Una nueva tecnología capaz de hacer posible la evaluación de las interacciones en tres dimensiones entre las distintas partes del genoma acaba de revelar cómo se empaquetan estas moléculas en un espacio tan pequeño. Los descubrimientos también podrían proporcionar nuevas pistas acerca de la regulación del genoma—la forma en que genes específicos se encienden o apagan.
Aunque con anterioridad los científicos ya habían sido capaces de resolver la estructura tridimensional de algunas partes del genoma, un nuevo estudio acaba de ser el primero en hacerlo a escala general dentro del genoma. “Nuestra tecnología es como las IRM de los genomas,” afirma Erez Lieberman-Aiden, investigador de la División de Ciencias de Salud y Tecnología en Harvard-MIT y uno de los autores de un nuevo estudio en el que se detalla el trabajo realizado. (Lieberman fue incluido en la lista de jóvenes innovadores TR35 de Technology Review este año).
El ADN tiene múltiples niveles de organización—la secuencia linear de las bases, su famosa estructura helicoidal, y unas formaciones de alto orden que lo envuelven alrededor de las proteínas y lo enrollan hasta formar cromosomas. No obstante, identificar la organización del ADN a estos niveles más altos a través del genoma no ha resultado fácil hasta ahora. “Tenemos la secuencia linear entera del genoma, pero nadie sabe ni siquiera los principios sobre cómo está organizado el ADN en el espacio de alto orden,” afirma Tom Mistela, científico del Instituto Nacional contra el Cáncer, en Bethesda, Maryland, y que no estuvo involucrado en el estudio.
La cada vez mayor cantidad de investigaciones llevadas a cabo también muestran que esta organización es crucial para la regulación de la actividad de los genes. Por ejemplo, los genes deben desenrollarse antes de que puedan ser transcritos en proteínas. Y algunos genes sólo se encienden cuando se unen a secuencias de ADN en cromosomas totalmente distintos, afirma Mistela. “Eso significa que tienen que encontrarse dentro de un espacio tridimensional.”
Mediante un nuevo método, apodado como Hi-C, los científicos utilizan un conservante como por ejemplo el formaldehide para fijar en un lugar la estructura tridimensional de una molécula de ADN doblada. De esta forma, las secuencias de genes que están cercanas unas a otras en la estructura tridimensional pero no necesariamente adyacentes en la secuencia linear se unen entre ellas. Después, el genoma fijado se descompone en millones de piezas utilizando una enzima cortadora de ADN. No obstante, los segmentos del ADN que estaban juntos durante el proceso de fijación siguen manteniéndose unidos.
Más tarde, los investigadores añaden un marcador llamado biotin a los extremos de los fragmentos de genoma unidos y utilizan otra enzima para pegar los extremos de cada fragmento juntos, construyendo un círculo de ADN. Las piecas marcadas con biotin son secuenciadas, revelando qué piezas de ADN estaban físicamente cercanas en la conformación tridimensional.
Aunque los científicos han estado trabajando en algunos aspectos de la tecnología Hi-C durante varios años, la rápida disminución del coste de la secuenciación de genes acaba de hacer posible recientemente que se pueda trabajar con el genoma entero. “Sólo ahora, con el desarrollo de las novedosas tecnologías de secuenciación, podemos hacer todo esto,” afirma Job Dekker, biólogo en la Escuela Médica de la Universidad de Massachusetts, en Amherst, y autor senior del estudio. Los descubrimientos se publican hoy en la revista Science.
Mediante el uso de esta nueva tecnología, los investigadores lograron identificar dos principios organizadores del ADN. Los cromosomas parecen estar doblados de forma que los genes activos—aquellos que se han convertido en proteínas—están cercanos unos a otros, y los genes inactivos también están cerca entre sí, unas propiedades que con anterioridad sólo se habían observado a escala más pequeña. “Los componentes activos tienden a estar en un compartimento que no está tan densamente empaquetado,” afirma Lieberman. “El segundo compartimento es como un compartimento de almacenaje—es un poco más denso y contiene la mayoría del genoma.” Dekker añade o siguiente: “Creemos que es una forma eficiente de que las células organicen el cromatin dentro del núcleo.”
Los investigadores también han desarrollado un modelo para la forma en que ellos creen que el ADN está organizado dentro de estos compartimentos activos e inactivos. Las moléculas de ADN parecen formar una estructura de polímero conocida como glóbulo fractal, en el cual los segmentos que están cercanos unos a otros en la secuencia linear también están cerca dentro del glóbulo tridimensional. Lieberman asemeja la estructura a un paquete fresco de fideos ramen, antes de que se remuevan y formen una masa enredada. “Lo que sugiere todo esto es que existe una estructura sin enredar de cierta belleza y en la que se dobla el genoma,” afirma Lieberman. “No tiene nudos, y se puede usar un proceso físico muy simple para sacar una pieza del glóbulo fractal y volverla a poner dentro después.”
La tecnología hace posible formular una serie de cuestiones, tales como el modo en que la estructura tridimensional del genoma varía entre los tipos de células, entre los organismos, y entre células normales y cancerígenas. “Quizá esto ayude a explicar por qué los genomas cancerígenos tienen tanta carencia de regulación,” afirma Dekker.
No obstante aún no está clara la rapide con que la tecnología ganará popularidad. Aunque este tipo de experimentos se han visto posibilitados por la rapidez y bajos precios de la secuenciación, “aún sigue siendo un gran tarea,” afirma Mistela. Todo esto puede que cambie a medida que los precios sigan bajando.
En la actualidad los investigadores esperan poder mejorar la resolución de la tecnología. Hoy día se puede examinar la estructura tridimensional del genoma en una escala de megabase—en unidades de millón de letras de ADN—aunque el objetivo final es una resolución de kilobase. “Creo que existen más características estructurales que aún no hemos descubierto,” afirma Dekker. El incremento de la resolución en un factor de 10 requerirá una cantidad de secuenciación cien veces mayor, afirma.
Los científicos también desean explorar con exactitud la forma en que la estructura tridimensional del genoma afecta a la regulación. “¿Qué ocurre cuando mueves un gen artificialmente desde un área inactiva a una activa?” pregunta Dekker. “La gente ha empezado a desarrollar métodos para mover genes alrededor del núcleo, pero los resultado son generalmente desiguales.