domingo, 13 de agosto de 2017

Repensando el superenrollamiento del ADN



Alargado, el ADN de todas las células de nuestro cuerpo llegaría a Plutón. Entonces, ¿cómo cada célula pequeña empaca una longitud de dos metros de ADN en su núcleo, que es sólo una milésima de un milímetro de diámetro? La respuesta a este enigmático enigma biológico es fundamental para entender cómo la organización tridimensional del ADN en el núcleo influye en nuestra biología, desde cómo nuestro genoma orquestra nuestra actividad celular hasta cómo los genes pasan de padres a hijos. De cierta manera este tema es cubierto en algunos libros de texto mediante los modelos de organización jerárquica de la cromatina en los cromosomas, proceso denominado superenrollamiento (Enlace→), sin embargo nuevas tecnologías permiten acceso a esta superestructura, lo cual puede traer consecuencias también al modo en que enseñamos la estructura del ADN en el núcleo, esto es especialmente relevante para cuando la cromatina no está formando cromosomas, es decir ¿Cómo es que se organiza la cromatina de una célula activa? Hay que recordar que la imagen mental de los cromosomas en la célula solo da cuenta por menos del 5% de la vida de la célula y además por un momento donde el ADN no hace mucho, no se copia y no transcribe órdenes a los ribosomas, solo está organizándose para transferirse. Por el contrario, es la estructura de la cromatina libre en el núcleo la que en verdad nos importa para entender el funcionamiento de la célula.

Ahora, los científicos del Instituto Salk y de la Universidad de California en San Diego han ofrecido por primera vez una visión sin precedentes de la estructura 3D de la cromatina humana -la combinación de ADN y proteínas- en el núcleo de las células humanas vivas. En el estudio de tour de force, descrito en Science el 27 de julio de 2017, los investigadores de Salk identificaron un nuevo colorante de ADN que, cuando se combina con microscopía avanzada en una tecnología combinada llamada ChromEMT, permite una visualización muy detallada de la estructura de la cromatina en células en etapas de interfase “falso reposo” y en mitosis. Hay que recordar que los libros de texto más viejos refieren a la interfase como la etapa de reposo en el ciclo celular, pero tal afirmación es tan verdadera como una moneda de cuero, pues es durante la interfase que las actividades de la célula se cumplen, su crecimiento, alimentación, interacciones ecológicas e incluso la síntesis del ADN, todo se da dentro de este así llamado periodo de “reposo” o interfase. Al revelar la estructura de la cromatina nuclear en las células vivas, el trabajo puede ayudar a reescribir el modelo de libro de texto de la organización del ADN e incluso cambiar la forma en que organizamos los tratamientos para enfermedades genéticas.

"Uno de los desafíos más intratables en la biología es descubrir la estructura de orden superior del ADN en el núcleo y cómo está vinculado a sus funciones en el genoma", dijo el profesor asociado Salk Clodagh O'Shea, un Howard Hughes Medical Institute Facultad Erudito y autor principal del artículo. "Es de importancia eminente, porque esta es la estructura biológicamente relevante del ADN que determina tanto la función como la actividad de los genes". Desde que Francis Crick y James Watson determinaron que la estructura primaria del ADN es una doble hélice, los científicos se han preguntado cómo se organiza más el ADN para permitir que toda su longitud se empaque en el núcleo de manera que la maquinaria de copiado de la célula pueda acceder a él en diferentes puntos El ciclo de actividad de la célula. Los rayos X y la microscopía mostraron que el nivel primario de la organización de la cromatina involucra 147 bases de ADN alrededor de las proteínas para formar partículas de aproximadamente 11 nanómetros (nm) de diámetro llamadas nucleosomas. Estas "perlas de nucleosoma" se modelan entonces como un collar de perlas plegado en fibras discretas de diámetro creciente (30, 120, 320 nm, etc.), hasta que forman cromosomas. El problema es que nadie ha visto la cromatina en estos discretos tamaños intermedios en células que no han sido separadas y su ADN se procesado duramente por solventes químicos, por lo que el modelo de libro de texto de la organización jerárquica de orden superior de la cromatina en células intactas ha permanecido sin verificar.

Para superar el problema de la visualización de la cromatina en un núcleo intacto, el equipo de O'Shea seleccionó una serie de tintes candidatos, eventualmente encontrando uno que podría ser manipulado con luz para experimentar una compleja serie de reacciones químicas que esencialmente "pintarían" la superficie de ADN con un metal de modo que su estructura local y la organización del polímero 3D pudieran ser aproximaciones de la imagen del genóma en una célula viva. El equipo se asoció con la Universidad de California, San Diego, el profesor y experto en microscopía Mark Ellisman, uno de los coautores del documento, para explotar una forma avanzada de microscopía electrónica que inclina las muestras en un haz de electrones permitiendo reconstruir su estructura tridimensional. El equipo de O'Shea llamó a la técnica, que combina su colorante de cromatina con la tomografía por microscopía electrónica, ChromEMT. El equipo utilizó ChromEMT para modelar la imagen y la medida de la cromatina en células humanas en interfase y durante la división celular (mitosis) cuando el ADN se compacta en su forma más densa - los 23 pares de cromosomas mitóticos que son la imagen icónica del genoma humano. Sorprendentemente, no vieron ninguna de las estructuras de orden superior del modelo de libro de texto en ninguna parte.

"El modelo de libros de texto es una ilustración para niños por una razón", dice Horng Ou, un asociado de investigación de Salk y primer autor del documento. "La cromatina que ha sido extraída del núcleo y sometida a procesamiento in vitro - en tubos de ensayo - puede no parecer cromatina en una célula intacta, por lo que es tremendamente importante poder verla in vivo". Lo que el equipo de O'Shea vio, tanto en las células en reposo como en las que se dividían, era la cromatina cuyas "perlas" no formaban ninguna estructura de orden superior como las predichas para 30 o 120 o 320 nanómetros. En su lugar, formó una cadena semi-flexible, que meticulosamente medida arrojaba un resultado variable de manera continua a lo largo de su longitud entre sólo 5 y 24 nanómetros, con un plegamiento no regular para lograr diferentes niveles de compactación. Esto sugiere que es la densidad de empaquetamiento de la cromatina, y no alguna estructura de orden superior, la que determina qué áreas del genoma están activas y cuáles son suprimidas.

Con sus reconstrucciones de microscopía en 3D, el equipo fue capaz de moverse a través de un volumen de 250 nm x 1000 nm x 1000 nm de giros y vueltas de la cromatina, e imaginar cómo una gran molécula como la ARN polimerasa, que transcribe ADN, podría ser dirigida por la densidad de embalaje variable de la cromatina, como un avión de videojuegos volando a través de una serie de cañones, a un lugar particular del genoma. Los resultados del equipo sugieren que el control del acceso a la cromatina podría ser un enfoque útil para prevenir, diagnosticar y tratar enfermedades como el cáncer. "Mostramos que la cromatina no necesita formar estructuras discretas de orden superior para encajar en el núcleo", añade O'Shea. "Es la densidad de empaque la que podría cambiar y limitar la accesibilidad de la cromatina a las polimerasas, proporcionando una base estructural local y global a través de la cual se podrían integrar diferentes combinaciones de secuencias de ADN, variaciones de nucleosomas y modificaciones en el núcleo para afinar exquisitamente la actividad funcional y la accesibilidad de nuestros genomas. " El trabajo futuro examinará si la estructura de la cromatina es universal entre tipos de células o incluso entre organismos.

Como conclusión de esta noticia tal vez sea que la organización activa del ADN debe visualizarse como cromatina y no como los cromosomas, los cromosomas no se duplican, es la cromatina la que se duplica en la etapa de síntesis de la interfase, por lo que los cromosomas hijos dispersados al final de la mitosis emergerán como cromosomas ya duplicados al inicio de la siguiente mitosis. 

Referencias principales

Ou, H. D., Phan, S., Deerinck, T. J., Thor, A., Ellisman, M. H., & O’Shea, C. C. (2017). ChromEMT: Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells. Science, 357(6349), eaag0025.

Referencia secundarias

Salk Institute. (2017, July 27). Longstanding biological mystery of DNA organization now solved. ScienceDaily. Retrieved August 13, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170727141510.htm


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