Evolución molecular de poblaciones de RNA

 

 

Responsable de Grupo: Carlos Briones Llorente

Laboratorio de Evolución Molecular

Centro de Astrobiología (CSIC-INTA)

Carretera de Ajalvir, Km. 4

28850 Torrejón de Ardoz. Madrid

 

Teléfono: +34 915206411 Fax: +34 915201074

Dirección página Web: http://www.cab.inta.es

 

Componentes del grupo

 

Carlos Briones Llorente, Investigador en plantilla, e.mail: brioneslc (añada@inta.es)

Susanna C. Manrubia, Investigadora contratada RyC, e.mail: cuevasms (añada@inta.es)

Michael Stich, Becario Postdoctoral, e.mail: stichm (añada@inta.es)

 

María Fernández Algar, Técnico de laboratorio, e.mail: fernandezam (añada@inta.es)

 

 

Actividad Científica

 

Líneas de Investigación:

 

El tema general de investigación de nuestro grupo es el estudio de las relaciones secuencia-estructura-función en la evolución de poblaciones heterogéneas, para lo que utilizamos cuasiespecies víricas y moleculares de RNA como sistemas modelo. Este campo de trabajo posee implicaciones en el estudio del origen y evolución temprana de la vida, así como en numerosos aspectos biosanitarios y biotecnológicos.

 

A) Evolución de cuasiespecies de virus RNA: dinámica de genomas minoritarios y memoria molecular

Uno de los descubrimientos recientes en el ámbito de la dinámica de cuasiespecies víricas ha sido la posibilidad de que en los virus RNA exista una “memoria molecular” de su historia evolutiva anterior, mantenida en forma de componentes minoritarios dentro de su espectro de mutantes. La memoria molecular permite a las cuasiespecies poseer un registro histórico de los genomas que fueron seleccionados en el pasado y, como consecuencia, modula la naturaleza e intensidad de su respuesta frente a nuevas presiones selectivas. En esta línea de trabajo se profundiza en la dinámica poblacional de dichos genomas minoritarios, y se ha logrado caracterizar el fenómeno de memoria molecular en el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) in vivo.

La memoria molecular de las cuasiespecies víricas reside en genomas que representan entre un 0.1% y un 10% del espectro de mutantes. Por tanto, estos genomas minoritarios no son detectables en la secuencia consenso del virus. No obstante, dado que tales genomas memoria pueden condicionar la respuesta del virus ante nuevas presiones selectivas (por ejemplo la administración de fármacos antivirales en el caso de HIV), resulta fundamental su detección y caracterización. Para ello, además de emplear las metodologías convencionales, estamos desarrollando nuevas tecnologías que permiten el genotipado rápido de variantes mayoritarias y minoritarias dentro de la cuasiespecie, como las basadas en microarrays de DNA (ver Línea C).

 

B) Evolución modular en poblaciones de moléculas de RNA: aplicaciones al origen de la vida y a la evolución de RNA in vitro

Hemos puesto a punto un sistema computacional para simular la evolución de poblaciones de RNA que replican con una tasa proporcional a su capacidad para desarrollar una función determinada (en una primera aproximación, el fenotipo del RNA viene dado por la estructura secundaria de la molécula, analizable mediante algoritmos de plegamiento de RNA). Hemos demostrado que la ligación o recombinación de poblaciones de moléculas cortas de RNA que han evolucionado independientemente puede permitir la aparición progresiva de moléculas más largas, capaces de realizar funciones complejas. Las ventajas cuali- y cuantitativas de esta “evolución modular” sobre la evolución directa de fenotipos complejos son diversas e incluyen la tolerancia de tasas de mutación mucho más altas en la evolución de las primeras poblaciones y el acortamiento de los tiempos evolutivos requeridos. De hecho, a diferencia de la evolución directa, la evolución modular sí permite obtener estructuras de RNA suficientemente complejas para realizar las funciones catalíticas necesarias en fases posteriores de la evolución (por ejemplo, la aparición de una ribozima con actividad RNA polimerasa dependiente de molde).

Los resultados de los sistemas de evolución in silico de RNA nos permiten aproximarnos a la dinámica poblacional de las primeras moléculas con información genética, dentro del contexto de un “Mundo RNA”. Por otra parte, la retroalimentación entre las simulaciones y los experimentos realizados en el laboratorio nos permite estudiar, con un elevado grado de realismo, las relaciones secuencia-estructura-función en sistemas biológicos de importancia biosanitaria y biotecnológica que consisten en poblaciones heterogéneas de moléculas de RNA: las cuasiespecies de virus RNA y las poblaciones moleculares generadas en experimentos de evolución in vitro de aptámeros y ribozimas.

 

C) Diseño de biosensores basados en microarrays de DNA y en superficies funcionalizadas con PNA

            En esta línea desarrollamos microarrays de DNA para el genotipado de poblaciones víricas y moleculares de RNA. Hasta el momento hemos construido microarrays de oligonucleótidos para la caracterización de variantes del virus de la fiebre aftosa (FMDV) relacionadas con su variabilidad antigénica, y de mutantes de HIV-1 resistentes a fármacos antivirales. Como extensión de esta línea de trabajo, también se han desarrollado microarrays de DNA para el tipado de bacterias patógenas. Una aplicación novedosa de los microarrays de oligonucleótidos ha sido su utilización para el análisis no sólo de la secuencia sino de la estructura secundaria/terciaria del RNA en condiciones nativas. Con ello ha sido posible realizar estudios estructurales de motivos funcionales presentes en el genoma de virus RNA, como es el caso del virus de la hepatitis C (HCV).

Por otra parte, el desarrollo de biosensores para el análisis de muestras moleculares complejas nos ha llevado a poner a punto metodologías alternativas a las de microarrays, de forma que no se requiera el marcaje fluorescente de la molécula diana. Estamos trabajando en biosensores basados en la inmovilización de ácidos nucleicos peptídicos (PNAs) sobre superficies. Además de su utilidad como herramientas biotecnológicas, el uso de PNAs nos aporta información sobre la interacción entre superficies minerales y moléculas análogas a los ácidos nucleicos. Éste es un aspecto de gran interés en el ámbito del origen de la vida, ya que los PNAs u otros polímeros con información genética similares a ellos podrían haber constituido un “Mundo pre-RNA” en las primeras etapas de la evolución bioquímica.

 

Publicaciones más relevantes:

 

- S.C. Manrubia and C. Briones. “Modular evolution and increase of functional complexity in replicating RNA molecules”. RNA, in press, 2006.

 

- C. Briones, A. de Vicente, C. Molina-París and E. Domingo. “Minority memory genomes can influence the evolution of HIV-1 quasispecies in vivo”. Gene, in press, 2006.

 

- E. Mateo-Martí, C. Briones, C.M. Pradier and J.A. Martín-Gago. “A DNA biosensor based on peptide nucleic acids on gold surfaces”. Biosensors and Bioelectronics, in press, 2006.

 

- S.C. Manrubia and E. Lázaro. “Viral evolution”. Physics of life reviews, in press, 2006.

 

- V. Martín, C. Perales, D. Abia, A.R. Ortiz, E. Domingo and C. Briones. “Microarray-based identification of antigenic variants of foot-and mouth disease virus: a bioinformatics quality assessment”. BMC Genomics, 7, 117 (1-12), 2006.

           

- S.C. Manrubia. “Evolution of fast mutating replicators: RNA viruses and the RNA world”. Physica A, 371, 80-83, 2006.

 

- C. Briones and J.A. Martín-Gago. “Nucleic acids and their analogues as nanomaterials for biosensor development”.Current Nanoscience, 2, 157-174, 2006.

 

- P. Garrido, M. Blanco, M. Moreno-Paz, C. Briones, G. Dhabi, J. Blanco, J. Blanco and V. Parro. “STEC-EPEC oligonucleotide microarray: a new tool for typing genetic variants of the LEE pathogenicity island of human and animal Shiga toxin-producing E. coli (STEC) and enteropathogenic E. coli (EPEC) strains”. Clinical Chemistry, 52, 192-201, 2006.

 

- C. Briones and U. Bastolla. Protein evolution in viral quasispecies under selective pressure: a thermodynamic and phylogenetic analysis”. Gene, 347, 237-246, 2005.

 

- C. Briones, S.C. Manrubia, E. Lázaro, A. Lazcano and R. Amils. Reconstructing evolutionary relationships from functional data: a consistent classification of organisms based on translation inhibition response”. Molecular Phylogenetics and Evolution, 34, 371-381, 2005.

 

- A. Grande-Pérez, E. Lázaro, E. Domingo and S.C. Manrubia. “Suppression of viral infectivity through lethal defection”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 4448-4452, 2005.

 

- C. Briones, E. Mateo-Martí, C. Gómez-Navarro, V. Parro, E. Román and J.A. Martín-Gago. “Ordered self-assembled monolayers of peptide nucleic acids with DNA recognition capability”. Physical Review Letters, 93, 208103 (1-4), 2004.

 

- M. Martell, C. Briones, A. de Vicente, M. Pirón, J.I. Esteban, R. Esteban, J. Guardia and J. Gómez, J. “Structural analysis of hepatitis C RNA genome using DNA microarrays”. Nucleic Acids Research, 32, e90 (1-12), 2004.

 

- C. Briones, E. Domingo and C. Molina-París.“Memory in retroviral quasispecies: experimental evidence and theoretical model for human immunodeficiency virus”. Journal of Molecular Biology, 331, 213-229, 2003.

 

- C. M. Ruíz-Jarabo, A. Arias, C. Molina-París,C. Briones, E. Baranowski, C. Escarmís and E. Domingo. “Duration and fitnesss dependence of quasispecies memory”. Journal of Molecular Biology, 315, 285-296, 2002.