiamo trascorso gli ultimi sei anni a dimostrarlo", ha detto Arkhipova. Come hanno commentato gli autori, "Abbiamo identificato N4CMT, un enzima trasferito orizzontalmente di origine batterica, come responsabile dell'aggiunta di segni di 4 mC al DNA ... "I nostri risultati mostrano come i gruppi metilici del DNA non nativi possono rimodellare i sistemi epigenetici per silenziare i trasposoni e dimostrare il potenziale del trasferimento genico orizzontale per guidare l'innovazione normativa negli eucarioti", hanno affermato i ricercatori nel loro articolo.

Questo è molto insolito e non è stato segnalato in precedenza", ha aggiunto Arkhipova. “Si pensa che i geni trasferiti orizzontalmente siano preferenzialmente geni operativi, non geni regolatori. È difficile immaginare come un singolo gene trasferito orizzontalmente possa formare un nuovo sistema di regolamentazione perché i sistemi di regolamentazione esistenti sono già molto complicati".

"È quasi incredibile", ha detto la co-prima autrice Irina Yushenova, PhD, ricercatrice nel laboratorio di Arkhipova. “Prova solo a immaginare, da qualche parte indietro nel tempo, che un pezzo di DNA batterico sia stato fuso con un pezzo di DNA eucariotico. Entrambi si unirono nel genoma del rotifero e formarono un enzima funzionale. Non è così facile da fare, nemmeno in laboratorio, ed è successo naturalmente. E poi questo enzima composito ha creato questo straordinario sistema di regolazione ed i rotiferi bdelloidi sono stati in grado di iniziare a usarlo per controllare tutti questi trasposoni saltellanti. È come per magia".

"Non vuoi che i trasposoni saltino nel tuo genoma", ha detto Rodriguez. “Faranno casino, quindi tienili sotto controllo. E il sistema epigenetico per raggiungere questo obiettivo è diverso nei diversi animali. In questo caso, un trasferimento genico orizzontale dai batteri ai rotiferi bdelloidi ha creato un nuovo sistema epigenetico negli animali che non è stato descritto prima".

"I rotiferi bdelloidi, in particolare, devono tenere sotto controllo i loro trasposoni perché si riproducono principalmente in modo asessuato", ha osservato Arkhipova. “I lignaggi asessuali hanno meno mezzi per sopprimere la proliferazione di trasposoni deleteri, quindi l'aggiunta di un ulteriore livello di protezione potrebbe prevenire un tracollo mutazionale. In effetti, il contenuto di trasposoni è molto più basso nei bdelloidi rispetto agli eucarioti sessuali che non hanno questo strato epigenetico aggiuntivo nel loro sistema di difesa del genoma".

Le nuove scoperte potrebbero aprire la porta allo sviluppo di nuovi strumenti e direzioni di ricerca per studiare la funzione e la resilienza del genoma in questo sistema di rotiferi. E come hanno concluso gli autori, "Collettivamente, le nostre scoperte aiutano a svelare un affascinante enigma evolutivo: come può un enzima batterico che decora il DNA con modifiche non metazoiche penetrare nei sistemi di silenziamento genico eucariotico ed essere preservato dalla selezione naturale per decine di milioni di anni?"

Il sistema, hanno aggiunto, “... dimostra che il trasferimento genico orizzontale, il cui ruolo nell'evoluzione regolatoria eucariotica è oggetto di intenso dibattito, può rimodellare complessi circuiti regolatori nei metazoi, guidando così importanti innovazioni evolutive che includono sistemi di controllo epigenetico. "

ENGLISH

DNA carries the blueprint for building bodies, but it’s a living document: Adjustments to the design can be made by epigenetic marks. In humans and other eukaryotes, two principal epigenetic marks are known. A team from the Marine Biological Laboratory (MBL) has now discovered a third epigenetic mark—which had previously only been known only in bacteria—in tiny freshwater invertebrates known as bdelloid rotifers. This is the first time that a horizontally transferred gene has been shown to reshape the gene regulatory system in a eukaryote.

“We discovered back in 2008 that bdelloid rotifers are very good at capturing foreign genes,” said research lead Irina Arkhipova, PhD, a senior scientist at MBL’s Josephine Bay Paul Center. “What we’ve found here is that rotifers, about 60 million years ago, accidentally captured a bacterial gene that allowed them to introduce a new epigenetic mark that was not there before.”

It’s too early to know what the implications may be of discovering this new epigenetic system in rotifers. “A good comparison is the CRISPR-Cas system in bacteria, which started out as a basic research discovery,” said Fernando Rodriguez, PhD, a research scientist in the Arkhipova lab, and co-first author of the team’s published paper in Nature Communications. “Now CRISPR-Cas9 is used everywhere as a tool for gene editing in other organisms. This is a new system. Will it have applications, implications for future research? It’s hard to tell.”

Epigenetic marks are modifications to DNA bases that don’t change the underlying genetic code, but “write” extra information on top of it that can be inherited with the genome. In the two already known epigenetic marks in eukaryotes, a methyl group is added to a DNA base, either cytosine or adenine. Epigenetic marks usually regulate gene expression—they turn genes on or off—particularly during early development or when your body is under stress. They can also suppress “jumping genes,” which are transposable elements that threaten the integrity of the genome.

“In eukaryotes, modifications predominantly involve C5-methylcytosine (5mC) and occasionally N6-methyladenine (6mA), while bacteria frequently use N4-methylcytosine (4mC) in addition to 5mC and 6 mA,” the authors wrote. Eukaryotes mostly use base modifications for regulatory purposes, with 5mC representing the predominant form of epigenetic modification in eukaryotic genomes. “Often called ‘the fifth base,’ 5mC plays an important role in genome defense against mobile genetic elements, and is often associated with transcriptional silencing, establishment of the closed chromatin configuration, and repressive histone modifications,” the team added.

4mC has not been demonstrated to act as an epigenetic mark in eukaryotes, the scientists stated, “ … and most claims of eukaryotic 4mC lack confirmation by orthogonal methods and do not identify the enzymatic component. In fact, 4mC is also a cytosine modification, but with a distinct bacterial-like positioning of the methyl group—essentially recapitulating evolutionary events of over two billion years ago, when the conventional epigenetic marks in early eukaryotes emerged.

Bdelloid rotifers are extremely resilient animals, as the Arkhipova and David Mark Welch labs at MBL have discovered over the years. The organisms can dry up (desiccate) completely for weeks or months at a time, and then spring back to life when water becomes available. During their desiccation phases, the bdelloid rotifer DNA breaks up into many pieces. “When they rehydrate or otherwise render their DNA ends accessible, this might be an opportunity for foreign DNA fragments from ingested bacteria, fungi, or microalgae to transfer into the rotifer genome,” Arkhipova said. About 10% of the rotifer genome comes from non-metazoan sources, they have found.

Still, the Arkhipova lab was surprised to find a gene in the rotifer genome that resembled a bacterial methyltransferase (a methyltransferase catalyzes the transfer of a methyl group to DNA). “We hypothesized that this gene conferred this new function of suppressing transposons, and we spent the last six years proving that, indeed, it does,” Arkhipova said. As the authors commented, “We identified N4CMT, a horizontally transferred enzyme of bacterial origin, as responsible for the addition of 4mC marks to DNA … “Our results show how non-native DNA methyl groups can reshape epigenetic systems to silence transposons and demonstrate the potential of horizontal gene transfer to drive regulatory innovation in eukaryotes,” the investigators stated in their paper.

This is very unusual and has not been previously reported,” Arkhipova added. “Horizontally transferred genes are thought to preferentially be operational genes, not regulatory genes. It is hard to imagine how a single, horizontally transferred gene would form a new regulatory system because the existing regulatory systems are already very complicated.”

“It’s almost unbelievable,” said co-first author Irina Yushenova, PhD, a research scientist in Arkhipova’s lab. “Just try to picture, somewhere back in time, a piece of bacterial DNA happened to be fused to a piece of eukaryotic DNA. Both of them became joined in the rotifer’s genome and they formed a functional enzyme. That’s not so easy to do, even in the lab, and it happened naturally. And then this composite enzyme created this amazing regulatory system, and bdelloid rotifers were able to start using it to control all these jumping transposons. It’s like magic.”

“You don’t want transposons jumping around in your genome,” said Rodriguez. “They will mess things up, so you want to keep them in check. And the epigenetic system to accomplish that is different in different animals. In this case, a horizontal gene transfer from bacteria into bdelloid rotifers created a new epigenetic system in animals that hasn’t been described before.”

“Bdelloid rotifers, especially, have to keep their transposons in check because they primarily reproduce asexually,” Arkhipova noted. “Asexual lineages have fewer means for suppressing proliferation of deleterious transposons, so adding an extra layer of protection could prevent a mutational meltdown. Indeed, transposon content is much lower in bdelloids than it is in sexual eukaryotes that don’t have this extra epigenetic layer in their genome defense system.”

The new discoveries could open the door to the development of new tools and research directions for investigating genome function and resilience in this rotifer system. And as the authors concluded, “Collectively, our findings help to unravel a fascinating evolutionary puzzle: How can a bacterial enzyme decorating DNA with non-metazoan modifications penetrate eukaryotic gene silencing systems and become preserved by natural selection for tens of millions of years?”

The system, they added, “… demonstrates that horizontal gene transfer, the role of which in eukaryotic regulatory evolution is a subject of intense debate, can re-shape complex regulatory circuits in metazoans, thereby driving major evolutionary innovations that include epigenetic control systems.”

Rodriguez is co-first author of the scientists’ published study, which is titled, “Bacterial N4-methylcytosine as an epigenetic mark in eukaryotic DNA,” in which they noted, “we combine multiple lines of evidence to establish that 4mC modification can be recruited as an epigenetic mark in eukaryotic genomes, and to characterize the underlying enzymatic machinery … Our work demonstrates how a horizontally transferred gene can become part of a complex regulatory system maintained by selection over tens of millions of years of evolution.”

Da:

https://www.genengnews.com/topics/omics/new-epigenetic-mark-identified-in-animal-was-captured-from-bacteria-60-million-years-ago/?fbclid=IwAR0kZpwNUENqBdOuE4k5ykMMxwktjiLlp5MQUUzQhJQmu1J7RVGuiG8nHMY