El ADN y sus proteínas asociadas se condensan en regiones activas del genoma pero se comportan como un líquido viscoso a nivel molecular. Este resultado aumenta considerablemente nuestra comprensión de las fisonomías de las regiones del genoma expresadas en células humanas vivas.
El ADN del genoma humano tiene una notable capacidad para comprimirse. Cuando se estiran de un extremo al otro, los 46 conjuntos de cromosomas humanos tienen colectivamente dos metros de largo, pero de alguna manera están dispuestos en un núcleo que tiene solo unas diez micras de diámetro. Para encajar dentro del núcleo, las hebras de ADN se envuelven alrededor de grupos de proteínas histonas, como un hilo alrededor de un carrete, para formar estructuras conocidas como nucleosomas. Los nucleosomas se pueden plegar con otras proteínas en estructuras más compactas, llamadas cromatina. A pesar de los importantes avances tecnológicos del siglo pasado, las propiedades físicas de la cromatina expresada activamente, o cromatina eucariótica, siguen siendo un misterio.
Investigaciones recientes revelan que la eucromatina está condensada, no descondensada y abierta, en las células humanas vivas y se comporta como un fluido a nivel del núcleo. A nivel cromosómico (o escala micrométrica), la cromatina es estable y se comporta como un sólido, lo que puede limitar el daño al ADN al reducir la reticulación del ADN largo.
Un equipo dirigido por el profesor Kazuhiro Maeshima de SOKENDAI y el Instituto Nacional de Genética (Organización de Investigación de Sistemas e Información) investigó recientemente la eucromatina para determinar las propiedades físicas de la eucromatina, ya sea abierta o condensada, líquida o sólida. La eucromatina a menudo se transcribe para la expresión génica en células humanas vivas. El equipo utilizó una combinación de genómica, imágenes de un solo núcleo y modelado computacional para evaluar la cromatina eucariota en las células.
Antes de este estudio, se pensaba que la eucromatina tenía una forma abierta, o menos condensada, para permitir que las proteínas grandes asociadas con la transcripción de genes accedieran al ADN genómico. En cambio, los investigadores descubrieron que la cromatina eucariota en las células vivas forma bandas condensadas que se comportan como un líquido viscoso a nivel de nucleosomas individuales y se comportan como un sólido a nivel de cromosoma.
El equipo publicó sus hallazgos el 5 de abril en Avances de la ciencia.
«Hemos demostrado que la eucromatina en las células humanas vivas no existe necesariamente como estructuras abiertas, sino que forma principalmente dominios condensados», dijo Mashima.
El equipo de investigación introdujo nucleótidos marcados con fluorescencia en células vivas y nucleosomas visibles muy juntos utilizando microscopios de ultra resolución. «Los nucleosomas, las unidades básicas de la cromatina, fluctúan y actúan como un fluido dentro de los dominios de la eucromatina condensada», dijo Mashima. Lo que los científicos observaron desafió el pensamiento convencional con respecto a la formación de cromatina verdadera.
«El comportamiento dinámico y fluido de los nucleosomas que observamos permite la transcripción activa incluso en la eucromatina condensada», dijo Mashima. Shiori Iida, uno de los coautores, agregó: «Los dominios agregados pueden proteger el ADN del daño por radiación debido a la reducción del acceso físico al ADN y la disminución de la producción química reactiva».
A diferencia del nivel nuclear, la cromatina eucariótica se comportó como un sólido a nivel cromosómico, lo que, según sugirieron los investigadores, podría evitar enredos excesivos en el ADN del genoma largo y mantener su integridad ininterrumpida.
El nuevo modelo de estructura de eucromatina condensada propuesto por los investigadores proporciona un mecanismo para reducir la ‘adhesión’ de la cromatina a través de la acetilación, o la adición de un grupo acetilo a las histonas. Esto abre la arquitectura de la cromatina para acomodar grandes complejos de transcripción o replicación y para regular la expresión de genes. Los investigadores también sugieren que la condensación y la organización de la cromatina pueden desempeñar un papel importante en la diferenciación o especialización celular, ya que los dominios de cromatina de las células madre embrionarias de ratón indiferenciadas, por ejemplo, son más flexibles y menos definidos.
«Nuestro objetivo final es revelar cómo se busca y lee la información del genoma en las células vivas», dijo Mashima. El estudio actual ayudará a los científicos a comprender mejor la regulación génica, la replicación y reparación del ADN en las células vivas. Las nuevas técnicas de imagen desarrolladas por el equipo de investigación también proporcionarán un medio para que los investigadores investiguen otras nanopartículas y su dinámica dentro de una célula.
más información:
Tadasu Nozaki et al., Organización similar a un campo condensado de regiones de cromatina activa en células humanas vivas, Avances de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1488. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1488
Proporcionado por la Organización de Investigación de Sistemas e Información
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