Más de lo que los microscopios pueden mostrar
Simulaciones por ordenador visualizan cómo una proteína esencial de las células madre abre el ADN envuelto
Un equipo internacional de investigadores en torno a Hans Schöler y Vlad Cojocaru, del Instituto Max Planck de Biomedicina Molecular de Münster, ha visualizado con un detalle sin precedentes una proteína clave para convertir las células madre adultas en células que se asemejan a las embrionarias. Combinando experimentos y simulaciones por ordenador, el equipo visualizó cómo la proteína Oct4 se une y abre trozos cortos de ADN mientras se envuelve en proteínas de almacenamiento nuclear (histonas), al igual que en nuestro genoma.
Nucleosomas genómicos nativos unidos (azul oscuro) por Oct4 (rojo) y en forma libre (amarillo). Las superficies y las cintas ilustran el ADN y las regiones estructuradas del núcleo de las histonas, respectivamente.
Vlad Cojocaru
Las células adultas pueden convertirse en células similares a las células madre embrionarias (células pluripotentes inducidas, iPSC) mediante un cóctel de sólo cuatro proteínas. En los últimos años, esta tecnología de reprogramación celular ha contribuido enormemente a la modelización de enfermedades, el desarrollo de fármacos y las terapias de sustitución celular. Sin embargo, muchas preguntas sobre los mecanismos moleculares de esta conversión siguen sin respuesta. Por ejemplo, un paso esencial es la apertura del ADN en las células que se van a convertir. Cada una de nuestras células contiene unos dos metros de ADN empaquetado en una estructura conocida como cromatina. En la cromatina, el ADN está firmemente envuelto alrededor de las histonas en unidades estructurales repetitivas conocidas como nucleosomas. Entonces, ¿cómo abren el ADN estas cuatro proteínas cuando se expresan en las células adultas?
Oct4, un regulador pionero de las células madre pluripotentes
Se ha descrito que tres de las cuatro proteínas son factores de transcripción pioneros, lo que significa que se unen a secuencias específicas de ADN mientras están envueltas en nucleosomas y tienen la capacidad de abrir directa o indirectamente la cromatina. Entre los tres, Oct4 destaca por ser esencial para el mantenimiento de las células madre embrionarias de diferentes especies y para la reprogramación de las células humanas. Oct4 fue descubierto a finales de los años 80 por Hans Schöler, aproximadamente al mismo tiempo que otros dos laboratorios, y es el único factor insustituible en el cóctel de Shinya Yamanaka, ganador del Premio Nobel, para reprogramar células adultas a pluripotentes. Hace unos 10 años, Abdenour Soufi y Ken Zaret describieron regiones de ADN empaquetado que se unen a Oct4 en las primeras etapas de la reprogramación.
Caitlin MacCarthy, postdoctoral en el grupo de Hans Schöler y una de las principales autoras del estudio, realizó los experimentos en el laboratorio húmedo. Reflexionando sobre su trabajo, MacCarthy explica: "Los experimentos fueron más difíciles de lo que habíamos previsto. Trabajar con nucleosomas genómicos o nativos resulta bastante técnico porque son muy dinámicos, a diferencia de las secuencias diseñadas, que son más estables. Aun así, pudimos demostrar con precisión dónde se une Oct4 a ellos". ¿Qué ocurre cuando Oct4 se une a los nucleosomas?
Nanoscopio computacional
Para responder a esto, Jan Huertas, también autor principal del estudio, aportó las simulaciones que realizó durante sus estudios de doctorado en el MPI de Münster. Él y Vlad Cojocaru utilizaron el nanoscopio computacional para visualizar cómo Oct4 se une a los nucleosomas y afecta a su estructura. El término nanoscopio computacional es utilizado por los investigadores para referirse a un conjunto de métodos de simulación por ordenador que permiten visualizar los movimientos de las moléculas a lo largo del tiempo. La precisión de estos métodos es ahora tan alta que uno puede imaginarse observando las moléculas bajo un microscopio de muy alta resolución. Los nucleosomas, como todas las estructuras macromoleculares de nuestras células, son dinámicos. Se mueven, se retuercen, respiran, se desenvuelven y se vuelven a envolver. Visualizar estos movimientos en los experimentos suele ser imposible. Huertas lo explica: "Es increíble poder observar en el ordenador el movimiento de estas grandes estructuras moleculares con todos sus átomos y saber que lo que se ve se aproxima mucho a lo que realmente ocurre".
Oct4 abre nucleosomas
En las películas en tiempo real de complejos Oct4-nucleosoma que generaron, cada una de las cuales muestra de 1 a 3 microsegundos de la vida del complejo, Huertas y Cojocaru observaron cómo Oct4 es capaz de abrir los nucleosomas. Describieron con detalle atómico los mecanismos de esta apertura comparando los movimientos de los nucleosomas libres y los unidos a Oct4. Curiosamente, la apertura dependía de la posición de la secuencia de ADN reconocida por Oct4 en el nucleosoma y de la movilidad de las regiones flexibles terminales de las histonas, conocidas como colas de histonas.
Hacia la comprensión de los factores pioneros y las conversiones del destino celular
Los investigadores están entusiasmados con las implicaciones de su trabajo y las perspectivas de futuro. Cojocaru, que ahora es un investigador destacado en la Universidad Babeş-Bolyai y que también es investigador principal en la Universidad de Utrecht y científico visitante en el MPI de Münster, concluye: "Mostramos aquí por primera vez en detalle atómico no sólo cómo Oct4 se une a diferentes nucleosomas, sino también cómo la unión de Oct4 junto con las colas de las histonas afectan a la flexibilidad estructural de estos nucleosomas." MacCarthy añade explicando por qué esto es tan emocionante "porque las colas de las histonas, al igual que los factores pioneros, son también reguladores clave de la expresión génica. Mientras que los factores pioneros se unen al ADN para abrir la cromatina y activar los genes, las colas de las histonas llevan modificaciones químicas que definen las regiones de cromatina abierta a partir de las cuales se pueden expresar los genes." Huertas explica además: "Hasta ahora, era un misterio cómo las colas de las histonas afectan a la capacidad de los factores pioneros para unirse y abrir los nucleosomas. Nuestro trabajo allana el camino para futuros estudios de otros factores pioneros, muchos de los cuales son clave en las transformaciones celulares, incluidas las conversiones del destino celular y el cáncer." Cojocaru está convencido de que "el mecanismo que describimos aquí llena un vacío de conocimiento en la comprensión de cómo factores como Oct4 inducen transiciones del destino celular. La comprensión de estos mecanismos acabará proporcionando medios para optimizar y controlar dichas transiciones para su uso exitoso en terapias. Y las simulaciones por ordenador estarán en el centro de estos futuros descubrimientos".
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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