Hace ciento cincuenta años, Dmitri Mendeleev creó la tabla periódica, un sistema para clasificar los átomos en función de las propiedades de sus núcleos. Esta semana, un equipo de biólogos que estudia el árbol de la vida ha presentado un nuevo sistema de clasificación de núcleos celulares y ha descubierto un método para transmutar un tipo de núcleo celular en otro.
El estudio, que aparece esta semana en la revista Science, surgió de varios esfuerzos que alguna vez fueron separados. Uno de ellos se centró en el DNA Zoo, un consorcio internacional que abarca decenas de instituciones, incluido el Baylor College of Medicine, el Centro de Física Biológica Teórica (CTBP) apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de la Universidad de Rice, la Universidad de Australia Occidental y SeaWorld.
Los científicos del equipo de DNA Zoo habían estado trabajando juntos para clasificar cómo los cromosomas, que pueden tener varios metros de largo, se pliegan para caber dentro de los núcleos de diferentes especies del otro lado del árbol de la vida.
"Ya sea que miremos gusanos o erizos, ascidias o corales, seguimos viendo aparecer los mismos patrones de plegado", dijo la Dra. Olga Dudchenko, co-primera autora del nuevo estudio y miembro del Centro de Arquitectura del Genoma en Baylor y CTBP.
Finalmente, el equipo se dio cuenta de que solo estaba viendo variantes en dos diseños nucleares generales. "En algunas especies, los cromosomas están organizados como las páginas de un periódico impreso, con los márgenes exteriores en un lado y el medio doblado en el otro", explicó Dudchenko, quien también es codirector de DNA Zoo. "Y luego, en otras especies, cada cromosoma se arruga en una pequeña bola".
"Así que teníamos un acertijo", dijo el Dr. Erez Lieberman Aiden, profesor asociado de genética molecular y humana y académico emérito McNair en Baylor, codirector del zoológico de ADN y autor principal del nuevo estudio. "Los datos implican que a lo largo de la evolución, las especies pueden cambiar de un tipo a otro. Nos preguntamos: ¿Cuál es el mecanismo de control? ¿Podría ser posible cambiar un tipo de núcleo por otro en el laboratorio?" Aiden también es director del Centro de Arquitectura del Genoma e investigador principal en CTBP.
Mientras tanto, un equipo independiente de Holanda había descubierto algo inesperado. "Estaba haciendo experimentos con una proteína llamada condensina II, que sabíamos que juega un papel en cómo se dividen las células", dijo Claire Hoencamp, coautora primera del estudio y miembro del laboratorio del Dr. Benjamin Rowland en Netherlands Cancer. Instituto. "Pero observamos lo más extraño: cuando mutamos la proteína en las células humanas, los cromosomas se reorganizarían por completo. ¡Fue desconcertante!"
Los dos equipos se reunieron en una conferencia en las montañas de Austria, donde Rowland presentó el último trabajo de su laboratorio. Pronto se dieron cuenta de que Hoencamp había encontrado una forma de convertir células humanas de un tipo nuclear a otro.
"Cuando observamos los genomas que se estaban estudiando en el zoológico de ADN, descubrimos que la evolución ya había hecho nuestro experimento muchas, muchas veces. Cuando las mutaciones en una especie rompen la condensina II, por lo general invierten toda la arquitectura del núcleo", dijo Rowland. , autor principal del estudio. "Siempre es un poco decepcionante ser descubierto en un experimento, pero la evolución tuvo una ventaja muy larga".
El equipo decidió trabajar en conjunto para confirmar el papel de la condensina II. Pero luego se produjo la pandemia de COVID-19 y gran parte del mundo cerró.
"Sin acceso a nuestros laboratorios, nos quedamos con una sola forma de establecer qué estaba haciendo la condensación II", dijo Hoencamp. "Necesitábamos crear un programa de computadora que pudiera simular los efectos de la condensina II en la cadena de cientos de millones de letras genéticas que componen cada cromosoma humano".
El equipo se dirigió al Dr. José Onuchic, la Cátedra de Física Harry C. y Olga K. Wiess en Rice. "Nuestras simulaciones demostraron que al destruir la condensina II, se puede hacer que un núcleo humano se reorganice para parecerse a un núcleo de mosca", dijo Onuchic, codirector de CTBP, que incluye colaboradores en Rice, Baylor, Northeastern University y otras instituciones en Houston y Boston. .
Las simulaciones fueron realizadas por un equipo dentro del laboratorio de Onuchic en CTBP, dirigido por el becario postdoctoral y co-primer autor Dr. Sumitabha Brahmachari, que trabaja con el Dr. Vinicius Contessoto, un ex postdoctorado en CTBP, y la Dra. Michele Di Pierro, estudiante senior de CTBP investigador y actualmente profesor asistente en Northeastern University.
"Comenzamos con un estudio increíblemente amplio de 2 mil millones de años de evolución nuclear", dijo Brahmachari. "Y descubrimos que todo se reduce a un mecanismo simple, que podemos simular y recapitular, por nuestra cuenta, en un tubo de ensayo. Es un paso emocionante en el camino hacia un nuevo tipo de ingeniería del genoma: en 3D. ! "
El trabajo en Rice, Baylor y Northeastern fue apoyado por la National Science Foundation (NSF), el Welch Institute, los National Institutes of Health, el Behavioral Plasticity Research Institute apoyado por NSF, IBM, el Pawsey Supercomputing Center e Illumina Inc.
