Trypanosoma congolense Variant Surface Glycoprotein gene expression occurs in the absence of monoallelic transcription control

Para sobrevivir dentro de un mamífero, un parásito unicelular debe cambiar constantemente su disfraz. El sistema inmunológico de su huésped actúa como una fuerza de seguridad altamente entrenada, aprendiendo a reconocer la cubierta superficial específica de un invasor y luego atacándolo. Para mantenerse un paso por delante, muchos patógenos practican un truco llamado variación antigénica. Poseen una vasta biblioteca de diferentes proteínas de superficie, pero muestran solo una a la vez. Cuando el sistema inmunológico del huésped finalmente aprende a detectar esa proteína específica y lanza un ataque, el parásito cambia a una diferente de su biblioteca, cambiando efectivamente su rostro antes de que el sistema inmunológico pueda alcanzarlo. Este proceso se comprende bien en el tripanosoma africano Trypanosoma brucei, la causa de la enfermedad del sueño. En esta especie, el parásito es un monógamo estricto respecto a su disfraz: en cualquier momento dado, una sola célula expresa solo una proteína de superficie mientras mantiene todas las demás en silencio. Este control "monoalélico" es gestionado por una sofisticada maquinaria molecular que asegura que solo un gen esté activo, permitiendo que la población cambie su apariencia en una ola coordinada y secuencial.

Sin embargo, un parásito estrechamente relacionado, Trypanosoma congolense, que causa una enfermedad devastadora en el ganado en el África subsahariana, ha sido durante mucho tiempo un misterio. Aunque los científicos sabían que también utilizaba proteínas de superficie para evadir la inmunidad, no sabían cómo controlaba la expresión de estos genes. ¿Seguía la misma regla estricta de un solo gen que su primo, o funcionaba de manera diferente? Un equipo de investigadores de universidades del Reino Unido y Bélgica se propuso responder a esta pregunta observando directamente la actividad genética de los parásitos individuales. Querían ver si las reglas que gobiernan al famoso parásito de la enfermedad del sueño también se aplicaban a esta plaga agrícola.

Los investigadores comenzaron cultivando cultivos de T. congolense en el laboratorio y examinando los mensajes genéticos, o transcritos, que los parásitos estaban produciendo. Esperaban encontrar que, al igual que T. brucei, cada célula estaría concentrada en un solo gen de proteína de superficie. En su lugar, encontraron una escena caótica. En pequeños grupos de parásitos recientemente clonados, detectaron cientos de genes de proteínas de superficie diferentes que estaban activos al mismo tiempo. Esto fue un marcado contraste con T. brucei, donde casi cada célula expresa un solo gen dominante. Para asegurar que esto no fuera un error causado por los parásitos intercambiando genes para crear nuevas combinaciones, los científicos crearon versiones mutantes de T. congolense que carecían de la capacidad de realizar recombinación genética. Incluso sin esta capacidad de barajar su mazo genético, los parásitos continuaron expresando una vasta gama de diferentes proteínas de superficie simultáneamente. La diversidad no era el resultado del intercambio de genes; era una característica fundamental de cómo estos parásitos leen su propio ADN.

Para entender qué estaba sucediendo dentro de una sola célula, el equipo recurrió a la transcriptómica de célula única, una técnica que permite a los científicos escuchar las conversaciones genéticas de células individuales en lugar de solo el ruido promedio de una población entera. Analizaron miles de células individuales de T. congolense y las compararon con miles de células de T. brucei. La diferencia fue inmediata y profunda. En las muestras de T. brucei, casi cada célula estaba expresando un solo gen de proteína de superficie, con quizás un pequeño susurro de un segundo uno de vez en cuando. Las células de T. congolense, sin embargo, estaban expresando múltiples genes de proteínas de superficie a la vez. Se encontró que una célula típica de T. congolense transcribía activamente entre dos y treinta genes de proteínas de superficie diferentes simultáneamente. De hecho, la mayoría de las células co-expresaban múltiples genes, y la combinación específica de genes variaba enormemente de una célula a otra. Algunas células expresaban una docena de proteínas diferentes, mientras que otras expresaban unas pocas, pero la regla de "un gen por célula" estaba completamente ausente.

Los investigadores luego mapearon la ubicación de estos genes activos dentro del genoma del parásito para ver si había un "centro de mando" específico donde estos genes se estuvieran activando. En T. brucei, hay un sitio dedicado al final de los cromosomas donde se encuentra el gen activo, y todas las otras copias permanecen silenciadas. En T. congolense, no existía tal sitio dedicado. Los genes activos estaban dispersos por todo el genoma, encontrados en cromosomas grandes y pequeños, a menudo lejos de los extremos de los cromosomas donde suelen residir los sitios activos en otros trypanosomas. Los genes que se expresaban juntos en una sola célula no eran vecinos; estaban ubicados en partes completamente diferentes del genoma. Esto indicó que T. congolense no depende de un único sitio de expresión especializado para controlar su disfraz. En cambio, parece tener la libertad de encender muchos genes de proteínas de superficie al mismo tiempo, independientemente de su ubicación en el ADN.

Para ver si este extraño comportamiento era exclusivo del laboratorio o si ocurría en una infección real, el equipo repitió el experimento utilizando parásitos tomados directamente de ratones infectados. Recolectaron los parásitos de la sangre de los animales en diferentes etapas de la infección y los analizaron individualmente. Incluso en el complejo entorno de un huésped vivo, el patrón se mantuvo. La gran mayoría de las células de T. congolense expresaban múltiples genes de proteínas de superficie a la vez, mientras que las células de T. brucei del mismo tipo de experimento continuaron aferrándose a su regla de un solo gen. Esto confirmó que la falta de un control estricto no es un artefacto de las condiciones de laboratorio, sino una característica biológica central de T. congolense. Los investigadores también probaron una cepa diferente de T. congolense y encontraron el mismo resultado, lo que sugiere que este es un rasgo universal para la especie.

Los hallazgos desafían la suposición largamente sostenida de que todos los african trypanosomas utilizan el mismo mecanismo para evadir el sistema inmunológico. Mientras que T. brucei depende de un cambio estricto y secuencial de un solo disfraz, T. congolense parece vestir un abrigo de retazos de muchos disfraces simultáneamente. Esto sugiere que el parásito podría estar confundiendo al sistema inmunológico no cambiando su rostro uno por uno, sino presentando una mezcla constante, heterogénea y cambiante de rostros todos a la vez. El estudio también descartó la idea de que esta diversidad provenga de los parásitos intercambiando constantemente genes para crear nuevas combinaciones, ya que los mutantes incapaces de intercambiar genes mostraron la misma alta diversidad. En su lugar, la diversidad surge de la capacidad de transcribir muchos genes al mismo tiempo.

Este descubrimiento abre nuevas preguntas sobre cómo sobreviven estos parásitos. Si una célula de T. congolense está cubierta por una mezcla de diferentes proteínas, ¿cómo evita ser atacada? Los investigadores descubrieron que, si bien las células producen muchos mensajes genéticos diferentes, el número real de moléculas de proteína detectadas en la superficie era menor que el número de mensajes, lo que sugiere que aún podría existir cierto nivel de control después de que los genes son leídos, quizás filtrando qué proteínas realmente llegan a la superficie. Sin embargo, el mecanismo fundamental de encender los genes es claramente diferente al de su primo. El estudio concluye que la evolución ha tomado dos caminos muy diferentes para resolver el mismo problema: un camino conduce a un enfoque estricto de un solo gen, mientras que el otro conduce a una expresión de múltiples genes caótica. Esta diferencia de estrategia resalta la increíble adaptabilidad de estos parásitos y sugiere que las reglas que gobiernan su supervivencia son mucho más diversas de lo que se imaginaba anteriormente.