Científicos del MIT descubren cómo los grupos moleculares interactúan con los cromosomas en el núcleo

Una célula almacena todo su material genético en su núcleo en forma de cromosomas, pero eso no es todo lo que está almacenado allí. El núcleo también alberga pequeños cuerpos llamados nucléolos; grupos de proteínas y ARN que ayudan a construir ribosomas.

Usando simulaciones por computadora, los químicos del MIT ahora han descubierto cómo estos cuerpos interactúan con los cromosomas en el núcleo y cómo estas interacciones ayudan a que los nucleolos existan como gotitas estables dentro del núcleo.

Sus hallazgos también sugieren que las interacciones cromatina-cuerpo nuclear hacen que el genoma adopte una estructura similar a un gel, lo que ayuda a promover interacciones estables entre el genoma y las máquinas de transcripción. Estas interacciones ayudan a controlar la expresión genética.

Este modelo nos inspiró a pensar que el genoma podría tener características similares a un gel que podrían ayudar al sistema a codificar contactos importantes y ayudar a traducir esos contactos en resultados funcionales. «

Bin Zhang, profesor asociado Pfizer-Laubach de química del desarrollo profesional en el MIT, miembro asociado del Instituto Broad de Harvard y el MIT, y autor principal del estudio

El estudiante graduado del MIT, Yifeng Qi, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza.

Gotas de modelado

Gran parte de la investigación de Zhang se centra en modelar la estructura tridimensional del genoma y analizar cómo esa estructura influye en la regulación genética.

En el nuevo estudio, quería ampliar su modelado para incluir nucléolos. Estos diminutos cuerpos, que se descomponen al principio de la división celular y se reforman más adelante en el proceso, consisten en más de mil moléculas diferentes de ARN y proteínas. Una de las principales funciones de los nucléolos es producir ARN ribosómico, un componente de los ribosomas.

Estudios recientes han sugerido que los nucléolos existen como múltiples gotas de líquido. Esto fue intrigante porque, en condiciones normales, varias gotas eventualmente se fusionarían en una gota grande para minimizar la tensión superficial del sistema, dice Zhang.

«Aquí es donde el problema se vuelve interesante, porque en el núcleo, de alguna manera, estas diversas gotas pueden permanecer estables durante un ciclo celular completo, durante aproximadamente 24 horas», dice.

Para explorar este fenómeno, Zhang y Qi utilizaron una técnica llamada simulación de dinámica molecular, que puede modelar cómo cambia un sistema molecular con el tiempo. Al comienzo de la simulación, las proteínas y el ARN que forman los nucléolos se distribuyen aleatoriamente por todo el núcleo, y la simulación rastrea cómo forman gradualmente pequeñas gotas.

En su simulación, los investigadores también incluyeron la cromatina, la sustancia que forma los cromosomas e incluye proteínas, además del ADN. Utilizando datos de experimentos anteriores que analizaron la estructura de los cromosomas, el equipo del MIT calculó la energía de interacción de los cromosomas individuales, lo que les permitió proporcionar representaciones realistas de las estructuras del genoma 3D.

Usando este modelo, los investigadores pudieron observar cómo se forman las gotas de nucleolos. Descubrieron que si modelaban los componentes nucleolares por sí mismos, sin cromatina, eventualmente se fusionarían en una gran gota, como se esperaba. Sin embargo, una vez que se introdujo la cromatina en el modelo, los investigadores encontraron que los nucléolos formaban múltiples gotas, tal como lo hacen en las células vivas.

Los investigadores también descubrieron por qué sucede esto: las gotas de nucleolo quedan atrapadas en ciertas regiones de la cromatina, y cuando esto sucede, la cromatina actúa como un arrastre que evita que los nucleolos se fusionen.

«Estas fuerzas esencialmente bloquean el sistema en estas pequeñas gotas y evitan que se fusionen», dice Zhang. «Nuestro estudio es el primero en destacar la importancia de esta red de cromatina que puede ralentizar significativamente la fusión y detener el sistema en su estado de caída».

control genético

Los nucleolos no son las únicas estructuras pequeñas que se encuentran en el núcleo; otros incluyen manchas nucleares y la lámina nuclear, una envoltura que rodea el genoma y puede unirse a la cromatina. El grupo de Zhang ahora está trabajando en modelar las contribuciones de estas estructuras nucleares, y sus hallazgos iniciales sugieren que ayudan a darle al genoma más propiedades similares a un gel, dice Zhang.

«Este acoplamiento que observamos entre la cromatina y los cuerpos nucleares no es específico para los nucléolos. También es general para otros cuerpos nucleares», dice. «Esta concentración de cuerpo nuclear cambiará fundamentalmente la dinámica de la organización del genoma y lo más probable es que convierta el genoma de un líquido a un gel».

Este estado de gel facilitaría que las diferentes regiones de la cromatina interactúen entre sí que si la estructura existiera en un estado líquido, dice. Mantener interacciones estables entre regiones distantes del genoma es importante porque los genes a menudo están controlados por tramos de cromatina que están físicamente distantes de ellos.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Gordon y Betty Moore.