ADN basura
Aquellas partes de un genoma que no tienen función

El ADN basura ( ADN no funcional ) es una secuencia de ADN que no tiene ninguna función biológica conocida. [1] [2] La mayoría de los organismos tienen algo de ADN basura en sus genomas (principalmente pseudogenes y fragmentos de transposones y virus), pero es posible que algunos organismos tengan cantidades sustanciales de ADN basura. [3]

En general, se considera que todas las regiones codificantes de proteínas son elementos funcionales en los genomas. Además, las regiones no codificantes de proteínas, como los genes del ARN ribosómico y del ARN de transferencia, las secuencias reguladoras, los orígenes de replicación, los centrómeros, los telómeros y las regiones de unión a estructuras, se consideran elementos funcionales. (Consulte ADN no codificante para obtener más información).

Es difícil determinar si otras regiones del genoma son funcionales o no. Existe una considerable controversia sobre qué criterios se deben utilizar para identificar la función. Muchos científicos tienen una visión evolutiva del genoma y prefieren criterios basados ​​en si las secuencias de ADN se conservan por selección natural. [4] [5] [6] Otros científicos cuestionan esta visión o tienen diferentes interpretaciones de los datos. [7] [8] [9]

Historia

La idea de que sólo una fracción del genoma humano podría ser funcional se remonta a finales de la década de 1940. La tasa de mutación estimada en los seres humanos sugería que si una gran fracción de esas mutaciones eran perjudiciales, la especie humana no podría sobrevivir a tal carga de mutaciones (carga genética). Esto llevó a las predicciones a finales de la década de 1940 de uno de los fundadores de la genética de poblaciones, JBS Haldane , y del premio Nobel Hermann Muller , de que sólo un pequeño porcentaje del genoma humano contiene elementos de ADN funcionales (genes) que pueden ser destruidos por la mutación. [10] [11] (véase Carga genética para más información)

En 1966, Muller revisó estas predicciones y concluyó que el genoma humano sólo podía contener unos 30.000 genes, basándose en el número de mutaciones deletéreas que la especie podía tolerar. [12] Otros expertos destacados en evolución molecular hicieron predicciones similares, concluyendo que el genoma humano no podía contener más de 40.000 genes y que menos del 10% del genoma era funcional. [13] [14] [4] [15]

Se sabía que el tamaño de los genomas de varias especies variaba considerablemente y no parecía haber una correlación entre el tamaño del genoma y la complejidad de las especies. Incluso especies estrechamente relacionadas podían tener tamaños de genoma muy diferentes. Esta observación condujo a lo que se conoció como la paradoja del valor C. [16] La paradoja se resolvió con el descubrimiento del ADN repetitivo y la observación de que la mayoría de las diferencias en el tamaño del genoma podían atribuirse al ADN repetitivo. [16] [17] Algunos científicos pensaban que la mayor parte del ADN repetitivo estaba involucrado en la regulación de la expresión genética, pero muchos científicos pensaban que el exceso de ADN repetitivo no era funcional. [18] [16] [19] [20] [21]

Tomoko Ohta (Tomoko Harada) desarrolló la teoría casi neutral que permitió comprender cómo se podía mantener ADN basura ligeramente perjudicial en los genomas de especies con poblaciones efectivas pequeñas. En 2015, la Real Academia Sueca le otorgó el Premio Crafoord (junto con Richard Lewontin).

Casi al mismo tiempo (finales de los años 1960), la técnica recientemente desarrollada de análisis C 0 t se perfeccionó para incluir la hibridación ARN:ADN, lo que llevó al descubrimiento de que considerablemente menos del 10% del genoma humano era complementario al ARNm y este ADN se encontraba en la fracción única (no repetitiva). Esto confirmó las predicciones realizadas a partir de los argumentos de carga genética y fue coherente con la idea de que gran parte del ADN repetitivo no es funcional. [22] [23] [24]

La idea de que grandes cantidades de genomas eucariotas podrían ser no funcionales entraba en conflicto con la visión predominante de la evolución en 1968, ya que parecía probable que el ADN no funcional sería eliminado por la selección natural. El desarrollo de la teoría neutral y la teoría casi neutral proporcionaron una salida a este problema, ya que permitieron la conservación de ADN no funcional ligeramente perjudicial de acuerdo con los principios fundamentales de la genética de poblaciones. [14] [13] [25]

El término "ADN basura" comenzó a utilizarse a finales de los años 1950 [26], pero Susumu Ohno popularizó el término en un artículo de 1972 titulado "So much 'junk' DNA in our genome" [27], en el que resumió la evidencia actual que se había acumulado hasta entonces. [27] En un segundo artículo de ese mismo año, concluyó que el 90% de los genomas de los mamíferos consistían en ADN no funcional. [4] El caso del ADN basura fue resumido en un extenso artículo de David Comings en 1972, en el que enumeraba cuatro razones para proponer el ADN basura: [28]

  1. Algunos organismos tienen mucho más ADN del que parecen necesitar ( paradoja del valor C ).
  2. Las estimaciones actuales del número de genes (en 1972) son mucho menores que el número que se puede acomodar,
  3. La carga de mutación sería demasiado grande si todo el ADN fuera funcional, y
  4. Está claro que existe algún ADN basura.

El descubrimiento de los intrones en la década de 1970 pareció confirmar las opiniones de los defensores del ADN basura, ya que significaba que los genes eran muy grandes e incluso los genomas enormes no podían dar cabida a una gran cantidad de genes. Los defensores del ADN basura tendían a descartar las secuencias de intrones como ADN en su mayoría no funcional (basura), pero los oponentes del ADN basura propusieron una serie de hipótesis que atribuían funciones de diversos tipos a las secuencias de intrones. [29] [30] [31] [32] [33]

Francis Crick y otros promovieron la idea de que los transposones eran ejemplos de ADN egoísta y eran responsables de la proliferación del ADN basura.

En 1980, se hizo evidente que la mayor parte del ADN repetitivo en el genoma humano estaba relacionado con los transposones . Esto dio lugar a una serie de artículos y cartas que describían a los transposones como ADN egoísta que actuaba como un parásito en los genomas y no producía ninguna ventaja de adaptación para el organismo. [34] [35] [36] [37] [38]

Los oponentes del ADN basura interpretaron estos resultados como evidencia de que la mayor parte del genoma es funcional y desarrollaron varias hipótesis que defendían que las secuencias de transposones podrían beneficiar al organismo o a la especie. [39] El oponente más importante del ADN basura en ese momento fue Thomas Cavalier-Smith , quien argumentó que se necesitaba ADN adicional para aumentar el volumen del núcleo con el fin de promover un transporte más eficiente a través de la membrana nuclear. [40]

Las posiciones de ambos bandos de la controversia se endurecieron: uno de ellos creía que la evolución era compatible con grandes cantidades de ADN basura y el otro creía que la selección natural debería eliminar el ADN basura. Estas diferentes opiniones sobre la evolución se pusieron de relieve en una carta de Thomas Jukes , un defensor del ADN basura, a Francis Crick el 20 de diciembre de 1979: [41]

"Querido Francis, estoy seguro de que te das cuenta de lo terriblemente enfadada que se pondrá mucha gente si dices que gran parte del ADN es basura. Los genetistas se enfadarán porque creen que el ADN es sagrado. Los evolucionistas darwinistas se indignarán porque creen que todo cambio en el ADN que se acepta en la evolución es necesariamente un cambio adaptativo. Sugerir cualquier otra cosa es un insulto a la sagrada memoria de Darwin".

El otro punto de vista fue expresado por Roy John Britten y Kohne en su artículo fundamental sobre el ADN repetitivo. [17]

"Un concepto que nos repugna es que aproximadamente la mitad del ADN de los organismos superiores es trivial o permanentemente inerte (en una escala de tiempo evolutiva)".

ADN basura y ADN no codificante

Existe considerable confusión en la prensa popular y en la literatura científica sobre la distinción entre ADN no codificante y ADN basura.

Según un artículo publicado en 2021 en American Scientist:

Históricamente, casi el 99 por ciento de nuestro genoma se ha clasificado como ADN basura, no codificante e inútil. En consecuencia, estas secuencias rara vez se han estudiado. [42]

Un libro publicado en 2020 afirma:

Cuando se descubrió por primera vez, el ADN no genético fue llamado a veces —un tanto despectivamente por personas que no sabían más— "ADN basura" porque no tenía ninguna utilidad obvia y asumieron tontamente que si no contenía información codificante debía ser basura inútil. [43]

El tema común es que los defensores originales del ADN basura pensaban que todo el ADN no codificante era basura. [2] [6] Esta afirmación se ha atribuido a un artículo de David Comings en 1972 [28] donde se informa que dijo que el ADN basura se refiere a todo el ADN no codificante. [19] Pero Comings nunca dijo eso. En ese artículo, analiza los genes no codificantes para el ARN ribosómico y los ARNt y el ADN regulador no codificante y propone varias funciones posibles para la mayor parte del ADN no codificante. [28] En otra publicación del mismo año, Comings vuelve a analizar el término ADN basura con el claro entendimiento de que no incluye secuencias reguladoras no codificantes. [44]

La idea de que todo el ADN no codificante era considerado basura ha sido criticada por numerosos autores por distorsionar la historia del ADN basura; [1] [45] [46] [47] [2] por ejemplo:

Es sencillamente falso que el ADN no codificante haya sido descartado durante mucho tiempo como basura sin valor y que las hipótesis funcionales sólo hayan sido propuestas recientemente, a pesar de la frecuencia con que este cliché se repite en los informes de los medios y en la introducción de demasiados estudios científicos. [48]

Algunas de las críticas han sido fuertes:

Las afirmaciones revisionistas que equiparan el ADN no codificante con basura simplemente revelan que las personas a quienes se les permite exhibir su logorrea en Nature y otras revistas glamorosas son tan ignorantes como los peores creacionistas de la tierra joven. [49]

Funcional vs no funcional

El principal desafío para identificar el ADN basura es distinguir entre secuencias "funcionales" y "no funcionales". Esto no es trivial, pero hay algunas pruebas sólidas para ambas categorías.

Funcional

Las secuencias codificantes de proteínas son las secuencias funcionales más obvias en los genomas. Sin embargo, representan solo el 1-2% de la mayoría de los genomas de vertebrados. Sin embargo, también existen secuencias de ADN funcionales pero no codificantes [2], como las secuencias reguladoras , los orígenes de replicación y los centrómeros [50] . Estas secuencias suelen conservarse en la evolución y representan otro 3-8% del genoma humano [51] .

El proyecto Enciclopedia de elementos del ADN ( ENCODE ) informó que se observó actividad bioquímica detectable en regiones que cubren al menos el 80% del genoma humano, y que la actividad bioquímica se definió principalmente como la transcripción. [52] Si bien estos hallazgos se anunciaron como la desaparición del ADN basura [53] [54] es importante señalar que la transcripción no significa que una secuencia sea "funcional", análoga a un texto sin sentido que se puede transcribir o copiar sin tener ningún significado. [55] [1] [56] [57] [58] [2] [46] [59] [5] [45] [9]

No funcional

El ADN no funcional es raro en los genomas bacterianos , que suelen tener una densidad genética extremadamente alta y solo un pequeño porcentaje no codifica proteínas. [60]

Sin embargo, en la mayoría de los genomas animales o vegetales, una gran fracción del ADN no es funcional, dado que no existe una presión selectiva evidente sobre estas secuencias. Más importante aún, hay pruebas sólidas de que estas secuencias no son funcionales de otras maneras (tomando como ejemplo el genoma humano):

(1) Los elementos repetitivos, especialmente los elementos móviles, constituyen una gran fracción del genoma humano, como los retrotransposones LTR (8,3% del genoma total), los SINE (13,1% del genoma total) incluidos los elementos Alu , los LINE (20,4% del genoma total), los SVA (SINE- VNTR -Alu) y los transposones de ADN de clase II (2,9% del genoma total). [61] Muchas de estas secuencias son descendientes de antiguas infecciones virales y, por lo tanto, son "no funcionales" en términos de la función del genoma humano.

(2) Muchas secuencias pueden eliminarse, como se muestra al comparar genomas. Por ejemplo, un análisis de 14.623 individuos identificó 42.765 variantes estructurales en el genoma humano, de las cuales el 23,4% afectaba a múltiples genes (eliminándolos o parte de ellos). Este estudio también encontró 47 eliminaciones de >1 MB, lo que demuestra que grandes porciones del genoma humano pueden eliminarse sin consecuencias obvias. [62]

(3) Sólo una pequeña fracción del genoma humano se conserva, lo que indica que no hay una fuerte presión de selección (funcional) sobre estas secuencias, por lo que pueden mutar con bastante libertad. [51] [63] Alrededor del 11% o menos del genoma humano se conserva [64] [65] y alrededor del 7% está bajo selección purificadora . [66]

Los oponentes del ADN basura argumentan que la actividad bioquímica detecta regiones funcionales del genoma que no se identifican mediante la conservación de secuencias o la selección purificadora. [67] [8] [68] Según algunos científicos, hasta que no se haya demostrado que una región en cuestión tiene características adicionales, más allá de lo que se espera de la hipótesis nula, debería etiquetarse provisionalmente como no funcional. [69]

Véase también

Referencias

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