Una célula almacena todo su material genético en su núcleo, en forma de cromosomas, pero eso no es todo lo que está escondido 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 esas interacciones ayudan a que los nucléolos existan como gotas estables dentro del 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 maquinarias de transcripción. Estas interacciones ayudan a controlar la expresión genética.

"Este modelo nos ha inspirado 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 esos contactos en salidas funcionales", dice Bin Zhang, profesor asociado de química de Pfizer-Laubach Career Development en MIT, miembro asociado del Broad Institute 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 Nature Communications.

Modelado de gotas

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

En el nuevo estudio, quería ampliar su modelado para incluir los nucléolos. Estos pequeños cuerpos, que se descomponen al comienzo de la división celular y luego se vuelven a formar más adelante en el proceso, consisten en 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.

Estudios recientes han sugerido que los nucléolos existen como múltiples gotas de líquido. Esto fue desconcertante porque en condiciones normales, múltiples gotas eventualmente deberían fusionarse en una gota grande, para minimizar la tensión superficial del sistema, dice Zhang.

“Ahí es donde el problema se vuelve interesante, porque en el núcleo, de alguna manera, esas múltiples gotas pueden permanecer estables a lo largo de un ciclo celular completo, durante aproximadamente 24 horas”, dice.

Para explorar este fenómeno, Zhang y Qi utilizaron una técnica llamada simulación de dinámica molecular, que puede modelar cómo cambia un sistema molecular con el 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 rastrea cómo forman gradualmente 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 cómo se forman las gotas de nucleolos. Descubrieron que si modelaban los componentes nucleolares por sí 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 eso: las gotas de nucleolos se unen a ciertas regiones de la cromatina, y una vez que eso sucede, la cromatina actúa como un arrastre que evita que los nucleolos se fusionen entre sí.

"Esas fuerzas esencialmente detienen el sistema en esas pequeñas gotas y les impiden fusionarse", dice Zhang. "Nuestro estudio es el primero en destacar la importancia de esta red de cromatina que podría ralentizar significativamente la fusión y detener el sistema en su estado de gota".

Control de genes
 

Los nucléolos no son las únicas estructuras pequeñas que se encuentran en el núcleo; otras incluyen motas 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 el modelado de las contribuciones de estas estructuras nucleares, y sus hallazgos iniciales 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 muy probablemente convertirá el genoma de un líquido a un gel".

Este estado similar a un gel facilitaría que las diferentes regiones de la cromatina interactúen entre sí 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 tramos 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.