Foto: Microscopía de un núcleo: Las fábricas de transcripción son de color naranja, los genes activados de color azul claro. El núcleo tiene aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano. Crédito: Grupos de trabajo Nienhaus y Hilbert, KIT
Cómo las células eligen correctamente los genes activos
8 de noviembre de 2021| Historia original del Instituto de Tecnología de Karlsruhe
Es esencial que las células controlen con precisión cuál de los muchos genes de su material genético utilizan. Esto se hace en las llamadas fábricas de transcripción, que son agrupamientos moleculares en el núcleo. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nuremberg (FAU) y el Centro Max Planck de Física y Medicina (MPZPM) han descubierto que la formación de fábricas de transcripción se asemeja a la condensación de líquidos. Sus hallazgos mejorarán la comprensión de las causas de las enfermedades y avanzarán en el desarrollo de sistemas de almacenamiento de datos basados en el ADN. Los científicos informan en 10.15252/msb.202110272.
El material genético humano contiene más de 20.000 genes diferentes. Pero cada célula sólo utiliza una fracción de la información almacenada en este genoma. Por lo tanto, las células tienen que controlar con precisión qué genes utilizan. De lo contrario, se puede desarrollar cáncer o trastorno del crecimiento embrionario.
Las llamadas fábricas de transcripción desempeñan un papel central en la selección de genes activos. “Estas fábricas son grupos moleculares en el núcleo que combinan la selección correcta de genes activos y la lectura de su secuencia en una ubicación central”, explica Lennart Hilbert. El Profesor Junior de Biología de Sistemas / Bioinformática en el Instituto Zoológico (ZOO) del KIT también dirige un grupo de trabajo en el Instituto de Sistemas Biológicos y Químicos - Procesamiento de Información Biológica (IBCS-BIP) de KIT.
Configuración e inicio en unos pocos segundos
Durante décadas, los biólogos celulares y moleculares han estudiado cómo las fábricas de transcripción se configuran y se ponen en funcionamiento en unos pocos segundos. Los resultados obtenidos hasta ahora sugieren la relevancia de los procesos conocidos únicamente a partir de polímeros industriales y materiales líquidos. La investigación actual se centra en la separación de fases como mecanismo central. En la vida cotidiana, la separación de fases se puede observar al separar el aceite del agua. Sin embargo, aún no ha quedado claro cómo la separación de fases contribuye exactamente a la configuración de fábricas de transcripción en células vivas.
Investigadores del Instituto de Sistemas Biológicos y Químicos (IBCS), el Instituto Zoológico (ZOO), el Instituto de Física Aplicada (APH) y el Instituto de Nanotecnología (INT) de KIT, en cooperación con científicos de FAU y MPZPM en Erlangen y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign / EE.UU., han obtenido nuevos hallazgos sobre la formación de fábricas de transcripción: es similar a la condensación de líquidos. Esto se informa enMolecular SystemsBiology.
La última microscopía de luz combinada con simulaciones por computadora
En su publicación, los investigadores señalan que la condensación para formar fábricas de transcripción se asemeja a lo que ocurre con el vapor sobre los vidrios en una ventana. El líquido se condensa sólo en presencia de una superficie receptiva, pero luego muy rápidamente se evapora. En la célula viva, las áreas especialmente marcadas del genoma se utilizan como superficies de condensación. Las áreas recubiertas de líquido permiten la adhesión de secuencias genéticas relevantes y moléculas adicionales que eventualmente activan los genes adherentes. Estos hallazgos se obtuvieron mediante la cooperación interdisciplinaria. Los embriones de pez cebra se estudiaron con los últimos microscopios de luz desarrollados por la cátedra del profesor Gerd Ulrich Nienhaus en APH. Estas observaciones se vincularon a simulaciones por computadora en la Cátedra FAU de Matemáticas dirigida por el profesor VasilyZaburdaev. La combinación de observaciones y simulaciones hace que el proceso de condensación sea reproducible y explica cómo las células vivas pueden establecer fábricas de transcripción de forma rápida y confiable.
La nueva comprensión de la condensación de los líquidos en las células vivas recientemente descubierta resultó en enfoques completamente nuevos para tratar el cáncer y las enfermedades del sistema nervioso. Estos enfoques ahora están siendo perseguidos por nuevas empresas que desarrollan nuevos medicamentos. Otras actividades de investigación se centran en el uso de secuencias de ADN como sistemas de almacenamiento de datos digitales. Mientras tanto, varios grupos de trabajo han demostrado la viabilidad principal de los sistemas de almacenamiento de datos basados en ADN. El almacenamiento confiable y la lectura de información en tales medios de almacenamiento de ADN aún representan grandes desafíos. “Nuestro trabajo muestra cómo la célula biológica organiza tales procesos de manera rápida y confiable. Las simulaciones por computadora y los conceptos funcionales desarrollados por nosotros se pueden transferir directamente a los sistemas de ADN artificial y pueden apoyar su diseño”, dice Lennart Hilbert.
Referencia
RNA polymerase II clusters form in line with surface condensation on regulatory chromatin. Mol. Syst. Biol. 2021;17(9):e10272. doi: 10.15252/msb.202110272
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