En el interior del núcleo de la célula, la doble hélice se pliega en innumerables bucles y giros. La lucha por descubrir esa estructura está revelando la sutil orquestación genética de toda la vida en la Tierra.
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| Paquetes de genoma del núcleo muestran aquí de manera consistente la estructura de un glóbulo fractal, un estado polímero extraordinariamente denso, aunque completamente desanudado. Crédito: Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Globule courtesy Miriam Huntley, Rob Scharein, and Erez Lieberman Aiden. |
Los núcleos de medio millón de células humanas podrían caber todas ellas dentro de una sola semilla de amapola. Sin embargo, dentro de cada núcleo reside una maquinaria genómica increíblemente amplia, por lo menos desde un punto de vista molecular. Tiene miles de millones de piezas, muchos utilizadas para activar o silenciar genes, un disposición que permite a las células individuales especializarse como las células cerebrales, las del corazón y otros 200 tipos de células diferentes. Es más, el genoma de cada célula está en contacto con millones de piezas móviles que pululan por todo el núcleo y que son escogidas de aquí y allá para ajustar el programa genético. Y cada cierto tiempo, la máquina genómica se replica.
En el corazón de esa maquinaria liliputiense del genoma humano existen unos dos metros de meritorias cadenas de ADN necesarios para encarnar las 3.000 millones de letras genéticas de una persona, o nucleótidos. Extiendiendo todos los genomas de los billones de células de tu cuerpo, dice Tom Misteli, jefe del grupo de biología celular de genomas en el Instituto Nacional del Cáncer en Bethesda, darían unos 50 viajes de ida y vuelta al Sol. Desde 1953, cuando James Watson y Francis Crick revelaron la estructura del ADN, los investigadores han hecho progresos espectaculares para detallar estas letras genéticas. Pero esta vista del almacenamiento de información no revela casi nada sobre qué hace que los genes específicos se activen o desactiven en diferentes momentos, en diferentes tipos de tejidos, en diferentes momentos de día a día de la vida de una persona.
Para averiguar estos procesos, debemos entender cómo esas letras genéticas se espiralizan colectivamente, pinzadas en bucles, agregadadas en dominios y glóbulos, y de otra forma, asumen una arquitectura de núcleo. "La belleza del ADN hizo que la gente se olvidara de la estructura a gran escala del genoma", consideraba Job Dekker, biólogo molecular de la facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, en Worcester, que ha construido algunas de las herramientas más consecuentes para desvelar la geometría genómica. "Ahora volvemos a estudiar la estructura del genoma porque nos damos cuenta de que la arquitectura tridimensional del ADN nos dirá cómo las células utilizan realmente la información. El genoma entero sólo tiene sentido en 3-D."
Los arqueólogos del genoma como Dekker han inventado e implementado técnicas de excavación moleculares para el descubrimiento de la arquitectura del genoma, con la esperanza de discernir, finalmente, cómo toda esa estructura ayuda a organizar la vida en la Tierra. Durante la última década, más o menos, han estado exponiendo una jerarquía anidada de motivos estructurales en los genomas que son igual de elementales a la identidad y actividad de cada célula, como la doble hélice.
En el corazón de esa maquinaria liliputiense del genoma humano existen unos dos metros de meritorias cadenas de ADN necesarios para encarnar las 3.000 millones de letras genéticas de una persona, o nucleótidos. Extiendiendo todos los genomas de los billones de células de tu cuerpo, dice Tom Misteli, jefe del grupo de biología celular de genomas en el Instituto Nacional del Cáncer en Bethesda, darían unos 50 viajes de ida y vuelta al Sol. Desde 1953, cuando James Watson y Francis Crick revelaron la estructura del ADN, los investigadores han hecho progresos espectaculares para detallar estas letras genéticas. Pero esta vista del almacenamiento de información no revela casi nada sobre qué hace que los genes específicos se activen o desactiven en diferentes momentos, en diferentes tipos de tejidos, en diferentes momentos de día a día de la vida de una persona.
Para averiguar estos procesos, debemos entender cómo esas letras genéticas se espiralizan colectivamente, pinzadas en bucles, agregadadas en dominios y glóbulos, y de otra forma, asumen una arquitectura de núcleo. "La belleza del ADN hizo que la gente se olvidara de la estructura a gran escala del genoma", consideraba Job Dekker, biólogo molecular de la facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, en Worcester, que ha construido algunas de las herramientas más consecuentes para desvelar la geometría genómica. "Ahora volvemos a estudiar la estructura del genoma porque nos damos cuenta de que la arquitectura tridimensional del ADN nos dirá cómo las células utilizan realmente la información. El genoma entero sólo tiene sentido en 3-D."
Los arqueólogos del genoma como Dekker han inventado e implementado técnicas de excavación moleculares para el descubrimiento de la arquitectura del genoma, con la esperanza de discernir, finalmente, cómo toda esa estructura ayuda a organizar la vida en la Tierra. Durante la última década, más o menos, han estado exponiendo una jerarquía anidada de motivos estructurales en los genomas que son igual de elementales a la identidad y actividad de cada célula, como la doble hélice.
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| Erez Lieberman Aiden |
El mejor microscopio genético
La investigación a fondo de esta máquina genómica ha tardado mucho tiempo en llegar. El microscopista británico, Robert Hooke, acuñó la palabra célula al observar, a mediados del siglo XVII, una sección delgada de corcho. Los pequeños compartimentos que vio le recordaban a las viviendas de los monjes, sus células (celdas). Allá por 1710, Antonie van Leeuwenhoek, pudo ver diminutos compartimentos dentro de las células, aunque fue Robert Brown, famoso por su movimiento browniano, que acuñó la palabra núcleo para describir estos compartimentos en la década de 1830. Medio siglo más tarde, en 1888, el anatomista alemán, Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz, observando a través de su microscopio, decidió usar la palabra cromosoma -que significa "cuerpo de color"- para esos pequeños hilos de tinte absorbente, que él y otros podían ver en los núcleos internos con los mejores microscopios de su tiempo.
Durante el siglo XX, los biólogos encontraron que era el ADN de los cromosomas, en lugar de sus componentes proteicos, la encarnación de la información genética molecular. La suma total del ADN contenido en los 23 pares de cromosomas es el genoma. Pero, cómo encajan estos cromosomas ha permanecido en gran parte siendo un misterio.
Más tarde, a principios de la década de 1990, Katherine Cullen, y un equipo de la Universidad de Vanderbilt, desarrollaron un método para fusionar artificialmente fragmentos de ADN que están cerca del núcleo, una hazaña fundamental que ha permitido analizar la estructura ultraplegada del ADN, simplemente, leyendo la secuencia del ADN. Este enfoque se ha mejorado con los años. Una de sus últimas iteraciones, denominada Hi-C, hace posible poder mapear el plegamiento de genomas enteros.
El primer paso en un experimento de Hi-C es tratar una muestra de millones de células con formaldehído, el cual tiene el efecto químico de desenhebrar la reticulación del ADN, donde las dos cadenas están muy juntas. Esos dos cercanos trozos están a una cierta distancia a lo largo del mismo cromosoma que se ha doblado sobre sí mismo, o pueden los cromosomas estar separados, aunque adyacentes.
A continuación, los investigadores picaban los genomas, cosechaban millones de fragmentos entrecruzados, y secuenciaban el ADN de cada fragmento. Los fragmentos secuenciados son como fotografías en primer plano de los contactos de ADN-ADN del genoma en 3D. Trazan mapas de estos fragmentos con los datos secuenciados de todo el genoma existente para crear una lista de puntos de contacto del genoma. Los resultados de este ejercicio de clasificación son mapas sorprendentemente ricos en datos, que parecen colchas anidadas, con códigos cuadrados de colores de diferentes tamaños, cuya misión es especificar la probabilidad de cualquiera de ambos segmentos de un cromosoma (e incluso de los dos segmentos de un genoma completo) de estar físicamente uno cerca del otro en el núcleo.
Hasta ahora, la mayoría de los datos de Hi-C representan un mapa promedio de contactos combinados de todas las células de la muestra. Pero los investigadores han empezado a desarrollar esta técnica de modo que pueda recoger los datos de células individuales. La capacidad emergente podría dar lugar a unas más precisas representaciones en 3D de los cromosomas y genomas dentro de los núcleos.
Además, Erez Lieberman Aiden, el director del Colegio Baylor del Centro de Medicina de Arquitectura Genómica, y sus colegas, han catalogado recientemente los contactos ADN-ADN de núcleos intactos, en lugar del ADN que tenían previamente extraído de los núcleos, un paso que añade incertidumbre a los datos. Los mapas de contacto de mayor resolución permiten a los investigadores discernir las características estructurales genómicas a una escala de 1.000 letras genéticas, una resolución unas 1.000 veces más fina que antes. Es como mirar bajo el capó de un coche en lugar de entrecerrar los ojos para ver el motor a un par de manzanas de distancia. Los investigadores publicaron sus puntos de vista de los nueve tipos de células, entre ellas las células de cáncer de seres humanos y de ratones, el 18 de diciembre del pasado año, en la revista Cell.
El poder de los bucles
Utilizando sofisticados algoritmos para analizar los cientos de millones -y en algunos casos, miles de millones- de puntos de contacto de estas células, Aiden y sus colegas pudieron ver que estos genomas están pinzados en unos 10.000 bucles. Los biólogos celulares saben de estos bucles genómicos de hace décadas, pero no han podido examinarlos al nivel de resolución molecular y detalle que ahora es posible. Estos bucles, cuyas formas fluidas Dekker las compara con "serpientes acurrucadas", revelan formas nunca antes vistas de una arquitectura a gran escala del genoma capaz de influir en cómo se encienden y apagan los genes específicos, indicaba Miriam Huntley, doctorando en la Universidad de Harvard y co-autora del artículo en Cell.
La investigación a fondo de esta máquina genómica ha tardado mucho tiempo en llegar. El microscopista británico, Robert Hooke, acuñó la palabra célula al observar, a mediados del siglo XVII, una sección delgada de corcho. Los pequeños compartimentos que vio le recordaban a las viviendas de los monjes, sus células (celdas). Allá por 1710, Antonie van Leeuwenhoek, pudo ver diminutos compartimentos dentro de las células, aunque fue Robert Brown, famoso por su movimiento browniano, que acuñó la palabra núcleo para describir estos compartimentos en la década de 1830. Medio siglo más tarde, en 1888, el anatomista alemán, Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz, observando a través de su microscopio, decidió usar la palabra cromosoma -que significa "cuerpo de color"- para esos pequeños hilos de tinte absorbente, que él y otros podían ver en los núcleos internos con los mejores microscopios de su tiempo.
Durante el siglo XX, los biólogos encontraron que era el ADN de los cromosomas, en lugar de sus componentes proteicos, la encarnación de la información genética molecular. La suma total del ADN contenido en los 23 pares de cromosomas es el genoma. Pero, cómo encajan estos cromosomas ha permanecido en gran parte siendo un misterio.
Más tarde, a principios de la década de 1990, Katherine Cullen, y un equipo de la Universidad de Vanderbilt, desarrollaron un método para fusionar artificialmente fragmentos de ADN que están cerca del núcleo, una hazaña fundamental que ha permitido analizar la estructura ultraplegada del ADN, simplemente, leyendo la secuencia del ADN. Este enfoque se ha mejorado con los años. Una de sus últimas iteraciones, denominada Hi-C, hace posible poder mapear el plegamiento de genomas enteros.
El primer paso en un experimento de Hi-C es tratar una muestra de millones de células con formaldehído, el cual tiene el efecto químico de desenhebrar la reticulación del ADN, donde las dos cadenas están muy juntas. Esos dos cercanos trozos están a una cierta distancia a lo largo del mismo cromosoma que se ha doblado sobre sí mismo, o pueden los cromosomas estar separados, aunque adyacentes.
A continuación, los investigadores picaban los genomas, cosechaban millones de fragmentos entrecruzados, y secuenciaban el ADN de cada fragmento. Los fragmentos secuenciados son como fotografías en primer plano de los contactos de ADN-ADN del genoma en 3D. Trazan mapas de estos fragmentos con los datos secuenciados de todo el genoma existente para crear una lista de puntos de contacto del genoma. Los resultados de este ejercicio de clasificación son mapas sorprendentemente ricos en datos, que parecen colchas anidadas, con códigos cuadrados de colores de diferentes tamaños, cuya misión es especificar la probabilidad de cualquiera de ambos segmentos de un cromosoma (e incluso de los dos segmentos de un genoma completo) de estar físicamente uno cerca del otro en el núcleo.
Hasta ahora, la mayoría de los datos de Hi-C representan un mapa promedio de contactos combinados de todas las células de la muestra. Pero los investigadores han empezado a desarrollar esta técnica de modo que pueda recoger los datos de células individuales. La capacidad emergente podría dar lugar a unas más precisas representaciones en 3D de los cromosomas y genomas dentro de los núcleos.
Además, Erez Lieberman Aiden, el director del Colegio Baylor del Centro de Medicina de Arquitectura Genómica, y sus colegas, han catalogado recientemente los contactos ADN-ADN de núcleos intactos, en lugar del ADN que tenían previamente extraído de los núcleos, un paso que añade incertidumbre a los datos. Los mapas de contacto de mayor resolución permiten a los investigadores discernir las características estructurales genómicas a una escala de 1.000 letras genéticas, una resolución unas 1.000 veces más fina que antes. Es como mirar bajo el capó de un coche en lugar de entrecerrar los ojos para ver el motor a un par de manzanas de distancia. Los investigadores publicaron sus puntos de vista de los nueve tipos de células, entre ellas las células de cáncer de seres humanos y de ratones, el 18 de diciembre del pasado año, en la revista Cell.
El poder de los bucles
Utilizando sofisticados algoritmos para analizar los cientos de millones -y en algunos casos, miles de millones- de puntos de contacto de estas células, Aiden y sus colegas pudieron ver que estos genomas están pinzados en unos 10.000 bucles. Los biólogos celulares saben de estos bucles genómicos de hace décadas, pero no han podido examinarlos al nivel de resolución molecular y detalle que ahora es posible. Estos bucles, cuyas formas fluidas Dekker las compara con "serpientes acurrucadas", revelan formas nunca antes vistas de una arquitectura a gran escala del genoma capaz de influir en cómo se encienden y apagan los genes específicos, indicaba Miriam Huntley, doctorando en la Universidad de Harvard y co-autora del artículo en Cell.
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| La arquitectura del genoma es consistente con las curvas unidimensionales, como la curva de Hilbert, en la parte de arriba, y la curva de Moore, parte inferior, que rellenan densamente el espacio más alto dimensional. crédito: Hilbert curve: Miriam Huntley, Rob Scharein, and Erez Lieberman Aiden; Moore curve: Robert Dickau via Wikimedia |
En los distintos tipos de células, estos bucles comienzan y terminan en diferentes y concretas ubicaciones cromosómicas, por lo que el genoma de cada línea celular parece tener una población única de bucles. Y que tal diferenciación podría proporcionar una base estructural que ayude a explicar cómo las células aun con el mismo genoma general, pueden diferenciarse en cientos de distintos tipos de células. "La arquitectura 3D está asociada con el programa que ejcutan las células", reseñó Aiden.
Pero, ¿qué hacen estos bucles? Misteli se imagina una especie de "desproocupado balanceo" dentro del fluido interno del núcleo. A medida que se acercan o se alejan unos de otros, otras proteínas se abalanzan y estabilizan la estructura transitoria del bucle. En ese momento, un tipo particular de proteína llama a un activador de transcripción que puede poner en marcha el proceso molecular por el cual un gen se excita.
Según reflexiona Misteli, cada tipo de célula, una célula hepática o cerebral, por ejemplo, podría tener una red señalizada de estas interacciones transitorias de bucle a bucle. Las estructuras de bucle podrían determinar qué genes se activan y cuáles quedan silenciados.
Sin embargo, los investigadores son cuidadosos al señalar que sólo se han encontrado asociaciones entre estructura y función, ya que todavía es demasiado pronto para saber a ciencia cierta si uno es causa de lo otro, y la dirección hacia dónde apunta la flecha causal.
A medida que iban extrayendo los datos sobre las interacciones inter-bucles, Aiden, Huntley y sus colegas, también comenzaron a discernir una media docena de grandes características estructurales en el genoma a modo de subcompartimentos. Aiden se refiere a ellos como "barrios espaciales del núcleo", el equivalente nucleico a las cercanías del centro de la ciudad de Nueva York o de Greenwich Village. Y donde la gente gravita de un barrio u otro, los diferentes tramos de cromosomas llevan una especie de código postal molecular para ciertos subcompartimentos y tienden a deslizarse hacia ellos.
Estos códigos postales moleculares están escritos en la cromatina, una mezcla de ADN y proteínas que compone los cromosomas.
Pero, ¿qué hacen estos bucles? Misteli se imagina una especie de "desproocupado balanceo" dentro del fluido interno del núcleo. A medida que se acercan o se alejan unos de otros, otras proteínas se abalanzan y estabilizan la estructura transitoria del bucle. En ese momento, un tipo particular de proteína llama a un activador de transcripción que puede poner en marcha el proceso molecular por el cual un gen se excita.
Según reflexiona Misteli, cada tipo de célula, una célula hepática o cerebral, por ejemplo, podría tener una red señalizada de estas interacciones transitorias de bucle a bucle. Las estructuras de bucle podrían determinar qué genes se activan y cuáles quedan silenciados.
Sin embargo, los investigadores son cuidadosos al señalar que sólo se han encontrado asociaciones entre estructura y función, ya que todavía es demasiado pronto para saber a ciencia cierta si uno es causa de lo otro, y la dirección hacia dónde apunta la flecha causal.
A medida que iban extrayendo los datos sobre las interacciones inter-bucles, Aiden, Huntley y sus colegas, también comenzaron a discernir una media docena de grandes características estructurales en el genoma a modo de subcompartimentos. Aiden se refiere a ellos como "barrios espaciales del núcleo", el equivalente nucleico a las cercanías del centro de la ciudad de Nueva York o de Greenwich Village. Y donde la gente gravita de un barrio u otro, los diferentes tramos de cromosomas llevan una especie de código postal molecular para ciertos subcompartimentos y tienden a deslizarse hacia ellos.
Estos códigos postales moleculares están escritos en la cromatina, una mezcla de ADN y proteínas que compone los cromosomas.
La cromatina se construye cuando el ADN vuela sinuoso alrededor de millones de estructuras de proteínas enrolladas llamadas nucleosomas. (Este sinuoso vuelo es la razón para el arrollamiento de dos metros de ADN que puede apiñarse dentro de los núcleos con diámetros de tan sólo una, tres o cien milésimas de ancho).
¿Cómo se pliega el genoma? Los investigadores utilizan origami para explicar sus hallazgos.
Un enorme elenco de finos jugadores biomoleculares en diferentes franjas se dan en esta contorsiva cromatina con formas más cerradas o abiertas. Las partes itinerantes de la máquina genómica pueden acceder mejor a las secciones abiertas, y así tener una mejor oportunidad de activar los genes allí localizados.
La imagen jerárquica, cada vez más detallada del genoma, que investigadores como Dekker, Misteli, Aiden y sus colegas, han estado construyendo es algo parecido a esto: Los nucleótidos se ensamblan en la famosa doble hélice del ADN. Las enroscadas hélices de nucleosomas forman la cromatina, que a su vez se vuelven a enroscar en formaciones similares a lo que uno consigue cuando continúa girando los dos extremos de una cuerda.
En medio de todo esto, la cromatina pellizca aquí y allá en los miles de bucles. Estos bucles, tanto del mismo cromosoma como de otros diferentes, participan en uno u otros subcompartimentos.
Conforme los investigadores obtienen gradualmente más penetración en la jerarquía estructural del genoma, estarán más cerca de averiguar cómo funciona esta maravilla de trabajo macromolecular y de toda su vasta mecánica en detalle.
Conforme los investigadores obtienen gradualmente más penetración en la jerarquía estructural del genoma, estarán más cerca de averiguar cómo funciona esta maravilla de trabajo macromolecular y de toda su vasta mecánica en detalle.
Los Institutos Nacionales de Salud ha puesto en marcha en cinco años un programa de $ 120 millones, llamado 4D Nucleome, para crear un impulso en la comunidad de investigación en la arquitectura nuclear, además de una iniciativa similar que está siendo lanzada en Europa. El objetivo del programa NIH, como se describe en su página web, es "para entender los principios que existen detrás de la organización tridimensional del núcleo en el espacio y el tiempo (como cuarta dimensión), el papel que desempeña la organización nuclear en la expresión génica y la función celular, y cómo los cambios en la organización nuclear afectan al desarrollo normal, así como diversas enfermedades."
O, como dice Dekker, "Nos permitirá finalmente ver en viva acción al genoma, y que en última instancia podrá decirnos cómo funciona realmente."
O, como dice Dekker, "Nos permitirá finalmente ver en viva acción al genoma, y que en última instancia podrá decirnos cómo funciona realmente."
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