Los mismos mecanismos que separan rápidamente las mezclas de aceite y agua están en juego cuando se controla la organización en una parte inusual de nuestro ADN llamada heterocromatina, según un nuevo estudio realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab.
Los investigadores que estudian el genoma y la biología celular proporcionan evidencia de que la heterocromatina organiza grandes partes del genoma en regiones específicas del núcleo mediante la separación de fases líquido-líquido, un mecanismo bien conocido en física pero cuya importancia para la biología ha sido revelada recientemente.
Presentan sus hallazgos el 21 de junio en la revista Naturaleza , abordando una pregunta de larga data sobre cómo se organizan las funciones del ADN en el espacio y el tiempo, incluida la forma en que los genes están regulados para silenciarse o expresarse.
"La importancia de las secuencias de ADN en la salud y la enfermedad ha sido clara durante décadas, pero recientemente nos hemos dado cuenta de que la organización de secciones de ADN en diferentes dominios o compartimientos físicos dentro del núcleo es fundamental para promover distintas funciones del genoma,"dijo el autor correspondiente del estudio, Gary Karpen, científico principal de la División de Ingeniería y Sistemas Biológicos de Berkeley Lab.
Los largos tramos de ADN en la heterocromatina contienen secuencias que, en su mayor parte, deben silenciarse para que las células funcionen correctamente. Los científicos una vez pensaron que la compactación del ADN era el mecanismo principal para controlar qué enzimas y moléculas obtienen acceso alsecuencias. Se razonó que cuanto más herida las hebras, más difícil sería llegar al material genético dentro.
Ese mecanismo ha sido cuestionado en los últimos años por el descubrimiento de que algunos complejos de proteínas grandes podrían ingresar al dominio de heterocromatina, mientras que las proteínas más pequeñas pueden permanecer excluidas.
En este nuevo estudio de principios Drosophila embriones, los investigadores observaron dos líquidos que no se mezclan en el núcleo celular: uno que contenía genes expresados y otro que contenía heterocromatina silenciada. Descubrieron que las gotas heterocromáticas se fusionaron como dos gotas de aceite rodeadas de agua.
En experimentos de laboratorio, los investigadores purificaron la proteína 1a de heterocromatina HP1a, un componente principal de la heterocromatina, y vieron que este único componente fue capaz de recrear lo que vieron en el núcleo formando gotas líquidas.
"Estamos entusiasmados con estos hallazgos porque explican un misterio que existe en el campo durante una década", dijo la autora principal del estudio Amy Strom, una estudiante graduada en el laboratorio de Karpen. "Es decir, si la compactación controla el acceso a secuencias silenciadas,¿Cómo pueden entrar otras proteínas grandes? La organización de la cromatina por separación de fases significa que las proteínas se dirigen a un líquido u otro en función del tamaño, sino de otros rasgos físicos, como la carga, la flexibilidad y los compañeros de interacción ".
El estudio de Berkeley Lab, que utilizó células de moscas de la fruta y ratones, se publicará junto con un artículo complementario en Naturaleza dirigido por investigadores de UC San Francisco, que demostraron que la versión humana de la proteína HP1a tiene las mismas propiedades de gota líquida, lo que sugiere que principios similares se mantienen para la heterocromatina humana.
Curiosamente, este tipo de separación de fase líquido-líquido es muy sensible a los cambios de temperatura, concentración de proteínas y niveles de pH.
"Es una forma elegante para que la célula pueda manipular la expresión génica de muchas secuencias a la vez", dijo Strom.
Otras estructuras celulares, incluidas algunas involucradas en la enfermedad, también se organizan por separación de fases.
"Los problemas con la separación de fases se han relacionado con enfermedades como la demencia y ciertos trastornos neurodegenerativos", dijo Karpen.
Señaló que a medida que envejecemos, las moléculas biológicas pierden su estado líquido y se vuelven más sólidas, acumulando daños a lo largo del camino. Karpen señaló enfermedades como el Alzheimer y Huntington, en las que las proteínas se pliegan y agregan incorrectamente, volviéndose menos líquidas y más sólidas con el tiempo.
"Si podemos entender mejor qué causa la agregación y cómo mantener las cosas más líquidas, podríamos tener la oportunidad de combatir este tipo de enfermedades", agregó Strom.
El trabajo es un gran paso adelante para comprender cómo funciona el ADN, pero también podría ayudar a los investigadores a mejorar su capacidad para manipular genes.
"La terapia génica, o cualquier tratamiento que se base en una regulación estricta de la expresión génica, podría mejorarse dirigiendo con precisión las moléculas al lugar correcto en el núcleo", dice Karpen. "Es muy difícil dirigir genes localizados en heterocromatina, peroEsta comprensión de las propiedades vinculadas a la separación de fases y los comportamientos líquidos podría ayudar a cambiar eso y abrir un tercio del genoma que no podíamos obtener antes ".
Esto incluye apuntar a tecnologías de edición de genes como CRISPR, que recientemente ha abierto nuevas puertas para la manipulación precisa del genoma y la terapia génica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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