Regulación génica y circuitos de regulación génica

Los circuitos de regulación génica impulsan procesos fisiológicos, de desarrollo y de comportamiento fundamentales en organismos de todo el árbol de la vida (Carroll et al., 2001). Algunos ejemplos son la quimiotaxis en las bacterias (Alon et al., 1999), el comportamiento de apareamiento en la levadura (Tsong et al., 2006) y el patrón de desarrollo en la mosca de la fruta (Lawrence, 1992). Dichos circuitos comprenden un conjunto de genes -que suelen codificar proteínas de unión al ADN conocidas como factores de transcripción- que regulan la expresión de otros genes del circuito. El genotipo de un circuito regulador comprende el ADN que codifica los genes de los factores de transcripción, así como los sitios de unión al ADN de estos factores cerca de los genes del circuito. Codifica dos aspectos del comportamiento del circuito, a saber, las interacciones entre los genes (es decir, «quién regula a quién») y la lógica de integración de señales utilizada por cada gen para interpretar las señales proporcionadas por sus productos genéticos reguladores. El primer aspecto está codificado por la presencia o ausencia de sitios de unión de factores de transcripción cerca de un gen, mientras que el segundo está codificado por el número, el espaciado y la afinidad de unión de estos sitios (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). El fenotipo de un circuito regulador es su patrón de expresión génica espaciotemporal, que especifica cuándo, dónde y en qué medida se expresa cada gen del circuito. Un ejemplo clásico de un circuito de este tipo es el formado por los genes gap de Drosophila melanogaster, que interpreta un gradiente morfogénico depositado por la madre a lo largo del eje anteroposterior del embrión en desarrollo para crear bandas de expresión precisas, que son fundamentales para definir el plan corporal segmentado de la mosca y constituyen el fenotipo de este circuito génico (Lawrence, 1992).

Cada genotipo del circuito con un fenotipo de expresión determinado puede verse como un miembro de una red de genotipos. Los vértices de dicha red representan circuitos enteros y las aristas conectan los vértices si sus circuitos correspondientes difieren en una sola interacción reguladora, o en la lógica reguladora de un solo gen. La mayor parte de lo que sabemos sobre las redes de genotipos de los circuitos reguladores procede de modelos computacionales. Por ejemplo, Ciliberti et al. (2007a,b) utilizaron un modelo de este tipo para demostrar que para cualquier fenotipo de expresión génica dado, la gran mayoría de los genotipos forman una red de genotipos única y conectada. Se hicieron observaciones similares utilizando circuitos reguladores modelo inspirados en el desarrollo de Drosophila, en los que un gradiente morfogénico se interpreta a lo largo de un dominio espacial para formar una banda única y centralizada de expresión génica (Cotterell y Sharpe, 2010). Allí también, los circuitos de formación de bandas forman redes de genotipos. En ambos modelos, los genotipos individuales suelen tener muchos vecinos con el mismo fenotipo. Por lo tanto, estos genotipos son hasta cierto punto robustos a las mutaciones que causan pequeños cambios genéticos. Además, estas redes se extienden por todo el espacio de genotipos posibles. Por ejemplo, dos circuitos de la misma red de genotipos pueden ser tan diferentes entre sí como lo son dos circuitos elegidos al azar del espacio de genotipos (Ciliberti et al., 2007a). Existen pruebas empíricas de que circuitos con genotipos muy diferentes pueden tener el mismo fenotipo en el caso de los circuitos que regulan el metabolismo de la galactosa, el tipo de apareamiento y la expresión de proteínas ribosómicas en los hongos (Martchenko et al., 2007; Tanay et al., 2005; Tsong et al., 2006).

Las redes de genotipos no sólo confieren robustez mutacional a los fenotipos de expresión de los circuitos reguladores de genes, sino que también facilitan la evolucionabilidad. Ciliberti et al. (2007a) lo demostraron muestreando pares de circuitos de redes de genotipos y determinando los conjuntos de fenotipos de expresión novedosos que podían realizarse mediante mutaciones reguladoras en cada circuito del par. Descubrieron que estos conjuntos eran cada vez más distintos a medida que aumentaba la diferencia entre los circuitos muestreados. En otras palabras, dado que las redes de genotipos se extienden a lo largo del espacio de genotipos de los circuitos reguladores, permiten el acceso a una gran diversidad de fenotipos de expresión génica novedosos y, por tanto, facilitan la evolucionabilidad.

Mientras que los análisis computacionales han permitido la caracterización de espacios enteros de circuitos reguladores, los datos experimentales procedentes de microarrays de unión a proteínas (Berger et al., 2006) han permitido caracterizar las unidades más pequeñas de la organización del circuito, los sitios de unión a factores de transcripción, y los espacios que forman. Estas cortas secuencias de ADN definen las interacciones reguladoras de un circuito, y las mutaciones en estas secuencias pueden afectar al fenotipo de expresión génica de un circuito (Wray, 2007; Prud’homme et al., 2007), ya sea alterando la afinidad de unión o aboliendo la unión. Por tanto, comprender la solidez de los sitios de unión de los factores de transcripción es importante para entender la solidez de los circuitos reguladores. Un estudio reciente que utiliza datos de microarrays de unión a proteínas de 89 factores de transcripción de levadura y 104 de ratón analizó las redes de genotipos de cada uno de los sitios de unión de estos factores (Payne y Wagner, 2014). Para el 99% de los 193 factores, la mayoría de las secuencias unidas por el factor forman parte de una única red de genotipos. Además, estas redes están densamente conectadas, lo que implica que los sitios de unión individuales son hasta cierto punto resistentes a las mutaciones. Algunas redes son más grandes que otras -comprenden más sitios de unión- y los sitios de unión individuales en las redes más grandes son más robustos que los sitios de unión en las redes más pequeñas.

Para cada uno de los 193 factores de transcripción que Payne y Wagner (2014) examinaron, también muestrearon pares de sitios de la misma red de genotipos y determinaron los conjuntos de factores de transcripción que se unen a los sitios vecinos a los del par. A medida que aumenta la distancia mutacional entre los sitios, también lo hace la diversidad de factores de transcripción que se unen a los sitios vecinos. Además, cuanto más grande es una red de genotipos (y cuanto más robustos son sus sitios de unión en promedio), mayor es el número de factores de transcripción únicos que se unen a los sitios adyacentes a la red de genotipos. En resumen, estas observaciones sugieren que la robustez y la capacidad de evolución exhiben una relación sinérgica en los circuitos reguladores de genes y sus sitios de unión a factores de transcripción, que es posible gracias a la existencia de grandes redes de genotipos que se extienden por todo el espacio de los genotipos.