Cómo los motores moleculares dan forma a los cromosomas
Hace unos ciento cincuenta años, Walther Flemming estudió los cambios cromosómicos durante la división celular. Sin embargo, a pesar de los avances posteriores en el conocimiento, los investigadores solo han identificado recientemente los elementos clave que determinan la organización de los cromosomas en el núcleo. «Los cromosomas se estructuran fundamentalmente en bucles de ADN, en cuya creación intervienen proteínas en forma de anillo conocidas como complejos de mantenimiento estructural de los cromosomas (SMC, por sus siglas en inglés)», explica Cees Dekker(se abrirá en una nueva ventana), catedrático de Física en la Universidad Tecnológica de Delft(se abrirá en una nueva ventana), en los Países Bajos, e investigador principal de LoopingDNA. «Sin embargo, los mecanismos exactos de formación y control de estos bucles siguen siendo un misterio». En 2018, el laboratorio de Dekker descubrió que un SMC llamado «condensina» actúa como un motor molecular(se abrirá en una nueva ventana) que hace bucles en el ADN, y da a los cromosomas su estructura. Ahora, mediante ensayos de molécula única, el equipo del proyecto LoopingDNA ha revelado más sobre los mecanismos implicados y ha explorado el impacto de la estructura cromosómica en la biología.
Una nueva clase de motores de ADN
Con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana) (CEI), el equipo de LoopingDNA utilizó imágenes de una sola molécula en lapsos de tiempo para seguir en acción el proceso de bucle de ADN impulsado por la condensina. «Pusimos un trozo de ADN en un portaobjetos de cristal, lo visualizamos y vimos cómo el bucle aparecía con el tiempo a medida que los SMC se adherían al ADN», explica Dekker. «Experimentos posteriores nos permitieron observar muchas características adicionales, como la asimetría del bucle y los cambios de dirección». Además, el equipo descubrió un nuevo motivo de bucle, denominado bucle en z(se abrirá en una nueva ventana), que se forma cuando dos SMC de condensina que extruye bucles se encuentran y se cruzan, lo que arroja luz sobre cómo se organiza el ADN en una estructura fuertemente compactada. También se descubrió que la extrusión de bucles está estrechamente relacionada con el «superenrollamiento» del ADN, que aumenta la cantidad de torsión en una cadena de ADN. «Descubrimos que los SMC no se limitan a la extrusión de ADN, sino que también añaden una torsión con cada extrusión, lo que implica que el superenrollamiento del ADN está regulado por el genoma», añade Dekker.
Mecanismos subyacentes a los bucles de ADN
Gracias al proyecto se han aportado otros conocimientos fascinantes. El ADN celular está cubierto de proteínas de unión al ADN, como los nucleosomas o el ARN polimerasa, que teóricamente podrían impedir la extrusión. El equipo se sorprendió al descubrir que no era así: los SMC parecen capaces de subsumir prácticamente todos los objetos en su bucle de ADN. Esto es importante, ya que las proteínas en el ADN pueden tener un tamaño de hasta decenas de nanómetros, y el SMC en forma de anillo tiene unos treinta nanómetros de diámetro. Dekker descubrió que el anillo podía alojar incluso partículas de oro unidas a ADN de doscientos nanómetros de tamaño, mayores que el propio anillo del SMC extruido. «Llegamos a la conclusión de que el ADN no estaba, como se había planteado anteriormente, topológicamente contenido en el anillo del complejo SMC», afirma Dekker. «Ahora hemos elaborado un modelo según el cual la unión con el trifosfato de adenosina cambia la forma y el tamaño del SMC, lo que nos acerca a la comprensión del mecanismo motor que subyace al bucle de ADN».
Datos sobre los trastornos genéticos
Los investigadores también se propusieron la tarea ambiciosa de construir un cromosoma desde cero. Partiendo de una longitud de ADN desnudo (un genoma bacteriano de «Escherichia coli» desprovisto de proteínas), el objetivo era añadir complejos proteicos, y otras proteínas de procesamiento del ADN, para estudiar los efectos de los elementos organizadores del ADN. Aunque lograron una versión básica, la extrema fragilidad del ADN hizo que una versión completa superara los recursos del proyecto. «Si logramos superar estos obstáculos técnicos, nuestro "genoma en una caja" podría algún día ofrecer un conjunto de herramientas para experimentos que revelen cómo la estructura cromosómica regula la expresión génica, lo que permitiría comprender mejor los trastornos genéticos», explica Dekker. Dado que se sabe que la condensina es vital para un desarrollo embrionario sano, el nuevo consorcio de Dekker, que actualmente busca financiación a través de una Beca de Sinergia del CEI, investigará más a fondo este campo. De especial interés es cómo los bucles de ADN permiten que los llamados «potenciadores» se acerquen a los promotores de genes clave, lo que impulsa su expresión.
