27 de Julio de 2017

Los científicos de Salk resuelven el misterio biológico de larga data de la organización del ADN

Los investigadores obtienen una imagen del genoma 3D en el núcleo de una célula humana viva por primera vez

Noticias Salk


Los científicos de Salk resuelven el misterio biológico de larga data de la organización del ADN

Los investigadores obtienen una imagen del genoma 3D en el núcleo de una célula humana viva por primera vez

LA JOLLA—Estirado, el ADN de todas las células de nuestro cuerpo llegaría a Plutón. Entonces, ¿cómo cada célula diminuta empaqueta una longitud de dos metros de ADN en su núcleo, que tiene solo una milésima de milímetro de ancho?

La respuesta a este abrumador enigma biológico es fundamental para comprender cómo la organización tridimensional del ADN en el núcleo influye en nuestra biología, desde cómo nuestro genoma orquesta nuestra actividad celular hasta cómo los genes se transmiten de padres a hijos.

Ahora, los científicos del Instituto Salk y la Universidad de California, San Diego, han proporcionado por primera vez una vista sin precedentes de la estructura 3D de la cromatina humana, la combinación de ADN y proteínas, en el núcleo de las células humanas vivas.

En el estudio tour de force, descrito en Ciencia: el 27 de julio de 2017, los investigadores de Salk identificaron un tinte de ADN novedoso que, cuando se combina con microscopía avanzada en una tecnología combinada llamada ChromEMT, permite una visualización muy detallada de la estructura de la cromatina en las células en las etapas de reposo y mitótica (división). Al revelar la estructura de la cromatina nuclear en las células vivas, el trabajo puede ayudar a reescribir el modelo de libro de texto de la organización del ADN e incluso cambiar la forma en que abordamos los tratamientos para las enfermedades.

"Uno de los desafíos más difíciles de la biología es descubrir la estructura de orden superior del ADN en el núcleo y cómo se relaciona con sus funciones en el genoma", dice el profesor asociado Salk. Clodagh O'Shea, académico del Instituto Médico Howard Hughes y autor principal del artículo. "Es de suma importancia, porque es la estructura biológicamente relevante del ADN la que determina tanto la función como la actividad de los genes".

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Una nueva técnica permite la visualización en 3D de la estructura y organización de la cromatina (ADN más proteínas asociadas) dentro de un núcleo celular (púrpura, abajo a la izquierda) al pintar la cromatina con un molde de metal y obtener imágenes con microscopía electrónica (EM). El bloque central muestra los datos de la imagen EM capturada, el bloque frontal ilustra la organización de la cromatina a partir de los datos EM y el bloque posterior muestra las líneas de contorno de la densidad de la cromatina desde escasa (cian y verde) hasta densa (naranja y rojo).

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Crédito: Instituto Salk

Desde que Francis Crick y James Watson determinaron que la estructura primaria del ADN era una doble hélice, los científicos se han preguntado cómo se organiza aún más el ADN para permitir que toda su longitud se empaquete en el núcleo de manera que la maquinaria copiadora de la célula pueda acceder a él en diferentes puntos de su estructura. el ciclo de actividad de la célula. Los rayos X y la microscopía mostraron que el nivel primario de organización de la cromatina involucra 147 bases de ADN que se enrollan alrededor de proteínas para formar partículas de aproximadamente 11 nanómetros (nm) de diámetro llamadas nucleosomas. Luego se cree que estas "cuentas en una cuerda" de nucleosomas se pliegan en fibras discretas de diámetro creciente (30, 120, 320 nm, etc.), hasta que forman cromosomas. El problema es que nadie ha visto cromatina en estos tamaños intermedios discretos en células que no han sido fragmentadas y cuyo ADN ha sido procesado duramente, por lo que el modelo de libro de texto de la organización jerárquica de orden superior de la cromatina en células intactas no ha sido verificado.

Para superar el problema de visualizar la cromatina en un núcleo intacto, el equipo de O'Shea examinó varios tintes candidatos y finalmente encontró uno que podía manipularse con precisión con luz para sufrir una serie compleja de reacciones químicas que esencialmente "pintarían" la superficie del núcleo. ADN con un metal para poder visualizar su estructura local y su organización polimérica en 3D en una célula viva. El equipo se asoció con el profesor y experto en microscopía de UC San Diego, Mark Ellisman, uno de los coautores del artículo, para explotar una forma avanzada de microscopía electrónica que inclina las muestras en un haz de electrones permitiendo reconstruir su estructura 3D. Combinando su tinte de cromatina con tomografía con microscopio electrónico, crearon ChromEMT.

El equipo usó ChromEMT para obtener imágenes y medir la cromatina en células humanas en reposo y durante la división celular cuando el ADN se compacta en su forma más densa: los 23 pares de cromosomas mitóticos que son la imagen icónica del genoma humano. Sorprendentemente, no vieron ninguna de las estructuras de orden superior del modelo de libro de texto en ninguna parte.

De izquierda a derecha: Horng Ou y Clodagh O'Shea

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Crédito: Instituto Salk

"El modelo del libro de texto es una ilustración de dibujos animados por una razón", dice Horng Ou, investigador asociado de Salk y primer autor del artículo. "La cromatina que ha sido extraída del núcleo y sometida a procesamiento in vitro (en tubos de ensayo) puede no parecerse a la cromatina en una célula intacta, por lo que es tremendamente importante poder verla in vivo".

Lo que vio el equipo de O'Shea, tanto en células en reposo como en división, fue cromatina cuyas "cuentas en una cuerda" no formaban ninguna estructura de orden superior como los teorizados 30, 120 o 320 nanómetros. En cambio, formó una cadena semiflexible, que midieron minuciosamente y que variaba continuamente a lo largo de su longitud entre solo 5 y 24 nanómetros, doblándose y flexionándose para lograr diferentes niveles de compactación. Esto sugiere que es la densidad de empaquetamiento de la cromatina, y no alguna estructura de orden superior, la que determina qué áreas del genoma están activas y cuáles están suprimidas.

Con sus reconstrucciones de microscopía 3D, el equipo pudo moverse a través de un volumen de 250 nm x 1000 nm x 1000 nm de giros y vueltas de la cromatina, e imaginar cómo una molécula grande como la ARN polimerasa, que transcribe (copia) el ADN, podría ser dirigida por La densidad de empaquetamiento variable de la cromatina, como un avión de videojuego que vuela a través de una serie de cañones, hasta un punto particular del genoma. Además de cambiar potencialmente el modelo de organización del ADN de los libros de texto, los resultados del equipo sugieren que controlar el acceso a la cromatina podría ser un enfoque útil para prevenir, diagnosticar y tratar enfermedades como el cáncer.

"Demostramos que la cromatina no necesita formar estructuras discretas de orden superior para caber en el núcleo", añade O'Shea. "Es la densidad de empaquetamiento la que podría cambiar y limitar la accesibilidad de la cromatina, proporcionando una base estructural local y global a través de la cual diferentes combinaciones de secuencias de ADN, variaciones y modificaciones de nucleosomas podrían integrarse en el núcleo para afinar exquisitamente la actividad funcional y la accesibilidad. de nuestros genomas."

El trabajo futuro examinará si la estructura de la cromatina es universal entre tipos de células o incluso entre organismos.

Otros autores incluyeron a Sébastien Phan, Thomas Deerinck y Andrea Thor de la UC San Diego.

El trabajo fue financiado en gran parte por el Fundación WM Keck, la Iniciativa NIH 4D Nucleome Roadmap y Instituto Médico Howard Hughes, con apoyo adicional de la Fideicomiso William Scandling, la Fundación de la familia Price y Leona M. y Harry B. Helmsley Charitable Trust.

INFORMACIÓN DE LA PUBLICACIÓN

PERIODICO

Ciencia:

AUTORES

Horng D. Ou, Sébastien Phan, Thomas J. Deerinck, Andrea Thor, Mark H. Ellisman, Clodagh C. O'Shea

PORTADA DEL DIARIO

PORTADA Ilustración conceptual de la cromatina dentro del núcleo de una célula. Para encajar en el núcleo y en los cromosomas mitóticos, el ADN se ensambla en cromatina, cuya estructura determina las funciones de nuestro genoma. Al pintar las células con un tinte de unión al ADN que deposita una capa de metal en la superficie del ADN, Ou et al. fueron capaces de visualizar la estructura de la cromatina del genoma humano. Ver eaag0025. Para obtener más información sobre el proceso detrás de la imagen de portada, consulte http://scim.ag/2tUczje Ilustración: Valerie Altounian/Ciencia

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