Antecedentes

La forma en que el genoma se pliega en el espacio tridimensional dentro del núcleo celular es un mecanismo clave que determina la regulación de la expresión génica. Las células humanas deben comprimir y almacenar con precisión aproximadamente 2 metros de longitud de ácido desoxirribonucleico (ADN) dentro de un núcleo de apenas unos micrómetros de diámetro. En este proceso, las regiones de eucromatina, donde la transcripción es activa, deben mantener una estructura abierta para permitir el acceso fluido del complejo de transcripción. Al mismo tiempo, tienen la responsabilidad de formar barreras físicas para evitar que los genes vecinos interactúen de manera indiscriminada.

La comunidad científica ha entendido que el complejo proteico en forma de anillo, conocido como cohesina, construye los límites de los dominios de asociación topológica (TAD) al empujar las hebras de ADN para formar bucles. Sin embargo, los métodos de análisis tradicionales, como la captura de la estructura de la cromatina (Hi-C), se han limitado a mostrar el estado promedio de millones de células. Debido a este enfoque de medición poblacional, era difícil esclarecer cómo la cohesina controla en tiempo real la nanoestructura de la cromatina dentro de células individuales. Respecto a la causa de la ruptura del aislamiento transcripcional cuando falta la cohesina, no se había encontrado una respuesta clara sobre si se debía a cambios en el volumen de condensación de toda la cromatina o a cambios en las propiedades dinámicas de sus componentes internos.

Descubrimiento clave

Los investigadores fusionaron la microscopía de iluminación estructurada tridimensional de ultra alta resolución (3D-SIM) con la técnica de seguimiento de nucleosoma único (SNT) para capturar regiones de eucromatina en células vivas a nivel molecular. Esto se logró mediante el seguimiento preciso de las trayectorias de nucleosomas individuales mediante grabaciones de alta velocidad de decenas de fotogramas por segundo, registrando con precisión el comportamiento local de la cromatina.

Los resultados de la observación revelaron que los bucles formados por la cohesina actúan como anclajes moleculares que evitan que los dominios de heterocromatina condensada oscilen. Cuando los investigadores agotaron rápidamente la cohesina mediante una técnica de degradación química inducida, se observó una respuesta física inesperada. Mientras que el volumen total o la densidad de condensación de los dominios de eucromatina apenas cambiaron, la velocidad de movimiento de los nucleosomas individuales y la fluidez dentro de los dominios aumentaron drásticamente.

Al aumentar la fluidez interna sin que se descomponga la estructura externa, se produjo una mezcla local (domain mixing) que difuminó los límites entre dominios de cromatina adyacentes. Los nanodominios, al perder sus vallas, se entrelazaron entre sí, provocando que áreas adyacentes que originalmente debían estar separadas se mezclaran aleatoriamente. Con el colapso de las barreras físicas entre dominios, los potenciadores (enhancers) entraron en contacto con promotores erróneos, causando una interferencia transcripcional anormal. Este fue el momento en que se reveló el principio físico de que la cohesina preserva el aislamiento génico no al compactar la cromatina más densamente, sino al restringir las fluctuaciones moleculares.

Significado y perspectivas

Este estudio abre un nuevo paradigma al observar la disposición espacial tridimensional del genoma no como una estructura estática, sino como una característica de fluido dinámico. Esto se debe a que demostró claramente que los límites que regulan la expresión génica surgen de la ruptura del control de la fluidez microscópica, y no de un colapso estructural macroscópico.

Este descubrimiento proporciona pistas cruciales para esclarecer los mecanismos patológicos de enfermedades causadas por anomalías en el complejo de cohesina. Ahora es posible explicar por qué las variantes de cohesina observadas en enfermedades del desarrollo congénito, como el síndrome de Cornelia de Lange, o en pacientes con leucemia mieloide aguda, provocan perturbaciones transcripcionales fatales sin presentar anomalías estructurales cromosómicas masivas. En esencia, la causa fundamental de los trastornos en la expresión génica puede encontrarse en la desorganización de la fluidez molecular.

Los desafíos también existen claramente. Dado que esta observación se limitó a regiones de cromatina eucromática con alta actividad transcripcional, se requiere validación adicional para determinar si la misma dinámica molecular actúa en la heterocromatina, que está firmemente compactada. Además, se prevé que deba seguir el desarrollo de tecnologías de bioimagen de próxima generación que permitan observar con precisión esta mezcla dinámica a escala nanométrica, más allá de las células cultivadas, en entornos de tejidos biológicos reales.