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Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han desarrollado una nueva técnica con la que han demostrado que pueden cartografiar las interacciones entre promotores y potenciadores de genes con una resolución 100 veces mayor de lo que había sido posible hasta ahora, según publican en la revista ‘Nature Genetics’.
«Con este método generamos los mapas del genoma tridimensional de mayor resolución que se hayan generado nunca, y lo que vemos son muchas interacciones entre potenciadores y promotores que no se habían visto antes –afirma Anders Sejr Hansen, catedrático adjunto de Ingeniería Biológica Underwood-Prescott del MIT y autor principal del estudio–. Estamos entusiasmados de poder revelar una nueva capa de estructura 3D con nuestra alta resolución».
Estos hallazgos sugieren que muchos genes interactúan con docenas de elementos reguladores diferentes, aunque se necesitan más estudios para determinar cuáles de esas interacciones son las más importantes para la regulación de un gen determinado.
«Los investigadores pueden ahora estudiar de forma asequible las interacciones entre los genes y sus reguladores, lo que abre un mundo de posibilidades no sólo para nosotros, sino también para docenas de laboratorios que ya han expresado su interés por nuestro método», señala Viraat Goel, estudiante de posgrado del MIT y uno de los autores principales del trabajo.
Los científicos calculan que más de la mitad del genoma está formado por elementos reguladores que controlan los genes, los cuales representan sólo un 2 por ciento del genoma.
Los estudios de asociación de todo el genoma, que relacionan variantes genéticas con enfermedades específicas, han identificado muchas variantes que aparecen en estas regiones reguladoras. Determinar con qué genes interactúan estos elementos reguladores podría ayudar a los investigadores a entender cómo surgen esas enfermedades y, potencialmente, cómo tratarlas.
Para descubrir esas interacciones es necesario mapear qué partes del genoma interactúan entre sí cuando los cromosomas se empaquetan en el núcleo. Los cromosomas se organizan en unidades estructurales denominadas nucleosomas -cadenas de ADN fuertemente enrolladas alrededor de proteínas- que ayudan a los cromosomas a encajar en los pequeños confines del núcleo.
Hace más de una década, un equipo en el que participaban investigadores del MIT desarrolló un método denominado Hi-C, que reveló que el genoma está organizado como un «glóbulo fractal», lo que permite a la célula empaquetar firmemente su ADN evitando los nudos. Esta arquitectura también permite al ADN desplegarse y replegarse fácilmente cuando es necesario.
Para realizar el Hi-C, los investigadores utilizan enzimas de restricción para trocear el genoma en muchas piezas pequeñas y unir bioquímicamente las piezas que están cerca unas de otras en el espacio tridimensional dentro del núcleo de la célula. A continuación, determinan la identidad de las piezas que interactúan amplificándolas y secuenciándolas.
Aunque el Hi-C revela mucho sobre la organización tridimensional general del genoma, tiene una resolución limitada para detectar interacciones específicas entre genes y elementos reguladores como los potenciadores. Los potenciadores son secuencias cortas de ADN que pueden ayudar a activar la transcripción de un gen uniéndose a su promotor, el lugar donde comienza la transcripción.
Para lograr la resolución necesaria para encontrar estas interacciones, el equipo del MIT se basó en una tecnología más reciente denominada Micro-C, inventada por investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, dirigidos por Stanley Hsieh y Oliver Rando.
Micro-C se aplicó por primera vez en levaduras en ciernes en 2015 y posteriormente se aplicó a células de mamíferos en tres artículos en 2019 y 2020 por investigadores que incluyen a Hansen, Hsieh, Rando y otros en la Universidad de California y en la Facultad de Medicina de UMass.
Micro-C logra una mayor resolución que Hi-C mediante el uso de una enzima conocida como nucleasa micrococcal para trocear el genoma. Las enzimas de restricción de Hi-C cortan el genoma sólo en secuencias específicas de ADN distribuidas aleatoriamente, lo que da lugar a fragmentos de ADN de tamaños variables y más grandes. Por el contrario, la nucleasa micrococcal corta uniformemente el genoma en fragmentos del tamaño de nucleosomas, cada uno de los cuales contiene entre 150 y 200 pares de bases de ADN. Esta uniformidad de los fragmentos pequeños otorga a la Micro-C su resolución superior a la Hi-C.
Sin embargo, como Micro-C estudia todo el genoma, este método no alcanza la resolución suficiente para identificar los tipos de interacciones que los investigadores querían ver.
El genoma humano es muy grande y contiene alrededor de 22 millones de sitios a resolución nucleosómica. Por tanto, la cartografía Micro-C de todo el genoma humano requeriría al menos 22 millones multiplicados por 22 millones de lecturas de secuenciación, lo que costaría más de 1.000 millones de dólares.
Para reducir ese coste, el equipo ideó una forma de realizar una secuenciación más selectiva de las interacciones del genoma, lo que les permitió centrarse en los segmentos del genoma que contienen genes de interés.
Al centrarse en regiones que abarcan unos pocos millones de pares de bases, el número de sitios genómicos posibles se multiplica por mil y los costes de secuenciación se reducen por un millón, hasta unos 1.000 dólares (casi 900 euros). El nuevo método, denominado Region Capture Micro-C (RCMC), permite generar mapas 100 veces más ricos en información que otras técnicas publicadas por una fracción de su coste.
«Ahora disponemos de un método para obtener mapas tridimensionales de altísima resolución de la estructura del genoma a un precio muy asequible. Antes era muy inaccesible económicamente porque se necesitaban millones, si no miles de millones de dólares, para obtener alta resolución –afirma Hansen–. La única limitación es que no se puede obtener todo el genoma, por lo que hay que saber aproximadamente qué región interesa, pero se puede conseguir una resolución muy alta, de forma muy asequible».
En este estudio, los investigadores se centraron en cinco regiones cuyo tamaño oscilaba entre cientos de miles y unos 2 millones de pares de bases, que eligieron debido a características interesantes reveladas por estudios anteriores. Entre ellas se encuentra un gen bien caracterizado llamado Sox2, que desempeña un papel clave en la formación de tejidos durante el desarrollo embrionario.
Tras capturar y secuenciar los segmentos de ADN de interés, los investigadores hallaron muchos potenciadores que interactúan con Sox2, así como interacciones entre genes y potenciadores cercanos que no se habían visto antes.
«La gente ha visto antes interacciones múltiples en un trozo de ADN, pero suelen ser del orden de dos o tres, así que ver tantas fue bastante significativo en términos de diferencia», afirma Miles Huseyin, postdoctorando del MIT, y autor del estudio.
Sin embargo, la técnica de los investigadores no revela si todas esas interacciones se producen simultáneamente o en distintos momentos, ni cuáles de ellas son las más importantes.
Los investigadores también descubrieron que el ADN parece enrollarse en «microcompartimentos» anidados que facilitan estas interacciones, pero no pudieron determinar cómo se forman los microcompartimentos. Los investigadores esperan que un estudio más profundo de los mecanismos subyacentes pueda arrojar luz sobre la cuestión fundamental de cómo se regulan los genes.
«Aunque actualmente no sabemos qué puede estar causando estos microcompartimentos, y tenemos todas estas preguntas abiertas ante nosotros, al menos disponemos de una herramienta para plantear esas preguntas con rigor», apunta Goel.
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