Decodifican estructura tridimensional del genoma humano

En un artículo en la edición del 9 de octubre de 2009, de la revista Science, los investigadores describieron como una tecnología nueva, llamada HiC es aplicada para contestar la pregunta complicada de cómo cada una de las células humanas almacena alrededor de tres mil millones de pares de bases de ADN y mantiene acceso a segmentos cruciales funcionalmente. La investigación fue liderada por científicos de la Universidad de Harvard (Cambridge, MA, USA), el Instituto Broad de Harvard y MIT (Cambridge, MA, USA), la Escuela Médica de la Universidad de Massachusetts (UMass) (Boston, MA, USA), y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT; Cambridge, MA, USA).

"Hemos sabido por mucho tiempo que en una escala pequeña, el ADN es una doble hélice”, dijo el primer coautor, Erez Lieberman-Aiden, un estudiante de postgrado en la División de Ciencias y Tecnología de la Salud en Harvard-MIT, y un investigador en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard y en el laboratorio del Dr. Eric Lander en el Instituto Broad. "Pero, si la doble hélice no se doblara aún más, el genoma de cada célula tendría dos metros de largo. Los científicos no han entendido realmente como la doble hélice se dobla para caber en el núcleo de una célula humana, que solamente tiene una centésima de milímetro de diámetro. Este método nuevo, nos permitió sondear exactamente esta pregunta”.

Los investigadores reportaron dos hallazgos sorprendentes. Primero, el genoma humano se organiza en dos compartimentos separados, manteniendo los genes activos separados y accesibles y, simultáneamente colocando el ADN sin usar en compartimentos de almacenamiento más denso. Los cromosomas entran y salen repetidamente de los dos compartimentos cada vez que su ADN alterna en segmentos activos, ricos en genes e inactivos y pobres en genes. Las células separan de manera ingeniosa los genes más activos a su propio vecindario especial, para facilitar que las proteínas y otros reguladores lleguen a ellos”, dijo Job Dekker, profesor asociado de bioquímica y farmacología molecular en la Escuela Médica de la UMass y un autor principal del estudio.

Segundo, a una escala más fina, el genoma adopta una organización inusual conocida en matemáticas como "fractal”. La arquitectura específica que los científicos encontraron, llamada un "glóbulo fractal”, permite que la célula agrupe su ADN de manera increíblemente fuerte--la densidad de información en el núcleo es un billón de veces mayor que en un chip de computador--y a la vez evita los nudos y enredos que podrían interferir con la capacidad de la célula de leer su propio genoma. Más aún, el ADN puede desenrollarse y enrollarse durante la activación de los genes, la represión de los genes y la replicación de los genes.

"La naturaleza ha diseñado una solución sorprendentemente elegante para almacenar información--una estructura súper-densa, sin nudos”, dijo el autor principal, Dr. Lander, director del Instituto Broad, y profesor de biología en MIT, además de profesor de biología de sistemas en la Escuela Médica de Harvard.

En el pasado, muchos científicos han creído que el ADN se comprimía en una arquitectura diferente, llamada un "glóbulo de equilibrio” una configuración que es problemática porque puede formar muchos nudos. La arquitectura de glóbulo de fractal, propuesta como una posibilidad teórica hace más de 20 años, no había sido observada nunca.

Crítico para la investigación actual fue el desarrollo de la nueva técnica HiC, la cual permite un análisis de todo el genoma de la proximidad de los genes individuales. Los científicos usaron primero formaldehido para unir las hebras de ADN que están cercanas en el núcleo de la célula. Después determinaron la identidad de los segmentos vecinos cortando el ADN en varios pedazos pequeños, uniendo el ADN asociado en circuitos pequeños y realizando masivamente secuenciaciones paralelas del ADN.

"Cuando rompemos el genoma en millones de pedazos creamos un mapa espacial mostrando qué tan cerca están entre sí las diferentes partes”, anotó el co-primer autor, Dr. Nynke van Berkum, un investigador de postdoctorado en la Escuela Médica de UMass, en el laboratorio del Dr. Dekker. "Hicimos un rompecabezas fantástico tridimensional, y después, con un computador, lo resolvimos”.

Enlaces relacionados:
Harvard University
Broad Institute of Harvard and MIT
University of Massachusetts Medical School
Massachusetts Institute of Technology