martes, 6 de septiembre de 2011

LA VIDA INTERIOR DEL GENOMA

La forma en que los genes se organizan y desplazan en el núcleo celular determina en gran medida el funcionamiento de los mismos, sea este normal o patológico.




Los cromosomas no se distribuyen de forma aleatoria en el núcleo, sino que tienden a copiar posiciones concretas. Esta organización nuclear refleja el estado funcional de cada cromosoma y de los genes que alberga. La organización pude variar según la actividad de la célula y durante la enfermedad. La descripción de la posición de los genes en el núcleo y la modificación de ésta en condiciones diversas está arrojando luz sobre el funcionamiento de las células normales y el origen de algunas enfermedades, como el cáncer.

Los cromosomas de una célula en división están duplicados y ofrecen un aspecto compacto. Sin embargo, durante el resto del tiempo se hallan separados y más expandidos. Hasta la reciente llegada de las técnicas de pintado cromosómico resultaba muy difícil distinguir un cromosoma expandido de otro.





Hace 10 años, la publicación de la secuencia del genoma humano proporcionó al mundo las bases sobre las que se construía un ser humano. Pero del mismo modo que una lista de piezas de automóvil no nos indica el funcionamiento del motor, la secuencia genómica completa (la lista de letras del ADN que forma los cromosomas de las células humanas) no nos reveló la manera en que el genoma dirige la actividad cotidiana de nuestras células o controla el desarrollo de un óvulo fecundado hasta convertirse en un adulto funcional.

Para abordar esta cuestión, junto con investigadores del nuevo campo de la biología celular genómica, se está estudiando la disposición de los cromosomas, y los genes que albergan, en el espacio tridimensional  del núcleo, así como el efecto de esa organización en su funcionamiento.




Mediante nuevas técnicas de obtención de imágenes tridimensionales que nos permiten desentrañar el interior de la célula viva, se ha descubierto un ecosistema tremendamente dinámico. En el núcleo, los cromosomas interaccionan físicamente con cromosomas vecinos, los genes de esos cromosomas migran a distintos lugares nucleares según su cometido y las moléculas que regulan la actividad génica se congregan en bulliciosas centralitas. Los hallazgos recientes nos ofrecen conocimientos de primera mano sobre la función del genoma en el mantenimiento de nuestra salud y el origen de algunas enfermedades, entre ellas ciertos tipos de cáncer; también pueden dar lugar a nuevos métodos para el diagnóstico de enfermedades.

CUESTIONES PRELIMINARES

Los recientes progresoso son el resultado de descubrimientos llevados a cabo en la década de los ochenta. Por aquel entonces, se sabía que los cromosomas sufrían una intensa condensación durante la división celular, momento en que adoptaban la forma característica de reloj de arena. También se había observado en ellos una estructura más relajada cuando las células realizaban sus funciones normales y no se estaban dividiendo. Ese aspecto laxo hacía difícil la distinción entre cromosomas aunque se utilizasen los mejores microscopios. Se aceptaba la idea de que, en las células que no se estaban dividiendo, los cromosomas se entremezclaban igual que espaguetis amontonados en un bol.

Esa era la opción prevaleciente a pesar de que existían algunos indicios en contra. A principios del siglo XX, el citólogo Theodor Boveri rechazó el "modelo de los espaguetis" para definir la organización de los cromosomas. Basándose en estudios de un gusano cilíndrico que infecta a los caballos, dedujo que, aunque los cromosomas experimentan cambios de tamaño y forma durante la vida de una célula, cada uno de ellos ocupa una región distinta y bien definida en el núcleo. De nominó "territorios cromosómicos" a las regiones habitadas por los dintintos cromosomas. Pero como resultaba difícil observar estos últimos -y dado que los gusanos cilíndricos de Boveri no constituían un sistema experimental habitual-, su concepto de territorios cromosómicos permaneció ignorado durante largo tiempo.




Las pruebas experimentales que respaldaron la idea de los territorios cromosómicos no llegaron hasta que los hermanos Thomas y Cristoph Cremer desarrollaron un método para marcar y visualizar el material genético de una pequeña región del núcleo. A principios de los años 80, demostraron que cuando un rayo láser incide sobre el ADN en una determinada región del núcleo, solo unos pocos cromosomas resultan marcados. Si el ADN nuclear se hallase tan amontonado como se creía, cada pulso de rayo láser habría incidido sobre un número mayor de cromosomas.

Pocos años después, los investigadores perfeccionaron un método más colorido y mejor dirigido para marcar y visualizar cromosomas enteros. Mediante la técnica de "pintado cromosómico" se añadía un marcador fluorescente a secuencias de letras del ADN de cromosomas individuales. Cada cromosoma se marcaba con una molécula fluorescente distinta para poder determinar su ubicación. Estos estudios demostraron claramente que los cromosomas se presentaban en el núcleo como entidades discretas, ocupando un espacio separado de los demás.

Ese descubrimiento abrió numerosos interrogantes que hoy en día se están abordando. ¿Se reparten los cromosomas de manera aleatoria por todo el núcleo?¿O tienen un lugar asignado en el mismo? Y lo que es más importante, ¿afecta su posición a la actividad de los genes que albergan?

AFINIDAD ENTRE CROMOSOMAS




Ahora se sabe que cada cromosoma tiende a ocupar una posición concreta en el núcleo. En los leucocitos humanos, el cromosoma 18 suele hallarse pegado a la pared externa del núcleo, mientras que el cromosoma 19 prefiere permanecer en el centro; entre tanto, el cromosoma 7 tiende a quedarse flotando entre los dos. La predilección de cada cromosoma por una posición más cercana o lejana a la periferia nuclear crea distintos grupos de cromosomas afines. Cada cromosoma presenta una serie de vecinos que suele mantener en todas las células, siempre y cuando estas sean del mismo tipo. En estudios realizados con leucocitos de ratón el equipo investigador identificó así que el cromosoma 12 se asociaba con frecuencia a los cromosomas 14 y 15.

Sin embargo, las posiciones de los cromosomas no son inmutables. El Equipo investigador descubrió que los cromosomas se distribuían de manera distinta en diversos tipos celulares. Otros investigadores han demostrado que esas posiciones varían durante el desarrollo y en la enfermedad. Y no solo eso, el lugar donde reside un cromosoma parece influir en la activación o desactivación de los genes que contiene.

Tal efecto se dedujo tras observar un cambio de actividad de los genes al modificar estos en su posición, como sucedió durante el estudio del gen GFAP. Por lo general, los astrocitos, células del cerebro con forma de estrella, poseen una copia activa de ese gen (la que sintetiza la proteína codificada) y una copia silente, inactiva. En el laboratorio, Takumi Takizawa descubrió que normalmente la versión silente se ubica en la periferia del núcleo, mientras que la copia activa reside en el interior de éste. Otros expertos han descubierto un posicionamiento similar en los genes que codifican los anticuerpos defensivos, o inmunoglobulinas, que segregan los leucocitos ante un organismo invasor. En los leucocitos en estado de alerta por la presencia de células foráneas, la región del cromosoma que alberga al gen IGH (que codifica uno de los componentes de la inmunoglobulina) tiende a desplazarse hacia el centro del núcleo. Estos descubrimientos han puesto de manifiesto una sencilla regla sobre la manera en que la posición de un gen influye en su propia función: con frecuencia, los genes situados en la periferia del núcleo son inactivos.

¿Habrá algo en las regiones externas del núcleo que favorece el silenciamiento génico? Uno de los primeros indicios de que podría ser así se remonta a los años treinta, cuando se observó que la periferia del núcleo se hallaba revestida de heterocromatina (regiones cromosómicas muy condensadas). Un cromosoma consta de una doble hélice de ADN enrollada en una especie de carrete formado por unas proteínas, las histonas; el conjunto se pliega sobre sí mismo y da lugar a una gruesa fibra, la cromatina. A su vez, las fibras de cromatina se pliegan aún más, con lo que se vuelven más condensadas. La heterocromatina representa una forma de cromatina con un enrollamiento muy compacto, una disposición que tiende a evitar que las proteínas que leen los genes acceden al ADN subyacente.

Por supuesto, esa observación preliminar no permitía esclarecer si la periferia favorecía el silenciamiento o si la cromatina compacta resultaba atraída hacia esas regiones por otros motivos. Pero una serie de experimentos llevados a cabo por diversos laboratorios en 2008 respaldó la primera idea. Cuando los investigadores apartaban a los genes activos de sus posiciones habituales en el núcleo y los anclaban a la membrana nuclear, su actividad se veía, por lo general, reducida. Por tanto, la periferia del núcleo ayuda a mantener el estado silente, por lo menos en algunos genes.




El interior del núcleo, por su parte, también podría contribuir a la función de los cromosomas y genes, cuya actividad se necesita de forma rápida y frecuente. Esa zona aporta conjuntos de conglomerados proteicos, las fábricas de transcripción. Entre ellos se incluyen las polimerasas (enzimas que transcriben el ADN en ARN, que posteriormente se traduce en una proteína), así como factores de trasncripción (proteínas que se unen a las regiones reguladoras de los genes y ponen en marcha las polimerasas).

Peter Cook, de la Universidad de Oxford, propuso en 1993 la existencia de esas fábricas, tras darse cuenta de que, en todo momento, el número de genes activos en el núcleo superaba en gran medida al número de lugares en los que las polimerasas se hallaban leyendo genes. Esa pauta podría interpretarse como la agrupación de múltiples genes en centralitas de actividad transcripcional donde se compartirían las polimerasas y los factores de transcripción. La idea ya tenía precedentes: cientos de genes que codifican los ARN ribosómicos (elementos de la maquinaria celular que sintetiza las proteínas) se transcriben de forma conjunta en el nucleolo, una subestructura nuclear lo bastante grande para observarse al microscopio.




INFLUENCIA EN LA SALUD

La biología celular genómica aún no conoce todas las reglas que gobiernan la actividad de los genes en distintas partes del núcleo. Sin embargo, se ha demostrado que la ubicación de los genes en el núcleo tiene relevancia en el desarrollo normal y la salud.




Un ejemplo llamativo de la reorganización génica durante el desarrollo embrionario procede de los estudios de células madre embrionarias. Estas células son "pluripotentes", es decir, poseen la singular capacidad de diferenciarse en cualquiera de los aproximadamente 220 tejidos especializados del organismo, como las neuronas, las células sanguíneas o las fibras musculares. A diferencia de las células totalmente diferenciadas, las células madre embrionarias carecen de la samplias regiones de hetreocromatina donde los genes se encuentran silenciados. Tampoco poseen láminas, unas proteínas que ayudan a anclar el ADN inactivo a la periferia del núcleo. Como resultado, casi todos los genes de una célula madre presentan un nivel de actividad reducido.

Cuando las células madre embrionarias reciben una señal para diferenciarse, por ejemplo, en células óseas o en neuronas, su arquitectura nuclear se modifica de manera espectacular. Aparecen las láminas, que se unen entre sí y forman un manto estrechamente entrelazado, la lámina nuclear, que se sitúa por debajo de la membrana nuclear. Se cree que esta lámina de soporte mantiene la forma del núcleo y protege a los cromosomas de la presión mecánica externa. Pero también parece estar implicada en la regulación normal de los genes. Los segmentos cromosómicos con menos genes activos contienen cierta proteína estructural que comprime esas regiones y las convierte en heterocromatina; a continuación las une a las láminas de la periferia del núcleo. Ese secuestro hace que las regiones ricas en genes se sitúen más cerca del interior y de la maquinaria que los activa. Por tanto, la aparición de las láminas durante el desarrollo embrionario permite a las células desactivar los genes que ya no hacen falta, que se confinan al extrarradio.




Al observar lo que ocurre cuando hay un defecto en las láminas se refuerza la importancia de la descentralización de determinadas regiones cromosómicas para el funcionamiento correcto de los genes en las células diferenciadas. Las mutaciones en las láminas dan lugar a una serie de enfermedades, como la distrofia muscular, trastornos neurológicos y envejecimiento prematuro. Esa laminopatías resultan inusuales por su amplitud: a diferencia de la mayoría de las enfermedades, en las que una mutación en un gen da lugar a un trastorno concreto, las mutaciones en las láminas originan un espectro muy diverso de patologías. No se sabe con exactitud la manera en que las láminas defectuosas provocan estos trastornos. Tal vez den lugar a una debilitación de la lámina nuclear, lo que dejaría vulnerable al núcleo frente a las fuerzas mecánicas. Como consecuencia, el genoma resultaría dañado y la célula podría perecer. Otra posibilidad sería que las láminas defectuosas perdieran la capacidad de organizar el genoma, con lo que colocarían genes en los lugares erróneos y alterarían su función.

Los estudios que han cartografiado las posiciones de los cromosomas en células de pacientes con laminopatías tienden a respaldar esta última idea. Se ha demostrado así la reubicación aberrante de los cromosomas 13 y 18 (desde la periferia hacia el interior) en células con una mutación asociada a esas patologías. Pero todavía no se ha aclarado si la redisposición de los cromosomas es consecuencia de la enfermedad o constituye uno de los factores que contribuyen a ella.

En algunos tipos de cáncer resulta más claro el papel crucial de la posición cromosómica. A menudo, las células malignas presentan "translocaciones" cromosómicas, una aberración que aparece cuando un fragmento se desprende de un cromosoma y acaba uniéndose a otro. En algunos casos, esas translocaciones provocan un cáncer porque la fusión da lugar a un gen mutante que favorece una proliferación celular excesiva; en otros casos, resultan intrascendentes.




El hecho de que un cromosoma se combine con otro y forme una translocación parece depender de la ubicación de los cromosomas en el núcleo: los cromosomas que se hallan juntos tienden a fusionarse con mayor frecuencia. Consideremos el linfoma de Burkitt. Muchos pacientes con esa enfermedad presentan una translocación entre el gen MYC, alojado en el cromosoma 8, y el gen IGH, en el cromosoma 14; en contadas ocasiones, MYC se transloca con otro gen que también codifica una inmunoglobulina en el cromosoma 2, el gen IGK; y aún más raramente se fusiona con el gen IGL, situado en el cromosoma 22. En 2003, Jeffrey Roix, descubrió en el laboratorio que, dentro del núcleo, las distancia media entre MYC y los tres genes con los que se translocaba se correspondía de manera precisa con la frecuencia de la alteración. Ello indica que existe una relación entre la distancia entre los genes y la probabilidad de translocación. A partir de entonces se ha observado esta relación en otros tipos de cáncer.

Uno de los avances más fascinantes ha sido darse cuenta de que el conocimiento de la posición habitual de los cromosomas en el núcleo podría contribuir a detectar el cáncer.


El grupo de investigación también ha demostrado que cuando un cromosoma se rompe, los extremos dañados permanecen cerca de su sitio y no se alejan mucho de la región donde se situaban antes de la rotura. Esta observación explica la mayor probabilidad de fusión de los cromosomas agrupados en la misma vecindad con respecto a la de los cromosomas distantes. También aclara el hecho de que determinadas translocaciones se observen  en un cáncer de un tejido pero no de otro, ya que los cromosomas están distribuidos de distinta forma en los diversos tejidos. Por tanto, resultará más probable que los cromosomas próximos entre sí en las células renales experimenten translocación en los tumores renales que en el cáncer de otros tejidos, como los leucocitos, donde esos cromosomas se hallan más apartados uno de otros.


Uno de los avances más fascinantes en este campo ha sido darse cuenta  de que el conocimiento de la posición habitual de los cromosomas en el núcleo podría contribuir a detectar el cáncer. Los experimentos preliminares han demostrado que la ubicación de los genes podría indicar si una célula es cancerosa. En un estudio piloto  sobre el cáncer de mama , Karen Meaburn ha identificado varios genes con una posición distinta entre las células tumorales y las células de tejido mamario normal. Esos genes resultaron unos buenos marcadores del cáncer de mama, ya que nos permitieron reconocer las muestras de tejido canceroso con una precisión muy elevada. En las células malignas, algunos genes cambian de posición incluso antes de que las células empiecen a funcionar mal. Por tanto, esperamos que algún día los análisis de la posición de los genes se conviertan en una poderosa herramienta molecular que ayude a diagnosticar el cáncer en etapas muy tempranas.


EL NÚCLEO AUTOORGANIZADO


El enigma fundamental de la biología celular genómica es saber lo que determina la posición de un gen o de un cromosoma en el núcleo ¿Cómo saben los genes y los cromosomas  hacia donde ir? y ¿cómo consiguen llegar hasta allí a medida que las células donde residen  se van diferenciando y especializando en los diversos tejidos?


Se ha planteado que las secuencias cromosómicas podrían ser escoltadas por una maquinaria celular específica  hasta su posición correcta. Quizás una proteína de fijación al ADN, que reconoce una secuencia génica determinada, se une a esta última y, a continuación, con la ayuda de una proteína que actúe como un motor molecular, arrastre esa región del cromosoma hacia un lugar concreto del núcleo. Pero hasta ahora nadie ha identificado un sistema semejante. Y resulta difícil imaginar un mecanismo de señalización que indique un conjunto de coordenadas geográficas a un fragmento de ADN y que dirija un gen hacia el centro del núcleo o hacia su maquinaria de transcripción favorita.


En vez de ello, hemos propuesto la idea de una autoorganización de la posición nuclear, algo parecido a lo que ocurre con los estudiantes de secundaria, que forman pandillas porque se sienten atraídos por intereses comunes, no porque sus padres o profesores les hayan dado instrucciones para asociarse. Del mismo modo, la localización de los genes y de los cromosomas en el interior del núcleo surge como resultado de su actividad y no está determinada por ningún mecanismo de organización externo. A su vez, esta ubicación influye sobre su actividad posterior.


¿Cómo funcionaría esa autoorganización? Veamos lo que sucede en un núcleo cuando el gen de una célula diferenciada se activa en respuesta a una señal, como la de una hormona. Antes de que la señal llegue a la célula, el gen se halla inactivo; probablemente se oculte en una región de cromatina condensada, quizás en un bloque de heterocromatina asociado a la periferia nuclear. Cuando la señal llega al núcleo, ciertas moléculas, los remodeladores de la cromatina, desenrollan el ADN condensado en el gen y su alrededor y hacen esa zona más accesible a la maquinaria transcripcional. En un núcleo autoorganizado, esta relajación permitiría la formación de un bucle de cromatina que sobresaldría de la heterocromatina ubicada en la periferia. El bucle errante merodearía por nuevas regiones del núcleo y acabaría estableciendo contacto con una fábrica de transcripción.


Hay que señalar que este movimiento del gen -desde las afueras del núcleo hacia dentro, donde se desarrolla la acción- tiene lugar sin la ayuda de ninguna maquinaria de transporte diseñada al efecto y está dirigida totalmente por la actividad del gen. Este modelo presenta una interesante consecuencia: sugiere que aunque la localización nuclear de un gen no sea aleatoria, la forma de llegar hasta allí sí puede serlo.


El concepto de autoorganización concuerda con numerosos resultados de experimentos de rastreo genético. Los genes pueden formar bucles que se alejan del cromosoma y se desplazan por todo el núcleo. Algunos de ellos incluso llevan al extremo estas escapadas transcripcionales. Cuando las hormonas denominadas citoquinas estimulan los leucocitos, los genes que codifican unas proteínas del sistema inmunitario (las moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad de calse II) se alejan bastante del cuerpo del cromosoma en el que se ubican, y en ocasiones se extienden por medio núcleo.


El mismo principio puede gobernar el posicionamiento de cromosomas enteros. Aunque la mayoría de los genes se desplazan poco, cada uno de ellos contribuye a que su cromosoma alcance su lugar definitivo en la célula. Por tanto, si la autoorganización es la norma, un cromosoma que contenga en su mayor parte genes inactivos se verá empujado hacia las regiones más represivas de la periferia nuclear, mientras que un cromosoma con una mayoría de los genes activos será arrastrado hacia el centro del núcleo.


Para comprobar tal predicción, el grupo de Mark Groudine, del Centro de Investigación del Cáncer Fred Hutxhinson, en Seattle, obtuvo células precursoras de la sangre y, a continuación, provocó su maduración. Las células se recogieron en distintos momentos  y se midió en ellas la actividad de varios miles de genes. Al mismo tiempo, determinaron la posición de los cromosomas que contenían el mayor número de genes cuya actividad variaba al madurar las células fueron los que más se desplazaron.


Aunque representan un buen punto de partida, esos experimentos conllevan bastante dificultad: resulta tedioso identifcar con el microscopio la posición de numerosas regiones genómicas a la vez. Puede que un técnica revolucionaria alivie  pronto este problema. El método Hi-C, desarrollado por Job Dekker, de la facultad de medicina de la Universidad de Massachusetts, permite obtener en poco tiempo una instantánea de la arquitectura tridimensional del genoma al enlazar químicamente todas las regiones cromosómicas que se hallan en contacto en el núcleo. Mediante esa técnica pronto se podrá determinar la localización de los cromosomas en núcleos de distintos tejidos, a diferentes tiempos y sometidos a condiciones diversas. Tras la comparación de esos patrones con los conjuntos de genes activos e inactivos, se podrán adquirir nuevos conocimientos sobre el efecto de la organización nuclear en la función de la célula y el modo en que su alteración puede contribuir a la enfermedad.


La elaboración del primer borrador de la secuencia del genoma humano supuso unos diez años de esfuerzo enorme. La biología celular genómica , al intentar ir más allá de la información que aporta la secuencia por sí sola, está empezando a desentrañar el modo en que se comportan los genomas en la célula, su hábitat natural. Esta tarea, aunque estimulante, es monumental. Dada su complejidad, probablemente mantenga ocupados a los biólogos mucho más tiempo del que se empleó para secuenciar el genoma humano.






Autor: Tom Misteli investigador del Instituto Nacional del Cáncer en Bethesda, Maryland. 


Biografía:

  • The cell nucleus ang aging: Tantalizing clues and hopeful promises.
  • Cell biology: Chromosome territories.
  • Beyond the sequence: Cellular organization of genome function.
  • Dynamic genome architecture in the nuclear space: Regulation of gene expression in three dimensions.
  • Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome.
  • The nucleus.


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