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Los científicos del MIT descubren cómo los grupos moleculares interactúan con los cromosomas en el núcleo

Una célula almacena todo su material genético en su núcleo, en forma de cromosomas, pero eso no es todo lo que se esconde allí. El núcleo también alberga pequeños cuerpos llamados nucléolos; grupos de proteínas y ARN que ayudan a construir ribosomas.

Usando simulaciones por computadora, los químicos del MIT ahora han descubierto cómo estos cuerpos interactúan con los cromosomas en el núcleo y cómo estas interacciones ayudan a que los nucleolos existan como gotitas estables en el núcleo.

Sus hallazgos también sugieren que las interacciones cromatina-cuerpo nuclear hacen que el genoma adopte una estructura similar a un gel, lo que ayuda a promover interacciones estables entre el genoma y las máquinas de transcripción. Estas interacciones ayudan a controlar la expresión genética.

Este modelo nos inspiró a pensar que el genoma puede tener características similares a un gel que podrían ayudar al sistema a codificar contactos importantes y ayudar a traducir aún más esos contactos en salidas funcionales. «

Bin Zhang, profesor asociado de química de desarrollo profesional de Pfizer-Laubach en el MIT, miembro asociado del Instituto Broad de Harvard y MIT, y autor principal del estudio

El estudiante graduado del MIT, Yifeng Qi, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Comunicación de la naturaleza.

Modelado de gotas

Gran parte de la investigación de Zhang se centra en modelar la estructura tridimensional del genoma y analizar cómo esta estructura influye en la regulación genética.

En el nuevo estudio, quería expandir su modelado para incluir nucléolos. Estos diminutos cuerpos, que se descomponen al principio de la división celular y luego se reforman más tarde en el proceso, están formados por más de mil moléculas diferentes de ARN y proteínas. Una de las funciones clave de los nucléolos es producir ARN ribosómico, un componente de los ribosomas.

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Estudios recientes han sugerido que los nucléolos existen como múltiples gotas de líquido. Esto era confuso porque en condiciones normales, varias gotas eventualmente tendrían que fusionarse en una gota grande, para minimizar la tensión superficial del sistema, dijo Zhang.

“Aquí es donde el problema se vuelve interesante, porque en el núcleo, estas múltiples gotas pueden permanecer estables durante un ciclo celular, alrededor de 24 horas”, dice.

Para explorar este fenómeno, Zhang y Qi utilizaron una técnica llamada simulación de dinámica molecular, que puede modelar la evolución de un sistema molecular a lo largo del tiempo. Al comienzo de la simulación, las proteínas y el ARN que forman los nucléolos se distribuyen aleatoriamente por todo el núcleo, y la simulación sigue cómo gradualmente forman pequeñas gotas.

En su simulación, los investigadores también incluyeron la cromatina, la sustancia que forma los cromosomas e incluye proteínas y ADN. Utilizando datos de experimentos anteriores que analizaron la estructura de los cromosomas, el equipo del MIT calculó la energía de interacción de los cromosomas individuales, lo que les permitió proporcionar representaciones realistas de las estructuras del genoma en 3D.

Usando este modelo, los investigadores pudieron observar la formación de gotitas de nucleolo. Descubrieron que si modelaban los componentes nucleolares ellos mismos, sin cromatina, eventualmente se fusionarían en una gota grande, como se esperaba. Sin embargo, una vez que se introdujo la cromatina en el modelo, los investigadores encontraron que los nucléolos formaban múltiples gotas, tal como lo hacen en las células vivas.

Los investigadores también descubrieron por qué sucede esto: las gotas de nucleolo se adhieren a ciertas regiones de la cromatina y, una vez que esto sucede, la cromatina actúa como un freno que evita que los nucleolos se fusionen entre sí.

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«Estas fuerzas esencialmente detienen el sistema en estas pequeñas gotas y evitan que se fusionen», dice Zhang. «Nuestro estudio es el primero en destacar la importancia de esta red de cromatina que podría ralentizar considerablemente la fusión y detener el sistema en su estado de gota».

Control de genes

Los nucleolos no son las únicas estructuras pequeñas que se encuentran en el núcleo; otros incluyen manchas nucleares y la lámina nuclear, una envoltura que rodea el genoma y puede unirse a la cromatina. El grupo de Zhang ahora está trabajando en modelar las contribuciones de estas estructuras nucleares, y sus primeros hallazgos sugieren que ayudan a darle al genoma más propiedades gelatinosas, dice Zhang.

«Este acoplamiento que hemos observado entre la cromatina y los cuerpos nucleares no es específico de los nucléolos. También es general para otros cuerpos nucleares», dice. «Esta concentración del cuerpo nuclear cambiará fundamentalmente la dinámica de la organización del genoma y lo más probable es que transforme el genoma de líquido a gel».

Este estado similar a un gel permitiría que diferentes regiones de cromatina interactúen entre sí más fácilmente que si la estructura existiera en un estado líquido, dice. Mantener interacciones estables entre regiones distantes del genoma es importante porque los genes a menudo están controlados por segmentos de cromatina que están físicamente distantes de ellos.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Gordon y Betty Moore.