Cómo las células eligen correctamente los genes activos
La formación de fábricas de transcripción se asemeja a la condensación de líquidos
Es esencial que las células controlen con precisión cuál de los muchos genes de su material genético utilizan. Esto se hace en las llamadas fábricas de transcripción, grupos moleculares en el núcleo. Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg (FAU) y el Centro Max Planck de Física y Medicina (MPZPM) han descubierto ahora que la formación de las fábricas de transcripción se asemeja a la condensación de líquidos. Sus hallazgos mejorarán la comprensión de las causas de las enfermedades y harán avanzar el desarrollo de sistemas de almacenamiento de datos basados en el ADN. Los científicos informan en Molecular Systems Biology.
Microscopía de un núcleo: Las fábricas de transcripción están coloreadas en naranja, los genes activados en azul claro. El núcleo tiene aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano.
Working groups Nienhaus and Hilbert, KIT
El material genético humano contiene más de 20.000 genes diferentes. Pero cada célula sólo utiliza una fracción de la información almacenada en este genoma. Por ello, las células tienen que controlar con precisión qué genes utilizan. Si no lo hacen, pueden desarrollar un cáncer o un trastorno del crecimiento embrionario. Las llamadas fábricas de transcripción desempeñan un papel fundamental en la selección de los genes activos. "Estas fábricas son agrupaciones moleculares en el núcleo que combinan la selección correcta de los genes activos y la lectura de su secuencia en un lugar central", explica Lennart Hilbert. El catedrático de Biología de Sistemas/Bioinformática del Instituto de Zoología (ZOO) del KIT también dirige un grupo de trabajo en el Instituto de Sistemas Biológicos y Químicos - Procesamiento de la Información Biológica (IBCS-BIP) del KIT.
Configuración y puesta en marcha en pocos segundos
Durante décadas, los biólogos celulares y moleculares han estudiado cómo las fábricas de transcripción se configuran y se ponen en funcionamiento en pocos segundos. Los resultados obtenidos hasta ahora sugieren la pertinencia de los procesos conocidos únicamente en el ámbito industrial y técnico de los polímeros y los materiales líquidos. La investigación actual se centra en la separación de fases como mecanismo central. En la vida cotidiana, la separación de fases puede observarse al separar el aceite del agua. Sin embargo, aún no está claro cómo contribuye exactamente la separación de fases a la creación de fábricas de transcripción en las células vivas.
Investigadores del Instituto de Sistemas Biológicos y Químicos (IBCS), el Instituto Zoológico (ZOO), el Instituto de Física Aplicada (APH) y el Instituto de Nanotecnología (INT) del KIT, en colaboración con científicos de la FAU y el MPZPM de Erlangen y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign/EE.UU., han obtenido ahora nuevos hallazgos sobre la formación de fábricas de transcripción: Es similar a la condensación de líquidos. Esto se publica en Molecular Systems Biology. Los primeros coautores son Agnieszka Pancholi, del IBCS-BIP y el ZOO, y Tim Klingberg, de la FAU y el MPZPM.
La última microscopía de luz combinada con simulaciones por ordenador
En su publicación, los investigadores señalan que la condensación para formar fábricas de transcripción se asemeja a los vasos o ventanas de vapor. El líquido se condensa sólo en presencia de una superficie receptiva, pero muy rápidamente. En la célula viva, las zonas especialmente marcadas del genoma se utilizan como superficies de condensación. Las zonas recubiertas de líquido permiten la adhesión de secuencias genéticas relevantes y de moléculas adicionales que acaban activando los genes adheridos. Estos hallazgos se obtuvieron gracias a la cooperación interdisciplinaria. Los embriones de pez cebra se estudiaron con los últimos microscopios de luz desarrollados por la cátedra del profesor Gerd Ulrich Nienhaus en la APH. A continuación, estas observaciones se vincularon a simulaciones por ordenador en la Cátedra de Matemáticas de la FAU, dirigida por el profesor Vasily Zaburdaev. La combinación de observaciones y simulaciones hace que el proceso de condensación sea reproducible y explica cómo las células vivas pueden establecer fábricas de transcripción de forma rápida y fiable.
La nueva comprensión de los líquidos condensados en las células vivas ha dado lugar recientemente a enfoques totalmente nuevos para tratar el cáncer y las enfermedades del sistema nervioso. Estos enfoques están siendo aplicados por empresas que desarrollan nuevos fármacos. Otras actividades de investigación se centran en el uso de secuencias de ADN como sistemas de almacenamiento de datos digitales. Mientras tanto, varios grupos de trabajo han demostrado la viabilidad de principio de los sistemas de almacenamiento de datos basados en el ADN. El almacenamiento y la lectura fiables de la información en estos medios de almacenamiento de ADN siguen representando grandes retos. "Nuestro trabajo muestra cómo la célula biológica organiza estos procesos de forma rápida y fiable. Las simulaciones informáticas y los conceptos funcionales desarrollados por nosotros pueden trasladarse directamente a los sistemas de ADN artificial y servir de apoyo a su diseño", afirma Lennart Hilbert.
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.
Publicación original
Agnieszka Pancholi, Tim Klingberg, Weichun Zhang, Roshan Prizak, Irina Mamontova, Amra Noa, Marcel Sobucki, Andrei Yu Kobitski, Gerd Ulrich Nienhaus, Vasily Zaburdaev, Lennart Hilbert; "RNA polymerase II clusters form in line with surface condensation on regulatory chromatin"; Molecular Systems Biology; 2021
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