Los cromosomas humanos son largas cadenas de polímeros que almacenan información genética. El núcleo de cada célula contiene todo el genoma humano (ADN) codificado en 46 cromosomas con una longitud total de unos 2 metros. Para encajar en el núcleo de la célula microscópica y al mismo tiempo proporcionar acceso constante a la información genética, los cromosomas se pliegan en el núcleo de una manera especial y predeterminada. El plegamiento del ADN es una tarea urgente en la intersección de la física de polímeros y la biología de sistemas.
Hace unos años, como uno de los mecanismos del plegamiento de los cromosomas, los investigadores propusieron la hipótesis de la extrusión activa de bucles de los cromosomas mediante motores moleculares. Aunque se ha demostrado la capacidad de los motores para extruir ADN in vitro, observar experimentalmente bucles en una célula viva es una tarea técnicamente muy difícil, casi imposible.
Un equipo de científicos de Skoltech, el MIT y otras importantes organizaciones científicas de Rusia y Estados Unidos han presentado un modelo físico de un polímero plegado en bucles. La solución analítica de este modelo permitió a los científicos reproducir las características universales del empaquetamiento cromosómico basándose en los datos experimentales:la imagen muestra la curva derivada pico-inclinación de la probabilidad de contacto.
El trabajo teórico permitirá a los investigadores comprender cómo la extrusión de bucles afecta las propiedades biofísicas del cromosoma y extraer parámetros de estos bucles a partir de los datos experimentales. El artículo está publicado en Physical Review X .
"La formación de bucles por parte de los motores, como ocurre a menudo en biología, es aleatoria:se forman y desaparecen constantemente. Esto, en particular, explica por qué su detección experimental en una sola célula viva es tan difícil. Hemos adoptado un enfoque diferente. Desarrollamos una teoría física que muestra cómo los bucles distribuidos aleatoriamente en un polímero afectarían la organización espacial del polímero. Luego, analizamos datos experimentales sobre el empaquetamiento espacial de los cromosomas obtenidos en miles de millones de células vivas y encontramos las mismas características estadísticas allí". dice Kirill Polovnikov, autor principal del estudio, profesor asistente y jefe del grupo de investigación de Skoltech.
La teoría desarrollada ha permitido determinar el tamaño típico de los bucles cromosómicos y su densidad. Además, los autores han descubierto un nuevo efecto topológico asociado a los bucles. Cuando se extruyen los bucles, la columna vertebral de la cadena se acorta, pero se estira en el espacio tridimensional debido al efecto llamado "dilución de entrelazamientos" en el sistema polimérico.
Los científicos desarrollaron un modelo analítico de este efecto y también confirmaron sus resultados en simulaciones por computadora. La teoría ayuda a identificar y caracterizar bucles cromosómicos utilizando datos experimentales y cambia nuestra comprensión de la organización topológica de los cromosomas en una célula viva.
"Así como los astrofísicos encuentran nuevos exoplanetas mediante la disminución de la luminosidad de la estrella madre durante el paso del planeta, nuestra teoría ofrece una herramienta para detectar 'huellas' de bucles en los datos genómicos. Sorprendentemente, las características identificadas resultan ser ser universal no sólo para los humanos, sino también para las células de otros organismos. Al parecer, el plegamiento de los cromosomas en bucles es uno de los principios más generales de la organización espacial del ADN", añade Polovnikov.
Más información: Kirill E. Polovnikov et al, Polímero arrugado con bucles recapitula las características clave de la organización cromosómica, Revisión física X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041029
Información de la revista: Revisión física X
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo
