Estirado, el ADN de todas las células de nuestro cuerpo llegaría a Plutón. Entonces, ¿cómo empaqueta cada pequeña célula un ADN de dos metros de longitud en su núcleo, que tiene una milésima de milímetro de ancho?
La respuesta a este enigma biológico desalentador es fundamental para comprender cómo la organización tridimensional del ADN en el núcleo influye en nuestra biología, desde cómo nuestro genoma organiza 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, por primera vez, han proporcionado una vista sin precedentes de la estructura 3D de la cromatina humana, la combinación de ADN y proteínas, en el núcleo del ser humano vivocélulas.
En el estudio tour de force, descrito en ciencia el 27 de julio de 2017, los investigadores de Salk identificaron un nuevo tinte 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 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 la enfermedad.
"Uno de los desafíos más difíciles de resolver en biología es descubrir la estructura de orden superior del ADN en el núcleo y cómo se relaciona esto con sus funciones en el genoma", dice Clodagh O'Shea, profesora asociada de Salk, médica de Howard Hughes.Instituto Académico Académico y autor principal del artículo: "Es de suma importancia, ya que esta es la estructura biológicamente relevante del ADN que determina tanto la función como la actividad de los genes".
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 acumule en el núcleo de modo que la maquinaria de copia de la célula pueda acceder a él en diferentespuntos en 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 las proteínas para formar partículas de aproximadamente 11 nanómetros nm de diámetro llamadas nucleosomas."luego se cree que 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 se han separadoy tuvieron su ADN procesado con dureza, por lo que el modelo de libro de texto de la organización jerárquica de orden superior de la cromatina en células intactas no se ha verificado.
Para superar el problema de visualizar la cromatina en un núcleo intacto, el equipo de O'Shea analizó varios tintes candidatos, y finalmente encontró uno que podría manipularse con precisión con la luz para experimentar una compleja serie de reacciones químicas que esencialmente "pintarían" elEl 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 unforma avanzada de microscopía electrónica que inclina las muestras en un haz de electrones que permite reconstruir su estructura 3D. El equipo de O'Shea llamó a la técnica, que combina su colorante de cromatina con tomografía de microscopio electrónico, ChromEMT.
El equipo utilizó ChromEMT para obtener imágenes y medir la cromatina en las 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 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 se extrajo del núcleo y se sometió 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 el equipo de O'Shea vio, tanto en las células en reposo como en las divisorias, era cromatina cuyas "cuentas en una cuerda" no formaban ninguna estructura de orden superior como los 30 o 120 o 320 nanómetros teorizados. En cambio, formaba un semi-cadena flexible, que midieron minuciosamente como variando continuamente a lo largo de su longitud entre solo 5 y 24 nanómetros, doblando y flexionando para lograr diferentes niveles de compactación. Esto sugiere que es la densidad de empaque de la cromatina, y no una estructura de orden superior, lo que determina quéáreas del genoma están activas y que 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, y imaginar cómo podría ser una molécula grande como la ARN polimerasa, que transcribe copias ADN.dirigido por la densidad de empaque variable de la cromatina, como un avión de videojuegos que vuela a través de una serie de cañones, a un lugar particular en el genoma. Además de potencialmente cambiar el modelo de libro de texto de la organización del ADN, los resultados del equipo sugieren que controlar el acceso a la cromatina podría ser útilenfoque 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", agrega O'Shea. "Es la densidad de empaquetamiento la que podría cambiar y limitar la accesibilidad de la cromatina, proporcionando una estructura estructural local y globalbase a través de la cual se podrían integrar diferentes combinaciones de secuencias de ADN, variaciones y modificaciones de nucleosomas en el núcleo para ajustar de manera exquisita la actividad funcional y la accesibilidad de nuestros genomas ".
El trabajo futuro examinará si la estructura de la cromatina es universal entre los tipos de células o incluso entre los organismos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Salk . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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