La microscopía de superresolución descubre datos inéditos al enfocar el empaquetado del genoma

Las fibras de cromatina que constituyen nuestro genoma llevan ADN y proteinas histonas, que cada cierto tramo se unen formando los denominados nucleosomas. Estos, a su vez, son como 'huevos' que se pueden unir en 'nidos' de distintos tamaños a lo largo de la hebra. Todo este entramado se conocía, pero ahora se presenta una técnica que permite observar la organización de la cromatina dentro del núcleo celular de una forma no invasiva y con un detalle sin precedentes.

Por primera vez, científicos del Centro de Regulación Genómica (CRG) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ​​han sido capaces de visualizar, e incluso contar, los nucleosomas y analizar sus empaquetamientos. El estudio, que se publica esta seman en la revista Cell, ha sido posible gracias al uso de la microscopía de superresolución STORM, una nueva técnica óptica de última generación que recibió el Premio Nobel de Química en 2014.

En combinación con aproximaciones cuantitativas innovadoras y simulaciones numéricas, los científicos también fueron capaces de definir la arquitectura del genoma a escala nanométrica. En concreto, encontraron que los nucleosomas se empaquetan en grupos irregulares a través de la cromatina y que están separados por regiones de DNA libres de nucleosomas.

"La técnica STORM supera el límite de difracción, factor que normalmente limita la resolución espacial de los microscopios convencionales, y nos permite definir con precisión la estructura de la fibra de cromatina", afirma la profesora Melike Lakadamyali, líder de grupo en el ICFO.

Mediante la comparación entre células madre y células somáticas (ya especializadas en su papel, como las de los músculos, huesos o el sistema nervioso), la técnica ha permitido observar diferencias considerables en la arquitectura de sus fibras de cromatina.

La profesora Pia Cosma, jefe de grupo y profesora de investigación ICREA en el CRG, explica: "Encontramos que las células madre tienen una estructura de la cromatina diferente de células somáticas o especializadas. Esta diferencia se correlaciona con el nivel de pluripotencia; cuanto más pluripotente es una célula, menos denso es su empaquetado. Esto nos da nuevas pistas para entender el funcionamiento de las células madre así como su estructura genómica, que serán de gran utilidad, por ejemplo, para el estudio de la reprogramación celular".

El equipo ha detectado que el ADN no se empaqueta regularmente con nucleosomas, sino que los nucleosomas se empaquetan en grupos de diferentes tamaños, definidos en inglés como nucleosome clutches o 'puestas' de nucleosomas –en referencia las puestas de huevos que pueden variar en cantidad–. Encontraron que las células madre pluripotentes tienen, en promedio, puestas con menos densidad de nucleosomas. Además, el tamaño de la puesta está relacionado con el potencial pluripotente de las células madre: cuanto más pluripotente es la célula, menos nucleosomas están incluidos en sus puestas.

A pesar de que todas las células de nuestro cuerpo contienen la misma información genética, no se expresan todos los genes al mismo tiempo. Por lo tanto, cuando una célula se especializa, algunas de las regiones de ADN se silencian o se encuentran menos accesibles a la molécula que lee el genoma: la ARN polimerasa. Según la especialización de las células, se producirán diferentes niveles de empaquetamiento del ADN.

Según sus autores, este nuevo estudio establece una nueva comprensión de cómo se configura y se empaqueta la fibra de cromatina formando una estructura específica de ADN en cada célula. A su vez, contribuye definitivamente a la comprensión de una nueva característica de las células madre y su estructura de ADN, que es importante para mantener un estado pluripotente inducido.

Comercialización de hitos en microscopía y fotónica

Los investigadores de ICFO y CRG han conseguido varios hitos nunca antes planteados en los campos de la microscopía o la fotónica así como en la biología molecular y la biomedicina. En este marco, han presentado conjuntamente una patente y ahora están explorando oportunidades de negocio para comercializar el proceso de clasificación del estado stemness o 'capacidad de ser células madre', es decir, el grado de pluripotencia de las células.

Esta técnica podría determinar,el potencial de pluripotencia de las células madre a un nivel de precisión de una sola célula, pudiendo convertirse en un método estándar de control de calidad de las células madre antes de su uso en terapia celular o en investigación biomédica.

La investigación ha sido llevada a cabo por las científicas del CRG Maria Aurelia Ricci y la profesora Cosma junto con los investigadores Carlo Manzo, María García-Parajo y Melike Lakadamyali del ICFO. Este trabajo, que demuestra el éxito de la colaboración entre biólogos y físico, ha sido apoyado por la Fundación Cellex, el Consorcio de Redes de Excelencia de Sistemas de Microscopía, el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y el programa Human Frontier Science Program.