Antiguo misterio biológico de la organización del ADN ahora resuelto

Una nueva técnica permite la visualización tridimensional de la estructura y organización de la cromatina (ADN más proteínas asociadas) dentro de un núcleo celular (púrpura, parte inferior izquierda) pintando la cromatina con un yeso metálico y formando imágenes con microscopía electrónica (EM). El bloque intermedio muestra los datos de imagen EM capturados, 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 densidad de cromatina de escasa (cian y verde) a densa (naranja y roja).
Crédito: Imagen cortesía de Salk Institute
Alargado, el ADN de todas las células de nuestro cuerpo llegaría a Plutón. Entonces, ¿cómo cada célula pequeña empaca una longitud de dos metros de ADN en su núcleo, que es sólo una milésima de un milímetro de diámetro?
La respuesta a este enigmático enigma biológico es fundamental para entender cómo la organización tridimensional del ADN en el núcleo influye en nuestra biología, desde cómo nuestro genoma orquestra nuestra actividad celular hasta cómo los genes pasan de padres a hijos.
Ahora, los científicos del Instituto Salk y de la Universidad de California en San Diego han ofrecido por primera vez una visión 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 de tour de force, descrito en Science el 27 de julio de 2017, los investigadores de Salk identificaron un nuevo colorante de ADN 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 células en reposo Y mitótico (división) etapas. 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 tratamos los tratamientos para la enfermedad.
"Uno de los desafíos más intratables en la biología es descubrir la estructura de orden superior del ADN en el núcleo y cómo está vinculado a sus funciones en el genoma", dice el profesor asociado Salk Clodagh O'Shea, un Howard Hughes Medical Institute Facultad Erudito y autor principal del artículo. "Es de importancia eminente, porque esta es la estructura biológicamente relevante del ADN que determina tanto la función como la actividad del gen".
Desde que Francis Crick y James Watson determinaron que la estructura primaria del ADN es una doble hélice, los científicos se han preguntado cómo se organiza más el ADN para permitir que toda su longitud se empaque en el núcleo de manera que la maquinaria de copiado de la célula pueda acceder a él en diferentes puntos El ciclo de actividad de la célula. Los rayos X y la microscopía mostraron que el nivel primario de la organización de la cromatina involucra 147 bases de filtrado de ADN alrededor de las proteínas para formar partículas de aproximadamente 11 nanómetros (nm) de diámetro llamadas nucleosomas. Estas "perlas de nucleosoma en una cuerda" se piensan entonces que se pliegan en fibras discretas de diámetro creciente (30, 120, 320 nm, etc.), hasta que forman cromosomas. El problema es,
Para superar el problema de visualizar la cromatina en un núcleo intacto, el equipo de O'Shea examinó una serie de tintes candidatos, eventualmente encontrando uno que podría ser manipulado con luz para experimentar una compleja serie de reacciones químicas que esencialmente "pintarían" la superficie de ADN con un metal de modo que su estructura local y la organización del polímero 3D pudieran ser imágenes en una célula viva. El equipo se asoció con la Universidad de California, San Diego, el profesor y experto en microscopía Mark Ellisman, uno de los coautores del documento, para explotar una forma avanzada de microscopía electrónica que inclina las muestras en un haz de electrones permitiendo reconstruir su estructura tridimensional. El equipo de O'Shea llamó a la técnica, que combina su colorante de cromatina con la tomografía por microscopía electrónica, ChromEMT.
El equipo utilizó ChromEMT para la imagen y la medida de la cromatina en células humanas en reposo y durante la división celular (mitosis) 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.
"El modelo de libros de texto es una ilustración de dibujos animados por una razón", dice Horng Ou, un asociado de investigación de Salk y primer autor del documento. "La cromatina que ha sido extraída del núcleo y sometida a procesamiento in vitro - en tubos de ensayo - puede no parecer cromatina en una célula intacta, por lo que es tremendamente importante poder verla in vivo".
Lo que el equipo de O'Shea vio, tanto en las células en reposo como en las que se dividían, era la cromatina cuyas "perlas en una cuerda" no formaban ninguna estructura de orden superior como las teóricas 30 ó 120 ó 320 nanómetros. En su lugar, formó una cadena semi-flexible, que meticulosamente medida como variando continuamente a lo largo de su longitud entre sólo 5 y 24 nanómetros, flexión y flexión 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 son suprimidas.
Con sus reconstrucciones de microscopía en 3D, el equipo fue capaz de 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 gran molécula como la ARN polimerasa, que transcribe ADN, podría ser dirigida por La densidad de embalaje variable de la cromatina, como un avión de videojuegos volando a través de una serie de cañones, a un lugar particular del genoma. Los resultados del equipo sugieren que el control del acceso a la cromatina podría ser un método útil para prevenir, diagnosticar y tratar enfermedades como el cáncer.
"Mostramos que la cromatina no necesita formar estructuras discretas de orden superior para encajar en el núcleo", añade O'Shea. "Es la densidad de empaque que podría cambiar y limitar la accesibilidad de la cromatina, proporcionando una base estructural local y global a través de la cual se podrían integrar diferentes combinaciones de secuencias de ADN, variaciones de nucleosomas y modificaciones 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.

Fuente de la historia:
Materiales suministrados por el Instituto Salk . Nota: El contenido puede ser editado para el estilo y la longitud.

Referencia del Diario :
  1. Horng D. Ou, Sébastien Phan, Thomas J. Deerinck, Andrea Thor, Mark H. Ellisman, Clodagh C. O'Shea. ChromEMT: Visualización de la estructura de la cromatina 3D y compactación en interfase y células mitóticas . Science , 2017; 357 (6349): eaag0025 DOI: 10.1126 / science.aag0025