Los investigadores desarrollaron un proceso computacional que integra y analiza imágenes unicelulares, datos de microscopía y otros conjuntos de datos de todo el genoma. Llamaron a este enfoque COLA (CO-localización y análisis de bucles). COLA encuentra eventos de bucle de ADN en imágenes de microscopía de súper resolución y los vincula con lecturas de actividad medidas en todo el genoma, como la unión de la ARN polimerasa.
Utilizando COLA, el equipo estudió eventos de bucle en cuatro loci genómicos que se sabe que interactúan a largo plazo. Sorprendentemente, descubrieron que los bucles individuales rara vez duran más de unos pocos minutos y muchos son muy dinámicos y se montan y desmontan rápidamente. Estos resultados desafían la opinión predominante de que los contactos genómicos reflejan estructuras de cromatina estables y persistentes que mantienen los programas transcripcionales. En cambio, el equipo propone un modelo en el que los bucles son transitorios y se forman sólo de forma transitoria en respuesta a señales regulatorias específicas.
"Los bucles están en todas partes de las células, pero son mucho más transitorios de lo que nadie había apreciado anteriormente", dijo el coautor principal Gene Yeo, PhD, profesor de medicina celular y molecular y director del Centro de Biología del ARN de la Escuela de UC San Diego. de Medicina. "Nuestros hallazgos anulan la suposición de que estos bucles son características cableadas e implican que la formación de bucles está regulada dinámicamente".
Las células deben regular estrictamente la forma en que leen las instrucciones de sus genomas para producir productos funcionales, como proteínas que realizan diversas funciones celulares. La forma en que las células empaquetan, organizan y pliegan sus genomas en tres dimensiones desempeña un papel fundamental en la regulación genética. Estos principios organizativos determinan a qué segmentos de ADN accede e interpreta la maquinaria celular responsable de leer y transcribir genes.
La unidad más fundamental del plegamiento del genoma implica el bucle, donde regiones distantes del ADN entran físicamente en contacto entre sí para ayudar a orquestar la expresión genética. Se cree que los bucles reúnen proteínas que impulsan la expresión genética, permitiéndoles interactuar y llevar a cabo sus funciones de manera eficiente.
El enfoque COLA permite a los investigadores visualizar simultáneamente bucles y otras características genómicas, capturando relaciones espaciales y temporales con un detalle sin precedentes. "Ahora tenemos un método que puede correlacionar directamente los cambios en la ocupación de la ARN polimerasa con cambios de bucle específicos en células individuales", dijo el coautor Michael Niculescu III, estudiante de posgrado en el Laboratorio Yeo.
Los investigadores dicen que sus hallazgos tienen amplias implicaciones para comprender la expresión genética y la organización del genoma. Por ejemplo, sugieren que la naturaleza dinámica y fluctuante de los bucles podría permitir que las células respondan rápidamente a cambios ambientales o señales de desarrollo. En el cáncer y las enfermedades neurodegenerativas, esta flexibilidad también puede permitir que las células cambien de identidad celular y reprogramen programas de expresión genética.
"Ahora podemos hacer muchas cosas con esta herramienta", dijo el coautor Matthew Huynh, becario postdoctoral en el Yeo Lab. "Podemos probar nuevas hipótesis y sondear cambios regulatorios asociados a enfermedades de una manera que antes no podíamos".
Otros coautores de este estudio son:Yuzuru Kido, UC San Diego; James McGinnis, Universidad de California en San Diego; y Nicholas Ingolia, UC Berkeley.
Esta investigación fue financiada en parte por los Institutos Nacionales de Salud (R35 GM143669, T32 GM007240), la Fundación Nacional de Ciencias (MCB-2110538), la Fundación Simons (540333) y el Instituto Ludwig para la Investigación del Cáncer.
