9 de septiembre de 2019

Los científicos de Salk desarrollan una técnica para revelar
características epigenéticas de las células en el cerebro

El enfoque permite el estudio simultáneo de dos niveles de regulación génica en células individuales, lo que puede ayudar a aclarar cómo las variaciones genéticas contribuyen a la enfermedad humana.

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Los científicos de Salk desarrollan una técnica para revelar las características epigenéticas de las células en el cerebro

El enfoque permite el estudio simultáneo de dos niveles de regulación génica en células individuales, lo que puede ayudar a aclarar cómo las variaciones genéticas contribuyen a la enfermedad humana.

LA JOLLA—La corteza prefrontal del cerebro, que nos brinda la capacidad de resolver problemas y planificar, contiene miles de millones de células. Pero entender la gran diversidad de tipos de células en esta región crítica, cada uno con propiedades genéticas y moleculares únicas, ha sido un desafío.

Los científicos saben que gran parte de esta diversidad es el resultado de la epigenética (como las etiquetas químicas en el ADN), así como de cómo las características epigenéticas finalmente se pliegan dentro de los cromosomas para afectar la forma en que se expresan los genes.

Cromosomas humanos fotografiados por el laboratorio de Dixon durante la etapa de metafase de la división celular.
Cromosomas humanos fotografiados por el laboratorio de Dixon durante la etapa de metafase de la división celular.

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Crédito: Instituto Salk

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, lo que les permitió identificar elementos reguladores de genes en distintos tipos de células. La obra, que fue publicada en Nature Methods el 9 de septiembre de 2019, allana el camino hacia una nueva comprensión de cómo algunas células se desregulan para causar enfermedades.

"Hemos tomado este nuevo y mejor enfoque para analizar los genomas de células individuales y lo hemos aplicado al tejido cerebral sano", dice el profesor Salk e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. José Ecker, jefe del Laboratorio de Análisis Genómico y coautor de correspondencia del artículo. “El siguiente paso es comparar el tejido normal y el enfermo”.

La forma en que el ADN se empaqueta dentro de estructuras llamadas cromosomas en el núcleo de una célula puede desempeñar un papel fundamental en la función celular. Y la forma en que el ADN se pliega en última instancia depende de qué secciones de ADN deben interactuar entre sí y cuáles deben ser fácilmente accesibles para la maquinaria celular. La 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 cromosómicas para organizar ese ADN.

Al mismo tiempo, las modificaciones químicas (epigenéticas) del propio ADN, como la adición de grupos metilo a una hebra de ADN, también controlan el momento y los niveles de expresión génica. Cuando un grupo metilo se agrega a un trozo de ADN, normalmente se bloquea la expresión de un gen.

En el pasado, los investigadores tenían que usar métodos separados para determinar las estructuras de los cromosomas 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 podría diferenciar tipos de células basándose únicamente en la estructura cromosómica. Y en 2017, ellos Células cerebrales humanas y de ratón clasificadas en función de sus patrones de metilación.

Sin embargo, al hacer los experimentos por separado, los investigadores no pueden determinar cómo podrían estar relacionados la estructura cromosómica y los patrones de metilación. No ha estado claro si cada subconjunto de estructuras cromosómicas corresponde a un subconjunto de patrones de metilación. O si los dos conjuntos de datos, cuando se combinan, revelan subtipos de celdas más matizados.

Desde la izquierda: Jingtian Zhou, Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo, Jesse Dixon y Joseph Ecker.
Desde la izquierda: Jingtian Zhou, Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo, Jesse Dixon y Joseph Ecker.

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Crédito: Instituto Salk

En su nuevo método, llamado secuenciación de metil-3C de núcleo único (sn-m3C-seq), el equipo de Salk "doble inmersión" de cada célula individual, recopilando datos sobre la estructura cromosómica y la metilación al mismo tiempo. Si bien hacer el proceso manualmente sería lento y engorroso, el equipo automatizó sn-m3C-seq, lo que les permitió estudiar fácilmente miles de células. El desarrollo de nuevos enfoques para manejar celdas, junto con nuevos métodos computacionales para manejar datos, permitió esta nueva técnica.

El equipo dice que desarrollar un método que examine 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. "Sabemos que estas características pueden variar mucho entre los tipos de celdas y es valioso tener ambos tipos de información juntos de las mismas celdas", dice jesse dixon, Helmsley-Salk Fellow y coautor correspondiente. "Realmente abre nuestra capacidad para comprender qué secuencias reguladoras afectan 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 que contribuye a las enfermedades comunes del cerebro humano como la esquizofrenia y la depresión, así como a enfermedades no cerebrales como las enfermedades cardíacas, se encuentra en regiones de nuestro genoma que están muy lejos de los genes. Los investigadores dicen que, al estudiar el plegamiento de los cromosomas en tejidos humanos reales y resolver distintos tipos de células, estos métodos pueden permitirles vincular las variantes genéticas que causan enfermedades con los genes que regulan, lo que puede brindarles más información sobre por qué ciertas variantes contribuyen a las enfermedades y ofrecer ideas sobre cómo tratarlos 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, la combinación de los enfoques permitió 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.

Un instrumento 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 la Salud el 6 de septiembre de 2019, que facilitará en gran medida sus estudios de regulación genética en tejidos humanos y enfermedades como cáncer.

Los coautores 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, Leona M. y Harry B. Helmsley Charitable Trust y el Fondo de Investigación de Innovación del Instituto Salk.

DOI: 10.1038 / s41592-019, 0547-z

INFORMACIÓN DE LA PUBLICACIÓN

PERIODICO

Nature Methods

TÍTULO

Perfilado simultáneo de la estructura del genoma 3D y la metilación del ADN en células humanas individuales

AUTORES

Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo, Jingtian Zhou, Sahaana Chandran, Angeline Rivkin, Anna Bartlett, Joseph R. Nery, Conor Fitzpatrick, Carolyn O'Connor, Jesse R. Dixon y Joseph R. Ecker

Áreas de investigación

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