Análisis de la regulación transcripcional del gen FOXP2 desde un enfoque evolutivo - Caporale, Alfredo Leandro (2020)
Determinar los vínculos existentes entre cambios a nivel genético y la evolución del cerebro humano es uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la era post-genómica. Nuestra hipótesis es que la adquisición de nuevos patrones de expresión de genes relacionados con el desarrollo y la función cerebral en el linaje humano, habría sido crítica para la evolución neuroanatómica de nuestro cerebro y sus capacidades cognitivas diferenciales. Estos nuevos territorios de expresión estarían codificados en parte por cambios en la secuencia de regiones regulatorias de genes que se expresan en cerebro. En nuestro laboratorio, la utilización combinada de herramientas bioinformáticas propias y el análisis de resultados generados por otros laboratorios nos ha permitido identificar las zonas del genoma humano que acumulan mayor número de regiones nocodifi- cantes quemuestran signos de evolución acelerada ( Human Accelerated Regions: HARs) en comparación con otras especies de mamíferos y vertebrados. En este trabajo nos propusimos analizar el agrupamiento y la distribución de HARs para un locus en particular: el gen FOXP2 . Para ello decidimos considerar la estructura tridimensional que adopta la cromatina en esta región, es decir el Dominio Topológi- camente Asociado en el que se localiza este gen (TAD- FOXP2 ), en particular en la placa cortical humana de 16 semanas de gestación, tejido embrionario donde se expresa este gen y ocurre un pico de neurogénesis y migración neuronal. Determinamos que el TAD- FOXP2 se encuentra dentro de las regiones más aceleradas de todo el genoma, lo que podría significar una regu- lación transcripcional diferencial para este gen en humanos. El gen FOXP2 ha sido ampliamente estudiado en evolución humana, debido a que ciertas mutaciones en la región codificante de este gen impactan directamente en el desarrollo de la capacidad del habla. Por otra parte, se ha encontrado que en humanos este factor de transcripción presenta dos sustituciones no sinónimas en su secuencia codificante, a pesar de ser uno de los genes más conservados entre vertebrados, tanto en secuencia como en territorios de expresión. Sorprendentemente, estas sustituciones ya estaban presentes en los genomas de Neandertales y Denisovanos, miembros del género Homo ya extintos. Sumado a esto, se ha reportado que FoxP2 juega un papel importante en el aprendizaje vocal no innato en varias especies (pinzones, canarios, murciélagos, ballenas, entre otras). No obstante, su rol específico en la ejecución de estas vocalizaciones no está claro, ya que este factor de transcripción regula múltiples genes importantes para el desarrollo cerebral, y además también se expresa en otras especies que no presentan aprendizaje vocal y en otros tejidos no relacionados con la capacidad del habla. Resulta clave comprender la fina regulación a la que está sujeta este gen y su potencial rol como factor de transcripción en territorios de expresión novedosos. Decidimos entonces estudiar en detalle las regiones aceleradas en humanos que se agrupan en el TAD- FOXP2 , con el fin de caracterizar potenciales regiones regulatorias de este gen que evolucionaron de manera humano específica. Analizamos in vivo la actividad transcripcional de los 12 HARs contenidos dentro del TAD- FOXP2 utilizando peces cebra y ratones transgénicos. Mediante el uso de genes reporteros e inmunohistoquímica, pudimos determinar que 5 de los 12 HARs presentes en esta región presentan actividad de enhancer transcripcional. Además, 2 de ellos (HACNS750 y HACNS169) mostraron ganancias de expre-sión a lo largo del sistema nervioso al comparar las regiones ortólogas humanas (derivadas) versus chimpancés (ancestrales), en tejidos donde se expresa FOXP2 . Para estas regiones diferenciales, encontramos evidencia adicional que soporta su actividad enhancer a partir de distintos análisis in silico. Nuestros resultados indican que secuencias reguladoras en el locus FOXP2 fueron seleccionadas por un proceso evolutivo espe-cífico del linaje Homo , lo que sugiere que la maquinaria transcripcional que controla este gen también podría haber evolucionado de manera diferencial a lo largo de nuestra historia evolutiva, contribuyendo de esta manera con el desarrollo de nuestro cerebro y en particular con nuestra excepcional capacidad del habla.