Sabemos acerca de los genes y genomas, y cómo ≈2 metros de ADN se amontonan en un pequeño núcleo dentro de una célula. Décadas de investigación detallada nos han dado la visión estática y tridimensional del núcleo. Lo nuevo es la actividad frenética que tiene lugar dentro del núcleo a medida que los cromosomas se mueven y los genes se activan y desactivan. La adición de la dimensión de tiempo está convirtiendo nuestras capturas del genoma en una película, y es una superproducción.

Dos artículos innovadores en Cell explican cómo los científicos de Caltech han investigado la transcripción de genes momento a momento, observando porciones del genoma que se iluminan a medida que se vuelven activas. Lo que están descubriendo revela nuevos niveles de diseño. ¿Quién podría pensar en el azar después de ver lo que estos científicos presenciaron?

Organización Nuclear
El primer documento de Quinodoz et al., «Concentradores intercromosómicos de orden superior conforman la organización del genoma 3D en el núcleo», informa sobre el trabajo realizado en el laboratorio de Mitchell Guttman. Los resultados se resumen en las noticias de Caltech, «La Cartografía del Núcleo». Observe las implicaciones del diseño en las oraciones iniciales:

Ubicado en lo profundo de cada una de sus células, lo que parece ser un truco de magia: seis pies de ADN están empaquetados en un espacio diminuto 50 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Al igual que una cadena larga y delgada de espagueti genético, este modelo de ADN para todo tu cuerpo está doblado, retorcido y compactado para encajar en el núcleo de cada célula.

Ahora, los investigadores de Caltech han demostrado cómo las células organizan el genoma aparentemente inmenso de una manera inteligente para que puedan encontrar y acceder de manera conveniente genes importantes.

Los cuerpos nucleares son regiones donde los genes se asocian con las máquinas de proteínas que los transcribirán y editarán. Junto a una imagen tridimensional rotativa de cromosomas que se asocian con el nucleolo y otros cuerpos nucleares, la noticia describe cómo el equipo desarrolló una nueva herramienta de imagen llamada SPRITE para observar cómo los genes se activan de manera diferente en diferentes tipos de células.

Aunque la gran mayoría de las células en cada cuerpo humano contienen genomas idénticos, diferentes tipos de células pueden tener diversas funciones porque los genes pueden expresarse en niveles variables; en otras palabras, pueden activarse o desactivarse. Por ejemplo, cuando una célula madre se desarrolla en una neurona, ocurre una ráfaga de actividad en el núcleo para marcar niveles de expresión génica ascendentes y descendentes. Estos niveles serían diferentes, por ejemplo, si la célula madre se convirtiera en una célula muscular o si la célula tomara la decisión de autodestruirse.

A continuación, aprendemos sobre los cuerpos nucleares. Observe el lenguaje de maquinaria y eficiencia: ¡esto es un trabajo rápido y preciso!

Además del genoma, el núcleo también contiene estructuras llamadas cuerpos nucleares, que son como fábricas en miniatura en el núcleo que contienen una alta concentración de maquinaria celular, todas trabajando para realizar tareas similares, como activar conjuntos específicos de genes o modificar moléculas de ARN para producir proteínas en la célula. Esta maquinaria celular necesita poder buscar de manera eficiente a través de seis pies de ADN, aproximadamente 20,000 genes totales, en mamíferos, con el fin de encontrar y controlar sus objetivos con precisión. Esto es posible porque el ADN está organizado en estructuras tridimensionales que hacen que ciertos genes sean más o menos accesibles.

Las cifras en el documento muestran un alto grado de organización, de hecho. SPRITE coloca etiquetas de código de barras en genes que permiten a los científicos seguir hebras cromosómicas mientras se organizan alrededor de cuerpos nucleares. Algunos cuerpos nucleares, llamados puntos nucleares, son donde se organiza el ADN genómico, y donde el ARN polimerasa II, los espliceosomas y los ARN no codificantes transcriben y editan. Las partes inactivas del cromosoma se asocian con el nucléolo, que contiene proteínas represivas en el ADN que mantienen los genes desactivados. «Además», dicen, «nuestros resultados sugieren que múltiples regiones de ADN transcritas activamente pueden organizarse simultáneamente alrededor de puntos nucleares para formar interacciones intercromosómicas de orden superior«.

En conjunto, estos resultados sugieren una imagen integrada y global de la organización del genoma donde las regiones genómicas individuales a través de los cromosomas se organizan alrededor de los cuerpos nucleares para conformar el empaquetado global del ADN genómico de una manera altamente regulada y dinámica (Figura 7).

Quinodoz explica lo que es significativo sobre este avance:

«Con SPRITE, pudimos ver miles de moléculas, ADN y ARN, que se unen en varios ‘centros’ alrededor del núcleo en células individuales», dice Quinodoz, el primer autor del estudio. «Anteriormente, los investigadores teorizaron que cada cromosoma es por sí solo, ocupando su propio ‘territorio’ en el núcleo. Pero ahora vemos que múltiples genes en diferentes cromosomas se están agrupando en torno a estos cuerpos de maquinaria celular. Creemos que estos ‘centros’ pueden ayudar a la célula a mantener el ADN activado o desactivado ordenadamente en diferentes partes del núcleo para permitir que la maquinaria celular acceda fácilmente a genes específicos dentro del núcleo «.

Dinámica Nuclear
El segundo documento, de Shah et al., Está resumido en esto por Caltech, «Diez mil genes explosivos». Este equipo mejoró una herramienta de imagen existente llamada seqFISH que les permitió ver no solo cuatro o cinco genes, como antes, sino 10,421 genes a la vez dentro de las células individuales etiquetándolos con códigos de barras fluorescentes. La noticia muestra miles de puntos de colores en un mapa del núcleo donde se vio que se estaba produciendo la transcripción naciente.

Los métodos anteriores siguieron a los ARN mensajeros, que tienen una vida más larga. Al seguir intrones de vida corta en los genes con sus etiquetas, este equipo encontró un propósito detrás de esas misteriosas regiones no codificadoras:

Para que las instrucciones genéticas se conviertan en una proteína de funcionamiento real, primero debe ocurrir un proceso llamado transcripción. Este proceso a menudo ocurre en pulsos o «ráfagas». Primero, se leerá y se copiará un gen en un ARN mensajero precursor, o pre-ARNm, como apuntar un borrador rápido y áspero. Esta molécula luego madura en un ARN mensajero, o ARNm, similar a la edición del borrador. Durante el proceso de «edición», ciertas regiones llamadas intrones se cortan del pre-ARNm.

El equipo optó por centrarse en etiquetar los intrones porque se producen tan temprano en el proceso de transcripción, dando una imagen de lo que está haciendo una célula en el momento preciso de la expresión génica.

Después de los intrones, se llegó a un descubrimiento que

la transcripción de los genes oscila globalmente en muchos genes en lo que Cai llama una escala de tiempo «sorprendentemente corta» -sólo unas dos horas– en comparación con el tiempo que le lleva a una célula dividirse y replicarse, lo que lleva de 12 a 24 horas. Esto significa que en el transcurso de un período de dos horas, muchos genes dentro de una célula se activarán y desactivarán.

Era como ver un espectáculo de fuegos artificiales en miniatura en color. Las etiquetas revelan lo que está haciendo el «transcriptoma naciente», proporcionando una resolución más dinámica de la actividad nuclear. Con esta técnica de etiquetado seqFISH mejorada, los científicos podrán observar cómo la actividad de la transcripción difiere entre diferentes tipos de células.

El equipo también aprendió cosas sobre la organización nuclear. Se «sorprendieron al descubrir que la mayoría de los genes activos que codifican proteínas están ubicados en la superficie del cromosoma, no están enterrados en su interior». Además, «los loci transcripcionalmente activos se ubican en la superficie de los territorios cromosómicos». Esto no es «código de espagueti» dentro de un baloncesto! («Código espagueti» fue un término de burla para programas de computadora enredados con señales de «ir a» por todo el lugar, lo que dificulta su seguimiento. La programación modular de hoy está mejor organizada. ¡La célula la tuvo primero!)

El trabajo de Shah et al. podría conducir a otros descubrimientos emocionantes. En conclusión, miran hacia adelante:

Mediante el uso de dinámica pulsátil y oscilatoria, las células pueden alcanzar estados no accesibles con esquemas de regulación basados ​​en la amplitud (Letsou y Cai, 2016). Por ejemplo, las células pueden usar fluctuaciones en la actividad transcripcional global para coordinar la estequiometría de muchas transcripciones en mecanismos [sic] similares a la señalización modulada en frecuencia observada en las vías de levadura y mamífero (Cai et al., 2008; Yissachar et al. 2013).

Finalmente, un reciente trabajo interesante mostró que las relaciones de intrón a exón a través del transcriptoma pueden usarse para determinar la dirección de las células [sic] en la trayectoria de desarrollo (La Manno et al., 2017). Como mostramos, los perfiles de transcriptoma nacientes no solo pueden distinguir tipos de células y estados celulares, sino también detectar dinámicas rápidas en células individuales. Las aplicaciones de intrtron seqFISH con amplificación de señal (Shah et al., 2016a), junto con mRNA seq-FISH (Shah et al., 2016b, Lignell et al., 2017), pueden permitir el perfilado simultáneo de RNA nacientes y maduros en tejidos, con información espacial preservada. Será fascinante explorar el transcriptoma naciente en células individuales en muchos entornos de tejidos y contextos de desarrollo.

En resumen, las células podrían aprovechar la oscilación observada de dos horas para niveles adicionales de coordinación y regulación. ¡Pueden usarlo como señales superpuestas en una onda portadora de radio FM!

Conclusión
El trabajo realmente emocionante en genética se está haciendo con un ojo para el diseño. Estos investigadores no necesitaron respaldar explícitamente el diseño inteligente para mostrar por qué este es el caso. El mensaje de diseño aparece fuerte y claro en las preguntas que hacen y en los resultados que resultan. La ausencia de especulación evolutiva mejora la relación señal / ruido.

Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News

Crédito de la imagen: TheDigitalArtist, a través de Pixabay.