¿Cómo se ve “Encender” ¿un gen?

ARRIBA: EJEMPLO DE LIBRO DE TEXTO

En la turbia oscuridad, manchas azules y verdes bailan. A veces mantienen distancias decorosas entre sí, pero otras veces van cara a cara, y cuando eso sucede, otros colores se encienden.

El video, publicado el año pasado, es borroso y dura unos segundos, pero asombró a los científicos que lo vieron. Por primera vez, estaban siendo testigos de los detalles de un paso temprano, invisible durante mucho tiempo, simplemente inferido inteligentemente, en un evento central en biología: el acto de activar un gen. Esas manchas azules y verdes eran dos fragmentos clave de ADN llamados potenciador y promotor (marcados para fluorescencia). Cuando se tocaron, un gen se encendió, como lo revelan los estallidos de color rojo.

La activación de un gen, la transcripción, se inicia cuando las proteínas llamadas factores de transcripción se unen a dos partes clave del ADN, un potenciador y un promotor. Estos están lejos el uno del otro, y nadie…

El evento es de suma importancia. Todas las células de nuestro cuerpo contienen, en general, el mismo conjunto de alrededor de 20 000 genes distintos, codificados en varios miles de millones de bloques de construcción (nucleótidos) que se unen en largas hebras de ADN. Al despertar subconjuntos de genes en diferentes combinaciones y en diferentes momentos, las células adquieren identidades especializadas y construyen tejidos sorprendentemente diferentes: corazón, riñón, hueso, cerebro. Sin embargo, hasta hace poco, los investigadores no tenían forma de ver directamente lo que sucede durante la activación del gen.

Conocen desde hace mucho tiempo las líneas generales del proceso, llamado transcripción. Las proteínas, acertadamente llamadas factores de transcripción, se unen a un lugar en los genes promotores, así como a un punto de ADN más distante, un potenciador. Esas dos uniones permiten que una enzima llamada ARN polimerasa se adhiera al gen y haga una copia del mismo.

Esa copia se procesa un poco y luego llega al citoplasma como ARN mensajero (ARNm). Allí, la maquinaria celular utiliza las instrucciones del ARNm para crear proteínas con funciones específicas: catalizar reacciones metabólicas, por ejemplo, o detectar señales químicas desde el exterior de la célula.

Esta interpretación de libro de texto es cierta hasta donde llega, pero plantea muchas preguntas: ¿Qué le dice a un gen dado que se active o desactive? ¿Cómo encuentran los factores de transcripción los sitios adecuados para unirse? ¿Cómo sabe un gen cuánto ARNm debe producir? ¿Cómo influyen los potenciadores en la actividad de los genes cuando pueden estar a un millón de bloques de ADN del propio gen?

Durante décadas, los científicos solo tenían herramientas contundentes e indirectas para investigar estas preguntas. Las ideas sobre el ADN, el ARN y las proteínas surgieron de la trituración de células y la separación de componentes. Luego, en la década de 1980, los científicos comenzaron a usar una técnica innovadora llamada FISH (abreviatura de hibridación in situ con fluorescencia) para ver el ADN y el ARN directamente, directamente en la célula. Otros métodos siguieron a los microscopios con mejor resolución, nuevas formas de etiquetar (y, por lo tanto, rastrear) a los jugadores en esta sinfonía molecular a medida que se desarrollaba. Los investigadores podían analizar la transcripción tal como sucedía, en detalle.

Antes, era como tratar de escuchar la sinfonía mirando una imagen estática de la orquesta, dice Zhe Liu, biólogo molecular del Howard Hughes Medical. Campus de Investigación Janelia del Instituto en Virginia. Nunca te darías cuenta de lo que están jugando, dice. Nunca podrías apreciar lo hermosa que es la sinfonía.

Aquí tienes una muestra de lo que los biólogos moleculares están aprendiendo al espiar este proceso nanoscópico clave cada vez más en tiempo real, en células vivas.

La vida y tiempos de los factores de transcripción

Aunque los científicos saben desde hace mucho tiempo que los factores de transcripción dictan si un gen se enciende o no, ha sido un misterio cómo estas proteínas navegan por el espacio ridículamente abarrotado en el núcleo para encontrar sus sitios de unión.

Considere que, desenrollado, el ADN de una célula humana tendría una longitud de uno o dos metros. El núcleo tiene entre 5 y 10 micrómetros de diámetro, por lo que el empaque de nuestro genoma es similar a meter una cuerda que podría dar 10 vueltas alrededor de la Tierra dentro de un huevo de gallina, dice Liu.

Los investigadores recién comienzan para abordar cómo este enrollamiento y bucle afecta la transcripción de genes. Por un lado, sospechan que podría ayudar a explicar cómo los potenciadores pueden influir en la actividad de un gen desde una gran distancia porque algo lejano cuando el ADN está estirado puede estar mucho más cerca cuando el material genético está empaquetado.

Y Si parece milagroso que los factores de transcripción sepan bien hacia dónde se dirigen, la mayoría de ellos no lo saben. Al rastrear estas proteínas en una sola célula a lo largo del tiempo, los investigadores descubren que pasan el 97 por ciento de su vida moviéndose de un lado a otro, rebotando en cualquier fragmento de ADN que encuentren hasta que tengan suerte. (Algunos tipos pueden actuar como líderes, escanear el genoma, aferrarse a su objetivo y establecer las condiciones adecuadas para que lo siga un paquete más grande).

Para ver cómo se mueven los factores de transcripción dentro del núcleo, los investigadores observaron uno factor de transcripción específico, Sox2, en células vivas extraídas de embriones de ratón. Se muestran moléculas Sox2 marcadas con fluorescencia, en una cuadrícula tridimensional. Los investigadores registraron los movimientos de varias moléculas Sox2 dentro de un solo núcleo celular utilizando un enfoque de microscopía especial que apila imágenes en 2D para crear una en 3D. Cada uno de los rastros representa el movimiento de un factor de transcripción separado.J. CHEN ET AL / CELL 2014

Uno podría imaginar, al menos, que cuando un factor de transcripción finalmente encuentra su sitio de unión, puede quedarse atascado y hacer su trabajo durante horas. Los científicos solían creerlo a partir de experimentos con células muertas preservadas.

Pero los estudios con células vivas muestran que eso está lejos de ser cierto. El laboratorio de Lius y otros han demostrado durante los últimos cinco años que los factores de transcripción se unen solo por segundos, y que altas concentraciones de ellos se congregan cerca del sitio de unión, ayudándose entre sí. Es alucinante cómo funcionan realmente los factores de transcripción, dice Liu.

Y hay muchos de ellos: hasta el 10 por ciento de los genes en un mamífero llevan instrucciones para hacer unos de diferentes sabores. La evidencia reciente sugiere que esto otorga una gran precisión a la celda. Para cualquier gen dado, las combinaciones variadas de factores de transcripción pueden aumentar o disminuir el proceso, lo que podría hacer que el sistema sea exquisitamente ajustable.

Conectando con la fiesta de la polimerasa

Si los factores de transcripción son el acelerador y los frenos, el motor es ARN polimerasa. En el modelo básico, la ARN polimerasa separa dos hebras de un gen y luego se desliza hacia abajo por una de ellas para hacer una copia de ARNm. Resulta que las cosas son un poco más complicadas.

Estudios en células trituradas y preservadas habían insinuado que muchas moléculas de polimerasa se agrupan para hacer que suceda esta magia de ARNm. Pero nadie había visto nunca un cúmulo semejante en células vivas, por lo que nadie sabía cómo ni cuándo, ni siquiera si se formaron los cúmulos. Al unir una etiqueta química fluorescente a la ARN polimerasa en células vivas, los investigadores observaron que múltiples polimerasas se agrupaban repetidamente durante unos cinco segundos y luego se dispersaban.

El año pasado, el mismo equipo de científicos detectó reuniones de otras proteínas mientras se congregaban para ayudar a la ARN polimerasa a hacer su trabajo. Estas bestias, conocidas como proteínas mediadoras, forman grupos gigantes que suman cientos y se unen a las polimerasas de ARN en el ADN.

Grupos especializados de proteínas llamados complejo mediador (verde) se reúnen alrededor de un gen para ayudar a la polimerasa de ARN a hacer su trabajo de copiar el ADN en ARNm (magenta). El contorno del cuadro marca una región tridimensional que rodea al gen. El estudio mostró que los dos grupos se fusionan e interactúan directamente con el gen durante la transcripción.W. CHO ET AL / SCIENCE 2018

Las dos manadas parecen concentrarse en gotas distintas, como gotas de aceite en el agua. Luego se fusionan, quizás creando una especie de molino de transcripción autoensamblado y acordonado. ¿Una lección de esto? Más allá de la bioquímica, existen todos estos fenómenos físicos que pueden tener un papel en decirnos cómo se activan los genes, dice el biofísico Ibrahim Ciss del MIT, quien dirigió el trabajo.

El ARN mensajero se produce a trompicones.

Durante décadas, los investigadores asumieron que cuando un gen está activo, la transcripción simplemente se activa y genera ARNm a un ritmo constante. Pero una técnica revolucionaria llamada etiquetado MS2, desarrollada por primera vez en 1998 y todavía ampliamente utilizada, ha cambiado radicalmente esa visión.

Inventada por el biólogo celular y microscopista Robert Singer y sus colegas del Colegio de Medicina Albert Einstein en Nueva York , el etiquetado MS2 permitió a los científicos ver ARNm en células vivas por primera vez. (Los ingredientes clave del método provienen de un virus llamado MS2, de ahí el nombre de la tecnología).

En pocas palabras, los científicos usan trucos de ingeniería para que el ARNm creado a partir de un gen específico tenga estructuras distintivas llamadas bucles de tallo. A través de un segundo truco, esas ubicaciones de bucle de tallo se hacen que brillen de forma fluorescente para que los investigadores puedan ver el ARNm del gen de su elección siempre que se produzca y dondequiera que viaje, bajo un microscopio y en tiempo real.

Singer, coautor de un artículo de 2018 sobre imágenes de ARNm en la Revisión anual de biofísica, usó el etiquetado MS2 para demostrar, con sus colegas, que la tasa de producción de ARNm de un gen fluctúa enormemente durante 25 minutos o asi que. Resultó que el tamaño de estas ráfagas no varía mucho, pero su frecuencia sí, y eso es lo que determina la energía con la que un gen bombea su producto de ARNm. Aumentar o disminuir la tasa de este estallido transcripcional puede permitir que el sistema aumente o disminuya la actividad de los genes para satisfacer las necesidades de las células.

Los investigadores creen que la cinética de encendido y apagado de los factores de transcripción, es decir, la tasa en el que saltan dentro y fuera de sus sitios de unión, de alguna manera regula el estallido transcripcional. Pero aún no saben cómo hacerlo.

Caminando hacia la traducción

Fabricar ARNm es solo el primer paso para que un gen se pavonee. Luego viene la traducción de instrucciones en ese ARNm para producir proteínas. Para que eso suceda, el ARNm debe viajar fuera del núcleo y hacia el citoplasma donde residen las fábricas de producción de proteínas.

Los científicos habían asumido que la maquinaria molecular de las células transportaba cuidadosamente el ARNm a la membrana del núcleo y luego lo bombeaba hacia el citoplasma. Usando el mismo método de MS2, el laboratorio de Singers descubrió que no era así. En cambio, los ARNm rebotan y zumban en el núcleo como un enjambre de abejas enojadas, como dice Singer, hasta que golpean un poro en la membrana nuclear. Solo entonces la maquinaria de las células levanta un dedo y transporta activamente el ARNm a través de esta puerta.

En este video, las proteínas en los poros de la membrana nuclear están etiquetadas en rojo y el ARNm está etiquetado en verde. Usando un microscopio especial diseñado para registrar a una velocidad de fotogramas muy rápida, los investigadores pudieron observar los ARNm individuales mientras se deslizaban alrededor del núcleo hasta que llegaban a un poro y pasaban a través del poro hacia el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas.D. GRNWALD Y RH SINGER / NATURE, 2010

Más recientemente, Singer y sus colegas crearon ratones mutantes que les permitieron ver cómo el ARNm subía y bajaba por las delicadas dendritas de las células nerviosas, las estructuras que reciben señales de otros nervios. El equipo incluso pudo espiar la creación de memorias en acción. Los ARNm que estaban rastreando llevaban instrucciones para producir una proteína-actina que abunda en las células nerviosas y se cree que ayuda a reforzar las conexiones cuando se crean recuerdos en el cerebro. En un video que parece una red de caminos durante la noche, dentro de los 10 minutos posteriores a la activación de una célula nerviosa, los ARNm viajaron a los puntos de contacto con otros nervios, listos para la producción de actina para reforzar esas conexiones nerviosas.

Los investigadores idearon una forma de rastrear los ARNm de un gen crucial para crear recuerdos a medida que viajaban a través de las células cerebrales vivas. El equipo diseñó un ratón para que todo el ARNm copiado de este gen, que codifica una proteína llamada -actina, fuera etiquetado. La actina ayuda a las neuronas a remodelar pequeñas protuberancias llamadas espinas a las que se conectan otras neuronas, un proceso que se cree que es importante en el aprendizaje y la memoria. Cuando se estimularon las neuronas cultivadas en una placa, se produjeron ARNm de β-actina en el núcleo en 10 a 15 minutos. En este video, puede ver alrededor de 6 segundos de ARNm de -actina cruzando las ramas de la neurona, o dendritas, después de la estimulación. Los investigadores creen que estos ARNm están buscando en las dendritas las espinas que acaban de hacer conexiones, de modo que puedan sintetizar la proteína -actina allí mismo. Ya está claro que el proceso es mucho más dinámico de lo que se suponía. El cambio ha sido fenomenal y se está acelerando rápidamente, dice Singer. Hay mucha información que se puede obtener con solo mirar.

Alla Katsnelson es una escritora científica y editora que vive en Northampton, Massachusetts.

Casey Rentz es una escritora científica que vive en Los Ángeles. Escribe sobre salud, microbiología, el espacio y la cultura de California. www.caseyrentz.com

Este artículo apareció originalmente en  Knowable Magazine, un esfuerzo periodístico independiente publicado por Annual Reviews.

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