Movimientos del genoma a través del núcleo de una célula madre (izquierda) y su progenie diferenciada (derecha). Crédito:Alexandra Zidovska, Departamento de Física de la NYU.
La organización del genoma humano se basa en la física de diferentes estados de la materia —como líquido y sólido— que ha descubierto un equipo de científicos. Los resultados, que revelan cómo cambia la naturaleza física del genoma a medida que las células se transforman para cumplir funciones específicas, señalar nuevas formas de comprender mejor las enfermedades y crear terapias mejoradas para el cáncer y los trastornos genéticos.
El genoma es la biblioteca de información genética esencial para la vida. Cada celda contiene la biblioteca completa, sin embargo, utiliza solo una parte de esta información. Tipos especiales de células, como un glóbulo blanco o una neurona, tener sólo ciertos "libros" abiertos, los que contienen información relevante para su función. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo determinar cómo el genoma administra estas enormes bibliotecas y permite el acceso a los "libros" que se necesitan. mientras guarda los que no está en uso.
En el estudio recientemente publicado, que aparece en la revista Cartas de revisión física, los investigadores revelaron cómo sucede esto dentro de una célula.
"Descubrimos que las partes del genoma que se utilizan son líquidas, mientras que las partes no utilizadas forman islas sólidas, "explica Alexandra Zidovska, profesor asistente en el Departamento de Física de la Universidad de Nueva York y autor principal del estudio. "Estas islas sólidas sirven como estanterías de biblioteca que almacenan los libros con genes que no se utilizan actualmente, mientras que la parte líquida del genoma actúa como un 'libro abierto, 'que es de fácil acceso y se utiliza para la vida y función de una célula ".
La información genética del genoma está codificada en la molécula de ADN. La lectura y el procesamiento adecuados de esta información son fundamentales para la salud humana y el envejecimiento. En una célula humana el genoma, que contiene el código genético, está alojado en el núcleo celular. Con un tamaño de apenas 10 micrómetros, o unas 10 veces más pequeño que el ancho de un mechón de cabello humano, almacena unos dos metros de ADN.
Almacenar esta gran cantidad de información genética en un espacio tan pequeño requiere empacar de tal manera que cada pieza de ADN, y por tanto de código genético, es de fácil acceso cuando es necesario.
Lo que se había entendido menos es cómo se almacenaba esta información y cuál era el papel de la física en ella.
Núcleo de una célula madre (izquierda) y su progenie diferenciada (derecha) con partes del genoma en forma de líquido (verde) y de gel (magenta). Crédito:Alexandra Zidovska, Departamento de Física de la NYU
Para explorar este fenómeno, los investigadores, que también incluía a Iraj Eshghi y Jonah Eaton, Candidatos a doctorado en NYU, comparó las células antes y después de que se especialicen.
Específicamente, los científicos mapearon los movimientos del genoma en los núcleos de las células madre de ratón, aquellas que aún no tienen una función especializada, pero están preparados para convertirse en cualquier tipo de célula, como una neurona o un glóbulo blanco, y luego dejar que estas células se diferencien en células neuronales antes de mapear nuevamente los movimientos genómicos. Al hacerlo, generaron los primeros mapas de los movimientos de un genoma antes y después de la diferenciación celular.
Aquí descubrieron que las células madre mantienen su genoma "abierto", haciéndolo tan accesible como un libro abierto, con "páginas genéticas" fácilmente accesibles.
Sin embargo, el mapeo también mostró que una vez que una célula madre se convierte en una célula especializada, p.ej. una neurona, esta célula especializada mantiene fácilmente accesibles solo las partes del genoma que son necesarias para su función específica. Guarda las partes no utilizadas del genoma en "estanterías". Esto deja más espacio para la información que se está leyendo y procesando activamente.
"Estos movimientos nos dicen exactamente qué tan accesible es el genoma en un lugar determinado del núcleo celular, "explica Zidovska". Además, estos movimientos revelan el estado físico de diferentes partes del genoma, con partes líquidas correspondientes a ADN suelto, y partes de tipo sólido correspondientes a geles de ADN compactados. El empaquetamiento del genoma en estos diferentes estados de la materia impacta directamente en la accesibilidad del genoma; las partes líquidas son accesibles, en contraste con las partes sólidas. Lo sorprendente es que esta organización se basa en la física de diferentes estados de la materia, líquido y sólido ".
"La medición de los movimientos de distintas partes del genoma nos permitió mostrar estas diferentes propiedades físicas de diferentes partes del genoma, y así comprender la organización del genoma:el sistema de biblioteca de la célula, " " ella agrega.
Un sistema de archivo celular adecuado es vital para la salud humana, señalan los investigadores.
"Teniendo en cuenta la gran cantidad de tipos de células del cuerpo humano, si falta un libro o está extraviado en esta biblioteca móvil, puede dar lugar a que falte información o que sea innecesaria, posiblemente conduzca a trastornos del desarrollo y hereditarios, así como a aflicciones como el cáncer, "explica Zidovska". Por lo tanto, revelar cómo se organiza el genoma dentro del núcleo celular es fundamental para comprender estas afecciones y enfermedades. Es más, tal conocimiento puede ayudarnos a diseñar futuras terapias y diagnósticos de tales trastornos ".
