Un análisis matemático revela la arquitectura del genoma humano

Las técnicas anteriores para estudiar la arquitectura del genoma se han basado en métodos que requieren la eliminación de las células. Este proyecto de investigación, en el que participaron colaboradores de varios institutos de Japón, emplea técnicas de biología molecular y celular alternativas para mantener las células vivas y recoger datos sobre el movimiento natural de ADN.

A menudo, se contempla el ADN como un código estable y estático, pero el genoma en su conjunto es en realidad una molécula activa que se mueve y cambia de forma. Actualmente, los científicos pueden secuenciar todo el código básico del ADN, pero al conocer la arquitectura en 3D a mayor escala del genoma se podría revelar más información acerca de cómo las células utilizan el código.

Mientras la célula está creciendo, el ADN se almacena como un carrete desenredado de la cadena; ciertas porciones (eucromatina) se enrollan de manera más flexible, y por lo tanto, accesibles a la maquinaria celular que convierte el ADN en proteínas, que otras áreas que se mantienen firmemente enrolladas (heterocromatina). Cuando la célula se prepara para dividirse por la mitad durante la división celular, empaqueta toda la cromatina firmemente enrollada en los cromosomas en forma de X.

"Nuestros cálculos consideran las dimensiones fractales del ADN, que muestran cómo está densamente empaquetado el ADN dentro de la célula. La forma en la que el ADN está empaquetado puede indicar cómo la célula utiliza ciertos genes -apunta Soya Shinkai, profesor asistente en la Universidad de Hiroshima y primer autor del artículo de investigación.

LAS FUERZAS EN LA CÉLULA, IMPULSORAS DEL MOVIMIENTO DE LA CROMATINA

A lo largo de la "cadena" de cromatina están espaciadas regularmente "perlas" de complejos de proteínas de ADN en forma de barril llamados nucleosomas. Los investigadores siguieron el movimiento de los nucleosomas alrededor de la célula para entender dónde y cómo se almacena la cromatina, marcando los nucleosomas con etiquetas fluorescentes y tomando imágenes de microscopía durante la fase de crecimiento de las células humanas.

A continuación, emplearon las teorías de la física de polímeros para cuantificar el movimiento de los nucleosomas. "Cada segundo, un nucleosoma de diez nanómetros de tamaño se puede mover cien nanómetros. Las constantes y sutiles fuerzas aleatorias dentro de la célula hacen que la cromatina se mueva mucho", detalla Shinkai.

Antes de que una célula puede utilizar un gen, el ADN debe estar completamente desenrollado. Las áreas de la cromatina que contienen genes empleados con frecuencia están menos bien envueltas que las áreas de cromatina con genes utilizados con poca frecuencia. Un modelo para visualizar cómo la cromatina se embala dentro de la célula podría permitir a los investigadores entender a qué genes se accede con mayor o menor frecuencia y cómo se organiza físicamente el genoma.

"Nuestros cálculos son relevantes para las estructuras locales de la cromatina, pero este método también podría extenderse a los cromosomas enteros. Estas fórmulas matemáticas son una teoría de cómo interpretar la información visual de las imágenes de microscopio sobre cómo el ADN se desplaza dentro de la célula", añade Yuichi Togashi, profesor asociado de la Universidad de Hiroshima y también autor del trabajo, que se publica en 'PLOS Computational Biology'.