Newswise — AMES, Iowa – En sus largas cadenas de nucleótidos, las moléculas de ADN contienen enormes cantidades de datos genéticos que proporcionan instrucciones sobre cómo deberían funcionar los organismos vivos: el modelo de la vida. Sin embargo, la forma en que se almacena el plano afecta la forma en que se lee y utiliza.
A medida que las células se dividen y replican, las hebras de ADN enrolladas alrededor de proteínas (cromatina) se encuentran en cromosomas estrechamente agrupados. Después de la división, los cromosomas se aflojan y la cromatina es menos compacta. Cómo y dónde la fibra de cromatina se pliega y se enrolla sobre sí misma afecta qué genes se activan. Los hallazgos de un equipo de investigación dirigido por la Universidad Estatal de Iowa ofrecen nuevos conocimientos sobre este proceso que puede tener usos biomédicos potenciales.
“La estructura tridimensional de la cromatina cuando está plegada es importante para la regulación genética. Es importante dónde se encuentra físicamente la cromatina en el núcleo. La evolución de los patrones de plegamiento de la cromatina altera la función del genoma y los programas de desarrollo que impulsan la evolución fenotípica y la adaptación a entornos cambiantes”, dijo Nicole Valenzuela, profesora de ecología, evolución y biología de organismos en la Universidad Estatal de Iowa. “El plegamiento de los cromosomas sigue siendo una especie de caja negra. Hemos aprendido mucho al respecto, pero todavía es sólo la punta del iceberg”.
La forma y ubicación de los cromosomas durante la interfase posterior a la división del ciclo celular afecta la función de los genes porque pone en contacto regiones no adyacentes, como secuencias potenciadoras y promotores de genes. Es más probable que se exprese el ADN fácilmente disponible para la interacción dentro de las regiones de cromatina activa, mientras que el ADN dentro de la cromatina reprimida menos accesible se silencia.
Al analizar la frecuencia con la que diferentes partes de las moléculas de ADN entran en contacto entre sí, los científicos han modelado las diferentes configuraciones físicas de la cromatina en humanos y en muchos animales comúnmente investigados, incluidos ratones y aves. Agregue tortugas a la lista, gracias a un equipo de investigación que Valenzuela ayudó a liderar. En un artículo reciente en Genome Research, los investigadores describieron su estudio de los genomas de dos especies de tortugas, que mostraron una sorprendente disposición de la cromatina que no se ha observado en otros organismos.
Una alineación novedosa
Los cromosomas tienen un punto de unión más delgado llamado centrómero y en sus extremos están protegidos por secuencias repetitivas de ADN llamadas telómeros. En los seres humanos, los cromosomas permanecen en territorios separados dentro del núcleo celular. Pero en las células de algunos animales, como los marsupiales, los cromosomas se agrupan para que sus centrómeros puedan interactuar. En otros animales, como las aves, se agrupan de modo que los telómeros estén en contacto. Las tortugas son el único animal estudiado hasta ahora cuyos telómeros y centrómeros están alineados para estar cerca uno del otro. Estas diferencias en el plegamiento y la posición se traducen en una regulación genética específica del linaje.
“Es posible que ésta sea la condición ancestral de los amniotas, a partir de la cual mamíferos, aves y reptiles evolucionaron en patrones diferentes. Las tortugas pueden estar mostrándonos lo que existía al principio, arrojando luz sobre la evolución de los genomas de los vertebrados”, afirmó Valenzuela.
Aprender más sobre la estructura tridimensional del genoma de las tortugas y cómo responde a las condiciones ambientales podría ayudar a explicar la base genética de rasgos que podrían aprovecharse para usos biomédicos en humanos. Por ejemplo, algunas tortugas pueden sobrevivir semanas sin oxígeno, lo que podría requerir tratamiento para los accidentes cerebrovasculares. Descubrir cómo algunas tortugas pueden soportar el frío extremo podría beneficiar la preservación criogénica de los tejidos humanos.
“Queremos entender más acerca de por qué los diferentes linajes son diferentes en algunos aspectos y por qué son iguales en otros, qué partes compartimos y qué partes difieren”, dijo Valenzuela, cuya investigación se centra en las tortugas. “Si podemos reconstruir la historia evolutiva de los cambios que han tenido lugar, podremos decir mucho más sobre cómo las diferencias en el empaquetado del ADN y el plegamiento de los cromosomas podrían estar afectando los rasgos que nos interesan. cómo se regulan los genes y cómo evolucionan los genomas de los vertebrados. Y comprender cómo responde la estructura de la cromatina de las tortugas a las condiciones externas también beneficiará los esfuerzos de conservación al ayudar a predecir el efecto potencial del cambio ambiental en su biología”.
El estudio fue financiado en parte por dos subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias.
Profundizando más
El estudio de la organización espacial de los genomas de las tortugas seguirá siendo un énfasis para el laboratorio de Valenzuela, dijo.
Los planes futuros incluyen examinar especies adicionales de tortugas. El estudio actual se centró en las tortugas almizcleras gigantes del norte y de caparazón blando espinoso, pero el grupo de investigación de Valenzuela ya ha recopilado datos para observar la estructura genómica de cuatro especies más de tortugas. También le gustaría comparar las tortugas con los cocodrilos, los lagartos y las serpientes para ver si su cromatina se organiza en patrones similares.
Para profundizar en la función del plegamiento de la cromatina de las tortugas, Valenzuela estudiará los organoides hepáticos que su laboratorio desarrolló para tres especies de tortugas: pequeñas bolas de células cultivadas en laboratorio que imitan una versión simplificada del tejido hepático.
Los métodos de mapeo más sofisticados también producirán resultados más ricos, incluidos datos de mayor resolución que producen mapas de cromatina aún más detallados y técnicas para estudiar cómo la estructura tridimensional de la cromatina cambia con el tiempo y en diferentes entornos.
“Para hacer realmente un mapeo de genotipo a fenotipo, tenemos que llegar a este nivel de complejidad”, dijo.
