Se revela un nuevo sistema de clasificación para núcleos celulares
1 de Junio de 2021 | Historia original de Baylor College of Medicine
Hace ciento cincuenta años, Dmitri Mendeleev creó la tabla periódica, un sistema para clasificar los elementos en función de las propiedades de sus núcleos atómicos. Esta semana, un equipo de biólogos que estudia el árbol de la vida ha desvelado un nuevo sistema de clasificación para los núcleos celulares y ha descubierto un método para transmutar un tipo de núcleo celular en otro.
El estudio, que aparece esta semana en el journal Science, surgió de varios esfuerzos que alguna vez estuvieron separados. Uno de ellos se centró en ADN Zoo, un consorcio internacional que abarca docenas de instituciones, incluida la Facultad de Medicina de Baylor, el Centro de Física Biológica Teórica (CTBP) apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, de la Universidad de Rice y la Universidad de Australia Occidental y SeaWorld.
Los científicos del equipo del DNA Zoo habían estado trabajando juntos para clasificar cómo los cromosomas, que pueden tener varios metros de largo, se pliegan para encajar dentro de los núcleos de diferentes especies de todo el árbol de la vida.
“Ya sea que estuviéramos viendo gusanos, erizos, tunicados o corales, siempre encontramos los mismos patrones de plegamiento”, dijo la Dra. Olga Dudchenko, primera coautora del nuevo estudio y miembro del Centro de Arquitectura del Genoma en Baylor y CTBP.
Finalmente, el equipo se dio cuenta de que sólo estaba viendo variantes en dos diseños nucleares generales. “En algunas especies, los cromosomas están organizados como las páginas de un periódico impreso, con los márgenes externos en un lado y el medio plegado en el otro”, explicó Dudchenko, quien también es codirectora de DNA Zoo. “Y luego, en otras especies, cada cromosoma está arrugado formando una especie de esfera”.
“Así que teníamos un rompecabezas”, dijo el Dr. Erez Lieberman Aiden, profesor asociado de genética molecular y humana y académico emérito McNair en Baylor, codirector del DNA Zoo y autor principal del nuevo estudio. “Los datos implicaban que, en el transcurso de la evolución, las especies pueden cambiar de un tipo a otro. Nos preguntamos:¿Cuál es el mecanismo de control? ¿Podría ser posible cambiar un tipo de núcleo por otro en el laboratorio?” Aiden también es director del Centro de Arquitectura del Genoma e investigador principal en CTBP.
Mientras tanto, un equipo independiente en los Países Bajos había descubierto algo inesperado. "Estaba haciendo experimentos con una proteína llamada condensina II, que sabíamos que desempeña un papel en cómo se dividen las células", dijo Claire Hoencamp, primera coautora del estudio y miembro del laboratorio del Dr. Benjamin Rowland en el Instituto del Cáncer de los Países Bajos. “Pero observamos algo muy extraño: cuando mutamos la proteína en las células humanas, comprobamos que los cromosomas se reorganizan totalmente. ¡Fue desconcertante!”
Los dos equipos se reunieron en una conferencia en las montañas austriacas, donde Rowland presentó el último trabajo de su laboratorio. Pronto se dieron cuenta de que Hoencamp había llegado a una forma de convertir células humanas de un tipo nuclear a otro.
“Cuando observamos los genomas que se estaban siendo estudiados en DNA Zoo, descubrimos que la evolución ya había hecho nuestro experimento muchas, muchas veces. Cuando las mutaciones en una especie rompen la condensina II, por lo general cambian toda la arquitectura del núcleo”, dijo Rowland, autor principal del estudio. “Siempre es un poco decepcionante que te saquen la primicia un experimento, pero la evolución tuvo una ventaja muy grande”.
El equipo decidió trabajar en conjunto para confirmar el papel de la condensina II. Pero luego llegó la pandemia de COVID-19, y gran parte del mundo cerró.
“Sin acceso a nuestros laboratorios, nos quedamos con una sola manera de establecer lo que la condensina II estaba haciendo”, dijo Hoencamp. "Necesitábamos crear un programa informático que pudiera simular los efectos de la condensina II en la cadena de cientos de millones de letras genéticas que componen cada cromosoma humano.”
El equipo recurrió al Dr. José Onuchic, de la Cátedra de Física Harry C. y Olga K. Wiess, en Rice. “Nuestras simulaciones mostraron que al destruir la condensina II, se podría hacer que un núcleo humano se reorganizara para parecerse a un núcleo de mosca”, dijo Onuchic, codirector de CTBP, que incluye colaboradores de Rice, Baylor, Northeastern University y otras instituciones en Houston y Boston.
Las simulaciones fueron realizadas por un equipo dentro del laboratorio de Onuchic en CTBP, dirigido por el becario postdoctoral y primer coautor Dr. Sumitabha Brahmachari, trabajando con el Dr. Vinicius Contessoto, un ex postdoctorado en CTBP, y el Dr. Michele Di Pierro, investigador principal de CTBP y actualmente profesor asistente en la Northeastern University.
“Comenzamos con un estudio increíblemente amplio de 2 mil millones de años de evolución nuclear”, dijo Brahmachari. “Descubrimos que mucho se reduce a un mecanismo simple, que podemos simular y recapitular, por nuestra cuenta, en un tubo de ensayo. Es un paso emocionante en el camino hacia un nuevo tipo de ingeniería genómica, ¡en 3D!”
Referencia:
Hoencamp C, Dudchenko O, Elbatsh AMO, et al. 3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type. Science. 2021;372(6545):984-989. doi:10.1126/science.abe2218
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