Un replanteamiento de la regulación génica que va más allá de los planos

En los salones de clase de biología, a menudo aprendemos que los genes se transcriben en ARNm y luego se traducen en proteínas; un proceso ordenado y lineal. Sin embargo, la expresión génica en células vivas es mucho más compleja, y está gobernada por una red enrevesada de actores moleculares. Entre estos, los factores de transcripción (FT), que han sido considerados durante mucho tiempo como los reguladores maestros, es decir, las proteínas que “leen” el plano del ADN e influyen en la activación o desactivación de los genes.

Pero, ¿qué pasa si esos “arquitectos” no están realmente siguiendo el plano tan de cerca como creíamos? Esa es exactamente la conclusión de un nuevo estudio publicado en Nature del laboratorio Hahn y dirigido por la investigadora posdoctoral, la Dra. Lakshmi Mahendrawada y el Dr. Steven Hahn. Al mapear la unión de los factores de transcripción en la levadura —y su relación con la actividad génica—, descubrieron un giro inesperado: el sitio en el que se unen los FT y si estos reconocen sus motivos habituales de secuencia de ADN, con frecuencia no coinciden con los genes que regulan.

Los factores de transcripción constituyen una gran familia de proteínas, con aproximadamente 150 en la levadura y más de 1,600 de ellas en los humanos, las cuales regulan la expresión génica al unirse a secuencias específicas del ADN y, a menudo, también reclutan cofactores para iniciar una transcripción. Para mapear dónde estas proteínas interactúan con el ADN a lo largo del genoma, el equipo de investigación utilizó una técnica avanzada llamada secuenciación de segmentación endógena de la cromatina, también conocida como ChEC-seq.

ChEC-seq es un método poderoso desarrollado por el laboratorio Henikoff aquí en Fred Hutch, que etiqueta cada FT con nucleasa microcócica, una enzima que corta el ADN solo donde se une con el factor de transcripción. Esta segmentación precisa del ADN, desencadenada por el calcio, permite a quienes investigan identificar con exactitud los sitios de unión de los factores de transcripción en todo el genoma con un ruido de fondo mínimo, lo que brinda una mejora importante en comparación con las técnicas anteriores.

De manera asombrosa, el estudio encontró que la presencia del motivo canónico del ADN de un FT, es decir, la secuencia corta que éste supuestamente “reconoce”, tenía poco poder predictivo para la unión en sí. En cambio, estos resultados y otros indican que factores como la accesibilidad de la cromatina, las interacciones con cofactores y la forma local del ADN pueden desempeñar un papel más importante para determinar si un FT se une a un sitio. En otras palabras, la “secuencia correcta” por sí sola no es suficiente; el contexto local del ADN y el entorno de la cromatina son de gran importancia.

El equipo de investigación categorizó aún más los genes de levadura según la cantidad de factores de transcripción unidos cerca de cada activador, lo que permitió revelar grupos distintos. Muchos activadores tenían múltiples factores de transcripción unidos a la vez —a veces docenas— lo que sugiere que los factores de transcripción a menudo actúan en conjunto en las mismas regiones reguladoras. Esta unión cooperativa sugiere que la regulación génica funciona más como una red coordinada que como una serie de interacciones aisladas individualizadas.

Para investigar los mecanismos subyacentes, el equipo de investigación se centró en Gcn4, un factor de transcripción bien conocido que responde a la privación de aminoácidos. Al mutar ya sea su dominio de unión al ADN o sus dominios de activación que normalmente reclutan otras proteínas para iniciar la transcripción, se encontró algo inesperado: Gcn4 todavía se asociaba con muchos de sus sitios genómicos habituales, incluso cuando su dominio de unión al ADN estaba desactivado. Esto sugiere que el dominio de activación puede ayudar a estabilizar la unión de Gcn4, probablemente mediante el reclutamiento de cofactores que alteran el entorno local de la cromatina para hacer que el ADN sea más accesible; lo que invierte el modelo tradicional, en el que se creía que los factores de transcripción se unían primero al ADN y luego, reclutaban a los cofactores. En cambio, estos dominios de activación pueden facilitar la unión en primer lugar, lo que revela una interacción más dinámica entre la estructura del factor de transcripción, los cofactores y el estado de la cromatina.

Esta unión cooperativa sugiere que la regulación génica no es solo una simple lectura de un plano del ADN realizada por arquitectos solitarios. Por el contrario, es más como una obra en construcción ajetreada, donde múltiples arquitectos y trabajadores se coordinan dinámicamente, a veces hasta improvisando según el entorno local y quién está presente en el sitio. Esto significa que el “plano” no siempre se sigue literalmente, sino que son el contexto y el trabajo en equipo los que dan forma al diseño final.

Aunque ChEC-seq revela dónde se unen los factores de transcripción, no nos dice si esta unión realmente cambia la expresión génica. Para conectar la unión con la función, el equipo empleó un sistema de degrón inducible por auxina para degradar rápidamente 126 factores de transcripción diferentes de manera individual, y luego, midió los efectos inmediatos en los ARN recién sintetizados mediante una secuenciación de los mismos.

No obstante, antes de pasar a los resultados, es útil entender que los genes de levadura se dividen en dos clases reguladoras principales: algunos son genes dependientes del factor de transcripción IID, que se basan principalmente del complejo TFIID para reclutar el ARN polimerasa II e iniciar la transcripción, y otros son llamados genes coactivador-redundantes, los cuales son más flexibles y pueden ser activados a través de múltiples vías. Esta clasificación proporciona un marco para analizar cómo diferentes genes responden a la pérdida de factores de transcripción específicos.

Al degradar estos factores de transcripción individuales, la expresión de casi 5,000 genes cambió. Después de filtrar los efectos indirectos o relacionados con el estrés, se identificaron aproximadamente 4,725 genes como regulados directamente por uno o más factores de transcripción. Curiosamente, muchos genes fueron influenciados por múltiples factores de transcripción y algunos fueron afectados por hasta 21 reguladores. Los genes coactivador-redundantes tendían a ser controlados por un mayor número de factores de transcripción y eran altamente regulados.

La mayoría de los factores de transcripción tuvieron efectos focalizados en los que regularon menos de 200 genes, mientras que otros ajustaron su expresión génica en contextos biológicos específicos, y unos pocos programas transcripcionales coordinados y generalizados, entre ellos los reguladores maestros Cyc8, Rap1 y Abf1, influenciaron a más de mil genes cada uno. Lo más sorprendente fue que en muchos casos, los genes respondieron a la disminución de los factores de transcripción, pero la unión de estos era indetectable cerca del gen regulado.

Este estudio replantea la regulación génica como un proceso dinámico y dependiente de su contexto. La unión no está dictada únicamente por los motivos de secuencia del ADN, sino que también abarca: la accesibilidad de la cromatina, la cooperación de factores de transcripción y las funciones específicas de dominio dentro de los propios factores de transcripción. Además, el impacto funcional de la unión, es decir, si un gen se activa o desactiva, depende de redes reguladoras complejas en lugar de relaciones simples individualizadas. “Sorprendentemente, los factores de transcripción rara vez funcionan estrictamente como activadores o represores; en cambio, la mayoría tiene funciones duales”, compartió la Dra. Mahendrawada.

Entonces, ¿qué sigue después? Según Mahendrawada, quedan muchas preguntas importantes por resolver. ¿Cómo regulan los factores de transcripción los genes sin unirse en zonas cercanas? Muchos factores de transcripción también desempeñan una función dual, ya que a veces activan genes y otras veces los desactivan, pero ¿qué controla este interruptor? ¿Se trata de cambios estructurales del FT, modificaciones postraduccionales o es la compañía que mantienen en el ADN?

Además, ¿cómo influyen factores como el estado de la cromatina y la arquitectura del promotor en la activación o represión de un gen por parte de un factor de transcripción? Con tantos factores de transcripción trabajando juntos, ¿podría el aprendizaje automático, que el laboratorio Hahn ya ha utilizado para tratar de comprender la transcripción, ayudarnos a predecir la regulación génica mediante el análisis de patrones de unión y características del ADN?

Explorar estas preguntas profundizará nuestros conocimientos sobre la complejidad que tiene la regulación génica, y sin duda, revelará aún más sorpresas en el camino.

El Dr. Steven Hahn, integrante del Consorcio Oncológico, Fred Hutch, la Universidad de Washington y el hospital Seattle Children's, contribuyó a esta investigación.

Esta investigación destacada recibido financiamiento de los Institutos Nacionales de la Salud.

Mahendrawada L, Warfield L, Donczew R, Hahn S. 2025. Low overlap of transcription factor DNA binding and regulatory targets Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08916-0.