Los científicos que estudian la transcripción genética están obteniendo nuevos conocimientos sobre un proceso que es fundamental para toda la vida. La transcripción es el primer paso en la expresión génica, el proceso que tiene lugar dentro de todas las células vivas mediante las cuales la secuencia de ADN de un gen se copia en ARN,que a su vez en términos más generales sirve como plantilla para ensamblar moléculas de proteínas, los componentes básicos de la vida.
Gran parte de lo que los científicos han descubierto sobre la transcripción en las últimas cinco décadas se basa en técnicas de investigación masivas que emplean grandes cantidades de células vivas. Hoy en día, las técnicas de imagen avanzadas permiten a los científicos investigar el funcionamiento interno de la transcripción a escala de genes individuales, yEstá surgiendo una nueva imagen más detallada de este proceso vital.
Solo esta semana, científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign publicaron dos nuevos estudios in vivo de transcripción de una sola molécula en E. coli, uno realizado por el profesor Ido Golding y sus colegas, que dio a conocer inesperadamente y hasta ahoracontroladores ocultos de la individualidad celular; el otro por el profesor Sangjin Kim y sus colegas, demostrando por primera vez que la dinámica de la transcripción se ve afectada por la comunicación a larga distancia a escala molecular entre las moléculas de ARN polimerasa RNAP mientras están "leyendo" una secuencia de genes.base a la vez y ensamblando la cadena de ARN complementaria.
Tomados en conjunto, estos dos estudios aclaran nuevos detalles de los procesos físicos de expresión génica a nivel de células individuales e inician una nueva y emocionante dirección de investigación para los científicos miembros del Centro para la Física de las Células Vivas CPLC, un NationalScience Foundation Physics Frontiers Center en el Departamento de Física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Kim señala: "El proyecto de mi sueño es investigar el mecanismo físico de este fenómeno emergente: el acoplamiento entre el superenrollamiento de ADN y el movimiento de ARN polimerasa. El CPLC es un lugar fantástico para perseguir esto y colaborar con otros científicos teóricos y experimentales enla intersección de la microbiología, la bioquímica y la biofísica. Ya me he conectado con nuevos colegas maravillosos que están interesados en colaborar en esto, incluidos Ido Golding, Nigel Goldenfeld y Yann Chemla ".
Golding y Kim se unieron recientemente a la facultad de Física de Illinois, y los dos experimentos no relacionados pero complementarios se realizaron en las instituciones previas respectivas del científico. Golding, que había sido miembro de la facultad de Física de Illinois desde 2007 hasta 2009, regresó a Illinois FísicaEn julio de 2019, del Baylor College of Medicine en Houston, donde ocupó un puesto como profesor de bioquímica y biología molecular.Kim se unió a la facultad de Física de Illinois en enero de 2019, luego de una cita postdoctoral en la Universidad de Yale, donde trabajó en la investigación.grupo de la destacada microbióloga profesora Christine Jacobs-Wagner.
Impulsores de la individualidad bacteriana
Golding, junto con colegas del Baylor College of Medicine y la Shanghai Jiao Tong University en China, han descubierto impulsores específicos de la individualidad bacteriana, lo que finalmente ha enfocado el proceso de transcripción. Los investigadores utilizaron mediciones unicelulares y modelos computacionalespara caracterizar las fases de la transcripción génica en términos de su dinámica.
Los hallazgos del equipo se publicaron en línea en a Microbiología de la naturaleza carta del 16 de septiembre de 2019.
El equipo observó que un gen débilmente expresado exhibe un pulso temporal de actividad de transcripción alrededor del momento de la replicación génica. En otras palabras, la transcripción responde, directa o indirectamente, al evento de replicación génica.
"es demasiado pronto para determinar definitivamente cuál es el mecanismo subyacente para este acoplamiento de la replicación del ADN y la transcripción del ARN", señala Golding. "Pero está claro que este fenómeno es un impulsor de la individualidad entre las células de una colonia, porque el individuolas células en la población en crecimiento no están sincronizadas en su fase del ciclo celular, por lo tanto, cada una replicará el gen en un momento diferente ".
Golding agrega: "Si bien aún no conocemos la razón de este acoplamiento de la transcripción y la replicación génica, hay muchas hipótesis plausibles, y los teóricos han estado especulando sobre esto durante muchos años. Se ha sugerido, por ejemplo, que el nuevoEl ADN sintetizado, el gen, es más susceptible a la unión por las máquinas celulares que impulsan la transcripción RNAP y otros ".
El investigador postdoctoral de Golding, Mengyu Wang, coautor principal de este estudio, siguió a Golding a Illinois y al CPLC. Wang recuerda su sorpresa inicial cuando las corridas experimentales repetidas arrojaron otra correlación de transcripción. Los investigadores descubrieron que cuando hay dos o máscopias del mismo gen dentro de la misma célula, a veces pueden afectarse entre sí, activando o desactivando la transcripción al unísono.
Wang comenta: "Los científicos suponían que no existe una correlación entre las diferentes copias de genes. Repetimos nuestro experimento varias veces y, dentro de cada ejecución, hubo algunas muestras, por lo que confiamos en nuestro resultado. Existe una correlación entre diferentescopias del mismo gen, y esta correlación depende de las condiciones de crecimiento. Se necesita más investigación para comprender el mecanismo subyacente en el trabajo aquí ".
Golding señala que todavía hay mucho camino por recorrer en nuestras investigaciones sobre la transcripción de ARN, para enfocar el proceso en mayor medida.
"Los modelos teóricos que interpretan y predicen los resultados de estudios masivos representan el proceso intracelular de transcripción como estocástico; es inherentemente aleatorio e impredecible a nivel celular. Estos modelos son muy útiles para nuestra comprensión de lo que sucede tanto enel nivel de las células individuales y dentro de las colonias de células. Pero tales imágenes detalladas corren el riesgo de etiquetar todo lo que se desconoce como incognoscible y aleatorio ", comenta Golding.
Nuevas iniciativas de investigación en el Centro para la Física de las Células Vivas prometen ayudar a descubrir los detalles de los procesos biológicos más fundamentales involucrados en la herencia y la singularidad de los individuos.
"Al examinar la transcripción, ya que tiene lugar en una copia individual de un solo gen en la célula, en lugar de hacer deducciones del número total de moléculas de ARN presentes en la célula, pudimos observar nuevos detalles que los modelos teóricos actuales deel proceso no tiene en cuenta ", concluye Golding.
En Illinois, Golding es miembro del CPLC y está afiliado al Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica y al Departamento de Microbiología.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, y por subvenciones de fundaciones privadas y agencias de financiación nacionales chinas. Las conclusiones presentadas son las de los investigadores y no necesariamente las de las agencias de financiación.
"comunicación" de largo alcance entre las moléculas de ARN polimerasa en un solo gen
Kim, junto con colegas del Instituto de Ciencias Microbianas interdisciplinarias de la Universidad de Yale, realizó experimentos in vitro e in vivo en genes que tienen múltiples RNAP que transcriben simultáneamente el gen, cada uno en diferentes puntos de progreso a lo largo del gen. El equipo observó a largo plazointeracciones que aceleraron o deterioraron la velocidad de transcripción de los RNAP vecinos, dependiendo de si el gen se activó o desactivó en respuesta a las condiciones ambientales.
Estos hallazgos se publicaron en línea el 19 de septiembre de 2019 en la revista Celda .
El equipo observó que, sorprendentemente, los RNAP pueden comunicarse entre sí desde distancias de hasta dos mil bases separadas en el ADN. Y cuando hay múltiples RNAP, se traslocan más rápido que un solo RNAP.
Kim explica el mecanismo subyacente a esta comunicación.
"Esta comunicación proviene de una propiedad del ADN llamada superenrollamiento, que cambia dinámicamente durante la replicación y la transcripción", describe.
"El ADN es una doble hélice que se enrolla en espiral, como una cuerda que se puede retorcer, en respuesta a la apertura de una porción de la doble cadena para que pueda leerse", continúa Kim. "La torsión es una consecuencia naturalde la función. En la transcripción, a medida que RNAP se transloca a lo largo del ADN, el ADN se vuelve retorcido, pero nuestro estudio muestra que esto a su vez se convierte en un mecanismo que permite la comunicación a larga distancia entre los RNAP ".
El equipo descubrió además que cuando el promotor, la porción de un gen que actúa como un interruptor para activar y desactivar la transcripción, dependiendo de las condiciones ambientales y las necesidades celulares, se apaga, los RNAP disminuyen la velocidad y algunos se desconectan deel gen
Según Kim, un estudio adicional del comportamiento colectivo de los RNAP podría arrojar nueva luz sobre una variedad de procesos moleculares que ocurren en el ADN, incluida la evolución de las mutaciones genéticas.
"Se sabe que cuando RNAP se detiene, puede introducir mutaciones en el código genético. Esto tiene posibles implicaciones para el aumento de la resistencia a los antibióticos en las bacterias. En el trabajo futuro en el CPLC, quiero probar esto modulando el superenrollamiento de ADN ymirando más profundamente la mecánica. Esta línea de investigación ofrece una gran oportunidad para la colaboración entre la teoría y el experimento ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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