¿Cómo recuerda una nariz que es una nariz? ¿O un ojo recuerda que es un ojo?

A medida que los científicos investigan la cuestión de cómo las células recuerdan qué tipo de células se supone que son, o su linaje genético, es importante comprender cómo las células expresan diferentes genes sin cambiar la secuencia de ADN en sí.

Pero estudiar este tema es difícil:los investigadores pueden purificar las proteínas que impulsan la expresión genética, ponerlas en un tubo de ensayo y ver cómo se unen. Pero hacerlo dentro del núcleo de las células, su entorno nativo, ha sido hasta ahora imposible.

Ahora, un equipo de investigadores de tres laboratorios de la Universidad de Michigan ha podido rastrear cómo una proteína se une a su sustrato de cromatina dentro de una célula viva al establecer una colaboración que combina imágenes de ultra alta resolución de última generación, proteínas sintéticas diseño y modelado computacional. Sus resultados se publican en Science Advances .

"La pregunta biológica que nos hacemos es:'¿Cómo recuerdan realmente las células las experiencias pasadas? ¿Y cómo estas experiencias también conducen a que las células establezcan identidades distintas, como sucede en el caso del cuerpo humano donde hay linajes de células que forman neuronas, células sanguíneas o células cerebrales, y todas mantienen sus identidades durante muchas generaciones'", dijo el autor principal Kaushik Ragunathan, profesor asistente de química biológica en la Facultad de Medicina de la U-M.

"Un ejemplo en el que me gusta pensar es que si te cortas la nariz, no te crece una mano allí, aunque el genoma de tu nariz y el genoma de tu mano sean exactamente iguales".

Las células controlan cómo y qué genes se expresan a partir de una copia de la secuencia de ADN contenida dentro de cada célula, a pesar de que esa secuencia es la misma en todas las células del cuerpo. Una forma en que controlan la expresión es cambiando la fuerza con la que se empaqueta el ADN dentro del núcleo utilizando proteínas llamadas "histonas". Las histonas se pueden modificar mediante la adición de pequeñas etiquetas químicas que regulan la fuerza con que se enrolla el ADN a su alrededor y, por lo tanto, si los genes se pueden expresar.

Las proteínas que tienen la capacidad de leer, escribir y borrar estas etiquetas de histonas exploran el ADN dentro del núcleo de la célula muy rápidamente, del orden de milisegundos, según Ragunathan. En última instancia, toda esta información epigenética debe heredarse entre generaciones, pero el reconocimiento de estas etiquetas es un proceso complicado que implica la unión de la cromatina y las proteínas que se encuentran e interactúan entre sí en medio del caos de todas las demás posibles interacciones dentro de la célula.

Ser capaz de comprender cada paso del proceso y, por lo tanto, permitir el control de cómo se hereda la información epigenética, intrigó a la coautora Julie Biteen, profesora de química y biofísica.

Biteen utiliza imágenes de fluorescencia de una sola molécula para rastrear proteínas individuales dentro de las células. Su laboratorio puede ver dónde están estas proteínas en relación con la cromatina, y la experiencia de Ragunathan está en los mecanismos moleculares que sustentan cómo interactúan las modificaciones de histonas y las proteínas de unión a histonas. Estos dos mundos debían unirse para que la bioquímica de lo que sucede en un tubo de ensayo fuera de las células pudiera probarse para descubrir qué sucede dentro de ellas.

"El momento de este proceso es de vital importancia para garantizar que los genes correctos se silencien en el lugar correcto y en el momento correcto", dijo Biteen. "Lo que me enganchó de este proyecto es que in vitro, en un tubo de ensayo, puedes purificar dos proteínas, ver cómo se unen y ver qué tan buena es esa unión o cuál es la afinidad entre sí. Eso te dice lo que puede suceder en las células, pero no lo que sucede en las células".

Biteen y Ragunathan trabajaron con Peter Freddolino, profesor asociado de química biológica y medicina computacional y bioinformática en la Facultad de Medicina de la U-M, para combinar el modelado por computadora con sus resultados experimentales.

"Aquí es realmente donde nuestra colaboración se vuelve realmente poderosa", dijo Biteen. "Por un lado, ver las moléculas es muy útil y saber qué tan rápido se mueven las moléculas ayuda mucho en términos de comprender lo que es posible dentro de la célula, pero aquí podríamos dar un salto adelante al perturbar el sistema incluso de formas no naturales para entender lo que realmente significan estos diferentes movimientos de moléculas en la célula".

Si bien las marcas epigenéticas son tremendamente importantes para mantener diferentes tejidos en organismos complejos como los humanos, también juegan un papel importante en la regulación de genes de organismos unicelulares como la levadura. El equipo se centró en un tipo de proteína HP1 en células de levadura llamada Swi6. Esta familia de proteínas se une a un tipo específico de modificaciones de histonas en la célula para reforzar el silenciamiento génico. Al integrar etiquetas fluorescentes con Swi6, el laboratorio de Bitee observó cómo Swi6 se movía dentro del núcleo de la célula.

Mientras Swi6 busca el sitio de unión correcto en el ADN, se mueve rápidamente, dijo Biteen. Cuando encuentra su objetivo, se ralentiza significativamente. El movimiento de una proteína dentro de la célula es similar a los engranajes de un automóvil y las cosas pueden moverse a diferentes velocidades según con quién interactúen las proteínas.

"A partir de estas huellas de espagueti que obtenemos dentro de la celda, calculamos cuánto tiempo pasan buscando y cuánto tiempo pasan atados", dijo Biteen. "La cantidad de tiempo que pasan sin moverse nos informa sobre la fuerza con la que interactúan y sus propiedades bioquímicas".

Si bien el laboratorio de Biteen puede medir los movimientos en la célula en una escala de decenas de milisegundos, gran parte de la bioquímica que ocurre en la célula ocurre aún más rápido, dijo. Freddolino tomó esta información experimental y desarrolló modelos para estimar la capacidad de las proteínas Swi6 para saltar entre los estados de unión que se identificaron en los experimentos.

El modelo de Freddolino tuvo en cuenta las medidas experimentales y las posibles propiedades bioquímicas, que incluyen cómo interactúan las moléculas Swi6 en la célula. Estas interacciones incluyen moléculas que flotan libremente en la solución de la célula, moléculas que se han unido al ADN y moléculas que se "toman de la mano", dijo.

"Mi laboratorio quería crear un modelo más detallado que estimara cuál era el conjunto más probable de estados moleculares de las proteínas y su capacidad para saltar entre esos estados, que luego darían lugar a los datos de imágenes que creó el laboratorio de Biteen. ”, dijo Freddolino.

"Tener este modelo numérico nos permite hacer los experimentos computacionales de lo que sucede si la unión de proteínas es dos veces más rápida de lo que pensamos. ¿Qué pasa si es 10 veces más rápido de lo que pensamos? ¿O 10 veces más lento? ¿Podría eso dar lugar a la ¿datos? Muy felizmente, en este caso, pudimos demostrar que los procesos relevantes realmente estaban siendo capturados en la microscopía de fluorescencia".

Después de identificar las propiedades de unión del Swi6 natural, los investigadores probaron sus hallazgos al rediseñar Swi6 a partir de sus componentes para ver si podían replicar algunas de sus propiedades bioquímicas, dijo Ragunathan. Esto permitió a los investigadores determinar que las imágenes y el modelado realizados en la primera parte del artículo reflejan cómo se unía la proteína en su entorno nativo.

"¿Podemos hacer lo que hizo la naturaleza a lo largo de millones de años y producir una proteína que en muchos sentidos tenga propiedades similares a las de Swi6 en las células?" dijo Ragunathan. "La bioquímica in vivo, que es como hemos decidido llamarlo, no era algo que se hubiera pensado que fuera posible dentro de las células vivas, pero hemos demostrado que esto es totalmente factible mediante el uso de imágenes como modalidad. Estamos utilizando este proyecto como base para comprender cómo se pueden establecer y mantener estos estados epigenéticos a través de generaciones". + Explora más

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