En los libros de texto de secundaria, los cromosomas humanos se representan como equis torcidas, como dos perritos calientes apretujados. Pero esas imágenes están lejos de ser precisas. «Durante el 90% del tiempo«, comenta el doctor el doctor en Medicina de la Universidad de Harvard Jun-Han Su, «los cromosomas no existen en esa forma«.
El año pasado, antes de que Su se graduara, él y tres doctores, por entonces candidatos a serlo —Pu Zheng, Seon Kinrot y Bogdan Bintu— capturaron imágenes tridimensionales de alta resolución de cromosomas humanos, las estructuras complejas que contienen la mayoría de nuestro ADN. Ahora, esas imágenes podrían proporcionar suficiente evidencia para convertir esas equis prototípicas en símbolos más complejos pero mucho más precisos, no sólo para enseñar a la próxima generación de científicos, sino también para ayudar a la generación actual a desentrañar los misterios sobre cómo la estructura cromosómica influye en su funcionamiento.
Todos los seres vivos, incluidos los humanos, deben crear nuevas células para reemplazar aquellas demasiado viejas y degradadas para funcionar. Para hacer eso, las células se dividen y replican su ADN, que está envuelto en bibliotecas laberínticas dentro de la cromatina, el material que está dentro de los cromosomas. Extendido en línea recta, el ADN en una sola célula puede alcanzar los dos metros de longitud, todo lo cual se envuelve en estructuras complejas y apretadas en un núcleo celular. Un solo error al copiar o rebobinar ese material genético podría hacer que los genes muten o funcionen mal.
Acercarse lo suficiente para ver la estructura de la cromatina es difícil. Pero observar tanto la estructura como la función es aún más complicado. Ahora, en un artículo publicado en Cell, la biofísica china-estadounidense y profesora en la Universidad de Harvard Xiaowei Zhuang y su equipo informan sobre un nuevo método para visualizar la estructura y el comportamiento de la cromatina al mismo tiempo, conectando los puntos para determinar cómo una influye en el otro para mantener una función adecuada o causar una enfermedad.
«Es muy importante determinar la organización tridimensional«, afirma Zhuang, «para comprender los mecanismos moleculares subyacentes a la organización y también para entender cómo esta organización regula la función del genoma«.
El entorno de la cromatina local afecta la actividad de transcripción: la estructura influye en la función de los cromosomas
Con su nuevo método de imágenes en 3D de alta resolución, el equipo comenzó a construir un mapa cromosómico a partir de imágenes de lente ancha de los 46 cromosomas y primeros planos de una sección de un cromosoma. Para visualizar algo que todavía es demasiado pequeño para verlo con propiedad, capturaron puntos conectados («loci genómicos») a lo largo de cada cadena de ADN. Al conectar muchos puntos, podrían formar una imagen completa de la estructura de la cromatina.
Pero hubo un inconveniente. Anteriormente, comenta Zhuang, la cantidad de puntos que podían representar e identificar estaba limitada por la cantidad de colores que podían representar juntos: tres. Tres puntos no pueden hacer una imagen completa. Entonces, Zhuang y su equipo idearon un enfoque secuencial: imaginar tres loci genómicos diferentes, apagar la señal y luego imaginar otros tres en rápida sucesión. Con esa técnica, cada punto obtiene dos marcas identificativas: color e imagen del entorno.
«Ahora teníamos 60 loci genómicos en imágenes y localizados simultáneamente y, lo que es más importante, identificados«, asegura Zhuang.
Aun así, para cubrir todo el genoma, necesitaban más, miles, por lo que recurrieron a un lenguaje que ya se usa para organizar y almacenar grandes cantidades de información: el binario. Al imprimir códigos de barras binarios en diferentes loci de cromatina, pudieron obtener imágenes de muchos más loci y decodificar sus identidades más tarde. Por ejemplo, una molécula de la que se obtiene una imagen en la primera ronda pero no en la segunda obtiene un código de barras que comienza con «10». Con códigos de barras de 20 bits, el equipo pudo diferenciar 2.000 moléculas en sólo 20 rondas de imágenes. «De esta manera combinatoria, podemos aumentar el número de moléculas de las que se obtienen imágenes y se identifican mucho más rápidamente«, afirma Zhuang.
Con esta técnica, el equipo obtuvo imágenes de unos 2.000 loci de cromatina por célula, un aumento de más de diez veces respecto a su trabajo anterior y suficiente para formar una imagen de alta resolución de cómo se ve la estructura de los cromosomas en su hábitat natural. Pero no se detuvieron ahí: también tomaron imágenes de la actividad de transcripción (cuando el ARN replica el material genético del ADN) y estructuras nucleares como motas nucleares y nucléolos.
Con sus mapas Google en 3D del genoma, podrían comenzar a analizar cómo cambia la estructura con el tiempo y cómo esos movimientos territoriales ayudan o perjudican la división y replicación celular.
Los investigadores ya saben que la cromatina se divide en diferentes áreas y dominios. Pero aún se desconoce cómo se ven esos terrenos en diferentes tipos de células y cómo funcionan. Con sus imágenes de alta resolución, Zhuang y su equipo determinaron que las áreas con muchos genes («ricas en genes») tienden a agruparse en áreas similares en cualquier cromosoma. Pero las áreas con pocos genes («pobres en genes») sólo se unen si comparten el mismo cromosoma. Una teoría es que las áreas ricas en genes, que son sitios activos para la transcripción de genes, se unen como una fábrica para permitir una producción más eficiente.
Si bien se necesita más investigación antes de confirmar esta teoría, una cosa ahora es segura: el entorno de la cromatina local afecta la actividad de transcripción. La estructura influye en la función. El equipo también descubrió que no hay dos cromosomas iguales, incluso en células que por lo demás son idénticas. Para descubrir el aspecto de cada cromosoma en cada célula del cuerpo humano, se requiere mucho más trabajo del que puede realizar un solo laboratorio.
«No será posible basarnos únicamente en nuestro trabajo«, concluye Zhuang. «Necesitamos basarnos en el trabajo de muchos, muchos laboratorios para tener una comprensión integral«.
Fuente: Cell.
