La expresión génica se controla, en parte, por las interacciones entre genes y elementos reguladores ubicados a lo largo del genoma. Esas interacciones dependen de la capacidad de la cromatina —una mezcla de ADN y proteínas— para moverse dentro de un espacio abarrotado.

En un nuevo estudio, investigadores del MIT han medido el movimiento de la cromatina en escalas de tiempo que van desde cientos de microsegundos hasta horas, lo que les ha permitido cuantificar rigurosamente esas dinámicas por primera vez.

Su análisis reveló que la cromatina puede existir en dos categorías diferentes: en una, la cromatina se mueve de manera restringida, lo que le permite contactar principalmente regiones vecinas del genoma; en la otra, la cromatina se mueve más libremente y contacta regiones que están más alejadas, pero solo en escalas de tiempo más largas.

Los hallazgos ofrecen una visión sobre cómo se regula la expresión génica, así como sobre cómo los segmentos de cromatina se unen para otros procesos, como la reparación del ADN, según indican los investigadores.

“Debido a que pudimos observar la dinámica de la cromatina por primera vez en estas escalas de tiempo muy rápidas, y también por primera vez en todo el rango dinámico completo, pudimos observar el movimiento de la cromatina en un rango que simplemente no era posible antes”, dice Anders Sejr Hansen, profesor asociado de ingeniería biológica en el MIT y autor principal del nuevo estudio, que aparece hoy en Nature Structural and Molecular Biology.

Los autores principales del artículo son el postdoctorando del MIT Matteo Mazzocca, Domenic Narducci PhD ’25 y Simon Grosse-Holz PhD ’23. Jessica Matthias, directora comercial de Abberior Instruments, y Tatiana Karpova, directora del Optical Microscopy Core del National Cancer Institute, también son autoras del artículo.

Movimiento restringido

En los libros de texto, a menudo se representa la cromatina como una estructura estática dentro del núcleo celular, pero en realidad, está en constante movimiento. Estos movimientos son necesarios para que los genes interactúen con secuencias reguladoras de ADN, como los potenciadores, que pueden estar tan lejos como a 1 millón de pares de bases. También aseguran que, cuando ocurren rupturas en el ADN, los dos extremos del mismo puedan encontrarse para ser reparados.

“La dinámica de la cromatina es fundamental para todos los procesos en el núcleo, y especialmente para los procesos que implican que dos cosas se encuentren entre sí. Eso es importante en la reparación del ADN, la regulación génica, la recombinación o el movimiento de un gen particular al compartimento correcto del núcleo”, dice Hansen.

El movimiento de cualquier localización en particular del genoma, o locus, está restringido por el hecho de que el ADN es un polímero. Después de moverse en cualquier dirección, un locus será tirado hacia atrás por el ADN a cada lado del mismo.

“Los cromosomas son polímeros. Están unidos por muchos nucleótidos de ADN. Formar parte del ADN es un poco como correr agarrado de las manos de otras personas. Si cien personas están tomadas de las manos y tú, en el medio de la cadena, intentas correr en una dirección, te tirarán hacia atrás”, dice Hansen.

Este tipo de comportamiento se conoce como movimiento subdifusivo. Estudios previos han mostrado informes contradictorios sobre cuán subdifusiva es la cromatina, principalmente porque los estudios no pudieron rastrear el movimiento durante un periodo de tiempo lo suficientemente prolongado para obtener mediciones estadísticamente robustas. Como los movimientos son tan pequeños, del orden de nanómetros, se necesita obtener datos en rangos dinámicos extensos, desde milisegundos hasta horas.

En esos estudios previos, los investigadores usaron técnicas de imágenes que pueden rastrear la posición de una sola molécula a lo largo del tiempo comparando imágenes cuadro por cuadro. Estas son útiles, pero solo pueden usarse en un pequeño rango dinámico debido a las limitaciones de la microscopía convencional.

Para generar datos más robustos estadísticamente, el equipo del MIT utilizó MINFLUX, una técnica de microscopía de luz de superresolución que puede rastrear el movimiento de objetos diminutos como proteínas durante periodos de tiempo más extensos. Esta técnica fue desarrollada recientemente por Stefan Hell, del Instituto Max Planck, galardonado con el Premio Nobel por su trabajo en microscopía de superresolución. En este estudio, el equipo del MIT fue el primero en aplicar esta técnica a la cromatina en células vivas.

“MINFLUX nos permitió superar las limitaciones de la microscopía convencional, permitiéndonos medir el movimiento de la cromatina más rápido y durante más tiempo que nunca antes”, señala Narducci. “Hasta donde sabemos, es la primera vez que se usa esta técnica de esta manera.”

Utilizando MINFLUX, los investigadores pudieron estudiar células en escalas de tiempo que abarcaban cuatro órdenes de magnitud —de 200 microsegundos a 10 segundos—. Al combinar MINFLUX con dos técnicas de imagen tradicionales, pudieron rastrear el movimiento de la cromatina a lo largo de siete órdenes de magnitud en el tiempo, desde cientos de microsegundos hasta varias horas.

“Región de influencia”

Estos estudios, realizados en varios tipos de células de ratón y humanas, permitieron a los investigadores identificar dos clases distintas de dinámica de la cromatina. En ambas clases, en escalas de tiempo cortas e intermedias (hasta 200 segundos), cualquier locus tiende a moverse solo dentro de unos 200 nanómetros. Esto sugiere que la atracción subdifusiva es más fuerte de lo que se pensaba anteriormente.

“Uno de los principales hallazgos es que tienes esta región de influencia donde un locus genómico tiene acceso a otros loci genómicos, y esto es de aproximadamente un par de cientos de nanómetros”, dice Grosse-Holz. “Si los loci están mucho más cerca entre sí que un par de cientos de nanómetros, efectivamente están en contacto todo el tiempo. Hay un límite en un par de cientos de nanómetros donde todo lo que está dentro de esa región alrededor de un locus dado puede ver ese locus, y todo lo que está fuera no puede.”

Este contacto constante probablemente sea beneficioso para la reparación del ADN, ya que las hebras rotas permanecen en proximidad cercana entre sí. Los hallazgos también sugieren que para los genes y elementos reguladores que están a menos de 100,000 pares de bases, no necesitan ayuda extra para encontrarse: lo harán rutinariamente mediante su movimiento normal.

“Si están más cerca de 100,000 bases, y la mayoría de los elementos reguladores lo están, entonces esos elementos encontrarán su gen objetivo en unos pocos milisegundos o unos minutos”, comenta Mazzocca. “Estas son escalas de tiempo completamente consistentes con la transcripción.”

En la otra clase de dinámica de la cromatina que los investigadores identificaron, la cromatina puede moverse sobre un rango más amplio, pero solo en escalas de tiempo más largas (de unos minutos a horas). Esta clase de cromatina apareció en algunos tipos de células, pero no en otras, por razones que aún no se comprenden.

“Sería razonable suponer que el comportamiento sería más o menos igual en todos los tipos celulares, pero eso no es lo que encontramos”, observa Hansen. “Es muy diferente en diferentes tipos de células, sin una forma clara de categorizar las cosas.”

Agrega que la fuerza del tirón subdifusivo que encontraron los investigadores en este estudio no puede explicarse con los modelos existentes desarrollados para estudiar la dinámica de la cromatina —el modelo de Rouse y el modelo de glóbulo fractal—. Esto sugiere que los modelos podrían necesitar incorporar factores que hasta ahora se habían dejado de lado, como las interacciones entre la cromatina y el nucleoplasma abarrotado en el que se encuentra.

“Estos hallazgos son significativos por dos razones clave”, afirma Luca Giorgetti, líder de grupo en el Instituto Friedrich Miescher para la Investigación Biomédica en Suiza, quien no participó en el estudio. “Primero, confirman rigurosamente observaciones antiguas pero anecdóticas de que el movimiento de la cromatina es fuertemente subdifusivo. Segundo, demuestran que este comportamiento es consistente entre múltiples tipos de células y persiste en todas las escalas de tiempo medidas.”

La investigación fue financiada, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud de EE.UU., un premio CAREER de la National Science Foundation, un premio Pew-Stewart Scholar for Cancer Research, y el Bridge Project, una colaboración entre el Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT y el Dana-Farber/Harvard Cancer Center.

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