La corteza prefrontal del cerebro, que nos da la capacidad de resolver problemas y planificar con anticipación, contiene miles de millones de células. Pero comprender la gran diversidad de tipos de células en esta región crítica, cada una con propiedades genéticas y moleculares únicas, ha sido un desafío.
Los científicos han sabido que gran parte de esta diversidad es el resultado de la epigenética como las etiquetas químicas en el ADN y de cómo las características epigenéticas finalmente se pliegan dentro de los cromosomas para afectar la forma en que se expresan los genes.
Ahora, los investigadores de Salk han desarrollado un método para analizar simultáneamente cómo los cromosomas, junto con sus características epigenéticas, se compactan dentro de las células cerebrales humanas individuales. Un equipo colaborativo de científicos de los laboratorios Ecker y Dixon combinó dos técnicas de análisis diferentes en un solo método, que les permitió identificar elementos reguladores de genes en distintos tipos de células. El trabajo, que fue publicado en Métodos de la naturaleza el 9 de septiembre de 2019, allana el camino hacia una nueva comprensión de cómo algunas células se desregulan para causar enfermedades.
"Tomamos este nuevo y mejor enfoque para analizar los genomas de células individuales y lo aplicamos al tejido cerebral sano", dice el profesor de Salk y el investigador del Instituto Médico Howard Hughes Joseph Ecker, jefe del Laboratorio de Análisis Genómico y el co-autor correspondiente. "El siguiente paso es comparar el tejido normal y el de la enfermedad".
La forma en que el ADN está empaquetado dentro de las estructuras llamadas cromosomas en el núcleo de una célula puede desempeñar un papel fundamental en la función celular. Y cómo el ADN finalmente se pliega depende de qué secciones de ADN deben interactuar entre sí y cuáles deben ser fácilmente accesibles para las célulasLa estructura de los cromosomas actúa como una especie de huella digital celular: aunque diferentes tipos de células tienen la misma secuencia de ADN, tienen diferentes estructuras de cromosomas para organizar ese ADN.
Al mismo tiempo, las modificaciones químicas epigenéticas del ADN en sí, como la adición de grupos metilo a una cadena de ADN, también controlan el tiempo y los niveles de expresión génica. Cuando se pega un grupo metilo en un bitde ADN, un gen normalmente se bloquea para que no se exprese.
En el pasado, los investigadores han tenido que usar métodos separados para determinar las estructuras cromosómicas y los patrones de metilación de las células individuales. En julio, por ejemplo, el equipo de Ecker informó que habían desarrollado una nueva herramienta que podía diferenciar los tipos celulares basados únicamente en la estructura cromosómica.Y en 2017, clasificaron las células cerebrales humanas y de ratón en función de sus patrones de metilación.
Sin embargo, al realizar los experimentos por separado, los investigadores no pueden determinar cómo se pueden relacionar la estructura cromosómica y los patrones de metilación. No ha quedado claro si cada subconjunto de estructuras cromosómicas corresponde a un subconjunto de patrones de metilación. O si los dos conjuntos de datos, cuandocombinados, revelan más subtipos de células con matices.
En su nuevo método, llamado secuenciación de un solo núcleo de metil-3C sn-m3C-seq, el equipo de Salk "doble inmersiones" de cada célula individual, recolectando datos sobre la estructura de los cromosomas y la metilación al mismo tiempo.El proceso manual sería lento y engorroso, el equipo automatizó sn-m3C-seq, lo que les permitió estudiar fácilmente miles de celdas. El desarrollo de nuevos enfoques para manejar celdas, junto con nuevos métodos computacionales para manejar datos, permitió esta nueva técnica.
El equipo dice que el desarrollo de un método que examina estas características en células individuales permite a los científicos usar ciertos "trucos analíticos" para estudiar directamente muestras de tejido y resolver la estructura cromosómica y la metilación del ADN en todos los diferentes tipos de células en el tejido ".las características pueden variar mucho entre los tipos de células y hay valor en tener ambos tipos de información juntos de las mismas células ", dice Jesse Dixon, miembro de Helmsley-Salk y co-autor correspondiente." Realmente abre nuestra capacidad de entender qué regulacioneslas secuencias están afectando qué genes en una amplia variedad de tipos de células y tejidos ".
Saber qué secuencias reguladoras regulan qué genes tiene implicaciones importantes para comprender cómo las variaciones genéticas pueden contribuir a la enfermedad humana. Por ejemplo, gran parte de la variación genética contribuye a enfermedades cerebrales humanas comunes como la esquizofrenia y la depresión, así como a enfermedades no cerebralescomo la enfermedad cardíaca, se encuentra en regiones de nuestro genoma que están muy lejos de los genes. Los investigadores dicen que, al estudiar el plegamiento cromosómico en los tejidos humanos reales y resolver distintos tipos de células, estos métodos pueden permitirles vincular variantes genéticas que causan enfermedadesgenes que regulan, lo que puede decirles más sobre por qué ciertas variantes contribuyen a las enfermedades y ofrecen información sobre cómo tratarlas mejor.
Para probar sn-m3C-seq, Ecker, Dixon y sus colegas aplicaron el método a más de 4,200 células de la corteza prefrontal del cerebro humano. Si bien el uso de datos de la estructura cromosómica solo permitió la separación cruda de las neuronas de las no neuronas, combinando ellos enfoques permiten a los investigadores identificar elementos reguladores de genes en distintos tipos de células y luego estudiar más a fondo las estructuras cromosómicas presentes en cada tipo de célula.
Además, el equipo notó relaciones entre los dos niveles de regulación que planean estudiar más en el futuro. Ahora que el método está establecido, les gustaría comenzar a aplicarlo a más tipos de tejidos sanos y enfermos.
Instrumental para ese esfuerzo será una subvención de cuatro millones de dólares que Dixon y Ecker recibieron del Instituto Nacional de Investigación del Genoma de los Institutos Nacionales de Salud el 6 de septiembre de 2019, lo que facilitará en gran medida sus estudios sobre la regulación génica en tejidos y enfermedades humanascomo el cáncer
Los primeros autores del artículo fueron Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo y Jingtian Zhou, todos del Instituto Salk. Otros autores fueron Sahaana Chandran, Angeline Rivkin, Anna Bartlett, Joseph Nery, Conor Fitzpatrick y Carolyn O'Connor, también de Salk.
El trabajo y los investigadores involucrados fueron apoyados por el Instituto Médico Howard Hughes, subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud, el Fondo de Investigación de Beneficencia Leona M. y Harry B. Helmsley y el Fondo de Investigación de Innovación del Instituto Salk.
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Materiales proporcionados por Instituto Salk . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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