Respiración del nucleosoma a partir de instantáneas temporales atomísticas
Las simulaciones por ordenador visualizan con detalle atómico cómo se abre el ADN al envolver las proteínas
Investigadores del Instituto Hubrecht de Utrecht (Países Bajos) y del Instituto Max Planck de Biomedicina Molecular de Münster (Alemania) utilizaron simulaciones por ordenador para revelar con detalle atómico cómo se abre un corto trozo de ADN mientras se envuelve firmemente alrededor de las proteínas que empaquetan nuestro genoma. Estas simulaciones proporcionan una visión sin precedentes de los mecanismos que regulan la expresión de los genes.
Tres microsegundos del tiempo de vida de un nucleosoma: Se tomaron instantáneas en el tiempo cada 4 nanosegundos y se superpusieron a la región central de las histonas.
© Jan Huertas und Vlad Cojocaru; MPI Münster / Hubrecht Institute
Cada célula del cuerpo contiene dos metros de ADN. Para que todo el ADN quepa en el pequeño núcleo de la célula, el ADN está estrechamente empaquetado en una estructura conocida como cromatina. La cromatina es un conjunto de estructuras idénticas más pequeñas llamadas nucleosomas. En un solo nucleosoma, el ADN se envuelve alrededor de 8 proteínas llamadas histonas. La cromatina no es uniformemente compacta en todo el genoma. El grado de compactación es importante para regular qué genes se expresan y, por tanto, qué proteínas produce una célula.
Las transiciones de un ADN apretado a uno suelto -de una cromatina cerrada a una abierta- son esenciales para que las células se conviertan en otro tipo de célula. Estas conversiones celulares son características del desarrollo y la enfermedad, pero también se utilizan a menudo en terapias regenerativas. Comprender cómo se producen estas transiciones puede contribuir a entender las enfermedades y a optimizar las conversiones de tipos celulares con fines terapéuticos.
Nanoscopio computacional
Un paso en la apertura de la cromatina es el movimiento del ADN mientras está envuelto en nucleosomas. Como todas las estructuras moleculares de nuestras células, los nucleosomas son dinámicos. Se mueven, se retuercen, respiran, se desenvuelven y se vuelven a envolver. La visualización de estos movimientos mediante métodos experimentales suele ser muy difícil. Una alternativa es utilizar el llamado "nanoscopio computacional".
Los investigadores utilizan el término nanoscopio computacional para referirse a un conjunto de métodos de simulación por ordenador. Estos métodos les permiten visualizar los movimientos de las moléculas a lo largo del tiempo. En los últimos años, los métodos se han vuelto tan precisos que los investigadores han empezado a referirse a ellos como nanoscopio computacional; observar las moléculas en movimiento en el ordenador es similar a observarlas bajo un nanoscopio de muy alta resolución.
La respiración de los nucleosomas
Jan Huertas y Vlad Cojocaru, con el apoyo de Hans Schöler, del Instituto Max Planck de Biomedicina Molecular (Münster, Alemania), generaron múltiples películas en tiempo real de los movimientos de los nucleosomas, cada una de las cuales abarcaba un microsegundo de la vida del nucleosoma. A partir de estas películas, observaron cómo los nucleosomas se abren y se cierran en un movimiento conocido como respiración del nucleosoma.
En su nuevo artículo, publicado en PLoS Computational Biology, Huertas y Cojocaru describen las causas de la respiración de los nucleosomas. En primer lugar, descubrieron que el orden en que están dispuestos los bloques de construcción del ADN -la secuencia del ADN- es importante para la respiración del nucleosoma. En segundo lugar, la dinámica de las colas de las histonas es esencial para este proceso. Estas colas de histonas son regiones flexibles en las histonas que desempeñan un papel en la regulación de la expresión génica. Aunque el papel de las colas de las histonas se ha estudiado intensamente, se sabe poco sobre cómo influyen en los movimientos de los nucleosomas individuales. Con sus simulaciones, Huertas y Cojocaru describieron la relación entre las colas de las histonas y la respiración de los nucleosomas con detalle atómico.
Modificaciones de las histonas
"Poder observar la respiración de los nucleosomas en simulaciones por ordenador es un gran reto. El hecho de que ahora hayamos podido visualizarlo representa un gran paso hacia la simulación del espectro completo de la dinámica de los nucleosomas, desde la respiración hasta el desenvolvimiento. También nos permite estudiar cómo estos movimientos se ven afectados por las modificaciones de las histonas, que se producen en diferentes células y regiones de nuestro ADN. Nuestras simulaciones revelaron que dos colas de las histonas son responsables de mantener el nucleosoma cerrado. Sólo cuando estas colas flexibles se alejaban de determinadas regiones del ADN, el nucleosoma era capaz de abrirse", afirma el director de la investigación, Vlad Cojocaru.
Jan Huertas, primer autor de la publicación y recién doctorado, añade: "La cromatina activa (abierta) y la inactiva (cerrada) contienen diferentes modificaciones de las colas de las histonas. El siguiente paso es realizar simulaciones con dichas modificaciones. La resolución atómica de las simulaciones nos permitiría precisar cómo afecta cada modificación a los nucleosomas y a la dinámica de la cromatina."
Hacia la comprensión de la epigenética
Los tres investigadores están entusiasmados con el futuro del uso de simulaciones informáticas atomísticas para comprender los mecanismos de expresión génica en el desarrollo y la enfermedad. "Con el nuevo aumento de la potencia computacional disponible en el mundo, pronto podremos simular milisegundos de vida de un nucleosoma con todos sus átomos incluidos. Además, podremos simular de forma rutinaria múltiples nucleosomas para estudiar el efecto de diferentes modificaciones de las histonas en la expresión de los genes. Esto proporcionará una visión sin precedentes de los mecanismos que regulan la expresión génica", concluye Cojocaru.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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