Una familia fundamental de DNA repetitivo y disperso está constituida por los elementos nucleares dispersos largos, conocidos como LINE por su denominación en inglés, long interspersed nuclear elements. Dentro de esta categoría, LINE-1, abreviado L1, representa la familia de LINE más abundante y, además, la única familia de retrotransposones autónomos que conserva actividad de movilización en el genoma humano contemporáneo. Esta distinción es importante porque LINE y L1 no son términos estrictamente equivalentes: LINE designa una categoría de elementos retrotransponibles no relacionados con repeticiones terminales largas, mientras que L1 identifica una familia particular dentro de dicha categoría. En el genoma humano también existen familias LINE antiguas, como L2 y L3, pero estas han perdido la capacidad de retrotransposición autónoma. Las estimaciones obtenidas durante el análisis inicial de la secuencia del genoma humano situaron el número total de elementos LINE en aproximadamente 850.000 copias y su contribución en alrededor de 21 % del genoma; de ese conjunto, aproximadamente 516.000 correspondían a L1. Por ello, la cifra de 850.000 copias no debe atribuirse exclusivamente a L1. Las estimaciones más recientes para L1 propiamente dicho se aproximan a 500.000 copias y a 17 % del DNA humano, debido tanto a diferencias metodológicas como a la utilización de anotaciones genómicas más actualizadas. Esta diferencia explica por qué pueden encontrarse en la literatura científica cifras cercanas a 850.000 copias y 20 % para LINE, junto con cifras cercanas a 500.000 copias y 17 % para L1.
El calificativo dispersos hace referencia a la organización física de estos elementos dentro de los cromosomas. A diferencia de las secuencias repetitivas en tándem, en las cuales numerosas copias de una secuencia se encuentran adyacentes unas a otras formando matrices repetitivas, los LINE se encuentran distribuidos en numerosos loci separados por secuencias de DNA no repetitivas. Esta distribución es consecuencia de su historia evolutiva como elementos móviles: cada nueva inserción generada mediante retrotransposición puede establecer una nueva copia en una localización cromosómica diferente. La acumulación de sucesivas inserciones durante la evolución de los mamíferos produjo una enorme expansión de estas secuencias, hasta el punto de que L1 constituye aproximadamente 17 % del DNA humano. El análisis comparativo de los genomas indica que la expansión de L1 se ha producido durante una historia evolutiva de aproximadamente 150 millones de años dentro del linaje de los mamíferos.
El calificativo largos permite diferenciarlos de los elementos nucleares dispersos cortos, conocidos como SINE. En el caso de L1, una copia completa y potencialmente competente para la retrotransposición posee una longitud aproximada de 6 kb. Sin embargo, esta longitud no describe la mayoría de las copias de L1 presentes actualmente en el genoma humano. La inmensa mayoría de ellas son fósiles moleculares que han sufrido alteraciones durante su historia evolutiva. Muchas presentan truncamientos en el extremo 5′, inversiones, deleciones, reordenamientos o mutaciones puntuales que afectan las regiones necesarias para la retrotransposición. Como consecuencia, el conjunto de aproximadamente 500.000 copias de L1 que puede identificarse en el genoma humano no debe interpretarse como un conjunto de 500.000 elementos móviles intactos de 6 kb. Por el contrario, la gran mayoría son fragmentos derivados de elementos que alguna vez tuvieron capacidad de movilización, pero que actualmente son incapaces de completar un ciclo autónomo de retrotransposición.
Una copia de L1 competente para la retrotransposición presenta una organización molecular característica. En el extremo 5′ posee una región no traducida que contiene un promotor interno reconocido por la RNA polimerasa II. A continuación se encuentran dos marcos abiertos de lectura, denominados ORF1 y ORF2, separados por una región intergénica relativamente corta. El extremo 3′ contiene otra región no traducida seguida por una señal de poliadenilación y una cola rica en adeninas. Esta organización permite que L1 funcione como un elemento retrotransponible autónomo, porque su propio DNA contiene la información necesaria para producir las proteínas que participan directamente en su movilización.
El carácter autónomo de L1 constituye una de sus propiedades biológicas más importantes. Los retrotransposones no se desplazan mediante el mecanismo clásico de cortar una secuencia de DNA de un lugar y pegarla en otro. En cambio, L1 utiliza un intermediario de RNA. Primero, una copia de L1 localizada en el DNA cromosómico es transcrita para producir un RNA mensajero de L1. Este RNA es transportado al citoplasma y utilizado como molde para la síntesis de las proteínas codificadas por ORF1 y ORF2. Posteriormente, las proteínas de L1 se asocian con el RNA que las codifica para formar una partícula ribonucleoproteica. Esta asociación constituye un componente central del mecanismo de retrotransposición, ya que las proteínas producidas a partir de L1 tienden a actuar preferentemente sobre el RNA de L1 que las codifica.
ORF1 codifica ORF1p, una proteína de unión a ácidos nucleicos que posee actividad de chaperona de ácidos nucleicos. ORF1p se une al RNA de L1 y contribuye a su organización dentro de una partícula ribonucleoproteica. Su actividad de chaperona facilita modificaciones de la estructura secundaria de los ácidos nucleicos y favorece interacciones necesarias durante la retrotransposición. Los experimentos funcionales han demostrado que la actividad de ORF1p es indispensable para la movilización eficiente de L1, de modo que ORF1 no constituye simplemente una región genética pasiva, sino que codifica un componente esencial de la maquinaria molecular del elemento.
ORF2 codifica ORF2p, una proteína multifuncional que contiene las actividades enzimáticas fundamentales para la inserción de una nueva copia de L1. ORF2p posee actividad de endonucleasa y actividad de transcriptasa inversa. La endonucleasa produce una rotura en una de las cadenas del DNA cromosómico en el sitio que será utilizado para la integración, mientras que la transcriptasa inversa utiliza el RNA de L1 como molde para sintetizar DNA. Por tanto, L1 posee dentro de su propia maquinaria molecular tanto el componente que inicia la modificación del DNA cromosómico como el componente que convierte el intermediario de RNA nuevamente en DNA. Estudios bioquímicos y estructurales han demostrado directamente estas funciones de ORF2p y han permitido establecer con mayor precisión cómo se coordinan durante la retrotransposición.
El proceso mediante el cual L1 genera una nueva copia recibe el nombre de retrotranscripción cebada por el sitio diana, conocida en inglés como target-primed reverse transcription. El mecanismo comienza cuando la endonucleasa de ORF2p produce una incisión en una de las cadenas del DNA cromosómico. El extremo 3′-OH libre generado por dicha incisión sirve posteriormente como cebador para la actividad de transcriptasa inversa de ORF2p. El RNA de L1 asociado con la maquinaria ribonucleoproteica funciona como molde y es retrotranscrito directamente en el lugar de integración. Después se producen los acontecimientos moleculares necesarios para completar la segunda cadena de DNA y establecer la nueva inserción cromosómica. Este mecanismo explica por qué L1 puede incrementar el número de copias de una secuencia sin eliminar la copia original: la molécula original permanece en su localización cromosómica mientras que una nueva copia se genera en otro locus. Por esta razón, la retrotransposición de L1 se describe frecuentemente como un mecanismo de copia y pegado, en contraste con el mecanismo de cortar y pegar característico de determinados transposones de DNA.
La consecuencia evolutiva de este mecanismo es extraordinariamente importante. Cada episodio exitoso de retrotransposición puede aumentar el número de copias de L1 en el genoma. Si la nueva inserción ocurre en una célula de la línea germinal y posteriormente se transmite a la descendencia, puede convertirse en una característica hereditaria de una población. Si ocurre en células somáticas, puede generar mosaicismo genómico, es decir, la coexistencia de células genéticamente diferentes dentro de un mismo organismo. Por consiguiente, la actividad de L1 constituye una fuente de variación estructural y de diversidad genética. La movilización de L1 también puede alterar genes o regiones reguladoras cuando una nueva inserción se produce en una posición funcionalmente relevante.
La extraordinaria abundancia de L1 en el genoma humano es, por tanto, el resultado acumulativo de millones de años de retrotransposición y posterior inactivación de numerosas copias. Una vez que una copia se incorpora al genoma, queda sometida a las mismas fuerzas mutacionales que el resto del DNA. Con el transcurso del tiempo puede acumular mutaciones que destruyen ORF1, ORF2, el promotor o cualquier otra región necesaria para la movilización. Además, el mecanismo de retrotransposición de L1 favorece la aparición de copias incompletas, particularmente truncadas en el extremo 5′. En consecuencia, el repertorio actual de L1 representa una mezcla de elementos relativamente jóvenes y potencialmente activos, elementos antiguos inactivos y fragmentos muy degradados que constituyen restos moleculares de acontecimientos de retrotransposición ocurridos en épocas evolutivas anteriores.
Esta distinción entre abundancia y actividad es fundamental. Aunque el genoma humano contiene aproximadamente medio millón de copias de L1, solamente una pequeña fracción conserva la arquitectura molecular necesaria para realizar una retrotransposición autónoma. Las estimaciones experimentales y genómicas sitúan el número de elementos potencialmente competentes para la retrotransposición en aproximadamente 80 a 150 copias por genoma, dependiendo del criterio empleado para definir competencia funcional y de la variación entre individuos. Incluso dentro de este conjunto, una fracción todavía menor de elementos denominados L1 activos o calientes concentra una parte importante de la actividad de retrotransposición observada. Por ello, no sería correcto interpretar el 17 % del genoma constituido por L1 como DNA actualmente móvil. La enorme mayoría de ese DNA representa la huella acumulada de retrotransposiciones antiguas.
L1 también tiene importancia porque proporciona la maquinaria molecular utilizada por otros retrotransposones humanos. Los elementos SINE, entre ellos los elementos Alu, no codifican por sí mismos todas las proteínas necesarias para completar su movilización. En cambio, pueden aprovechar la maquinaria producida por L1. Esto establece una relación funcional entre dos de las principales clases de DNA repetitivo disperso del genoma humano: L1 representa un elemento autónomo capaz de producir las proteínas requeridas para su propia retrotransposición, mientras que Alu y otros elementos no autónomos dependen de esa maquinaria. La expansión evolutiva de L1, por tanto, no solamente incrementó el número de copias de L1, sino que también proporcionó una maquinaria capaz de favorecer la expansión de otros elementos genéticos.
La elevada proporción de L1 en el genoma también tiene consecuencias sobre la organización y evolución cromosómicas. Las secuencias repetitivas homólogas situadas en diferentes regiones pueden favorecer acontecimientos de recombinación no alélica. Cuando cromosomas o regiones cromosómicas contienen copias similares de L1, los mecanismos de recombinación pueden establecer correspondencias incorrectas entre ellas. Esto puede originar deleciones, duplicaciones, inversiones u otras formas de variación estructural. Por consiguiente, incluso una copia de L1 que haya perdido completamente su capacidad de retrotransposición puede continuar teniendo relevancia genética debido a su homología con otras secuencias repetitivas distribuidas por el genoma.
La actividad de L1 se encuentra normalmente sometida a mecanismos celulares de represión. La metilación del DNA, modificaciones de histonas y diferentes mecanismos de vigilancia del RNA y de los ácidos nucleicos contribuyen a impedir una movilización excesiva de los retrotransposones. Esta regulación es necesaria porque la retrotransposición no controlada puede producir mutaciones, alteraciones cromosómicas y modificaciones de la expresión génica. En determinados contextos celulares, incluidos algunos tipos de células tumorales, la pérdida de parte de estos mecanismos represores puede asociarse con una mayor expresión y movilización de L1.
Por esta razón, L1 no debe considerarse simplemente DNA repetitivo sin función biológica. Históricamente, una gran parte de las secuencias repetitivas del genoma fue considerada DNA genómico residual o carente de función. La investigación contemporánea ha demostrado que L1 puede influir en el genoma mediante múltiples mecanismos. Además de su capacidad de generar nuevas inserciones, determinadas secuencias derivadas de L1 pueden actuar como elementos reguladores de la transcripción. Dependiendo de su localización y de su estado epigenético, pueden contribuir a promotores, potenciadores y otras estructuras reguladoras de la organización cromatínica. Estas funciones son particularmente relevantes durante determinados procesos del desarrollo, durante el envejecimiento y en diversos estados patológicos.
Por tanto, la importancia de los LINE y, particularmente, de L1 deriva de la combinación de cuatro propiedades. En primer lugar, son extremadamente abundantes debido a su amplificación durante la evolución. En segundo lugar, están dispersos por numerosos loci cromosómicos, de modo que su presencia modifica la arquitectura repetitiva del genoma. En tercer lugar, L1 conserva una maquinaria molecular autónoma de retrotransposición basada en ORF1p, ORF2p y un intermediario de RNA. En cuarto lugar, aunque la inmensa mayoría de las copias actuales son inactivas, sus secuencias pueden seguir influyendo en la estabilidad, la estructura y la regulación del genoma. Así, la presencia de aproximadamente medio millón de copias de L1 no representa simplemente una acumulación pasiva de secuencias repetidas, sino el resultado de una historia evolutiva prolongada de replicación molecular, selección, mutación e interacción entre elementos móviles y mecanismos celulares de defensa genómica.
La formulación cuantitativa inicial debe interpretarse con precisión. Si se utiliza el término LINE en sentido amplio, es válido encontrar en la literatura científica la estimación de aproximadamente 850.000 copias y alrededor de 20 % del genoma humano. Si se pretende describir específicamente la familia LINE-1, es más exacto señalar que existen aproximadamente 500.000 copias de L1 y que estas constituyen alrededor de 17 % del DNA humano. La primera cifra procede de estimaciones que contabilizan la categoría LINE completa, mientras que la segunda corresponde a L1 específicamente. Esta diferencia terminológica es esencial para evitar atribuir a una única familia molecular una cantidad de copias que originalmente fue calculada para una categoría más amplia de retrotransposones.
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