Las células enfrentan una tarea desalentadora. Tienen que empaquetar cuidadosamente un hilo de material genético de varios metros de largo en un núcleo que mide solo cinco micrómetros de ancho. Este origami crea interacciones espaciales entre los genes y sus interruptores, lo que puede afectar la salud y la enfermedad humana.Ahora, un equipo internacional de científicos ha ideado una nueva técnica poderosa que 'mapea' esta geografía tridimensional de todo el genoma. Su artículo se publica en Naturaleza .
Los genes se activan para producir ARN y proteínas, luego se apagan nuevamente cuando las moléculas ya no son necesarias. Tanto el gen como sus interruptores son secuencias de ADN, y pueden estar muy separados en el genoma lineal. Esto presenta un desafío para elcelular, porque estas regiones generalmente tienen que ponerse en contacto para activar el gen.
También crea un problema para los científicos que intentan comprender una de las preguntas centrales en biología: ¿cómo deciden las células qué genes deben activarse y cuándo? La respuesta dependerá en parte de que cada gen coincida con sus secuencias de control. Pero las cadenas de ADNson demasiado delgados para ser rastreados bajo el microscopio, e incluso si eso fuera posible, tendrías que lidiar con la gran cantidad de ADN en el núcleo. Imagina examinar una maraña de hilo del tamaño de la Tierra con la esperanza de observar un encuentro entrehilos individuales.
Una nueva técnica llamada Genoma Architecture Mapping, o GAM, ahora ayuda a identificar estos contactos. Implica congelar rápidamente el tejido o las células, luego cortar rodajas finas de núcleos individuales. La pequeña cantidad de ADN dentro de cada corte del núcleo es entoncessecuenciado, y el equipo despliega un modelo matemático, llamado SLICE, para identificar 'puntos calientes' de mayor interacción entre las cadenas. El modelo analiza la frecuencia con la que aparecen diferentes regiones genómicas en el corte para inferir información sobre las posiciones relativas de genes y regionesllamados potenciadores que los activan.
"Una analogía podría ser esta; si desea comprender cómo interactúan los escolares, puede tomar fotografías ocasionales de dónde se sientan en la cantina o aparecen juntos en el patio de recreo", explica la autora principal conjunta Ana Pombo, quien comenzó el proyectomientras trabajaba en el MRC London Institute of Medical Sciences LMS y ahora tiene su sede en el Instituto de Biología de Sistemas Médicos de Berlín, el Centro Max Delbrück de Medicina Molecular en la Asociación Helmholtz MDC y el Instituto de Salud de Berlín BIH ".Si lo hace muchas veces durante un mes, comenzará a ver un patrón en aquellos que a menudo se sientan uno al lado del otro, o que corren juntos mientras juegan. Estas instantáneas aleatorias pueden informarle sobre sus interacciones sociales ".
"Esto es posible al filtrar encuentros aleatorios de interacciones reales utilizando métodos matemáticos", dice el autor principal, Mario Nicodemi, de la Università di Napoli Federico II, quien concibió tales modelos matemáticos y, con la ayuda de su estudiante de doctorado Antonio Scialdone, los desarrolló.
Paul Edwards, del Centro de Investigación Hutchison / MRC y Departamento de Patología de la Universidad de Cambridge, y Ana Pombo tuvieron la idea inicial antes de que las técnicas necesarias para hacer el experimento estuvieran disponibles. "Mi equipo de investigación optimizó el enfoque, y comoaparecieron nuevos pasos técnicos, los agregamos a nuestro método ", dice ella.
El estudio, que aparece en Naturaleza , aplica el método a las células madre embrionarias de ratón y los autores esperan que ayude a arrojar luz sobre muchos genes cuya actividad se ve alterada en algunas enfermedades muy graves. En algunas enfermedades, el problema radica en la secuencia de un gen, pero los defectos enLas regiones reguladoras que se encuentran en otras partes del genoma pueden ser igualmente peligrosas y mucho más difíciles de entender. Los nuevos datos proporcionan una larga lista de nuevos sospechosos que ahora pueden ser analizados por los investigadores.
Si bien los estudios anteriores han identificado contactos bidireccionales, esta información no revela con qué frecuencia tienen lugar tales contactos y, por implicación, cuán importantes pueden ser, Pombo dice: "Pueden detectar que usted y yo somos amigos, pero no qué tan fuertes sonesta amistad es relativa a todos los demás "
"La gente ha estado midiendo contactos bidireccionales durante mucho tiempo", dice Robert Beagrie, primer autor conjunto del artículo, que era estudiante de doctorado con Ana Pombo en el LMS cuando recopiló los datos para el estudio y ahora estácon sede en la Universidad de Oxford. "Esos estudios a menudo han demostrado que puede tener un conjunto de diferentes elementos de ADN que interactúan entre sí en pares. Con este nuevo enfoque, podemos generar un catálogo de genoma de todas las regiones queconfiamos en interactuar en grupos ". Ahora, los investigadores pueden detectar y cuantificar de manera confiable los llamados 'contactos tripartitos' en regiones del genoma que se expresan enérgicamente".
Pero quizás el avance más notable a través de GAM es que los experimentos se basan en células individuales, ya sean comunes o escasas en un tejido, y rastrean sus posiciones entre sí dentro del tejido. Los métodos existentes requieren muchas células delmismo tipo, lo que ha dificultado el estudio de la biología y las enfermedades de los tipos raros ". Existe un gran potencial para aplicar esto en muestras de tejido humano para catalogar los contactos entre las regiones reguladoras y sus genes objetivo, y usarlo para comprender la variación genética ycómo podría alterar aspectos de la biología nuclear ", dice Pombo.
Algunos investigadores están comenzando a mostrar interés en usar la técnica para explorar lo que sucede cuando los retrovirus insertan su ADN en el genoma de un huésped. Los científicos del cáncer también están interesados en crear mapas de ADN de áreas particulares de un tumor ".Debido a la naturaleza de los datos GAM, los modelos matemáticos pueden derivar de manera confiable dicha información, abriendo el camino para identificar múltiples interacciones grupales que podrían desempeñar un papel clave en la regulación de los genes ", explica Nicodemi." Ahora podemos preguntarnos si un gen se contacta enal mismo tiempo por todos sus potenciadores, o por cada potenciador uno a la vez ", dice Beagrie." Sabemos que muchos genes que son importantes para el desarrollo temprano tienen múltiples potenciadores. Pero cómo y por qué están actuando para regular los genes siguen sin respuestapreguntas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Centro Max Delbrück de Medicina Molecular en la Asociación Helmholtz . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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