La arquitectura revela los secretos del genoma
Cromosoma humano.Hans RisLos proyectos de secuenciación del genoma han proporcionado abundante información sobre los tramos de ADN que regulan la expresión génica, así como sobre cómo las diferentes secuencias genéticas contribuyen a la salud y la enfermedad. Pero estos estudios pasan por alto un elemento clave del genoma, su organización espacial, que durante mucho tiempo se ha reconocido como un importante regulador de la expresión génica. Los elementos reguladores a menudo se encuentran a miles de pares de bases de distancia de sus genes objetivo, y los avances tecnológicos recientes están permitiendo a los científicos comenzar a examinar cómo interactúan las ubicaciones cromosómicas distantes dentro de un núcleo. La creación y función de la organización del genoma tridimensional, dicen algunos, es la próxima frontera de la genética.
La organización espacial del genoma es fundamental para la regulación de los genes, explicó Job Dekker, investigador molecular. genetista de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, y «todo lo demás que hacen los cromosomas implica tres dimensiones», también. Los cromosomas tienen que replicarse, separarse adecuadamente durante la división y cambiar de forma durante el ciclo celular, todo…
Sin embargo, los mecanismos para una orquestación tan delicada siguen sin estar claros. Hace unos 10 años, justo cuando el proyecto del genoma humano completaba su primer borrador de secuencia, Dekker fue pionero en una nueva técnica, llamada captura de conformación cromosómica (C3), que permitió a los investigadores vislumbrar cómo se organizan los cromosomas entre sí en el núcleo. La técnica se basa en el entrecruzamiento físico de regiones cromosómicas que se encuentran muy próximas entre sí. A continuación, las regiones se secuencian para identificar qué regiones se han reticulado. En 2009, usando una versión de alto rendimiento de este método básico, llamada HiC, Dekker y sus colaboradores descubrieron que el genoma humano parece adoptar una conformación de glóbulo fractal, una forma de arrugarse sin anudarse.
En los últimos 3 años , Dekker y otros tienen tecnología avanzada aún más, lo que les permite pintar una imagen más refinada de cómo se pliega el genoma y cómo esto influye en la expresión génica y los estados de enfermedad.
Cromosomas conversando
Los hallazgos de Dekkers 2009 fueron un gran avance en el modelado del plegamiento del genoma, pero la resolución de alrededor de 1 millón de pares de bases era demasiado cruda para permitir a los científicos comprender realmente cómo interactuaban los genes con elementos reguladores específicos. Se necesitaban más detalles para entender cómo las células saben qué áreas del genoma deben estar hablando [entre sí] y cuáles no, dijo Dekker. Después de todo, no quieres que todos hablen entre sí; quieres que [tu genoma] tenga una conversación decente.
Los avances recientes en la secuenciación profunda ahora brindan a los investigadores una forma de obtener ese detalle. Dekker y sus colegas descubrieron, por ejemplo, que los cromosomas pueden dividirse en dominios plegables, segmentos largos de megabases, dentro de los cuales los genes y los elementos reguladores se asocian más a menudo entre sí que con otras secciones cromosómicas. El ADN forma bucles dentro de los dominios que acercan un gen a un elemento regulador específico en una ubicación distante a lo largo del cromosoma. Otro grupo, el del biólogo molecular Bing Ren de la Universidad de California en San Diego, publicó un hallazgo similar en el mismo número de Nature.
Entre los dos grupos, los investigadores identificó estos dominios en células madre embrionarias humanas y de ratón y fibroblastos humanos, lo que sugiere que son una propiedad fundamental del genoma, dijo Ren. Además, ambos grupos descubrieron que la eliminación de las secciones de los límites de los dominios desorganizaba la regulación de los genes, lo que provocaba la transcripción de genes previamente silenciosos y viceversa. Estos resultados demuestran que la estructura del dominio es esencial para mantener el programa genético estrictamente regulado, dijo Ren.
Creo que el descubrimiento de los dominios [plegables] será uno de los descubrimientos [genéticos] más fundamentales de los últimos 10 años. años, dijo Dekker. Las grandes preguntas ahora son cómo se forman estos dominios y qué determina qué elementos se enlazan en proximidad.
Los cromosomas y el cáncer
Además de su efecto en la regulación de genes, el plegamiento de los cromosomas también puede desempeñar un papel en el desarrollo del cáncer. Las alteraciones del número de copias somáticas (SCNA), o la eliminación o amplificación de genes, son un sello distintivo de la inestabilidad genómica del cáncer. El laboratorio de Leonid Mirnys en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, que colaboró con Dekker en el descubrimiento de glóbulos fractales en 2009, descubrió que los bucles de los genomas contribuyen a la formación de SCNA particulares. Al comparar los mapas SCNA con las arquitecturas tridimensionales de los genomas del cáncer humano, Mirny y sus colegas descubrieron que las regiones genómicas que formaban los extremos del bucle y, por lo tanto, estaban muy cerca físicamente, probablemente eran límites donde la sección intermedia se elimina o amplifica, creando SCNA.
Las translocaciones, o la disposición anormal de las secciones de los cromosomas, son otra característica distintiva de ciertos tipos de cáncer, y también parecen estar facilitadas por la organización espacial. Mirny y su grupo encontraron que los puntos de ruptura para dos translocaciones bien conocidas Bcr-Abl en la leucemia mielógena crónica y entre Myc y los genes de inmunoglobulina en el linfoma de Burkitt se encuentran frecuentemente uno cerca del otro en las células normales, y especialmente en las células de los linajes propensos a estos tumores.
Las diferencias específicas de tejido en las translocaciones pueden señalar diferencias sutiles en la organización del genoma según el tipo de célula. Presumiblemente, en diferentes tipos de tejidos hay detalles de la organización del genoma que aún tenemos que descubrir, dijo Mirny. Cómo se logran las diferencias en la organización de los cromosomas es otra área madura para el estudio, dijo Dekker. Por ejemplo, los dominios de plegamiento cromosómico podrían determinarse mediante algún tipo de marcador en la célula, según el tipo y los factores ambientales. Si los límites de los dominios son flexibles y se activan o desactivan según el tipo de célula, de repente los genes tienen acceso a un conjunto completamente nuevo de elementos reguladores, especuló Dekker.
Además de comprender mejor el cáncer, el plegamiento cromosómico puede ayudar a predecirlo. A medida que las células normales se transforman en células tumorales, los genes pueden cambiar su organización espacial de formas características, dijo Tom Misteli, biólogo celular del Instituto Nacional del Cáncer de los Institutos Nacionales de Salud que está utilizando la arquitectura tridimensional de los genomas para desarrollar herramientas de diagnóstico. Su equipo ha demostrado que en el cáncer de mama, ciertos genes cambian de posición drásticamente a medida que sus células se transforman en células cancerosas, lo que permite a Misteli y sus colegas observar una biopsia de tejido desconocido, localizar genes y determinar con gran precisión si es cáncer o normal. dijo.
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