Un equipo internacional de investigadores, co-dirigido por el Dr. Job Dekker de la Universidad de Massachusetts Medical School, ha identificado reglas clave que indican a las células cómo plegar el ADN en los icónicos cromosomas en forma de X. Estos cromosomas son esenciales durante la mitosis, ya que garantizan la transmisión precisa de la información genética entre células durante la división celular.
Los hallazgos, publicados en la revista Science, destacan funciones biológicas fundamentales relacionadas con la mitosis a escala micrométrica. Comprender cómo las células llevan a cabo esta tarea crítica puede proporcionar nuevos y valiosos conocimientos sobre la herencia, la estabilidad y reparación del ADN, así como respecto a las mutaciones genéticas que causan enfermedades humanas como el cáncer.
«Si bien nosotros y muchos otros hemos contribuido a la comprensión general de cómo se pliega el genoma dentro de los cromosomas durante la mitosis, comprimir varios centímetros de información genética en pares de moléculas de ADN organizadas de manera compleja que apenas miden unos pocos micrómetros ha sido un desafío», comentó el Dr. Dekker, quien también es investigador del Howard Hughes Medical Institute y profesor de biología de sistemas.
El equipo, en el que también colaboran el Dr. William C. Earnshaw de la Universidad de Edimburgo, el Dr. Leonid A. Mirny del Massachusetts Institute of Technology y el Dr. Anton Goloborodko del Instituto de Biotecnología Molecular en Viena, ha contribuido a delinear cómo las células siguen un conjunto simple de reglas para construir cromosomas y plegar el ADN en estas estructuras intrincadas durante la fase mitótica de la división celular.
Cuando pensamos en cromosomas, muchos de nosotros imaginamos las estructuras en forma de X aprendidas en la biología de la escuela secundaria que pueden observarse en células en división. Estas estructuras son fundamentales para la división celular y la transmisión del ADN de una generación celular a la siguiente.
Cada uno de estos pequeños cromosomas en forma de X contiene pares de moléculas de ADN llamadas cromátidas, que son mitades idénticas del cromosoma creadas cuando el ADN se copia en preparación para la división celular. Las cromátidas, unidas en el centrómero, miden varios centímetros, pero se compactan a solo unos pocos micrómetros dentro de la célula.
Investigaciones realizadas durante las últimas cuatro décadas han demostrado que dentro de cada una de estas cromátidas, el ADN se pliega en forma de bucles, y las dos cromátidas hermanas están conectadas a lo largo de su longitud. Estos bucles de ADN son generados por máquinas moleculares llamadas cohesinas y condensinas, responsables de unir el ADN y extraer bucles de cromatina a una velocidad increíble.
Utilizando diversas técnicas de análisis genómico, como el Hi-C para estudiar la organización tridimensional de los genomas y las interacciones de cromatina, junto con imágenes de alta resolución y modelado de polímeros, el equipo ha comenzado a responder preguntas cruciales sobre el proceso.
El Dr. Johan Gibcus, profesor asistente de biología de sistemas y co-primer autor del estudio, explicó: «Descubrimos que estas máquinas extraen bucles y, mientras lo hacen, se mueven a alta velocidad a lo largo de los cromosomas, a 2-3 kilobases por segundo. Lo más importante es que encontramos un conjunto sencillo de prioridades que definen cómo la célula resuelve los encuentros entre estas máquinas de movimiento rápido».
Durante la fase mitótica de la división celular, cuatro diferentes máquinas de extracción de bucles actúan simultáneamente a lo largo de los cromosomas: dos tipos de cohesinas y dos tipos de condensinas. Durante la interfase, la primera máquina cohesina extrae bucles a lo largo del genoma, y cuando las células entran en mitosis, una máquina condensina también comienza a extraer bucles.
Cuando una máquina condensina se encuentra inevitablemente con una máquina cohesina, esta última es retirada del cromosoma, permitiendo que la máquina condensina continúe extrayendo bucles a lo largo del genoma. Una segunda máquina cohesina sostiene las dos cromátidas hermanas juntas, aproximadamente cada millón de bases a lo largo del genoma. Cuando una máquina condensina se encuentra con estas segundas máquinas cohesinas, simplemente las salta y sigue extrayendo.
Finalmente, cuando las máquinas condensinas se encuentran entre sí, simplemente se detienen y mantienen su posición, resultando en un plegado de cada cromátida como una serie continua de bucles.
La investigación refuerza un entendimiento más detallado de cómo las células organizan su material genético, además de abrir vías para comprender mejor condiciones patológicas asociadas a fallos en la división celular y enfermedades relacionadas con el ADN.
