Determinan la primera estructura tridimensional del genoma de una bacteria

Publicado en la revista 'Molecular Cell'
Un equipo de investigadores de la Universidad de Massachussetts, de la Harvard Medical School, de la Universidad de Standford y del Centro de Investigación Príncipe Felipe de Valencia han descifrado la estructura tridimensional del cromosoma de la bacteria Caulobacter crescentus. El análisis de la estructura resultante revela nuevas pruebas sobre la función de las secuencias genéticas responsables de su arquitectura.

Imagen tridimensional del genoma de la bacteria  Caulobacter  crescentus 

Hasta el momento, los científicos conocían que la arquitectura de los genomas desempeña un papel relevante en la regulación genética de las células. Por lo tanto, el conocimiento de la arquitectura de un genoma puede ser utilizado tanto para interpretar como para predecir funciones genéticas y celulares.

Sin embargo hasta ahora las limitaciones técnicas hacían imposible el estudio estructural de genomas enteros. Este nuevo trabajo, publicado esta semana en la revista Molecular Cell, muestra el primer modelo tridimensional de un genoma entero de bacteria.

El análisis de las estructuras resultantes desvela la localización tridimensional del sitio genómico llamado parS y la definición del mismo como el principal regulador de la arquitectura del cromosoma de Caulobacter crescentus.

Mark Umbarger, co-autor del artículo e investigador de la Universidad de Harvard, indica que “al inicio del proyecto, las tecnologías existentes resultaban insatisfactorias para conocer qué elementos regulan la arquitectura del genoma de Caulobacter crescentus, por lo que decidimos desarrollar nuevas técnicas que integraran experimentos y computación”.

Los métodos resultantes permiten estudiar la arquitectura de genomas enteros a través de la combinación de técnicas que incluyen la detección de interacción de cromatina, la modelación computacional y la microscopía de fluorescencia.

Como afirma Job Dekker, pionero en la tecnología 5C y uno de los responsables del estudio, “el trabajo aporta una nueva aproximación al análisis de la estructura cromosómica, ya que hemos mostrado que es posible combinar tecnología molecular con la tecnología de modelación tridimensional para llevar a cabo estudios sobre la estructura del cromosoma, aportando nuevos datos para saber cómo funciona y para identificar cuáles son las secuencias genéticas responsables de la arquitectura del genoma”.

La posibilidad de realizar estudios de la estructura funcional en los cromosomas tiene el potencial de revelar nuevos datos sobre el genoma. “Este estudio ilustra cómo una investigación de la estructura tridimensional de un genoma puede proporcionar nuevas perspectivas sobre cómo las complejas relaciones entre la secuencia del genoma y la estructura pueden afectar a la función. Sin el estudio de la arquitectura genómica no podríamos identificar nuevas secuencias genómicas que son importantes en la función celular y en la estructura”, afirma Dekker.

"Sin el estudio de la arquitectura genómica no podríamos identificar nuevas secuencias genómicas importantes en la función celular y en la estructura"

Las últimas tecnologías

Los investigadores utilizaron la tecnología 5C para mapear más de 28.700 puntos de contacto en el genoma de la bacteria Caulobacter crescentus y emplearon estos puntos para hacer aproximaciones acerca de la distancia espacial en el cromosoma plegado de la bacteria.

Conectados a un modelo computacional, estos puntos revelaron la estructura del cromosoma de la bacteria, que presentaba una forma elipsoidal con brazos dispuestos helicoidalmente en ambos lados. Marc A. Marti-Renom, biólogo computacional que lidera el Laboratorio de Genómica Estructural del Centro de Investigación Príncipe Felipe, indica que este trabajo “demuestra que los métodos híbridos que combinan mapas 5C con computación están produciendo modelos tridimensionales de genomas completos a una resolución sin precedentes, que permiten, por primera vez, precisar los elementos reguladores responsables de organizar la arquitectura de un genoma”.

De hecho, los modelos tridimensionales del genoma del Caulobacter crescentus, confirmados con microscopía de fluorescencia, ilustran que la secuencia parS, situada en el extremo de un brazo del cromosoma, podría servir como ancla y ser instrumental en la definición de la estructura del genoma.

Para ello, el equipo de investigadores desarrolló una bacteria mutante en la que la secuencia parS había cambiado su posición normal. Construyendo modelos de la forma de esta bacteria transgénica, los científicos observaron un cambio en la estructura del genoma, de manera que ésta había rotado en el sentido de las agujas del reloj. Según Umbarger, “nos sorprendió que con el desplazamiento de una secuencia del genoma de solo 500 pares de base, el genoma entero, es decir las 4 millones de pares de bases, se trasladara completamente”.

Al modificar la posición de parS, la arquitectura del cromosoma volvía a cambiar reposicionando estas ubicaciones hacia los polos de la célula. “Este trabajo demuestra por primera vez los efectos que una perturbación en la secuencia de un genoma puede tener en su estructura tridimensional. Moviendo el punto de anclaje del cromosoma de Caulobacter crescentus se reorienta todo su genoma”, apunta Esteban Toro, autor de la Universidad de Stanford. 

Estos resultados sugieren que la localización de parS en la bacteria Caulobacter crescentus determina la orientación y la estructura global del genoma entero y actúa como el único elemento de la secuencia que establece anclaje del cromosoma a la célula. Como señala Dekker, “encontramos que la localización parS estaba actuando de una manera diferente de lo que era conocido previamente, y que cambiando las localizaciones, el proceso de separación de cromosomas durante la división celular ocurre más tarde y requiere la replicación de ADN extra antes de que el cromosoma comience a separarse en dos”.

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